Προσομοίωση συστημάτων αβαθούς γεωθερμίας με τη χρήση γεωθερμικών αντλιών θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας

Abstract

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: i. the transient phenomena that evolve during the operation of such systems, and their effect on the energy efficiency of both short and long term, ii. the "sustainability" and seasonal variation of performance, with the objective of sustainable exploitation of the ground as a heat source or/and sink. 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 various subsystems, under real operational conditions. 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. For the integrated approach and analysis of the key issues, the geothermal heat pump system which covers the heating and cooling demands of the Mining and Electrical Engineers' building at NTUA campus in Greece was used as the basis for the implementation of a dynamic simulation model. This system 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 geothermal heat pump system is addressed as a single set of continuously varying interactions between the building, the heat pump system and the underground heat source or/and sink, while the various individual thermal problems are being solved and composed into an integrated circuit of information flows. The dynamic simulation model was validated against operational data and: i. allowed 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, ii. ensured 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, and iii. provided the capability of capturing the operational limits of the system so as to develop control and/or intervention strategies of optimization.

Η διατριβή έχει ως στόχο τη διερεύνηση, ανάλυση, αξιολόγηση της λειτουργίας και της απόδοσης υπεδαφικών αποθηκών θερμικής ενέργειας σε συνδυασμό με γεωθερμικές αντλίες θερμότητας συμβατικής και νέας τεχνολογίας, με κύριους άξονες να αποτελούν: τα επιμέρους μεταβατικά φαινόμενα και η επίδρασή τους στη βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη ενεργειακή τους απόδοση, και η «αειφορία» των συστημάτων και η εποχική διακύμανση της απόδοσής τους με στόχο τη βιώσιμη αξιοποίηση του υπεδάφους ως πηγή ή/και αποθήκη θερμότητας. Σε αυτό το πλαίσιο, εστιάζει στην υιοθέτηση και αξιοποίηση μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τη μοντελοποίηση και την ταυτόχρονη απόδοση της συσχέτισης και της δυναμικής αλληλεπίδρασης των επιμέρους τμημάτων των εν λόγω συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες. Το γεωθερμικό σύστημα αντλιών θερμότητας του ΕΜΠ αξιοποιείται ως βάση για την ανάπτυξη ενός δυναμικού μοντέλου προσομοίωσης. Το εν λόγω σύστημα εκμεταλλεύεται υβριδικά τόσο τη θερμο-αποθηκευτική ικανότητα των πετρωμάτων, μέσω ενός κλειστού κυκλώματος κάθετων γεωθερμικών εναλλακτών, όσο και το θερμικό περιεχόμενο ενός υπόγειου ταμιευτήρα, μέσω ενός ανοικτού κυκλώματος υδρογεωτρήσεων. Στα πλαίσια μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης, το σύστημα αντιμετωπίζεται ως ένα ενιαίο σύνολο διαρκώς μεταβαλλόμενων αλληλεπιδράσεων μεταξύ κτιρίου, συστήματος αντλιών θερμότητας και υπεδαφικής πηγής-αποθήκης, και τα επιμέρους θερμικά προβλήματα επιλύονται και συνθέτονται σε ένα ολοκληρωμένο, βρογχοειδές και ανατροφοδοτούμενο κύκλωμα ροής πληροφοριών. Το δυναμικό μοντέλο προσομοίωσης που δημιουργήθηκε, το οποίο επαληθεύθηκε στη βάση πειραματικών δεδομένων, αποδίδει με σημαντική ακρίβεια πρόρρησης τη συμπεριφορά κάθε επιμέρους τμήματος του συστήματος, ενώ: α. 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, β. 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, και γ. παρέχει τη δυνατότητα αποτύπωσης οριακών καταστάσεων λειτουργίας του συστήματος και την ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου ή/και παρέμβασης για τη βελτιστοποίησή του.