Χρήση αντλίας θερμότητας για κλιματισμό χοιροστασίου αξιοποιώντας τη γεωθερμία

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η αξιολόγηση των δυνατοτήτων χρήσεως των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας στον Ελλαδικό αγροτικό χώρο και συγκεκριμένα σε χοιροτροφική μονάδα την οποία μελετάμε σε τρεις διαφορετικές κλιματολογικά περιοχές. Η ανάπτυξη του συγκεκριμένου θέματος γίνεται με σκοπό να διερευνήσει τις λύσεις που παρέχουν σήμερα οι γεωθερμικές αντλίες οι οποίες κατακτούν ολοένα και περισσότερο έδαφος στις προτιμήσεις τόσο για τη ρύθμιση του εσωτερικού τεχνητού περιβάλλοντος σε οικιστικές εφαρμογές όσο και σε βιομηχανικές. Η παρούσα εργασία αποτελείται από δύο μέρη τα οποία είναι το γενικό και το ερευνητικό. Γενικό μέρος: Στο γενικό μέρος παρατίθενται οι βασικές αρχές της γεωθερμίας ενώ δίδεται έμφαση στο ζήτημα της αβαθούς γεωθερμίας η οποία αποτελεί άλλωστε και το υπόβαθρο λειτουργίας των γεωθερμικών αντλιών. Παράλληλα εξετάζεται το πρόβλημα του προσδιορισμού της θερμοκρασίας του εδάφους σε διάφορα βάθη καθώς αποτελεί αν όχι το βασικότερο ένα από τα πλέον βασικά ζητήματα που απαιτούν σωστή διερεύνηση για την ορθολογική λήψη αποφάσεων περί εγκατάστασης ή μη γεωθερμικών αντλιών, σε διάφορες εφαρμογές. Παράλληλα με το καθαρά γεωθερμικό σκέλος, το γενικό μέρος περιλαμβάνει εκτενή αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά μιας σύγχρονης χοιροτροφικής μονάδας καθώς αυτή αποτελεί το πεδίο πάνω στο όποιο θα αξιολογηθεί η δυνατότητα χρήσεως της γεωθερμικής αντλίας. Με δεδομένη τη διαφορετική σημασία που έχουν τα διάφορα στάδια ανάπτυξης των χοίρων, οι αναφορές του γενικού μέρους επικεντρώνονται στο στάδιο της πρώτης ανάπτυξης καθώς αυτό αποτελεί το πλέον σημαντικό στάδιο για την ομαλή και οικονομικά συμφέρουσα μετάβαση των χοίρων από τον απογαλακτισμό στη φάση της εμπορικής εκμετάλλευσης. Επιπλέον θέματα που παρατίθενται στο γενικό μέρος, αφορούν το Ελλαδικό κλίμα και ειδικότερα τις μεταβολές της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας και της ειδικής ενθαλπίας του αέρα, καθώς πάνω σε αυτά έχει βασισθεί το μεγαλύτερο μέρος του ερευνητικού σκέλους της παρούσας εργασίας στην προσπάθεια να διαστασιολογηθούν οι σχετικές εγκαταστάσεις Ερευνητικό μέρος: Στο ερευνητικό μέρος τίθεται το πρόβλημα σχεδιασμού γεωθερμικής αντλίας σε υποθετικά χοιροστάσια βιομηχανικού τύπου με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, τα οποία θεωρούμε ότι εγκαθίστανται σε τρεις διαφορετικές κλιματολογικά περιοχές της Ελλάδας. Οι περιοχές αυτές είναι η Φλώρινα, η Χαλκίδα και η Ιεράπετρα. Η επιλογή τους έγινε με βάση τη διαφοροποίηση που παρουσιάζουν σε σχέση με το κλίμα ώστε να εξετασθεί το πώς επηρεάζονται οι διαστάσεις της αντλίας θερμότητας και του γεωθερμικού εναλλάκτη. Στα χοιροστάσια αυτά η γεωθερμική αντλία έρχεται να καλύψει τις ανάγκες ψύξης/θέρμανσης των χώρων που στεγάζουν τα χοιρίδια πρώτης ανάπτυξης. Για κάθε μια εγκατάσταση υπολογίζονται οι ανάγκες χειμώνα και θέρους ώστε μέσω αυτών να διαστασιολογηθούν όλα τα μέρη του συστήματος. Σε ότι αφορά το έδαφος οι παραδοχές γίνονται για τις πλέον πτωχές θερμοφυσικά δομές ώστε η έρευνα να καλύψει τις ακραίες συνθήκες στις οποίες θα κληθεί να λειτουργήσει μια γεωθερμική αντλία. Μετά το τέλος των τεχνικών αναλύσεων και υπολογισμών, γίνεται οικονομική αξιολόγηση των συστημάτων ώστε να εξαχθεί το συμπέρασμα εάν και κατά πόσο είναι συμφέρουσα μια τέτοια η επένδυση σε μια σύγχρονη χοιροτροφική μονάδα.

The object of the current thesis is to evaluate the use of ground coupled heat pumps within the Greek Agricultural Sector and more specifically in a Swine farm which is considered to be located in three different climate areas.

The current thesis comprises of two main sections which are the "General Section" and "Research Section".

General Section: The general section includes the basic principles of geothermal energy and more especially the ones related with the so called "Shallow depth" geothermal energy, since this is of fundamental importance for the development and the applications of ground coupled heat pumps. The general section is focused on the problem of temperature estimation in different depths below ground surface since this estimation is critical within the scope of decision making towards the use of ground coupled heat pumps.

Research section: The research section examines the problem of designing and dimensioning a ground coupled heat pump at three hypothetical industrial swine farms. The farms are considered to be in three different climate zones of Greece which are Florina, Halkida and Ierapetra. The choice of three areas was made in order to enable research on how different climatic zones affect the heating and cooling demands as well as the size of the ground heat exchanger. The research has been based on the worst case scenarios in terms of climate and ground's thermo - physical properties. Following the end of calculations and analysis, the ground coupled heat pump is subjected to investment appraisal in order to enable decision making for installations of similar systems in modern industrial swine farms.