انرژی، از زیر زمین تا درون ساختمان

در این مطلب می خوانید:

انرژی زمین گرمایی (Geothermal Energy)

الگوی دمایی پوسته زمین 

استفاده از پمپ زمین گرمایی برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها

دسته بندی پمپ های زمین گرمایی

پمپ های زمین گرمایی چرخه بسته

پمپ های زمین گرمایی چرخه باز

در این مطلب به شرح چگونگی استفاده از زمین و آب های زیرزمینی به عنوان یک منبع انرژی (Ground source energy) در پمپ های زمین گرمایی پرداخته می شود. انرژی و الگوهای دمایی زمین و جنبه های زمین شناسی مورد بررسی قرار می گیرند و در انتها در مورد نحوه استفاده از مبدل های حرارتی زمینی در استخراج این انرژی از زمین در دو ساختار مدار بسته (Ground Closed-loop heat exchangers) و مدار باز (Ground Open-loop heat exchangers) بحث می شود.

انرژی زمین گرمایی (Geothermal Energy)

انرژی زمین‌گرمایی، انرژی گرمایی است که در داخل پوسته زمین ذخیره شده است. منابع زمین‌گرمایی را می‌توان به سه دسته به صورت زیر تقسیم‌بندی کرد:

•  منبع دما بالا (High Temperature source): دماهای بالاتر از 150 درجه سلسیوس که در تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.
• منبع دما متوسط (Intermediate Temperature source): دماهای بین 30 تا 150 درجه سلسیوس، استفاده مستقیم در تولید گرما و ذخایر آب داغ.
• منبع دما پایین (Low Temperature source): دماهای کمتر از ۳۰ درجه سلسیوس، برای سرمایش و استفاده به همراه پمپ‌های زمین‌گرمایی.

طبق آمارهای گزارش شده، 8000مگاوات از انرژی گرمایی مورد استفاده در جهان از منابع دما بالا استخراج می شود، در حالیکه تنها 15000 مگاوات از انرژی زمین گرمایی از منابع دما متوسط و دما پایین تامین می شود. دمای منابع زمینی به طور تقریبی در محدوده 0 تا 360 درجه سانتیگراد تغییر میکند (ASHRAE,2002).

منابع دما بالا در عمق زیاد پوسته زمین وجود دارد که نهایت انرژی گرمایی به صورت فروپاشی رادیواکتیوی تولید می شود.

به‌ ترتیب کاهش دمای منبع، عمق منبع کاهش یافته و به سطح زمین نزدیک می‌شود. در پمپ های زمین‌گرمایی از منابع دما پایین برای تولید گرمایش و سرمایش استفاده می‌شود. سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی با منبع زمین را می‌توان با یک‌دیگر ترکیب کرد. سیستم ترکیب شده شامل یک پمپ گرمایی (Heat pump) و مبدل حرارتی زمینی است.

الگوی دمایی پوسته زمین 

دما در زیر سطح زمین در ناحیه‌ای نسبتا سطحی و عمق کم (Surface Area) از سطح زمین (عمق 3 تا 5 متر) تحت تاثیر نواسان‌های فصلی دمای هوای سطح زمین (Seasonal Temperature Variation) است، در حالی‌که خاک، صخره و آب‌های زیرزمینی در عمق‌های بیشتر نسبت به سطح زمین، تقریبا دمایی ثابت و پایدار دارد.

در صورت عدم وجود عوامل خارجی، دمای آب‌های زیرزمینی در عمق‌های بیشتر از ناحیه‌ی سطحی، تغییر زیادی بین فصل تابستان و زمستان نمی‌کند. در عمق‌های چند متر پایداری دمای زمین در طول یک سال با الگوی چرخه تغییرات دمای هوا در مغایرت است. به این معنی که در طول تابستان دمای داخل زمین از دمای هوای سطح کمتر است، پس می‌توان از زمین به عنوان یک منبع مناسب برای تخلیه کارآمد گرما در سیستم‌های سرمایشی استفاده کرد.

به طور مشابه در طول زمستان دمای داخل زمین بیشتر از دمای هوای سطح خواهد بود که باعث می‌شود بتوان از زمین به عنوان یک منبع گرمایی برای جذب گرما جهت گرمایش استفاده کرد. در شکل1، خط قرمز نشانگر دمای زمین در زیر ناحیه سطحی است و خط آبی دمای هوا در روی سطح زمین را نشان می دهد.

مشاهده می شود که توضیحات ارایه شده، در فصول سرد سال دمای زمین در زیر ناحیه سطحی پایین تر از دمای هوای سطح زمین و در فصول گرم بالاتر از دمای هوا است. بنابراین پمپ‌های زمین‌گرمایی می‌تواند از لحاظ ترمودینامیکی راندمان خیلی بالاتری نسبت به سیستم‌های گرمایش و سرمایش مجزا داشته باشد.

استفاده از پمپ زمین گرمایی برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها

در پمپ های زمین گرمایی  به طور معمول از منبع انرژی زمینی دما پایین جهت ایجاد گرمایش و سرمایش استفاده می شود. غنی ترین منبع گرمای دما پایین، انرژی خورشیدی است که توسط خاک جذب می شود. دلایل استفاده از این منبع برای گرمایش و سرمایش، نزدیک بودن آن به سطح زمین و همچنین نزدیک بودن دمای آن به دماهای مطبوع درون ساختمان است.

یک پمپ گرمایی با منبع زمین از سه بخش اصلی تشکیل شده است که شامل پمپ گرمایی، اتصال با زمین (Ground-Coupled Heat exchanger) و سیستم پخش گرما یا سرما در داخل ساختمان (Distribution System) است.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، مبدل حرارتی زمینی در این سیستم در حالت گرمایش گرما را از زمین جذب کرده و به مبرد (Refrigerant) درون اواپراتور پمپ گرمایی منتقل می کند. در حالت سرمایش عکس این عمل رخ می دهد و گرما از کندانسور پمپ گرمایی توسط مبدل حرارتی زمینی به زمین منتقل می شود.

 انتقال حرارت بین مبدل حرارتی زمینی و زمین در دو حالت سرمایش و گرمایش

پمپ‌های زمین‌گرمایی با طراحی، نصب و به‌کارگیری درست می‌توانند انرژی در ابعاد وسیع تولید کنند و منجر به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ایی (کربن دی اکسید) شوند.

پمپ‌های زمین‌گرمایی گرما را از زمین گرفته و دمای آن را افزایش می‌دهند و به این ترتیب می‌توانند انرژی گرمایی خروجی بیشتری از انرژی الکتریکی ورودی تولید کنند. به‌طور معمول انرژی گرمایی خروجی در حدود ۳ تا ۴ برابر انرژی الکتریکی ورودی است و موجب کاهش زیاد هزینه مصرف انرژی و کاهش انتشار کربن دی اکسید می‌شود.

دسته بندی پمپ های زمین گرمایی

پمپ‌های زمین‌گرمایی بر اساس باز یا بسته بودن مسیر گردش سیال در مبدل حرارتی زمینی به ۲ دسته چرخه باز (Open Loop) و چرخه بسته (Closed Loop) تقسیم می‌شوند. در پمپ‌های چرخه باز، با استفاده از مسیر لوله‌کشی آب‌های سطحی یا زیرزمینی را به درون مبدل حرارتی در پمپ گرمایی وارد کرده و از آن گرما جذب یا به آن دفع می‌شود.

در حالی‌که در سیستم‌های مدار بسته، مبدل حرارتی زمینی به صورت شبکه‌ای از لوله‌ها که نقش انتقال حرارت را بر عهده دارد در زمین قرار می‌گیرد و سیال کاری ثانویه‌ای (Secondary Fluid) (معمولا آب یا محلول ضدیخ) درون شبکه لوله‌کشی و مبدل حرارتی موجود در سیستم پمپ گرمایی (کندانسور در سیستم سرمایش و اواپراتور در سیستم گرمایش) گردش کرده و عمل انتقال حرارت بین زمین و پمپ را انجام می‌دهد.

در ادامه انواع معمول پمپ‌های زمین‌گرمایی چرخه باز و چرخه بسته با جزیات بیشتری شرح می شود.

پمپ های زمین گرمایی چرخه بسته

در این نوع سیستم، دسته بندی بر اساس شکل مسیر لوله کشی درون زمین و اینکه منبع انتقال گرما خاک یا آب های سطحی یا زیرزمینی باشد، انجام می گیرد.

مبدل عمودی (Vertical Ground Heat Exchanger)

مبدل های زمینی عمودی معمول ترین نوع مورد استفاده در سیستم های با ظرفیت متوسط بین بازه 100 تا 1000 کیلووات است. دلیل فنی برای استفاده نکردن از این سیستم برای ابعاد بزرگتر وجود ندارد. در حالتی که زمین با مساحت زیاد در اختیار باشد ترجیحا از سیستم افقی استفاده می‌شود. در سیستم عمودی، چاه‌ (Borehole)های عمودی با قطر 125 تا 160 میلی متر در یک شبکه‌بندی با فاصله‌‌های بین 4 تا 15متر از یک‌ دیگر و در عمق 50 تا 200 متر از سطح زمین حفر می‌شوند. سپس لوله های مبدل در این چاه ها با آرایش های متفاوت قرار می گیرند.

نمایی از یک مبدل حرارتی زمینی عمودی

در کاربردهای خاص می توان مبدل های عمودی را درون پایه های حفر شده ساختمان قرار داد. با استفاده از این روش معمولا می‌توان نیمی از بار حرارتی و برودتی ساختمان را پوشش داد که البته این مقدار بستگی به شرایط ساختمان دارد. یکی از ملاحظات مهم در به کار گیری این روش، عدم تاثیر زیاد مبدل در طراحی و ساخت پایه‌های ساختمان است. مزیت این روش نسبت به روش معمول حفر چاه، استفاده از گودال های حفر شده برای ساخت پایه‌‌ی ساختمان و عدم پرداخت هزینه اضافی برای حفر چاه است.

قرارگیری مبدل عمودی درون پایه های ساختمان

مبدل افقی (Horizontal Ground Heat Exchanger)

اگر زمین با مساحت کافی در اختیار باشد می‌توان چاه‌ها را در عمق 1 تا 2 متر حفر کرد و شبکه لوله‌کشی را به صورت افقی در آن قرار داد. انواع مختلفی از شبکه‌بندی برای قرار دادن لوله‌های مبدل وجود دارد. به صورت عمومی مبدل‌های افقی هزینه کارگذاری خیلی کمتری نسبت به حالت عمودی دارند اما در مقابل به مساحت زمین زیادی برای قرار دادن لوله در زیر خاک احتیاج است.

پمپ های زمین گرمایی چرخه باز

سیستم های چرخه باز بر اساس نوع منبع آبی که برای انتقال حرارت مورد استفاده قرار می گیرد دسته بندی می شوند.

سیستم آب سطحی (Surface Water System)

در جاهایی که آب سطحی موجود است می‌توان از آن به عنوان یک منبع با کشیدن آن به درون یک مبدل حرارتی استفاده کرد. در این سیستم فیلتر کردن آب جزو مهم‌ترین مشکلات است که هزینه عمل‌کردی و نگه‌داری را افزایش می‌دهد.

سیستم آب زیرزمینی (Underground Water System)

در این نوع سیستم از یک جفت چاه استفاده شده و با جذب آب از یکی به عنوان منبع و تخلیه آن پس از عبور از درون مبدل به درون چاه دیگر، عمل جذب یا دفع انرژی انجام می‌شود.

منبع:

کارگشا، سامانه جامع صنعت ساختمان

مطالب مرتبط:

بوستر پمپ

آشنایی با مبدل های حرارتی و انواع آن ها