Μελέτη των μεταβολών της θερμοκρασίας του εδάφους σε χαμηλά βάθη με στόχο την υποστήριξη ενεργειακών εφαρμογών

Abstract

This PHD Thesis deals with the study of soil temperature changes at low depths with the aim of supporting energy applications and formulates equations for determining the soil temperature at these depths. The only input factor being the temperature of the atmospheric air, a quantity available everywhere and easily measurable. The knowledge of the soil temperature is an important factor in order to dimension and also to examine the efficiency of several energy application systems. Globally, several models which determine the subsoil temperature at low depths have been developed, however most of them require the knowledge of several factors to determine the soil temperature and are complex computational models. At a nationwide level, an attempt has been made to formulate equations that calculate the temperature of the subsoil based on Fourier analysis, and the main parameters introduced into the model are time, depth and the various thermal diffusivities of the soil depending on time. The originality of this Thesis lies in the fact that the soil temperature determination equations formulated herein are based on long-term measurements of soil and atmospheric air temperatures in a multitude of Greek cities where there are available stations. To calculate the temperature of the soil, only the knowledge of the temperature of the atmospheric air is required, an easily measurable quantity, which is entered into simple 2nd degree equations and not into some complex computational model. In the context of this thesis, the first chapter analyzes the usefulness of investigating the soil temperature, presents energy applications where knowledge of it is necessary, the factors that affect the temperature of the soil at low depths and documents the examined depths where knowledge is necessary of for basic energy applications. The second chapter presents the completeness of the data for the available stations nationwide and the methodology followed for the study of soil temperature variations as well as for the formulation of its determination equations. The third chapter presents the soil temperature data for various Greek cities per time period and formulates soil temperature determination equations per station. In the fourth chapter, the formulated equations are compared with the observed values for some indicative stations in order to establish their reliability. In the fifth chapter, an attempt is made to formulate single equations for determining soil temperature per Climatic Zone as defined by Technical Instruction of Technical Chamber of Greece and a comparison of the single equations per Climatic Zone with the observed values is made. In the sixth chapter, since there are no soil temperature measurements available above 1.00m, with the exception of the National Observatory of Athens and the Meteorological Station of the University of Athens, an attempt is made to extrapolate the values that have been observed from the depth of 1.00m to 1.20m and equations are formulated to determine the soil temperature at all available stations at the specific depth. In the seventh chapter, the perspectives of further investigation of the subject are examined in order to enrich the formulated equations. Finally, the conclusions of the present thesis and the Appendix of results with the formulated equations for determining the soil temperature at low depths for all available measuring stations follow.

Η παρούσα Διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τις μεταβολές της θερμοκρασίας του εδάφους σε χαμηλά βάθη με στόχο την υποστήριξη ενεργειακών εφαρμογών και διατυπώνει εξισώσεις προσδιορισμού της θερμοκρασίας του εδάφους στα βάθη αυτά, με μοναδικό παράγοντα εισόδου τη θερμοκρασία του ατμοσφαιρικού αέρα, μέγεθος ευρέως και σχετικά εύκολα μετρήσιμο. Η γνώση της θερμοκρασίας του εδάφους είναι σημαντικός παράγοντας προκειμένου να διαστασιολογηθεί αλλά και να εξεταστεί η αποδοτικότητα αρκετών συστημάτων ενεργειακών εφαρμογών. Σε παγκόσμιο επίπεδο έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα τα οποία προσδιορίζουν τη θερμοκρασία του υπεδάφους σε χαμηλά βάθη, ωστόσο τα περισσότερα από αυτά απαιτούν τη γνώση αρκετών παραγόντων – κάποιες φορές δύσκολα προσδιορίσιμων - για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του εδάφους και αποτελούν σύνθετα υπολογιστικά μοντέλα. Σε πανελλαδικό επίπεδο έχει γίνει προσπάθεια διατύπωσης εξισώσεων που να υπολογίζουν τη θερμοκρασία της επιφανείας του εδάφους και του υπεδάφους (Mihalakakou et. al, Garoufalakis et. al) βασιζόμενη σε σύνθετα υπολογιστικά μοντέλα και οι βασικές παράμετροι που εισάγονται στα μοντέλα αυτά είναι ο χρόνος, το βάθος και οι διάφορες θερμικές διαχυτότητες του εδάφους ανάλογα με τον χρόνο. Η πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής έγκειται στο γεγονός ότι οι εξισώσεις προσδιορισμού της θερμοκρασία του εδάφους που διατυπώνονται στην παρούσα βασίζονται σε μακροχρόνιες μετρήσεις θερμοκρασιών του εδάφους και του ατμοσφαιρικού αέρα σε αρκετές ελληνικές πόλεις όπου υπάρχουν διαθέσιμοι μετρητικοί σταθμοί. Για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του εδάφους απαιτείται αποκλειστικά η γνώση της θερμοκρασίας του ατμοσφαιρικού αέρα η οποία εισάγεται σε απλές εξισώσεις 2ου βαθμού και όχι σε κάποιο σύνθετο υπολογιστικό μοντέλο. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής στο πρώτο κεφάλαιο αναλύεται η χρησιμότητα της διερεύνησης της θερμοκρασίας του εδάφους, παρουσιάζονται ενεργειακές εφαρμογές στις οποίες είναι απαραίτητη η γνώση της, αναφέρονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την θερμοκρασία του εδάφους σε χαμηλά βάθη και γίνεται τεκμηρίωση των εξεταζόμενων βαθών που έχουν επιλεχθεί. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται η πληρότητα των δεδομένων στους διαθέσιμους σταθμούς πανελλαδικά και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη μελέτη των μεταβολών της θερμοκρασίας του εδάφους αλλά και για τη διατύπωση εξισώσεων προσδιορισμού της. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της θερμοκρασίας του εδάφους για τις εξεταζόμενες ελληνικές πόλεις ανά χρονική περίοδο και διατυπώνονται εξισώσεις προσδιορισμού θερμοκρασίας του εδάφους ανά σταθμό. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των διατυπωμένων εξισώσεων με τις παρατηρηθείσες τιμές σε ενδεικτικούς σταθμούς ώστε να διαπιστωθεί η αξιοπιστία τους. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται προσπάθεια διατύπωσης ενιαίων εξισώσεων προσδιορισμού θερμοκρασίας εδάφους ανά Κλιματική Ζώνη όπως αυτές ορίζονται από την ΤΟΤΕΕ και γίνεται σύγκριση των ενιαίων εξισώσεων ανά Κλιματική Ζώνη με τις παρατηρηθείσες τιμές. Στο έκτο κεφάλαιο, καθώς δεν υπάρχουν διαθέσιμες μετρήσεις θερμοκρασίας εδάφους σε βάθος μεγαλύτερο από 1,00m, με εξαίρεση το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών όπου υπάρχουν διαθέσιμες μετρήσεις έως 1,20m και τον Μετεωρολογικό Σταθμό του ΑΠΘ έως 3,00 m, γίνεται προσπάθεια προεκβολής των τιμών που έχουν παρατηρηθεί από το βάθος του 1,00m στο 1,20m και διατυπώνονται εξισώσεις προσδιορισμού της θερμοκρασίας του εδάφους σε όλους του διαθέσιμους σταθμούς στο συγκεκριμένο βάθος. Στο έβδομο κεφάλαιο εξετάζονται οι προοπτικές περαιτέρω διερεύνησης του αντικειμένου με σκοπό τον εμπλουτισμό των διατυπωμένων εξισώσεων. Τέλος, ακολουθούν τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής και Παράρτημα αποτελεσμάτων με τις διατυπωμένες εξισώσεις προσδιορισμού της θερμοκρασίας του εδάφους σε χαμηλά βάθη για όλους τους διαθέσιμους σταθμούς μέτρησης και πεδία περαιτέρω έρευνας.