Το έδαφος της γης σε μικρό βάθος αποτελεί μια τεράστια και αστείρευτη πηγή ενέργειας. Απορροφά περίπου το 50% της ηλιακής ακτινοβολίας και η θερμοκρασία του παραμένει περίπου σταθερή χειμώνα-καλοκαίρι.

Έτσι τοποθετώντας ένα δίκτυο σωληνώσεων μέσα στο έδαφος, εντός του οποίου κυκλοφορεί νερό, δημιουργούμε ένα εξαιρετικά χρήσιμο εναλλάκτη θερμότητας, τον γεωθερμικό εναλλάκτη όπως αποκαλείται.

Το νερό που κυκλοφορεί μέσα σε αυτό το δίκτυο σωληνώσεων το χειμώνα απορροφά θερμότητα από την γη και την μεταφέρει μέσω μιας ειδικής συσκευής (της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας) στο κτίριο που επιθυμούμε να ζεστάνουμε.

Το καλοκαίρι η ίδια συσκευή με αντιστροφή του κύκλου λειτουργίας της (όπως γίνεται στα κλιματιστικά μηχανήματα) απορροφά θερμότητα από τον κλιματιζόμενο χώρο (κάνει δηλαδή κλιματισμό) και την μεταφέρει πίσω στην γη.

Με τον τρόπο αυτό αντί να παράγεται θερμική ενέργεια από μια συμβατική πηγή παραγωγής θέρμανσης η ψύξης (λέβητας, κλιματιστικό μηχάνημα κ.λ.π), καταναλώνοντας συμβατικά καύσιμα, γίνεται μεταφορά θερμότητας από και προς την γη.

Η γεωθερμική αντλία θερμότητας είναι μια συσκευή που λειτουργεί με βάση την αντιστροφή του θερμοδυναμικού κύκλου και αποτελεί ένα πλήρες σύστημα κλιματισμού – θέρμανσης . Βασικό χαρακτηριστικό της γεωθερμικής αντλίας θερμότητας είναι ότι αυτή μεταφέρει ενέργεια από και προς το έδαφος σε αντίθεση με τις αντλίες θερμότητας αέρα - νερού που μεταφέρουν ενέργεια από και προς τον αέρα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η γεωθερμική αντλία θερμότητας να έχει πολύ καλύτερη απόδοση από τις άλλες αντλίες θερμότητας, μια και η μεταβολή της θερμοκρασίας του εδάφους είναι πού μικρότερη σε σχέση με την μεγάλες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του αέρα.

Η γεωθερμική αντλία θερμότητας αποτελείται από τρείς βρόγχους οι οποίοι λειτουργούν κατά την διάρκεια όλων των θερμοδυναμικών κύκλων της αντλίας (ψύξη – θέρμανση) καθώς και ένα τέταρτο προαιρετικό βρόγχο που λειτουργεί για την προθέρμανση του νερού χρήσης μιας εγκατάστασης.

Οι τέσσερις αυτοί βρόγχοι είναι οι κάτωθι:

1ος Βρόγχος ( βρόγχος νερού)

Ο βρόγχος νερού χρησιμεύει για την μεταφορά του νερού (θερμού η ψυχρού) από την αντλία θερμότητας στους χώρους που πρόκειται να θερμανθούν η να κλιματιστούν. Ο βρόγχος αυτός αποτελείται από έναν εναλλάκτη θερμότητας (εξατμιστή - συμπυκνωτή) νερού-ψυκτικού μέσου και ένα κυκλοφορητή νερού, ο οποίος μεταφέρει το θερμό η ψυχρό νερό μέσω σωληνώσεων στις εσωτερικές τερματικές μονάδες θέρμανσης ή ψύξης ( fan coils, σωληνώσεις ενδοδαπέδιας θέρμανσης ή ακόμα και θερμαντικά σώματα).

2ος βρόγχος (βρόγχος ψυκτικού μέσου)

Είναι ένας κλειστός, καθαρά ψυκτικός βρόγχος, όπου το εξατμιζόμενο στον εκάστοτε εξατμιστή ψυκτικό μέσο αναρροφάται από ένα συμπιεστή ο οποίος καταναλώνοντας ηλεκτρική ενέργεια συμπιέζει τον ψυκτικό ατμό προκαλώντας αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης του. Ο συγκεκριμένος βρόγχος περιλαμβάνει εκτός από τον συμπιεστή και μία ειδική τετράοδη βαλβίδα για την μεταγωγή της αντλίας θερμότητας από θέρμανση σε ψύξη και το αντίστροφο.

3ος βρόγχος (βρόγχος ψυκτικού μέσου)

Είναι ένας κλειστός υπό πίεση βρόγχος νερού η αντιψυκτικού διαλύματος . Ο βρόγχος αυτός περιλαμβάνει ένα εναλλάκτη θερμότητας (εξατμιστή – συμπυκνωτή) ψυκτικού μέσου – νερού, ένα κυκλοφορητή νερού και ένα δίκτυο σωληνώσεων θαμμένων στην γη (γεωεναλλάκτης) εντός των οποίων κυκλοφορεί νερό η αντιψυκτικό διάλυμα το οποίο απορρόφα θερμότητα από την γη όταν η εγκατάσταση λειτουργεί σε θέρμανση και απορρίπτει θερμότητα σε αυτή όταν η εγκατάσταση λειτουργεί σε ψύξη.

4ος βρόγχος (προθέρμανση του νερού χρήσης)

Είναι ένας προαιρετικός κλειστός υπό πίεση βρόγχος εντός του οποίου κυκλοφορεί νερό από την γεωθερμική αντλία θερμότητας προς ένα θερμαντήρα νερού (μπόιλερ). Ο βρόγχος αυτός περιλαμβάνει ένα πρόσθετο εναλλάκτη θερμότητας ψυκτικού μέσου – νερού και ένα κυκλοφορητή νερού. Στις αντλίες θερμότητας που διαθέτουν αυτό τον επιπλέον βρόγχο, το θερμό αέριο από την κατάθλιψη του συμπιεστή, πριν απορριφτεί στο εκάστοτε συμπυκνωτή, περνά πρώτα από τον πρόσθετο εναλλάκτη θερμότητας νερού – ψυκτικού μέσου και αποδίδει ένα μέρος της θερμότητας του με αποτέλεσμα να θερμαίνεται το νερό που κυκλοφορεί με την βοήθεια ενός κυκλοφορητή μεταξύ της αντλίας θερμότητας και του μπόιλερ. Ειδικά όταν η αντλία θερμότητας λειτουργεί σε ψύξη έχουμε μια επιπλέον αρκετά σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας καθώς, χωρίς να καταναλώνεται ενέργεια, μπορούμε να προθερμάνουμε σημαντικά το ζεστό νερό χρήσης.

Όπως προαναφέρεται τα συστήματα γεωθερμίας και οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας χρησιμοποιούν ως πηγές θερμότητας το νερό και την γη, άλλα για την λειτουργία του εξοπλισμού τους απαιτείται η χρήση μικρής ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας .

Βασικό χαρακτηριστικό των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας είναι συντελεστής COP.

Συντελεστής COP

Ο συντελεστής COP ή αλλιώς συντελεστής επίδοσης της αντλίας θερμότητας, είναι ο λόγος της ονομαστικής θερμικής ισχύος που παράγει στην μονάδα του χρόνου μία αντλία θερμότητας που δουλεύει σε θέρμανση υπό συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας προς την απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύ. Είναι δηλαδή το κλάσμα ή η διαίρεση, όπως θέλετε πέστε το, COP = Pωφ/Pαπορ. Ο συντελεστής αυτός είναι χαρακτηριστικός της κάθε γεωθερμικής αντλίας θερμότητας, δίνεται από τον κατασκευαστή της υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας. Ο συντελεστής αυτός για μια τυπική γεωθερμική αντλία θερμότητας σε ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας κυμαίνεται μεταξύ 4 και 4,5.

Αυτό σημαίνει ότι αν έχουμε μία αντλία θερμότητας που ο κατασκευαστής της αναγράφει στα τεχνικά της χαρακτηριστικά ότι έχει α)ωφέλιμη ονομαστική απόδοση π.χ Pωφ=12 ΚW υπό ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας και β) COP= 4, τότε η ηλεκτρική ισχύς που απορροφά αυτή η αντλία θερμότητας προκύπτει αν επιλύσουμε απλά τον τύπο COP = Pωφ/Pαπορ ως προς Pαπορ. Επιλύοντας το τύπο προκύπτει ότι η απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς θα είναι Pαπορ = Pωφ/4 = 12/4= 3 KW (δηλαδή τέσσερις φορές χαμηλότερη από την ωφέλιμη που μας παρέχει).Εκτός από τον συντελεστή επίδοσης της αντλίας θερμότητας υπάρχει και ο συντελεστής SCOP η αλλιώς ολικός μέσος ανηγμένος εποχικός συντελεστής επίδοσης.

Τον συντελεστή αυτόν δεν θα τον δούμε πουθενά γραμμένο στα τεχνικά χαρακτηριστικά της αντλίας θερμότητας αλλά είναι ο μέσος συντελεστής επίδοσης της για το χρονικό διάστημα (ολόκληρη εποχή) που η γεωθερμική αντλία θερμότητας παράγει θέρμανση. Ο συντελεστής COP μεταβάλλεται ανάλογα με της συνθήκες θερμοκρασίας του εδάφους και τις συνθήκες λειτουργίας της αντλίας. Παρά το γεγονός ότι στα συστήματα γεωθερμίας θεωρούμε ότι δεν υπάρχουν σημαντικές μεταβολές στην θερμοκρασία εδάφους, στη πράξη, έστω και αυτές οι μικρές μεταβολές προσφέρουν ένα μέσο ανηγμένο εποχικό συντελεστής επίδοσης SCOP που για όλες τις περιοχές στη χώρα μας είναι μεγαλύτερος από τον ονομαστικό συντελεστή επίδοσης COP και μπορεί, για κανονική γεωθερμία, να κυμανθεί γύρω στο 5,1. Αυτό σημαίνει ότι η παραπάνω αναφερόμενη γεωθερμική αντλία θερμότητας με ονομαστικό συντελεστή COP = 4 θα λειτουργεί στην πραγματικότητα με τον μέσο ανηγμένο εποχικό συντελεστή επίδοσης που θα κυμανθεί γύρω στο 5,1. Η ηλεκτρική ισχύς που απορροφά αυτή η αντλία θερμότητας προκύπτει αν επιλύσουμε απλά τον τύπο SCOP = Pωφ/Pαπορ ως προς Pαπορ. Τότε προκύπτει ότι η απορροφούμενη ηλεκτρική ισχύς θα είναι Pαπορ = Pωφ/6 = 12/5,1= 2,35 KW (δηλαδή 5,1 φορές χαμηλότερη από την ωφέλιμη που μας παρέχει).

Το αρχικό κόστος επένδυσης για την κατασκευή ενός συστήματος γεωθερμίας είναι υψηλό και κυρίως όταν αφορά συστήματα κατακόρυφου γεωεναλλάκτη όπου απαιτούνται να γίνουν γεωτρήσεις σε σχετικά μεγάλα βάθη (80-100 m περίπου). Τα συστήματα με οριζόντιους γεωεναλλάκτες έχουν χαμηλότερο αρχικό κόστος αλλά απαιτούν μεγάλες και ασκίαστες επιφάνειες περιβάλλοντος χώρου. Το χαμηλότερο αρχικό κόστος έχουν τα συστήματα που εκμεταλλεύονται υφιστάμενα πηγάδια (γεωθερμικά συστήματα ανοικτού τύπου). Εν αντιθέσει με το αρχικό κόστος, το λειτουργικό κόστος των γεωθερμικών συστημάτων είναι το χαμηλότερο από όλα τα άλλα συστήματα θέρμανσης.

Το θέμα της γεωθερμίας όμως δεν πρέπει να εξετάζεται αποσπασματικά σε σχέση με άλλα ζητήματα που αφορούν τη εξοικονόμηση ενέργειας. Η μέγιστη αξιοποίηση του και η δραστική μείωση τόσο του αρχικού κόστους επένδυσης όσο και του χρόνου απόσβεσης τους εξαρτάται πάντα από την συνολική μελέτη ενός κτιρίου τόσο σε ότι αφορά το αρχιτεκτονικό σχεδιασμό του όσο και τον ενεργειακό και ηλεκτρομηχανολογικό. Σε ένα καλά μελετημένο αρχιτεκτονικά, ενεργειακά και ηλεκτρομηχανολογικά κτίριο, η εγκατάσταση γεωθερμίας διασφαλίζει πολύ μικρότερο λειτουργικό κόστος και χρόνο απόσβεσης (5-8 χρόνια). Τέλος ένα κτίριο με σωστά μελετημένο και εγκατεστημένο σύστημα γεωθερμίας αποκτά με τον χρόνο πραγματικά τεράστια υπεραξία.

Επειδή το μέλλον πραγματικά ανήκει στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, που μια από τις πιο σημαντικές είναι και η εγκατάσταση γεωθερμικών συστημάτων με γεωθερμικές αντλίες θερμότητας, καθήκον του σύγχρονου μηχανικού θέρμανσης και κλιματισμού είναι να εξετάζει με μεγάλη προσοχή και προτείνει τέτοιου είδους εγκαταστάσεις, πάντα φυσικά αφού λάβει υπόψη του όλες αυτές τις παραμέτρους που θα καθιστούν την εγκατάσταση πραγματικά αποδοτική και ωφέλιμη για το τελικό χρήστη.

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια παλαιά μονοκατοικία στην περιοχή της Αττικής (Β’ κλιματική ζώνη) επιφάνειας 150 m2 κατασκευασμένη πριν από το 1980 χωρίς θερμομόνωση, παλαιό λέβητα και θερμαντικά σώματα. Η μέση ετήσια ενεργειακή κατανάλωση για την κατοικίες αυτής της περιόδου είναι, σύμφωνα με στοιχεία του ΥΠΕΚΑ, 85 Kwh/m2 και συνολικά 150 Χ 85 Kwh/m2 = 12750 Kwh που ισοδυναμούν με 10965000 Kcal. Ας υποθέσουμε ότι η κατοικία αυτή θερμαίνεται σήμερα από μία εγκατάσταση θέρμανσης με θερμαντικά σώματα και λέβητα πετρελαίου με μέσο βαθμό ετήσιας απόδοσης 0,75 (συνήθης για παλαιούς λέβητες). Η ετήσια κατανάλωση πετρελαίου για την εν λόγω εγκατάσταση είναι 10965000 Kcal : 0,75*8400 Kcal/lit (θερμογόνος δύναμη πετρελαίου) = 1740 lit. Με την τιμή του πετρελαίου στο 1 ευρώ /lit το κόστος για την αγορά πετρελαίου ανέρχεται στο ποσό των 1740 lit * 1 ευρώ/lit = 1750 ευρώ.

Ας υποθέσουμε τώρα ότι στην θέση του υφιστάμενου λέβητα εγκαταστήσουμε ένα γεωθερμικό σύστημα με μία γεωθερμική αντλία θερμότητας με ολικό μέσος ανηγμένο εποχικός συντελεστής επίδοση SCOP = 5,1.Η ετήσια κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας για την λειτουργία της αντλίας θερμότητας θα είναι 12750 Kwh : 5,1 = 2500 Kwh.

Σύμφωνα με τα τρέχοντα τιμολόγια ηλεκτρικής ενέργειας το μέγιστο κόστος ανά μαζί με τις ειδικές χρεώσεις ανά Kwh (κιλοβατώρα) είναι περίπου 0,17 ευρώ/Kwh . Κατά συνέπεια για την λειτουργία της αντλίας θερμότητας θα πρέπει να πληρώσουμε ετησίως 2500 Kwh * 0,17 ευρώ/Kwh = 425 ευρώ. Δηλαδή 1325 ευρώ λιγότερα χρήματα.

Ένα σύστημα γεωθερμίας μπορεί να εγκατασταθεί σε οιανδήποτε νέο κτήριο (κατοικία, επαγγελματικό κτίριο, ξενοδοχείο, βιομηχανική εγκατάσταση κ.λ.π). Επίσης μπορεί να εφαρμοστεί και σε υφιστάμενα κτήρια (μονοκατοικία, επαγγελματικό χώρο, ξενοδοχείο, βιομηχανία κ.λ.π) για θέρμανση , παραγωγή ζεστού νερού , θέρμανση πισίνας ή κολυμβητηρίου καθώς και κλιματισμό εφόσον φυσικά υπάρχουν οι απαραίτητες προϋποθέσεις. Η εφαρμογή της γεωθερμίας σε υφιστάμενα πολυώροφα κτήρια εντός του αστικού ιστού είναι τις περισσότερες φορές εξαιρετικά δύσκολη έως ανέφικτη.

Για την εγκατάσταση σε νέα κτίρια θα πρέπει :

• Να εκπονηθεί ειδική μηχανολογική μελέτη η οποία θα υποβληθεί στην αρμόδια Υπηρεσία του Υπουργείου Ανάπτυξης της κατά τόπου περιφέρειας ώστε να εκδοθεί η απαιτούμενη άδεια εγκατάστασης, σύμφωνα με τις διατάξεις της κείμενης νομοθεσίας (Δ9Β,Δ/Φ166/οικ 13068/ΓΔΦΠ2488/ΦΕΚ 1249/24-62009).
• Να προβλέπεται από την ηλεκτρομηχανολογική μελέτη και την μελέτη ΚΕΝΑΚ που έχουν υποβληθεί στην πολεοδομία για την έκδοση της οικοδομικής άδειας.
• Αν δεν έχουν γίνει και οι δύο παραπάνω ενέργειες και έχει υποβληθεί στην πολεοδομία μελέτη με άλλο σύστημα θέρμανσης, τότε για να εγκατασταθεί σύστημα θέρμανσης με γεωθερμία θα πρέπει να υποβληθούν έγκαιρα οι απαιτούμενες μελέτες στις παραπάνω αρμόδιες υπηρεσίες ώστε να εκδοθούν η απαιτούμενη άδεια εγκατάστασης και η αναθεώρηση της οικοδομικής αδείας για αλλαγή ηλεκτρομηχανολογικών μελετών και μελέτης ΚΕΝΑΚ.

Για την εγκατάσταση σε υφιστάμενα παλαιά κτήρια θα πρέπει :

• Ο περιβάλλον χώρος του κτιρίου είναι κατάλληλος για την ανάπτυξη οριζόντιων ή κατακόρυφων γεωεναλλακτών ή να υπάρχει παλαιό νόμιμο πηγάδι νερού καθώς και η δυνατότητα να ανοιχθεί άλλο ένα, έστω και μικρότερο ή να υπάρχει πλησίον λίμνη ή θάλασσα από την οποία δύναται να ληφθεί νερό με νόμιμες διαδικασίες.
• Να εκπονηθεί ειδική μηχανολογική μελέτη η οποία θα υποβληθεί στην αρμόδια Υπηρεσία του Υπουργείου Ανάπτυξης της κατά τόπου περιφέρειας και να εκδοθεί η απαιτούμενη άδεια εγκατάστασης, σύμφωνα με τις διατάξεις της κείμενης νομοθεσίας (Δ9Β,Δ/Φ166/οικ 13068/ΓΔΦΠ2488/ΦΕΚ 1249/24-62009).
• Αν δεν γίνου οι ο παραπάνω ενέργειες δεν μπορεί να εγκατασταθεί γεωθερμικό σύστημα και η οποιαδήποτε αυθαίρετη εγκατάσταση του είναι παράνομη και επισείει σοβαρούς κινδύνους μεγάλων προστίμων καθώς και άλλων ποινικών και αστικών κυρώσεων.