Προσομοίωση Συστημάτων Αβαθούς Γεωθερμίας με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη διερεύνηση, ανάλυση, αξιολόγηση της λειτουργίας και της απόδοσης υπεδαφικών αποθηκών θερμικής ενέργειας σε συνδυασμό με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας και εμβαθύνει στη συστηματική μελέτη και ανάλυση καίριων θεμάτων της λειτουργίας των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών θερμότητας όπως: • Τα μεταβατικά φαινόμενα (transient phenomena) που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία κάθε επιμέρους τμήματος και η ενσωμάτωσή τους σε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση του συστήματος για τον προσδιορισμό της επίδρασής τους, τόσο βραχυπρόθεσμα, όσο και μακροπρόθεσμα, στην ενεργειακή του απόδοση. • Η «αειφορία» (sustainability) του συστήματος και η εποχική διακύμανση της απόδοσής του, με στόχο τη βιώσιμη αξιοποίηση του υπεδάφους ως πηγή (θέρμανση-αποφόρτιση) και ως αποθήκη (ψύξη-φόρτιση) θερμότητας. • Η ενεργειακή ανάλυση του συστήματος σε επίπεδο μεταφερόμενης ενέργειας και του αντίστοιχου ρυθμού μεταφοράς σε κάθε επιμέρους τμήμα του, με στόχο τον ακριβή προσδιορισμό του συντελεστή απόδοσης των αντλιών θερμότητας και της ενεργειακής κατανάλωσης των επιμέρους δομικών του μονάδων. Σε αυτό το πλαίσιο, εστιάζει στην υιοθέτηση και αξιοποίηση μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τη μοντελοποίηση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών θερμότητας, με στόχο την ταυτόχρονη απόδοση της συσχέτισης και της δυναμικής αλληλεπίδρασης του κτιρίου, των συστημάτων διανομής θερμότητας, των αντλιών θερμότητας και της υπεδαφικής αποθήκης, υπό την επίδραση των εξωτερικών κλιματικών συνθηκών και των προτύπων χρήσης του κτιρίου. Χρησιμοποιεί τη δυναμική προσομοίωση (dynamic simulation) ως βασική μεθοδολογία, η οποία παρέχει τη δυνατότητα ολοκληρωμένης προσέγγισης του συνόλου των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα, και των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται σε αυτές, κατά τη λειτουργία των εν λόγω συστημάτων. Η λεπτομερής μοντελοποίηση παρέχει δυνατότητα άντλησης γνώσης, θεωρητικής ανάλυσης και μαθηματικής αντιμετώπισης σε σειρά επιμέρους και ιδιαίτερων προβλημάτων που συνθέτουν το συνολικό πρόβλημα της λειτουργίας. Στον τομέα της μοντελοποίησης των γεωθερμικών συστημάτων αντλιών θερμότητας, το σημαντικότερο ίσως θέμα στην αποκωδικοποίηση του θερμικού προβλήματος κατά τη λειτουργία τους αποτελεί η συχνή εναλλαγή της κατάστασης λειτουργίας (παύση/εκκίνηση) των αντλιών θερμότητας και των κυκλοφορητών του συστήματος ως αποτέλεσμα των μεταβαλλόμενων θερμικών φορτίων του κτιρίου. Χαρακτηριστικά, σε ένα σύστημα κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών το φαινόμενο εξελίσσεται σε συνθήκες πλήρους ή μηδενικής ροής. Οι προσεγγίσεις σταθερής κατάστασης (steady-state models), είτε αγνοούν τις μεταβατικές αυτές επιδράσεις, είτε χρησιμοποιούν συντελεστές συνόρθωσης στους τελικούς τους υπολογισμούς. Στη φάση του σχεδιασμού, τα συστηματικά σφάλματα που υπεισέρχονται σε μια τέτοια προσέγγιση μπορούν να οδηγήσουν σε εντελώς διαφορετικό σχεδιασμό από εκείνον που θα ακολουθούνταν βάσει δυναμικών μοντέλων προσομοίωσης. Για την ολοκληρωμένη προσέγγιση και ανάλυση των παραπάνω βασικών θεμάτων χρησιμοποιήθηκε ως βάση το γεωθερμικό σύστημα αντλιών θερμότητας του κτιρίου ΜεταλλειολόγωνΗλεκτρολόγων Β’ Φάσης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για τη δημιουργία ενός δυναμικού μοντέλου προσομοίωσης. Το εν λόγω σύστημα, γνωστό και ως «σύστημα Παπαγεωργάκη» καθώς αποτέλεσε έμπνευση του αείμνηστου καθηγητή Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών κυρίου Ι. Παπαγεωργάκη, αναπτύχθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού Προγράμματος THERMIE BU 468 94 HE της DG TREN και 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. Το δυναμικό μοντέλο προσομοίωσης, με ειδική και γενικότερη εφαρμογή: • αντιμετωπίζει το γεωθερμικό σύστημα αντλιών θερμότητας ως ένα ενιαίο σύνολο διαρκώς μεταβαλλόμενων αλληλεπιδράσεων μεταξύ κτιρίου, συστήματος αντλιών θερμότητας και υπεδαφικής πηγής-αποθήκης, επιλύοντας και συνθέτοντας τα επιμέρους θερμικά προβλήματα σε ένα ολοκληρωμένο, βρογχοειδές και ανατροφοδοτούμενο κύκλωμα ροής πληροφοριών, • επιτρέπει την ανάλυση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα σε κάθε φάση λειτουργίας του συστήματος, τόσο κατά τις μεταβατικές, όσο και κατά τις περιόδους "σταθερής κατάστασης", και την πρόβλεψη των ενεργειακών επιδόσεων του συστήματος τόσο βραχυπρόθεσμα, όσο και μακροπρόθεσμα, • εξασφαλίζει τη δυνατότητα της συστηματικής διερεύνησης τόσο της απόδοσης του συστήματος, όσο και της εποχικής διακύμανσής της λόγω της αλληλεπίδρασής του με την υπεδαφική πηγή-αποθήκη, το θερμικό περιεχόμενο της οποίας μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια ενός ετήσιου κύκλου λειτουργίας, και • παρέχει τη δυνατότητα αποτύπωσης οριακών καταστάσεων λειτουργίας του συστήματος και την ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου ή/και παρέμβασης για τη βελτιστοποίησή του. Αναπτύχθηκε το εννοιολογικό μοντέλο του συστήματος και προσδιορίστηκαν οι βασικές διεργασίες, οι κόμβοι συσσώρευσης και οι ροές πληροφορίας μεταξύ των διεργασιών για την εξασφάλιση της αλληλουχίας και του τρόπου αλληλοσύνδεσης μεταξύ των υποσυστημάτων που συγκροτούν το σύνολο της εγκατάστασης. Το μοντέλο προσομοίωσης αξιολογήθηκε στη βάση πειραματικών μετρήσεων κατά τη λειτουργία της εγκατάστασης και μετρήσεων της θερμικής απόκρισης των κάθετων γεωεναλλακτών (TRT). Επιβεβαιώθηκε η δυνατότητα του μοντέλου προσομοίωσης να αποδίδει ορθά το θερμικό πρόβλημα, τόσο στο πεδίο των κάθετων γεωεναλλακτών, όσο και στο σύνολο του συστήματος. Αναλύθηκαν διεξοδικά τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία του γεωθερμικού συστήματος αντλιών θερμότητας σε ένα πλήρη ετήσιο κύκλο, και η ανάλυση εστιάστηκε στη μεταβατική λειτουργία του συστήματος με κύριες συνιστώσες τα διαρκώς μεταβαλλόμενα θερμικά φορτία του κτιρίου, το κεντρικό σύστημα θερμοκρασιακής διαχείρισης στα επιμέρους τμήματα της εγκατάστασης (συχνή εναλλαγή της κατάστασης λειτουργίας (παύση/εκκίνηση) των αντλιών θερμότητας και των κυκλοφορητών του συστήματος) και ασφαλώς τα πολύπλοκα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας από και προς την υπεδαφική αποθήκη. Τα αποτελέσματα του μοντέλου αξιολογήθηκαν στη βάση των διακυμάνσεων που προσδιορίστηκαν για κρίσιμες παραμέτρους όπως, ο συντελεστής απόδοσης των αντλιών θερμότητας, η αντίστοιχη κατανάλωση ισχύος, ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας στα επιμέρους κυκλώματα των αντλιών θερμότητας και στα κυκλώματα του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών και των πλακοειδών εναλλακτών θερμότητας. Στο σύνολό της, η ανάλυση αυτή κατέδειξε ότι, η προσέγγιση αντίστοιχων συστημάτων, και των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία τους, ως «σταθερής κατάστασης» ενέχει σημαντικούς παράγοντες σφάλματος κατά τη διαστασιολόγησή τους και τον υπολογισμό της συνολικής ενεργειακής τους απόδοσης. Η απλή θεώρηση ενός σταθερού συντελεστή απόδοσης κατά τη διάρκεια λειτουργίας του συστήματος σε κάθε φάση (ψύξη και θέρμανση), οδηγεί σε εσφαλμένες εκτιμήσεις, τόσο όσον αφορά στην τελική ενεργειακή κατανάλωση του συστήματος, όσο και στον προσδιορισμό της απόδοσης όλων των επιμέρους τμημάτων του. Η προγνωστική ανάλυση της λειτουργίας του συστήματος επεκτάθηκε στον έλεγχο της μακροπρόθεσμης λειτουργίας του και της ορθολογικής αξιοποίησης της υπεδαφικής πηγής-αποθήκης με κύριες συνιστώσες:  Τον προσδιορισμό της θερμοκρασιακής διακύμανσης της υπεδαφικής αποθήκης σε ετήσιο και πενταετή κύκλο λειτουργίας και την αξιολόγηση της βιωσιμότητας της υπεδαφικής αποθήκευσης θερμότητας τόσο εποχικά όσο και σε βάθος χρόνου.  Τη διερεύνηση και αξιολόγηση της επίδρασης της περιοδικής «φόρτισης» και «αποφόρτισης» της υπεδαφικής αποθήκης στην απόδοση των αντλιών θερμότητας του συστήματος.  Την ενεργειακή ανάλυση των κύριων δομικών μονάδων του συστήματος, σε επίπεδο μεταφερόμενης ενέργειας, ρυθμού μεταφοράς ενέργειας και συνεισφοράς στην κάλυψη των ενεργειακών απαιτήσεων του κτιρίου. Στo πλαίσιo αυτό, αποτυπώθηκε η σταδιακή «φόρτιση» και «αποφόρτιση» του υπεδάφους στην περιοχή του πεδίου των γεωεναλλακτών κατά τη λειτουργία του συστήματος, ενώ διαπιστώθηκε αύξηση της θερμοκρασίας της υπεδαφικής αποθήκης κατά 0.7 oC, στο τέλος ενός πλήρους ετήσιου κύκλου λειτουργίας, λόγω της υψηλής κτιριακής απαίτησης σε ψύξη. Ωστόσο, η περαιτέρω διερεύνηση της διαμόρφωσης της εν λόγω θερμοκρασίας σε βάθος πενταετίας, κατέδειξε τη σταθεροποίησή της στους 22.4 oC στο τέλος κάθε επόμενου έτους, μετά την παρέλευση της πενταετίας. Η αναλυτικότερη διερεύνηση της επίδρασης της θερμοκρασιακής μεταβολής της υπεδαφικής πηγής στην απόδοση των επιμέρους στοιχείων του συστήματος κατά τη λειτουργία θέρμανσης, ανέδειξε ότι το μέγεθος της επίδρασης, καθορίζεται, τόσο από τη σταδιακή «αποφόρτιση» του υπεδάφους κατά τη λειτουργία του συστήματος, η οποία οδηγεί σε μείωση του συντελεστή απόδοσης της αντλίας θερμότητας, λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας του υπεδαφικού σχηματισμού στην περιοχή του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών, όσο και από τη «φόρτιση» της υπεδαφικής αποθήκης κατά την ψυκτική λειτουργία του συστήματος, η οποία και διαμορφώνει τις «νέες» δυνατότητες εναλλαγής θερμότητας με το υπεδαφικό κύκλωμα στις αρχές της δεύτερης περιόδου θέρμανσης. Στη δεύτερη περίπτωση, η αυξημένη θερμοκρασία του υπεδαφικού σχηματισμού οδηγεί σε υψηλότερο ρυθμό μεταφοράς ενέργειας στο πρωτεύον κύκλωμα της αντλίας θερμότητας, και επίσης αυξημένο συντελεστή απόδοσης κατά τη λειτουργία της. Η παραπάνω ανάλυση συνέβαλε σημαντικά στην κατανόηση του μηχανισμού της υπεδαφικής αποθήκευσης θερμότητας και καθόρισε το ρόλο της μακροπρόθεσμης λειτουργικής βιωσιμότητας ως κύριας παραμέτρου στο σχεδιασμό αντίστοιχων συστημάτων, αναδεικνύοντας ότι στα πλαίσια ενός ορθολογικού σχεδιασμού, πρέπει να εξασφαλίζεται το ισοζύγιο μεταξύ της εποχικής φόρτισης και αποφόρτισης της υπεδαφικής αποθήκης ή τουλάχιστον να περιορίζεται η ετήσια θερμοκρασιακή μεταβολή της υπεδαφικής αποθήκης σε επίπεδα που δεν επηρεάζουν τη μακρόχρονη βιωσιμότητα του συστήματος. Η διερεύνηση της εφαρμογής και της αποτελεσματικότητας βασικών παρεμβάσεων με στόχο την περαιτέρω εξοικονόμηση ενέργειας και έλεγχο της συμπεριφοράς, της απόδοσης και της συνεισφοράς του πεδίου των γεωεναλλακτών, επικεντρώθηκε στην αντικατάσταση των υφιστάμενων αντλιών θερμότητας με αντλίες νέας τεχνολογίας υψηλότερου συντελεστή απόδοσης και στον πλήρη διαχωρισμό των κυκλωμάτων του πεδίου των κάθετων γεωεναλλακτών και του Πλακοειδούς Εναλλάκτη στο κύκλωμα της μιας Αντλίας Θερμότητας. Από τη συνδυαστική ανάλυση της απόδοσης των δυο συστημάτων που εξετάσθηκαν, προκύπτει η δυνατότητα εκσυγχρονισμού και βελτιστοποίησης υφιστάμενων εγκαταστάσεων εξοικονόμησης ενέργειας, είτε μέσω των νέων προτύπων αντλιών θερμότητας που διαμορφώνονται στην παγκόσμια αγορά των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας, είτε μέσω της διερεύνησης και της ανάλυσης παθολογιών του αρχικού τους σχεδιασμού, όσον αφορά στη διασύνδεση των δομικών τους μονάδων, χρησιμοποιώντας δυναμικά μοντέλα προσομοίωσης για τη ρεαλιστική απόδοση και διερεύνηση της λειτουργικής τους συμπεριφοράς.

This thesis focuses on the investigation, analysis, evaluation of the operation and efficiency of underground thermal energy storage, in conjunction with the use of conventional and new technology ground source heat pumps, while it deepens on the systematic study and analysis of key aspects of the operation of geothermal heat pump systems such as: • The transient phenomena that evolve during the operation of each individual structural unit, and their incorporation into an integrated system approach to determine the effect on the energy efficiency of both short and long term. • The "sustainability" of the system and seasonal variation of its performance, with the objective of sustainable exploitation of the ground as a heat source or/and sink during heating or/and cooling operation respectively. • The energy analysis of the system in terms of transmitted energy and the corresponding transfer rate in each section, to precisely determine the coefficient of performance of heat pumps and the energy consumption of each structural unit. Ιn this context, this thesis focuses on the adoption and use of an integrated methodology for modeling the processes that occur during the operation of geothermal heat pump systems, aiming at the simultaneous depiction of the correlation and dynamic interaction between the building, the heat distribution systems, the ground source heat pumps and the underground heat source or/and sink, under the influence of the continuously varying climatic conditions and usage patterns of the building. Dynamic simulation is used as a key methodology that enables an integrated approach to all physical phenomena that evolve during the operation of such systems. Detailed modeling allows the extraction of knowledge, theoretical analysis and mathematical addressing in a series of individual and specific problems which constitute the overall thermal problem of operation. In the field of modeling of geothermal heat pump systems, probably the most important issue in the decoding of the thermal problem during operation is the frequent alternation of operating status (stop/start) of heat pumps and circulation pumps of the system, as a result of the continuously varying thermal loads of the building. Noted that in a geothermal heat pump system utilizing vertical geothermal heat exchangers the phenomenon evolves under full or no flow conditions. Transient effects can have a significant impact on the overall system performance and cause simulation results to be inaccurate. This is due to measured heat transfer rates or power usage below or above the steady state values obtained after the system has operated for a short time. Steady state approaches, either neglect the transient effect or use a degradation factor to correct for the start-up transient. From a designer's perspective, the cumulative errors involved in such an approach can lead to completely different design compared to dynamic simulation models. For the integrated approach and analysis of these key issues, the geothermal heat pump system which covers the heating and cooling demands of the Mining and Electrical Engineers' building (Phase II) at the National Technical University of Athens was used as the basis for the implementation of a dynamic simulation model. This system was developed under the European Program THERMIE BU 468 94 HE of DG TREN and utilizes both the heat capacity of rocks, through a closed loop of vertical geothermal heat exchangers, and the heat content of an underground reservoir through an open loop configuration. The dynamic simulation model, with specific and general application: • addresses the geothermal heat pump system as a single set of continuously varying interactions between the building, the heat pump system and the underground heat source or/and sink, solving and composing the individual thermal problems in an integrated circuit of information flows, • allows the analysis of phenomena that occur in each operational phase of the system, both during transient and "steady state" periods, and the accurate prediction of both short and long term energy performance, • ensures the possibility of systematic investigation of both system performance, and its seasonal variation due to the interaction with the underground heat source and/or sink, the heat content of which changes during an annual operating cycle, and • provides the capability of capturing the operational limits of the system so as to develop control and/or intervention strategies of optimization. The conceptual model of the system was developed while the key processes, accumulation nodes and information flow between processes were identified to ensure the sequence and way of interconnection between subsystems constituting the whole installation. The simulation model was evaluated based on experimental measurements during the operation of the system and a thermal response test on the field of vertical geothermal heat exchangers. The ability of the simulation model in addressing the thermal problem was confirmed. The thermal phenomena evolving during operation of the geothermal heat pump system in a full annual cycle were analyzed in detail, while the analysis focused on the transient operation of the system, with key components being, the continuously varying thermal loads of the building, the central temperature management system in different parts of the installation (frequent change of operating mode (pause/start) for the heat pumps and the circulation pumps of the system) and of course the complex phenomena during heat transfer to and from the underground thermal energy storage. The model results were evaluated on the basis of the variations identified for critical parameters such as the coefficient of performance of ground source heat pumps, the corresponding power consumption, the rate of energy transfer on each individual circuit. Overall, the analysis revealed that the approach to the operation of such systems, and the phenomena that occur during operation as a "steady state situation" poses a major error factor in sizing and calculating the overall energy efficiency. The simplified approach of a constant COP during the operation of the system leads to erroneous estimates, especially in terms of final energy consumption. The predictive analysis of the system was extended to the evaluation of long-term operation and rational utilization of the underground thermal energy storage, with main components being:  The determination of the temperature variation of the underground thermal energy storage in annual and five-year cycle and the assessment of viability of heat storage both seasonally and over time.  The investigation and assessment of the impact of periodic "charging" and "discharging" of the ground on the performance of ground source heat pumps.  The energy analysis of main components of the system in terms of transmitted energy, energy transfer rate and contribution in meeting the building energy demand. In this context, the gradual "charging" and "discharging" of the ground heat storage in the field of vertical geothermal heat exchangers, during operation of the system, was clearly depicted. A temperature increase of 0.7oC was observed, at the end of a full annual cycle, due to the high cooling demand of the building. However, further investigation of the evolution of ground temperature over the first five years of operation, has shown that, after the first years of operation, the formation temperature at the end of each annual cycle stabilizes at 22.4oC . The detailed investigation of the effect of temperature variation of the underground heat source and/or sink on the performance of each individual system component during heating mode, showed that the size of the effect is determined both by the progressive "discharging" of the ground during system operation, which leads to the reduction of the coefficient of performance of ground source heat pump units because of the temperature of the ground formation in the field of vertical geothermal heat exchangers, and the gradual "change" of the ground during cooling operation of the system, which leads to increased coefficient of performance of ground source heat pumps in the next heating period. This analysis has contributed significantly to understanding the mechanism of underground thermal energy storage and defining the role of long-term operational sustainability as a key parameter in the design of such systems, showing that from a designers perspective, a balance between seasonal charging and discharging of the ground must be ensured, or at least the annual temperature change of ground must be limited to levels that do not affect the long-term sustainability of the system. The analysis of key interventions to further energy conservation and control of behavior, focused on replacing existing heat pumps with next generation ones and separating the circuits of both vertical geothermal heat exchangers and plate heat exchanger on the primary circuit of a heat pump. A comparative analysis of the performance of both systems examined, clearly showed the possibility of optimization of existing energy saving facilities, either through next generation heat pumps, or through research and analysis of pathologies of the original design, using dynamic simulation models for the realistic modeling and investigation of their operational behavior.