Ο πάσσαλος θεμελίωσης ως γεωεναλλάκτης: διερευνήσεις για τη θερμική του συμπεριφορά

Abstract

Subject of the dissertation is the thermal performance of the cast in place Energy Piles (EPs). These are concrete foundation piles of large diameter, in which multiple branches of polyethylene pipes filled with a fluid are embodied. The aim is to thermally activate the piles themselves and the soil around them. Most commonly, the EPs are coupled to Heat Pumps, allowing a part of the building to be heated or cooled by using them as a ground heat exchanger. A methodology to compare the heat transfer efficiency of EPs with different design parameters is proposed. The methodology is to determine the basic design parameters of the EPs: the number of U Tubes, the type and dimensions of the pipes and the flow conditions in the pipes. It is based on the fact that the ranges of values of the thermal properties of the reinforced concrete and of the soil around them are the same. The methodology proposes EPs with different design to be compared by comparing the fluid temperature, under a constant heat injection rate (W per linear meter of pile’s length), considering a homogeneous infinite concrete - ground solid. Temperatures around the pipes are calculated by applying the Continuous Line Source Equation for each pipe, with a polynomial approximation of the exponential integral. The calculation period is the one just after the thermal influence between all the pipes has been developed and until the conductive heat transfer along the pile becomes significant. It is proved that the temperature at the axis of an EP of a given diameter does not depend on its design parameters. So, energy piles with different design parameters can be compared, the comparison based on the constant in time part of temperature difference between the fluid and that in the axis of the pile. The methodology is simple, easily applicable and closer to the real thermal behavior of the pile. By using it, useful findings on the thermal performance of EPs are resulted. The heat transfer in EPs along their length is examined also. Correlation functions between the mean temperature along the axis, the time after the emission start, the EP length and the emission radius are proposed. The finding is that short EPs with large diameters can receive higher thermal loads of long duration than the longer piles of smaller diameters. A survey for the thermal behavior of EPs is presented, given the fact that there is a significant difference between the thermal properties of the concrete and that of the surrounding soil. The survey is being carried out by means of the corresponding problem of heat diffusion in one dimension. According to the results can be seen that the thermal behavior of EPs under constant heat injection of short duration is determined by the thermal properties of the concrete. The thermal behavior of an EP under extra long term thermal loads is determined by the thermal properties of the surrounding soil. The thesis includes an Appendix and an extended summary in English

Αντικείμενο της διατριβής είναι η διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς των έγχυτων επί τόπου πασσάλων - γεωεναλλακτών. Αυτοί είναι πάσσαλοι θεμελίωσης μεγάλης διαμέτρου από σκυρόδεμα, που έχουν ενσωματωμένους στο σώμα τους βρόχους σωλήνων μέσα στους οποίους ρέει ρευστό, ώστε να καταστεί δυνατή η θερμική ενεργοποίηση των ίδιων και του εδάφους γύρω από αυτούς. Στις περιπτώσεις των κτιρίων, οι πάσσαλοι - γεωεναλλάκτες είναι τις περισσότερες φορές συζευγμένοι με αντλίες θερμότητας για την θέρμανση και τον κλιματισμό χώρων τους. Προτείνεται μια μεθοδολογία για την αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων σχεδιασμού πασσάλων - γεωεναλλακτών ως προς την θερμική τους απόδοση. Μεθοδολογία δηλαδή για τον καθορισμό των βασικών παραμέτρων σχεδίασής τους, που είναι ο αριθμός των βρόχων των σωλήνων, ο τύπος και οι διαστάσεις των σωλήνων και οι συνθήκες ροής σε αυτούς. Η μεθοδολογία βασίζεται στη διαπίστωση ότι οι περιοχές διακύμανσης των τιμών των θερμικών ιδιοτήτων του σκυροδέματος και των εδαφών στα οποία κατασκευάζονται πάσσαλοι είναι ίδιες. Προτείνεται λοιπόν πάσσαλοι με διαφορετική σχεδίαση να αξιολογούνται συγκρίνοντας τη θερμοκρασία του ρευστού στους σωλήνες, για την ίδια σταθερή συνεχή ένταση εκπομπής θερμότητας ανά μέτρο μήκους πασσάλου, θεωρώντας το μέσο πάσσαλος - έδαφος άπειρο και θερμικά ομογενές. Οι θερμοκρασίες στον πάσσαλο υπολογίζονται εφαρμόζοντας τη θεωρία της γραμμικής εκπομπής για κάθε μία από τις σωληνώσεις, παράλληλα με γνωστή πολυωνυμική προσέγγιση του εκθετικού ολοκληρώματος. Η περίοδος των υπολογισμών είναι αμέσως μετά την θερμική ενεργοποίηση όλου του σώματος του πασσάλου και μέχρι η ροή θερμότητας κατά μήκος του να γίνει σημαντική. Διαπιστώνεται ότι η θερμοκρασία στον άξονα πασσάλου δεν εξαρτάται από τις παραμέτρους σχεδίασής του. Έτσι σύγκριση μεταξύ διαφορετικών πασσάλων της ίδιας διαμέτρου μπορεί να γίνει, συγκρίνοντας τα σταθερά στο χρόνο μέρη των διαφορών θερμοκρασίας μεταξύ του ρευστού στους σωλήνες και στον άξονα. Η μεθοδολογία είναι απλή, εύκολα εφαρμόσιμη και κοντύτερα στην πραγματική θερμική συμπεριφορά του πασσάλου. Με τη χρήση της γίνονται χρήσιμες διαπιστώσεις για την απόδοση πασσάλων - γεωεναλλακτών. Διερευνάται επίσης η μετάδοση θερμότητας σε πάσσαλο - γεωεναλλάκτη και στη διάσταση κατά μήκος του. Προτείνεται συσχέτιση της μέσης θερμοκρασίας στον άξονα πασσάλου με το χρόνο από την έναρξη της εκπομπής, το μήκος του και την ακτίνα εκπομπής. Διαπιστώνεται ότι πάσσαλοι με μικρό μήκος και μεγάλη διάμετρο μπορούν να δεχτούν σημαντικά μεγαλύτερες ανηγμένες στο μήκος φορτίσεις μεγάλης διάρκειας από πασσάλους μεγάλου μήκους και μικρής διαμέτρου. Διερευνάται τέλος η θερμική συμπεριφορά πασσάλων - γεωεναλλακτών, όταν η διαφορά των θερμικών ιδιοτήτων του εδάφους και του σκυροδέματος είναι σημαντική. Η διερεύνηση γίνεται με τη βοήθεια του αντίστοιχου προβλήματος εκπομπής θερμότητας σε μία διάσταση. Καταδεικνύεται ότι στις φορτίσεις μικρής διάρκειας οι θερμικές ιδιότητες του σκυροδέματος είναι αυτές που καθορίζουν τη συμπεριφορά των πασσάλων, ενώ στις φορτίσεις εξαιρετικά μεγάλης διάρκειας είναι οι ιδιότητες του εδάφους. Η διατριβή περιλαμβάνει Παράρτημα και εκτεταμένη περίληψη στην Αγγλική γλώσσα