Η εκμετάλευση της γεωθερμίας στον κτηριακό τομέα είναι ένας από τους πιο αποδοτικούς - γνωστούς τρόπους για την εξοικονόμηση ενέργειας για θέρμανση και ψύξη χώρων και ζεστού νερού χρήση. Η εκμετάλλευση της ετήσιας και ημερήσιας σταθερής θερμοκρασίας του υπεδάφους (16-18 oC) έχει σαν στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης των αντλιών θερμότητας (Heat Pumps). Δύο από τους πιο διαδεδομένους τρόπους εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας είναι:
1.Οι γεωτρήσεις κλειστού βρόγχου.
Τα συστήματα κλειστού βρόχου αποτελούνται από ένα υπόγειο δίκτυο στεγανών, πλαστικών σωλήνων μεγάλης αντοχής που λειτουργούν ως ανταλλακτήρες θερμότητας. Οι σωλήνες είναι γεμάτοι με νερό ή με ένα διάλυμα νερού και αντιψυκτικού. Δεν υπάρχει επικοινωνία με τα υπόγεια ύδατα. Από το υλικό των σωλήνων εξαρτάται η διάρκεια ζωής τους, το κόστος συντήρησης, η ισχύς της άντλησης, το κόστος κεφαλαίου και η απόδοση της αντλίας θερμότητας. Για το λόγο αυτό, το μέγεθος, η αντοχή και το υλικό των σωλήνων πρέπει να έχει μελετηθεί ειδικά για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Γενικά χρησιμοποιούνται σωληνώσεις από πολυαιθυλένιο ή πολυβουτυλένιο υψηλής πυκνότητας και διάμετροι σωλήνων μεταξύ 20 και 40 mm. Τα υλικά αυτά είναι εύκαμπτα και οι ενώσεις των σωλήνων μπορεί να γίνουν εύκολα με θερμική σύντηξη, προκειμένου να δημιουργηθούν δίκτυα στεγανά, που είναι αξιόπιστα, δεν παρουσιάζουν διαρροές και δεν χρειάζονται συντήρηση. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι διάταξης των κλειστών βρόχων αλλά οι πλέον συνηθισμένοι είναι η οριζόντια και η κάθετη διάταξη.
- Οριζόντια διάταξη. Εδώ οι σωλήνες τοποθετούνται μέσα σε ορύγματα βάθους 1,2 έως 3,0 μέτρων συνήθως. Το μήκος των ορυγμάτων κυμαίνεται από 9 έως 35 μέτρα ανά kW θερμικού δυναμικού, ανάλογα με τις συνθήκες του εδάφους και τον αριθμό των σωλήνων μέσα στο όρυγμα. Τα ορύγματα συνήθως απέχουν μεταξύ τους 2 έως 4 μέτρα. Οι σωλήνες πρέπει να τοποθετηθούν σε ένα υπόστρωμα άμμου στο πυθμένα του ορύγματος, μετά να καλυφθούν με μία στρώση άμμου 15 cm και στη συνέχεια τα ορύγματα κλείνονται με το χώμα που είχε εκσκαφθεί. Η εγκατάσταση πρέπει να «ποτιστεί» και να συμπιεστεί, προκειμένου να αποφευχθούν οι καθιζήσεις. Τα συστήματα κλειστού βρόχου μπορούν να κατασκευαστούν κάτω από επιφάνειες πρασίνου και χώρους στάθμευσης. Για τη να βελτίωση της μεταφοράς της θερμότητας έχουν αναπτυχθεί κάποια νέα συστήματα Η σπειροειδής περιέλιξη δημιουργείται τεντώνοντας μια σφικτή περιέλιξη σωληνώσεων πολυαιθυλενίου μικρής διαμέτρου και έτσι διαμορφώνεται μία εκτεταμένη περιέλιξη με διάμετρο περίπου 600 mm. Στη συνέχεια η σπείρα τοποθετείται σε ένα στενό όρυγμα ή οριζοντίως στον πυθμένα
ενός πλατύτερου ορύγματος. Η επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας αποτελεί ουσιαστικά, με τον τρόπο αυτό, έναν κύλινδρο με διάμετρο αυτήν της σπειροειδούς περιέλιξης και το απαιτούμενο μήκος ορύγματος είναι πολύ πιο μικρό : τρεις με τέσσερις φορές μικρότερο από τη διάταξη με μονό σωλήνα. Τα πλεονεκτήματα της οριζόντιας διάταξης είναι το πολύ χαμηλότερο κόστος για την εκσκαφή των ορυγμάτων και οι ευέλικτες εναλλακτικές λύσεις εγκατάστασης. Ωστόσο, χρειάζεται μεγαλύτερη επιφάνεια διαθέσιμου χώρου και το έδαφος υπόκειται σε μεγαλύτερες διακυμάνσεις θερμοκρασίας και ξηρασίας, καθώς βρίσκεται σχετικά κοντά στην επιφάνεια.
- Κάθετη διάταξη. Εδώ ανοίγονται πηγάδια σε βάθος από 20 έως 100 μέτρα και μερικές φορές ακόμη πιο βαθιά. Οι αγωγοί κλειστού βρόχου εισάγονται στο κάθετο πηγάδι. Χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ειδικός εξοπλισμός και σε πολύ βαθιές οπές ακόμη και το υλικό πλήρωσης των πηγαδιών πρέπει να αντληθεί μέχρι τον πυθμένα της οπής για να αποτελέσει μία ρευστή μάζα, που θα γεμίζει το κενό μεταξύ της επιφάνειας της οπής και του αγωγού. Το κατάλληλο υλικό ρευστής πλήρωσης θα πρέπει να επιλεγεί ανάλογα με τη θερμοκρασία και τις αναμενόμενες συνθήκες εργασίας. Οι χαρακτηριστικές απαιτήσεις μήκους είναι από 17 έως 52 μέτρα ανά kW θερμικού δυναμικού, ανάλογα με τις συνθήκες του εδάφους και της θερμοκρασίας. Τα πολλαπλά πηγάδια χρειάζονται συνήθως μια απόσταση μεταξύ τους από 3 έως 5 μέτρα. Τα πλεονεκτήματα της κάθετης διάταξης είναι το μικρότερο μήκος των αγωγών, η χαμηλότατη ενέργεια άντλησης όλων των συστημάτων κλειστού βρόχου και η μικρότερη απαιτούμενη διαθέσιμη επιφάνεια. Η θερμοκρασία του εδάφους δεν αποτελεί καθόλου αντικείμενο εποχιακών διακυμάνσεων. Ωστόσο, το κόστος των γεωτρήσεων είναι πολύ μεγαλύτερο από το κόστος διάνοιξης οριζόντιων ορυγμάτων και απαιτούνται ειδικά μηχανήματα διάτρησης.
2. Οι κάθετες γεωτρήσεις ανοικτού βρόγχου
Τα συστήματα ανοικτού βρόχου χρησιμοποιούν τα υπάρχοντα υπόγεια ύδατα ως μέσο άμεσης μεταφοράς θερμότητας. Βασικά αποτελούνται από φρέατα εξαγωγής και φρέατα επανεισαγωγής ή από επιφανειακά ύδατα. Τα ύδατα που αντλούνται από τα φρέατα εξαγωγής επιστρέφονται ξανά στη γη. Ωστόσο, πρέπει να ληφθούν υπόψη ορισμένες ειδικές παράμετροι, όπως η ποιότητα του νερού. Στα συστήματα ανοικτού βρόχου ο ανταλλακτήρας θερμότητας μεταξύ του ψυκτικού και του υπόγειου ύδατος μπορεί να σαπίσει, να σκουριάσει ή να μπλοκάρει. Επιπλέον πρέπει να υπάρχει επαρκής ποσότητα νερού (συνήθως 0,03 έως 0,05 l/s/kW). Σε ιδανικές συνθήκες, τα συστήματα ανοικτού βρόχου μπορεί να είναι ο πιο οικονομικός τύπος από τα συστήματα υπόγειας σύζευξης. Ο σχεδιασμός είναι εύκολος, το κόστος εγκατάστασης χαμηλό και τα έξοδα λειτουργίας μπορεί να είναι πολύ χαμηλά, εφόσον το νερό αντλείται ήδη για άλλους λόγους όπως π.χ. την άρδευση.
Επίσης, σε όλα τα έργα πρέπει να έχει προηγηθεί σχεδιασμός βιοκλιματικών τεχνικών στο κτήριο (ενεργειακά τζάμια, σκίαστρα, θερμοκήπια, ενεργειακά τζάκια, ψυχροί σοβάδες, οικολογική μόνωση, αιολική καμινάδα) πριν η γεωθερμία συμπληρώσει τις απαιτούμενες ενεργειακές ανάγκες της κατοικίας.
