Αναλυτικός σχεδιασμός και παραμετρική ανάλυση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με κατακόρυφους γεωεναλλάκτες: πειραματική διερεύνηση θερμικού δυναμικού του υπεδάφους

Abstract

This thesis aims to systematically study the ground properties and their effects on the design, dimensioning and operation of Vertical Ground Source Heat pump Systems (GSHPS).The methodology included: 1) The parametric sensitivity analysis of Vertical GSHPS and the identification of the critical design parameters. 2) The complete investigation of the behavior of the ground as heat storage, with emphasis on solving the critical problem of the estimation of thermal conductivity (T.C.) of the underground formations and its spatial distribution.To address the first issue, a typical house with Vertical GSHP as the cooling and heating system was designed and a detailed simulation Model was developed. The results proved that in Mediterranean climates, buildings cooling loads are greater than heating loads, so the proper and integrated design and dimensioning of GSHPS, should be meet the maximum cooling load and should be based on accurate assessment of underground thermo-physical properties and particularly the value of T.C. of the underground formations.To address the second issue, an original experimental procedure was developed. By means of this procedure the T.C. and the electrical resistivity (ρel, Ω.m) of soil were experimentally determined, in various soil types with different and already known grain size and mineralogical composition, in terms of variable moisture content and dry density. A complete and reliable database was created, which was subsequently utilized for: 1) The systematic investigation and the qualitative assessment of the influence of physical parameters of soil in the value of T.C. and ρel. 2) Testing, benchmarking and improving of existing thermal conductivity determination models, as well as the development of an original model, which can be applied easily and reliably determining the variation of k of soils for known physical properties. 3) The mathematically relationship of T.C. and ρel of soil (Mod-1 and Mod-2), so as to be able to switch from the proven reliability of geophysical survey of the electrical resistivity tomography of underground formations, to the depiction of the spatial distribution of its T.C. Mod-1 and Mod-2 were confirmed and certified through a wide range of field data, and realistic profiles of the T.C. of soil formations were constructed. This integrated methodology is an important "tool" for the correct design and dimensioning of GSHPS, particularly when they are designed and constructed for large-scale projects in areas with complex geology.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη συστηματική μελέτη των υπεδαφικών συνθηκών και της επίδραση αυτών στο σχεδιασμό, τη διαστασιολόγηση και τη λειτουργία των συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας (Σ.Α.Γ.) με κατακόρυφους γεωεναλλάκτες. Η μεθοδολογία προσέγγισης περιλαμβάνει 1) την παραμετρική ανάλυση των Σ.Α.Γ. με κατακόρυφους γεωεναλλάκτες και τον προσδιορισμό των κρισίμων παραμέτρων διαστασιολόγησης και ενεργειακού σχεδιασμού. 2) Την διερεύνηση της συμπεριφοράς του υπεδάφους ως θερμική αποθήκη, με έμφαση στην επίλυση του προβλήματος της έμμεσης εκτίμησης της θερμικής αγωγιμότητας (k, W/m.K) των υπεδαφικών σχηματισμών και της χωρικής αποτύπωσης αυτής.Για την αντιμετώπιση του πρώτου ζητήματος, σχεδιάστηκε ένα Σ.Α.Γ. με κατακόρυφους γεωεναλλάκτες σε τυπική κατοικία και αναπτύχθηκε αναλυτικό μοντέλο προσομοίωσης, στο οποίο ενσωματώθηκαν όλα τα βασικά μέρη του. Αναδείχθηκε ότι στα μεσογειακά κλίματα τα ψυκτικά φορτία υπερτερούν των θερμικών και ως εκ τούτου, η ορθή διαστασιολόγηση και ο ενεργειακός σχεδιασμός πρέπει να γίνεται στη βάση κάλυψης των ψυκτικών αναγκών και να στηρίζεται στην ακριβή γνώση των υπεδαφικών συνθηκών και ιδιαίτερα της θερμικής αγωγιμότητας του υπεδάφους. Για την προσέγγιση του δεύτερου ζητήματος, αναπτύχθηκε μια πρωτότυπη πειραματική διαδικασία, μέσω της οποίας προσδιορίστηκε εργαστηριακά η k και η ειδική ηλεκτρική αντίσταση ρel (Ω.m) πρότυπων εδαφικών δειγμάτων, γνωστής ορυκτολογικής σύνθεσης και κοκκομετρίας, για μεταβαλλόμενες συνθήκες υγρασίας και ξηρής πυκνότητας. Από την πειραματική αυτή διαδικασία, διαμορφώθηκε μια αξιόπιστη βάση δεδομένων, η οποία αξιοποιήθηκε για: •Τη διερεύνηση και ποιοτική εκτίμηση της επίδρασης των φυσικών παραμέτρων του εδάφους στην τιμή της k και της ρel.•Τον έλεγχο, την συγκριτική αξιολόγηση και τη βελτίωση των υφιστάμενων μοντέλων προσδιορισμού k (De Vries 1963, Johansen 1975, Gori 1983), αλλά και την ανάπτυξη μιας εναλλακτικής και πρωτότυπης διαδικασίας για τον προσδιορισμό της μεταβολής της k του υπεδάφους (De Vries-simp).•Την ανάπτυξη μαθηματικής συσχέτισης k και της ρel (Mod-1 και Mod-2), μέσω της οποίας είναι δυνατή η μετάβαση από τη γεωφυσική αποτύπωση της ρel , στην αποτύπωση της χωρικής κατανομής της k. Τα Mod-1 και Mod-2, αξιοποιήθηκαν και πιστοποιήθηκαν σε ευρείας κλίμακας δεδομένα υπαίθρου, όπου εξήχθησαν ρεαλιστικά προφίλ της k των εδαφικών σχηματισμών. Η μεθοδολογία αυτή συνιστά ένα σημαντικό εργαλείο σχεδιασμού Σ.Α.Γ., ιδιαίτερα όταν αυτά μελετώνται σε περιοχές σύνθετης γεωλογίας.