Περιγραφή Υβριδικού Γεωθερμικού Συστήματος στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Αρχική Σελίδα
Γενική Περιγραφή Συστημάτων
Υβριδικό Σύστημα ΕΜΠ
Υπηρεσίες
Έρευνα- Δημοσιεύσεις
Σύνδεσμοι
Επικοινωνία

«η σελίδα αυτή δημιουργήθηκε στα πλαίσια του Μέτρου 8.3 του Ε.Π.
Ανταγωνιστικότητα Γ΄ Κοινοτικό Πλαίσιο Στήριξης και συγχρηματοδοτείται
κατά:

  • 80% της Δημόσιας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή ΄Ενωση - Ευρωπαϊκό
    Κοινωνικό Ταμείο

  • 20% της Δημόσιας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο - Υπουργείο
    Ανάπτυξης - Γενική Γραμματεία ΄Έρευνας και Τεχνολογίας»

 

 

 

 

 

 

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
 Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων- Μεταλλουργών.
Tομέας Mεταλλευτικής, Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής

 

Περιγραφή υβριδικού γεωθερμικού συστήματος στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, έχει σχεδιαστεί – εγκατασταθεί και λειτουργεί, ένα υβριδικό γεωθερμικό σύστημα, προκειμένου να καλύψει της ανάγκες θέρμανσης και ψύξης του κτιρίου B-Φάσης της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων- Μεταλλουργών, στην Πολυτεχνειούπολη του Ζωγράφου. Η συνολική έκταση των κλι­ματιζόμενων χώρων είναι περίπου 3500 m2 (εικόνα 1).


Ntua 3d model
Εικόνα 1: Τρισδιάστατο θερμικό μοντέλο του κτιρίου

To εν λόγω σύστημα αξιοποιεί υβριδικά τόσο τη θερμοαποθηκευτική ικανότητα των πετρωμάτων, μέσω ενός κλειστού κυκλώματος κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών, όσο και το θερμικό περιεχόμενο ενός υπόγειου ταμιευτήρα, μέσω ενός ανοικτού κυκλώματος υδρογεωτρήσεων.
Για τον κλιματισμό του κτιρίου χρησιμο­ποιούνται δυο ηλεκτροκίνητες γεωθερμικές αντλίες θερμότητας νερού-νερού κα­τασκευής Interklima ισχύος, 198kWh/170kWc (ΑΘ-1) και 328kWh/291kWc (ΑΘ-2) αντίστοιχα (Πίνακας 1).
Πίνακας 1: Στοιχεία λειτουργίας των αντλιών θερμότητας του συστήματος

 

Αντλία Θερμότητας 1

Αντλία Θερμότητας 2

 

Θέρμανση

Ψύξη

Θέρμανση

Ψύξη

Απόδοση συμπυκνωτή

198 kW

219 kW

328 kW

379 kW

Εισροή θερμού νερού

41 C

29 C

30 C

31 C

Εκροή θερμού νερού

47 C

35 C

45 C

37 C

Παροχή θερμού νερού

30,6 m3/h

34 m3/h

9,4 m3/h

54,4 m3/h

Πτώση πίεσης

20 KPa

25 KPa

827 KPa

27 KPa

 

 

 

 

 

Απόδοση εξατμιστή

139 kW

170 kW

234 kW

291 kW

Εισροή ψυχρού νερού

12 C

12 C

10 C

12 C

Εκροή ψυχρού νερού

6 C

6 C

4 C

6 C

Παροχή ψυχρού νερού

21,8 m3/h

26,7 m3/h

33,5 m3/h

41,7 m3/h

Πτώση πίεσης

16 KPa

23 KPa

24 KPa

36 KPa

Κατανάλωση ενέργειας

58,6 kW

48,9 kW

94 kW

88 kW

Συντελεστής απόδοσης αντλίας

3,4

3,5

3,5

3,3

Πηγή: NEK Umwelttechnik A.G, Papageorgakis, 1996


Το δευτερεύον κύκλωμα των αντλιών θερμότητας τροφοδοτεί δοχείο αδρανείας 5m3, ενώ μια σειρά κυκλοφορητών τροφοδοτεί, μέσω συλ­λεκτών, εναλλάκτες αέρος-νερού (fan-coils) εγκατεστημένους στους κλιματιζόμενους χώρους του κτιρίου. Η παρεμβολή του δοχείου αδρανείας μεταξύ των αντλιών θερμότητας και του συστήματος θέρμανσης/ψύξης του κτιρίου αναβαθμίζει τη σταθερότητα του συστήματος λειτουργώντας ρυθμιστικά στη συχνότητα των κύκλων λειτουργίας των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας.
Τα σύστημα μπορεί να διαιρεθεί ουσιαστικά σε δυο διακριτά τμήματα. Το τμήμα που αφορά στην ΑΘ-1 (Εικόνα 2.α), η οποία συνδυάζει στο πρωτεύον κύκλωμά της ένα πεδίο κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών και ένα πλακοειδή εναλλάκτη θερμότητας (ΠΕ-1) ονομαστικής ισχύος 150kW, και το τμήμα που αφορά στην ΑΘ-2 (Εικόνα 2.β) όπου αξιοποιείται μόνο το θερμικό περιεχόμενο του υπόγειου υδροφορέα μέσω ενός δεύτερου πλακοειδούς εναλλάκτη θερμότητας (ΠΕ-2) με 350kW ονομαστική ισχύ (Εικόνα 3.α) .

 

w  ww

Εικόνα 2: α) Αντλία θερμότητας Α.Θ 1 και β) Α.Θ. 2τουυβριδικούσυστήματος

Το πεδίο των κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών αποτελείται από 12 γεωτρήσεις βάθους 90-95m και διαμέτρου 8 ½ ιντσών (Εικόνα 3.β). Κάθε γεώτρηση περιλαμβάνει ζεύγος αγωγών πολυαιθυλενίου υψηλής πυκνότητας (HDPE) διαμέτρου 32 mm και σχήματος U. Το πληρωτικό υλικό των γεωτρήσεων είναι μείγμα άμμου, τσιμέντου και μπεντονίτη, εξασφαλίζοντας την απαραίτητη θερμική αγωγιμότητα μεταξύ σωλήνων και περιβάλλοντος εδάφους και ταυτόχρονα την προστασία των πλαστικών αγωγών. Το ρευστό μεταφοράς θερμότητας στους γεωεναλλάκτες είναι καθαρό νερό, ενώ η κυκλοφορία του στις γεωτρήσεις εξασφαλίζεται με αντλία – κυκλοφορητή μέσω συλλεκτών.

saas

Εικόνα 3: α) Πλακοειδής εναλλάκτης θερμότητας Π.Ε-2 β) Διανομείς νερού στους γεωεναλλάκτες


 

 

Κατά τη διάρκεια του κύκλου θέρμανσης αντλείται θερμότητα από το υπέδαφος. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια του κύκλου ψύξης αφαιρείται θερμότητα από τον αέρα του κτιρίου και αποδίδεται στο υπέδαφος. Έτσι, το υπέδαφος λειτουργεί ουσιαστικά σαν εποχιακή θερμική αποθήκη.
Η γεωλογία της περιοχής του πεδίου των κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών δομείται ουσιαστικά από τρία στρώματα. Το πρώτο στρώμα, το οποίο φτάνει σε βάθος 40m, χαρακτηρίζεται από ασθενώς συγκολλημένα γωνιώδη θραύσματα μαρμάρου (ψηφίδες) με μικρό ποσοστό αργιλοπηλών (πρόκειται για κορήματα από την πλαγιά του Υμηττού). Το δεύτερο στρώμα χαρακτηρίζεται κυρίως από μαύρους αργιλικούς σχιστόλιθους με παρεμβολές λεπτοπλακωδών μαρμάρων και φτάνει σε βάθος περίπου 90m. Το κατώτερο στρώμα εκτείνεται σε βάθος μεγαλύτερο της υδρογεώτρησης και αποτελείται από συμπαγές μάρμαρο Υμηττού.

Η αξιοποίηση του θερμικού περιεχομένου του υπόγειου υδροφορέα γίνεται μέσω υδρογεώτρησης βάθους 280m, όπου αντλείται νερό με παροχή 35-37m3/h και μέση θερμοκρασία 22 °C και διανέμεται στο πρωτεύον κύκλωμα των δυο πλακοειδών εναλλακτών θερμότητας. Το νερό που αντλείται, επανέρχεται στον υδροφόρο ορίζοντα μέσω γεώτρησης επανεισαγωγής. Ο συνδυασμός των δυο κυκλωμάτων στο τμήμα της ΑΘ-1 γίνεται με μίξη, στην είσοδο της αντλίας, των κυκλοφορούντων ρευστών του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών και του δευτερεύοντος κυκλώματος του ΠΕ-1, και αναδιανομή στην έξοδο αυτής. Στην Εικόνα 4 που ακολουθεί, απεικονίζεται σχηματικά το γεωθερμικό σύστημα αντλιών θερμότητας.

sd
Εικόνα 4: Σχηματική αναπαράσταση του γεωθερμικού συστήματος αντλιών θερμότητας

Η λειτουργία των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας του συστήματος, ελέγχεται μέσω θερμοστάτη στο δοχείο αδρανείας του μηχανοστασίου, προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή θερμοκρασία εισόδου στο δίκτυο θέρμανσης/ψύξης του κτιρίου. Στη λειτουργία θέρμανσης, δίνεται εντολή εκκίνησης στις δυο αντλίες θερμότητας του συστήματος μέχρις ότου η θερμοκρασία στο δοχείο αδρανείας φτάσει τους 45 C. Κυρίαρχο ρόλο στην επίτευξη του θερμοκρασιακού στόχου σε κάθε επόμενο κύκλο έχει η ΑΘ-1,  με βήμα υστέρησης 2 C, ενώ η ΑΘ-2 ενεργοποιείται όταν η ισχύς της πρώτης δεν επαρκεί για την κάλυψη των φορτίων με αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας του δοχείου αδρανείας. Στη λειτουργία ψύξης, η επιδιωκόμενη θερμοκρασία στο δοχείο αδρανείας είναι 7 C καθορίζοντας τη εκκίνηση και παύση της ΑΘ-1, ενώ σε αντιστοιχία με τη λειτουργία θέρμανσης, η ΑΘ-2 ενεργοποιείται όταν λόγω υψηλών φορτίων η ΑΘ-1 αδυνατεί να μειώσει τη θερμοκρασία του δοχείου αδρανείας στο επιθυμητό όριο.
Το υβριδικό γεωθερμικό σύστημα παρέχει συνολική εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης του 40% σε σχέση με συμβατικά συστήματα ψύξης και θέρμανσης.
Στην παρούσα γεωθερμική εγκατάσταση, έχει τοποθετηθεί ολοκληρωμένο σύστημα συνεχούς καταγραφής και παρακολούθησης της θερμοκρασίας, της ροής και της πίεσης σε κάθε κρίσιμο μέρος του (είσοδος- έξοδος αντλιών, γεωεναλλακτών, επιφανειακών εναλλακτών, κ.α) (Εικόνα 5). Επίσης καταγράφεται η συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και οι ώρες λειτουργίας του συστήματος, με σκοπό την ρεαλιστική αποτίμηση της ενεργειακής του απόδοσης.

assa

Εικόνα 5: Όργανα καταγραφής στην είσοδο και έξοδο της αντίας θερμότητας Α.Θ-1

Τα αποτελέσματα από την παρακολούθηση και καταγραφή, σε συνδυασμό με την αναλυτική προσομοίωση του συστήματος, αξιοποιούνται για την διερεύνηση αποτελεσματικών παρεμβάσεων που στοχεύουν στην  βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης και λειτουργίας του συστήματος.