Θεωρητική και πειραματική μελέτη γεωεναλλάκτη θερμότητας
Creators: name: Μιχόπουλος, Απόστολος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Κατακόρυφος γεωεναλλάκτης
Μετάδοση θερμότητας
Αβαθής γεωθερμία
Vertical borehole heat exchanger
Heat transfer
Geothermal heat pumps

description: Αντικείμενο της διατριβής, είναι η δημιουργία και επαλήθευση ενός αλγορίθμου ο οποίος να υπολογίζει τη θερμοκρασία εξόδου του ρευστού από τη γεώτρηση κατακόρυφου γεωεναλλάκτη. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου τη χρονική κατανομή της ζήτησης φορτίου από το γεωεναλλάκτη, τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά του και τις θερμοφυσικές ιδιότητες των εμπλεκομένων υλικών. Η δημιουργία του αλγορίθμου γίνεται με τη χρήση αναλυτικών εξισώσεων που περιγράφουν τα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας στο έδαφος. Η επαλήθευση του αλγορίθμου έγινε με τα δεδομένα των καταγραφών λειτουργίας αβαθούς γεωθερμικού συστήματος για τριετή χρονικό κύκλο. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως ο αλγόριθμος υπολογίζει με ικανοποιητική ακρίβεια τη ζητούμενη θερμοκρασία καθώς το μέσο απόλυτο σφάλμα κυμάνθηκε κάτω του 1°C. Ικανοποιητική ήταν και η ακρίβεια με την οποία προσδιορίστηκε η ηλεκτρική κατανάλωση των αντλιών θερμότητας με βάση τις προβλεπόμενες από τον αλγόριθμο τιμές της θερμοκρασίας του ρευστού, καθώς σε όλες τις περιπτώσεις η απόκλιση ήταν μικρότερη του 4%. Πλεονέκτημα του αλγορίθμου είναι ο μικρός χρόνος υπολογισμού του ζητούμενου μεγέθους, καθώς για προσομοιώσεις 20ετούς διάρκειας ο χρόνος δεν υπερβαίνει τα 5 min, σε έναν συμβατικό επιτραπέζιο Η/Υ. Μια επίσης σημαντική ευκολία είναι πως οι υπολογισμοί μπορούν να γίνουν για οποιοδήποτε χρονικό βήμα με μοναδική προϋπόθεση τη γνώση της χρονικής κατανομής του φορτίου του κτιρίου στο αντίστοιχο χρονικό βήμα. Από την εφαρμογή του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε και επαληθεύτηκε στα πλαίσια της διατριβής προέκυψαν τα ακόλουθα. Με δεδομένο ότι το φορτίο αιχμής δεν μπορεί να είναι διάρκειας μεγαλύτερης των λίγων ωρών η προτεινόμενη στη βιβλιογραφία περιοχή 15-85 W/mγεώτρησης για συνεχή λειτουργία ως και 2400 h κρίνεται ανεπαρκής δεδομένου ότι δεν αντιπροσωπεύει το φορτίο αιχμής, το οποίο αποδείχθηκε ότι μπορεί να φθάσει και σε τιμές της τάξης των 300 W/mγεώτρησης. Αποδείχθηκε ότι υπάρχει ισχυρή μη-γραμμική συσχέτιση μεταξύ της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας των αντλιών θερμότητας και του συνολικού μήκους του γεωεναλλάκτη, με την κλίση της σχετικής καμπύλης να μειώνεται με την αύξηση του συνολικού μήκους. Το εύρημα αυτό καθιστά απαραίτητη στη φάση σχεδιασμού την προσομοίωση λειτουργίας του συστήματος σε ευρύ χρονικό ορίζοντα προκειμένου να καθοριστεί το βέλτιστο ολικό μήκος λαμβάνοντας υπόψη τόσο το κόστος λειτουργίας όσο και το κόστος κατασκευής
description: Subject of the dissertation is the development and verification of an algorithm calculating the water temperature at the outlet of a vertical borehole heat exchanger. The input data of the algorithm are the time distribution of the exchanger's thermal load, the construction characteristics and thermophysical properties of the materials involved. The algorithm is developed using analytical equations describing the heat transfer phenomena in the ground. The operation data of an actual system, covering a 3-years period, were used for the verification of the algorithm. The results show that the algorithm satisfactorily calculates the outlet temperature, since the average absolute error is less than 1°C. The electricity consumption of the heat pumps of the system was also determined with acceptable accuracy, since the deviation of the actual values was less than 4%. The major advantage of the developed algorithm was the small CPU time, which was less than 5 min for the simulation of a 20-years period, on a conventional desktop computer. Another advantage is that any time step can be used for the calculation, provided that the thermal load of the building is available at the step mentioned. The following statements can be made: Based on the fact that the peak load is of a few hours in duration, the literature recommendation of 15 - 85 W/mborehole for up to 2400 h is inadequate, since it does not represent peak load. It was proved that peak loads can be as high as 300 W/mborehole. It was proved that there is a strong non-linear correlation between the electricity consumption of the heat pumps and the total length of the ground heat exchanger, with the slope of the relevant curve being reduced with the increase of the total length. This finding makes the long term simulation of the system's operation necessary during the early stages of design in order to determine the optimum total length, taking into account both the construction and operation costs