انرژی زمین گرمایی چیست ؟
توجه به انواع انرژی غیر وارداتی و متفاوت از سوخت فسیلی نکتهای است که در بسیاری از کشورهای دنیا مبنای برنامه ریزیهای بلند مدت قرار گرفته است. از سوی دیگر با افزایش بحران آلایندههای ناشی از سوختهای فسیلی ، توجه به فاکتورهای زیست محیطی توسط ارگانها و نهادهای بین المللی و نیز توجه برنامه ریزان به استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجب گردیده تا امروزه به این مباحث با جدیت بیشتری پرداخته شود . انرژی زمین گرمایی نیزیکی از منابع انرژیهای تجدیدپذیر میباشد . اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشکیل شده است. انرژی زمین گرمایی، انرژی موجود در عمق زمین است که از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده و همچنین فروپاشی یا زوال ایزوتوپ های اورانیوم رادیو اکتیویته،توریم و پتاسیم در طی سالیان درازدرعمق زمین نشات گرفته است که عمدتا در نواحی زلزله خیز و آتشفشانی جوان و صفحات تکتونیکی زمین متمرکز شده است . زمین منبع عظیمی از انرژی است بطوریکه حرارت در هسته آن بیش از 5000 درجه سانتیگراد می رسد حرارت زمین به طرق مختلف از جمله فوران آتشفشان – چشمه های ابگرم- ابفشانها- و گلفشانها در اثر کاهش چگالی زمین و خاصیت رسانایی از بخشهایی از زمین به سطح آن هدایت میشوند. درجه حرارت زمین با توجه به عمق آن به صورت غیر خطی زیاد میشود. (با تقریب خطی هر 100 متر 3 درجه سانتی گراد) انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروزجهان است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژیهای تجدید پذیر محدود به فصل ، زمان وشرایط خاصی نبوده بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد. همچنین قیمت تمام شده برق در نیروگاههای زمین گرمایی با برق تولیدی از سایر نیروگاههای متعارف( فسیلی ) قابل رقابت بوده و حتی از انواع دیگر انرژیهای نو بمراتب ارزانتر است.
تاریخچه انرژی زمین گرمایی در ایران :
در ایران از سال 1354 مطالعات گسترده ای بمنظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260 هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسیهای زمین شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه ریزی شد. در سال 1361 با پایان یافتن مطالعات اکتشاف مقدماتی در هر یک از مناطق ذکر شده، نواحی مستعد با دقت بیشتری شناسایی شده و در نتیجه در منطقه سبلان: نواحی مشکین شهر، سرعین و بوشلی، در منطقه دماوند ناحیه: نونال، در منطقه ماکو- خوی نواحی: سیاه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحیه کوچکتر جهت تمرکز فعالیتهای فاز اکتشاف تکمیلی انتخاب شدند. پس از یک وقفه نسبتاً طولانی و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهای موجود مجدداً در سال 1369 توسط کارشناسان UNDP بازنگری شده و منطقه زمین گرمایی مشکین شهر بعنوان اولین اولویت جهت ادامه مطالعات اکتشافی معرفی شد. پیرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاری های اکتشافی ، تزریقی، توصیفی به منظور شناسایی بیشتر پتانسیل در منطقه سرعین مشکین شهر در سال تعریف 1381گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال 1383 اتمام یافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافی و دو حلقه چاه تزریقی در این مرحله حفر گردید و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافی با موفقیت انجام گرفت که مهم ترین دستاورد این فاز از پروژه کسب دانش فنی مربوط به حفر چاههای زمین گرمایی بود . فاز دوم این پروژه در سال 1384 آغاز گردید.
توانمندی های حاصله در کشور در حوزه انرژی زمین گرمایی:
در پروژه توسعه میدان زمین گرمایی و ساخت نیروگاه مشکین شهر مراحل حفاری چاهها،بهره برداری از چاه ها در دوره تست،ساخت دستگاههای مربوط به تست در کشور کاملا بومی شده و توسط متخصصان داخلی به انجام رسیده است.
همچنین در زمینه استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی تا کنون تکنولوژی نصب کویل های زمینی به صورت کامل و 100% در کشورمان ایران بومی شده است.
تاریخچه انرژی زمین گرمایی درجهان :
وجود کوههای آتش فشانی اولین نشانه وجود گرما درزیر زمین بود.
حفر اولین منابع زمین گرمایی در فاصله زمانی بین قرنهای 16و 17 میلادی
قرن هجدهم میلادی اولین اندازه گیریها در بلفورت فرانسه
اوایل قرن نوزدهم استخراج سیالات زمین گرمایی با هدف بهره برداری ا ز پتانسیل انرژی حرارتی در ایتالیا صورت گرفت.
1870: استخراج بخارات طبیعی آب با هدف بهره برداری از انرژی مکانیکی آن انجام شد.
1904:تولید برق از این انرژی در لاردرلو ایتالیا
1920:نخستین چاهها ژئو ترمال در ژاپن و کالیفرنیا به طور همزمان
1928:استخراج سیال زمین گرمایی برای تامین گرمایش منازل در ایسلند.
پس از جنگ جهانی دوم در سال 1958 نیوزلند بعنوان دومین کشور فعال در این زمینه اقدام به تولید برق از انرژی زمین گرمایی نمود.
منابع زمین گرمایی :
1.منابع آب داغ(سیستم های هیدروترمال)
منابع آبی هستند که در زیر زمین داغ میشوند و سپس به سطح زمین انتقال پیدا می کنند که در میان انواع منابع زمین گرمایی این منابع امروزه دارای بیشترین استفاده هستند. این نوع منابع زمین گرمایی خود به سه گروه ذیل تقسیم بندی میشوند:
الف- دسته اول: مخازن دما بالا با دمای بالاتر از ºC150 که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای معمولی
ب- دسته دوم: مخازن با دمای بین 100 الی ºC150که مناسب برای تولید برق با تکنیکهای پیشرفتهتر باینری
ج- دسته سوم: مخازن دما پائین با دمای کمتر از ºC100 و مناسب برای کاربردهای مستقیم
2.منابع بخار خشک
منابعی با درجه حرارت بسیار بالا هستند که از آنها بخار خشک و یا آمیزه ای از بخار وآب با درجه حرارت بسیار بالا استحصال میشود که به جهت تولید برق این منابع دارای بهترین ترین شرایط هستند،اما متاسفانه این منابع در مناطق محدودی یافت می شوند .
3.منابع تحت فشار:
منابع عظیمی هستند که از آب شور(brine) تشکیل یافته اند و از نظرشرایط کلی به درجه اشباع رسیده اند و در لایه های میان صخره های اعماق زمین به صورت محبوس وجود دارند. این منابع عمدتا حاوی گاز متان محلول هستند و در عمق 3 تا 6 کیلومتری از سطح زمین یافت میشوند ودرجه حرارت آنها بین 90 تا 200 درجه سانتی گراد تخمین زده میشوند .
4.تخته سنگهای خشک داغ:
تخته سنگ های بسیار عظیم با منبع آتش فشانی هستند که در اعماق زمین وجود داشته و درجه حرارت بسیار بالا و فیزیک سخت دارند. به سیستمهای بهره برداری از این منابع سیستم های زمین گرمایی توسعه یافته (Enhanced Geothermal Systems) و به اختصار EGS گفته می شود .از آنجا که در همه جای کره زمین در اعماق گرما با شدتهای مختلف وجود دارد و تنها محدودیت موجود عدم وجود منابع آب می باشد لذا با کمک این سیستم میتوان رشد قابل توجهای را در توسعه انرژی زمین گرمائی برقرار کرد.سیستم بهره برداری به این صورت میباشد که با حفر چاههای بسیار عمیق(با عمق 4 تا 6 هزار متر) به لایه های داغ زمین دسترسی پیدا کرده، سپس آب با فشار بالا به چاه تزریق شده که در اثر این فشار هیدرولیکی در سنگ شکافت ایجاد می شود. همین کار برای چاه تولید (Production Well) نیز انجام می شود و بین دو چاه ارتباط برقرار می گردد. بدین صورت آب در حین عبور از شکافهای ایجاد شده حرارت را از سنگهای داغ دریافت و از چاه تولید خارج و وارد سیکل نیروگاه می شود. درجه حرارت آب حاصل از این منابع بین 135 تا 180 درجه سانتیگراد بوده و در این حالت امکان افزایش بازده نیروگاه تا 15 درصد وجود دارد.
5.مواد مذاب:
این منابع که به نام گدازه ها می شناسیم در واقع ایده آل ترین حالت ممکن برای منابع زمین گرمایی بوده که درجه حرارت آن بین 700 تا 2 هزار درجه سانتی گراد است.با توجه به درجه حرارت بالای این مخازن و محدودیت های فنی موجود،امروزه از این منابع عظیم استفاده نمیشود.
کاربردهای انرژی زمین گرمایی :
کاربرد های انرژی زمین گرمایی در حالت کلی به دو گروه کاربردهای مستقیم و کاربرد های غیر مستقیم تقسیم بندی می شود .
- انواع تکنولوژی های نیروگاهی زمین گرمایی (کاربردهای غیر مستقیم)
- سیکل بخار خشک
- بخار لحظه ای
- تک مرحله ای
- با کندانسور
- بدون کندانسور
- دو مرحله ای
- با کندانسور
- بدون کندانسور
- سیکل باینری
- کاربرد های مستقیم
- استفاده از حرارت موجود در آب گرم خروجی از نیروگاه یا چاه های تولیدی به منظور تامین گرمایش محیط ساختمان ها، گلخانه ها، کاربردهای صنعتی، حوضچه های پروش ماهی، مراکز آبدرمانی و استخرهای شنا، سیستم ذوب برف در معابر و جاده ها و نیز تامین گرمایش و سرمایش مورد نیاز گلخانه ها، مراکز پرورش دام، مرغداری ها، پرورش قارچ، ساختمان های مسکونی، تجاری، اداری، عمومی و...
- سیستم گرمایشی – سرمایشی پمپ حرارتی زمین گرمایی
پمپ حرارتی زمین گرمایی :
اگر منحنی تغییرات دمای هوا و دمای زمین در اعماق را در طول یک سال رسم نماییم مشاهده می شود که هرچه به عمق زمین بیشتر شود، میزان تغییرات دمای زمین در طول سال دارای تغییرات کمتری خواهد بود. به طوری که از حدود عمق 3 الی 4 متری از سطح زمین تغییرات دما و نوسانات آن در طول یک سال بسیار ناچیز می باشد. این در حالی است که میزان تغییرات دمای هوا دارای نوسانات بسیار زیادی می باشد. این امر بدین معنی است که زمین منبع خوبی برای تامین گرمایش در ماههای سرد سال است و می توان از حرارت زمین برای تامین گرمایش ساختمان ها استفاده نمود و همچنین از آن می توان برای تامین سرمایش در ماههای سرد سال استفاده بهینه نمود. تکنولوژی پمپهای حرارتی بر این اصل استوار است که در عمق 2 تا 3 متری زمین ،درجه دما ثابت بوده و در زمستان گرمتر از هوای بیرون و در تابستان سردتر از هوای محیط است. سیستم های سرمایش وگرمایش ژئوترمال که با نامهای دیگری هم مانند پمپهای حرارتی با منبع زمین(GSHP) سیستمهای مبدل زمین گرمایی (GeoExchange) ویا سیستم های انرژی زمینی(EES) شناخته میشوند، شامل پمپهای حرارتی هستند که با استفاده از انرژی برق، گرما را از زیر زمین جمع آوری و توسط سیالی که از لوله های کارگذاشته شده میگذرد به واحد نصب شده در داخل ساختمان منتقل میکنند.این واحد گرمای سیال درون لوله ها را جذب کرده و با استفاده از قوانین متراکم سازی (compression) حرارت را تشدید و افزایش داده و به دمای مطلوب جهت گرمایش ساختمان میرساند.گرمای حاصل از پمپهای حرارتی به واسطه احتراق ایجاد نشده و فقط گرما را از محلی به محل دیگر منتقل میکنند.همچنین به طور معکوس در تابستان هوای گرم داخل ساختمان از طریق یک مکنده وارد دستگاه شده و پس از سرد شدن مجددا به داخل اتاق دمیده میشود. در داخل دستگاه حرارت به مبرد منتقل شده و پس از عبور مبرد از سیکل مربوطه، حرارت موجود در آن توسط یک مبدل دو لوله ای به آب داخل کویل زمینی که داخل لوله های پلی اتیلنی نصب شده در داخل زمین منتقل میشود.سیکل کاری این سیستم کاملا مانند یخچال بوده و فقط به جای انتقال گرمای درون یخچال به اطراف یخچال ،گرمای درون ساختمان را به زمین منتقل میکند.راندمان انرژی این سیستم ها 300 تا 400 درصد بوده(در مقایسه با مدرن ترین سیستمهای گازی با 98 درصد راندمان) و به ازای هر 1 دلاربرق مصرفی در این سیستم ،3 تا 4 دلار صرفه جویی مصرف داریم .در واقع یک سیستم منفرد، کار دو سیستم گرمایش و سرمایش را انجام میدهد. استفاده از این سیستم ها تا 66 درصد انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش داده و75 درصد کمتر از سیستم های گرمایش وسرمایش سنتی، الکتریسیته مصرف میکنند.
الف : تقسیمبندی بر اساس سیکل حرارتی:
پمپهای حرارتی با توجه به سیکل حرارتی به انواع مختلفی تقسیم میگردند که عبارتند از:
1- پمپ حرارتی با سیستم تراکمی
2- پمپ حرارتی با سیستم جذبی
پمپ حرارتی با سیستم تراکمی:
اکثر پمپهای حرارتی با سیستم تراکم، از نوع پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار است. ساختار اصلی پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار همانگونه که در شکل ذیل نشان داده شده است، از تبخیرکننده، چگالنده، کمپرسور و شیر انبساط تشکیل شده است.
در کمپرسور، مبرد گازی متراکم شده و به گازی با فشار و دمای بالا تبدیل می شود. این گاز دارای فشار و دمای بالا در کندانسور، حرارت را به خارج دفع کرده و به سیال مایع تبدیل میشود. این سیال مایع مبرد دارای فشار بالا با عبور از شیر انبساط، منبسط شده و به سیال با فشار و دمای پایین تبدیل میشود. این سیال مایع مبرد در اواپراتور، حرارت محیط دما پایین را جذب میکند و به بخار تبدیل میشود و در نتیجه توسط این سیکل امکان انتقال حرارت دما پایین به دما بالا وجود خواهد داشت.
پمپ حرارتی باسیستم جذبی:
فرق پمپ حرارتی جذبی با پمپ حرارتی تراکمی، به غیر از کندانسور و تبخیرکننده (اواپراتور) معمولی در این است که پمپ حرارتی جذبی دارای دو نوع مبدل حرارتی بنام مولد وجاذب است که در واقع کار کمپرسور را انجام میدهند.
پمپ حرارتی جذبی به پمپ حرارتی با سیستم جذبی نوع اول و دوم تفکیک میشود. شکل ذیل ساختار پمپ حرارتی جذبی را نشان میدهد. در نوع اول ماده جاذب و مبرد در بین جاذب و ژنراتور به گردش در میآید.
در تبخیرکننده، فشار بخار توسط بخار مبرد کاهش یافته و سپس در داخل جاذب توسط مایع، جذب شده و در نتیجه حرارت تولید میشود. فشار مایع توسط پمپ افزایش یافته و سپس وارد مولد میشود. در داخل آن، مبرد داخل مایع بواسطه یک منبع حرارتی از خارج نظیر هیتر، افزایش حرارت پیدا کرده و در نتیجه بخار جدا شده و به کندانسور هدایت میشود. بخار مبرد پس از تقطیر شدن حرارت را آزاد میکند. حرارت ایجاد شده در جاذب مورد استفاده قرار میگیرد. مایع غلیظ شده از طریق شیر انبساط به جاذب برگردانده میشود.
پمپ حرارتی با سیستم جذبی نوع دوم از نظر ساختاری با نوع اول یکسان است، اما گردش مایع را برعکس کرده، حرارت دما پایین نظیر اگزوز را به ژنراتور و تبخیرکننده اضافه میکند، سپس حرارت دما بالا از جاذب را خارج کرده سیکل را تشکیل میدهد. در این حالت، انرژی محرک فقط حرارت دما پایین بوده، اگزوز دما پایین را به انرژی خودش به دما بالا افزایش دما میدهد.
ب : تقسیمبندی بر اساس منبع:
پمپهای حرارتی بر اساس منبعی که از آن جهت تبادل گرما و سرما استفاده میکنند، به دو دسته اصلی پمپ حرارتی هوایی و زمینی تقسیم میگردند.
پمپهایحرارتیبامنبع هوایی:
پمپهای حرارتی هوایی ، در زمستان، گرما را از هوای بیرون دریافت کرده و در تابستان، گرما را به محیط بیرون میدهند.دو نوع اصلی از پمپهای حرارتی هوایی وجود دارد که متداولترین نوع، پمپ حرارتی هوا - هوا (Air-to-Air) میباشد که در زمستان، حرارت را از هوای محیط دریافت کرده، و آن را به هوای داخل ساختمان، و در تابستان، حرارت را از هوای ساختمان به هوای محیط، انتقال میدهد.
نوع دیگر، پمپ حرارتی هوا - آب (Air-to-Water) است که در ساختمان، با سیستم توزیع حرارت رادیاتوری یا فنکویل، کار میکند. در فصل سرد، پمپ حرارتی، گرما را از هوای خارج دریافت کرده، و آن را به آب سیستم گرمایش میدهد. در فصل گرم، پمپ حرارتی، گرما را از سیستم توزیع آب داخل ساختمان به محیط انتقال میدهد.یک پمپ حرارتی هوایی در سه سیکل کار میکند: سیکل گرمایش، سیکل سرمایش و سیکل دیفراست.
سیکلگرمایش:
در سیکل گرمایش، حرارت از هوای خارج، گرفته شده و به فضای داخل داده میشود. شکل ذیل اجزای یک پمپ حرارتی هوایی(سیکل گرمایش) را نشان میدهد. در ابتدا مبرد مایع، از شیر انبساط عبور کرده و به یک مخلوط مایع - بخار فشار کم تبدیل میشود. سپس این مخلوط با عبور از کویل خارجی (کویل اواپراتور)، گرم شده، و در فشار کم به مایع و بخار تبدیل میگردد. در اکومولاتور، بخش مایع مبرد دو فاز، جدا شده و بخش بخار، پس از تراکم در کمپرسور، به کندانسور ارسال میشود. گرمای دفع شده از مبرد داغ در کندانسور، هوای خانه را گرم مینماید.
سیکلسرمایش:
برای سرمایش در تابستان، پمپ حرارتی، حرارت را از هوای داخل ساختمان جذب نموده و آن را به محیط انتقال میدهد. شکل ذیل اجزای یک پمپ حرارتی هوایی(سیکل سرمایش) را نشان میدهد.
مشابه سیکل گرمایش، مبرد مایع، از شیر انبساط عبور کرده و به مخلوط مایع - بخار فشار کم، تبدیل میشود. مبرد سپس به کویل داخلی) که به عنوان اواپراتور عمل میکند( رفته، و با جذب حرارت داخل اطاق، مبرد به بخار با دمای کم تبدیل میگردد. شیر معکوسکننده، این بخار را به یک اکومولاتور میفرستد، در آنجا، قسمت مایع جریان دو فازی، جدا شده و بخار اشباع یا قدری سوپر هیت، در کمپرسور متراکم میشود. سرانجام شیر معکوسکننده، گازی را که اکنون گرم است به یک کویل خارجی (که به عنوان کندانسور عمل میکند) میفرستد. گرمای منتقل شده به هوای خارج در کندانسور، باعث میشود که بخار مبرد به مایع تبدیل شود. این مایع به شیر انبساط برمیگردد و سیکل تکرار میگردد . در طول سیکل سرمایش، رطوبت موجود در هوا پس از عبور از روی کویل داخلی، تقطیر شده و در ظرفی در زیر کویل جمعآوری میشود و یا از خانه خارج میگردد.
سیکلدیفراست(برفکزدا):
اگر دمای هوای خارج، وقتی که پمپ حرارتی در حالت گرمایش کار میکند، نزدیک یا کمتر از نقطه انجماد برسد، رطوبت موجود در هوای عبوری از روی کویل خارجی، تقطیر شده و روی کویل مربوطه، برفک تشکیل میشود. برفک تولید شده، به دلیل اینکه انتقال حرارت به مبرد را کاهش میدهد، باعث کاهش بازده کویل میگردد.
برای دفع برفک، پمپ حرارتی باید در حالت دیفراست عمل کند. ابتدا دستگاه توسط شیر معکوس کننده، در حالت سرمایش قرار میگیرد. این عمل، گاز داغ را برای ذوب کردن برفک، به کویل خارجی میفرستد، و فن خارجی نیز خاموش میشود. در این حالت پمپ حرارتی، هوای سرد را به خانه میدهد. قبل از اینکه این هوا در سرتاسر خانه پخش شود، سیستم گرمایشی کمکی برای گرم کردن آن به کار میرود.
پمپ حرارتی با منبع زمینی:
دمای زمین، برخلاف هوای محیط، تقریباً ثابت است. پمپهای حرارتی زمینی، از زمین یا آبهای زیرزمینی و یا هر دو، به عنوان منبع حرارت در زمستان و به عنوان چاه حرارتی در تابستان، استفاده میکنند. بنابراین پمپهای حرارتی زمینی، به عنوان سیستمهای انرژی زمینی (EES) نیز نامیده میشوند.در زمستان حرارت گرفته شده از زمین، به کمک سیالی نظیر آبهای زیرزمینی یا محلول آب و ضدیخ توسط پمپ حرارتی، به هوای داخل خانه منتقل میشود. در تابستان، عکس این فرآیند رخ میدهد، یعنی حرارت از هوای داخل، گرفته شده و توسط آبهای زیرز مینی یا محلول آب و ضدیخ، به زمین منتقل میگردد.
پمپهای حرارتی زمینی دو بخش عمده دارند. یک مدار لولهکشی زیرزمینی در خارج ساختمان، و یک دستگاه پمپ حرارتی در داخل ساختمان. دستگاه پمپ حرارتی زمینی، در داخل ساختمان قرار میگیرد. سیستم لولهکشی خارج میتواند یک سیستم باز یا یک حلقه بسته باشد.
در یک پمپ حرارتی با سیکل باز، انتقال حرارت بین آبهای زیر زمینی و هوای داخل ساختمان انجام می شود و این امر بدین صورت است که آبهای زیر زمینی توسط یک پمپ با توان مصرفی کم از داخل چاه بیرون کشیده شده و سپس این آب به داخل دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمائی جهت تامین سرمایش یا گرمایش هدایت می شود.. مثلاً در حالت گرمایش، آب چاه به یک مبدل حرارتی وارد شده و حرارت آن گرفته میشود. این آب سپس به داخل آبهای سطحی مانند رودخانه و یا برکه، تخلیه میشود و یا به داخل یک چاه آب دیگر میریزد.
در پمپهای حرارتی با سیستمهای بسته، انتقال حرارت با زمین، به وسیله یک حلقه لولهکشی که در زیرزمین مدفون شده، انجام میپذیرد و مثلاً در حالت گرمایش، حرارت توسط یک محلول آب و ضدیخ (و یا مبرد در سیستم انبساط مستقیم DX) که بوسیله سیستم تبرید پمپ حرارتی چندین درجه از خاک اطراف خنکتر شده است، از خاک گرفته میشود.شکل ذیل اجزای یک پمپ حرارتی زمینی را نشان میدهد، مطابق شکل این پمپها، دارای سه قسمت عمده هستند.خود دستگاه پمپ حرارتی، مبدل حرارتی واسطه (سیستمهای حلقه باز یا حلقه بسته)، و سیستمهای انتقال دهنده هوا (کانال کشی) و با آب گرم و سرد به فضای اتاقها.
روش دیگر، تخلیه آب مصرفی به یک چاه ثانویه است، که آب را به زمین برمیگرداند، و تحت عنوان چاه برگشت آب نامیده میشود. یک چاه ثانویه باید بتواند تمام آب مصرفی در پمپ حرارتی را، در خود جای دهد. این چاه توسط یک مته چاهی ایجاد میشود. در بیشتر موارد دو چاه مورد نیاز می باشد (Doublet) که یکی برای گرفتن آب از زمین و دیگری برای تخلیه آب، بعد از استفاده مورد نیاز میباشد.سیستمها باید طوری طراحی شوند که از هر گونه آسیب به محیط جلوگیری شود. پمپ حرارتی که گرما را به آب منتقل میکند هیچ آلودگی تولید نمیکند. تنها تغییری که بوجود میآورد کمی افزایش و یا کاهش دمای آب برگشتی به محیط است.
سیستمهایباحلقهبسته :
یک سیستم حلقه بسته، حرارت را از زمین، با استفاده از حلقه پیوستهای از لولههای پلاستیکی مخصوص، که در زیر خاک قرار دارد، میگیرد. در حالی که در یک سیستم باز، آب به چاه تخلیه میشود، در سیستم بسته، سیال عامل در لولههای تحت فشار دوباره به گردش در میآید.لوله کشی در دو آرایش اصلی عمودی و افقی انجام میگیرد. شکل صفحه بعد آرایش عمودی سیستم حلقه بسته را نشان میدهد، این نوع آرایش بیشتر برای خانههای شهری مرسوم است، چون در آنجا فضای کمتری در دسترس میباشد.
آرایش افقی سیستم حلقه بسته در شکل ذیل مشاهده میشود. استفاده از آرایش افقی، بیشتر در مکانهایی با قابلیت دسترسی به فضای زیاد، متداول میباشد. لولهها بسته به تعداد آنها در گودالهایی که به طور معمولی 1 تا 8/1 متر (3 تاft. 6) عمق دارند، قرار داده میشوند. معمولاً 100 تا 150 متر (330 تاft. 500) لوله برای هر تن ظرفیت پمپ حرارتی، مورد نیاز است.. متداولترین شکل مبدل حرارتی که در سیستم افقی استفاده میشود، مبدل دو لولهای می باشد، که در یک گودال در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. مبدل حرارتی دیگری که در نواحی با فضای محدود، استفاده می شود، نوع مارپیچ است. در فضای محدود، گاهی از چهار یا شش لوله در هر گودال نیز استفاده میشود.جدا از آرایش انتخابی، در سیستمهایی که با محلول ضد یخ کار میکنند، لولهکشی باید حداقل شامل 100 سری از لولههای پلی اتیلن یا پلی بوتیلن باشد. با نصب مناسب، این لولهها میتوانند در هر مکانی بین 25 تا 75 سال استفاده شوند. آنها همچنین تحت تأثیرات شیمیایی خاک، قرار نمیگیرند و خواص انتقال حرارت خوبی دارند.
حلقههای افقی و عمودی باید توسط پیمانکار کاردان نصب شود. لولههای پلاستیکی باید توسط جوش حرارتی به هم متصل گردند، و تماس خوبی بین لولهها و زمین، برای داشتن انتقال حرارت مناسب، وجود داشته باشد.
یکنمونهازپمپهایحرارتیباسیستمهایافقی،نوعانبساطمستقیماست.سیالعاملپمپ حرارتی (مبرد)بهطور مستقیمدرلولههایزیرزمینبهگردشدر میآید (بهعبارتدیگراواپراتورپمپحرارتیدرزیرزمینگستردهشده است.
کاربرد پمپهای حرارتی:
پمپ حرارتی در منازل، ساختمانهای اداری و تجاری، هتل، بیمارستان، سرمایش و گرمایش منطقهای، صنایع، مراکز پرورش دام و تیور، گلخانه ها و غیره کاربرد داشته و در کاربردهای مختلف دارای تنوع مدل میباشند.
پمپهای حرارتی کم قدرت در حد چند کیلووات میتوانند مصارف خانگی آبگرم را نیز تأمین کنند در چنین موردی، بخصوص در تابستان پمپ حرارتی میتواند دماهای بالایی را بطور مؤثر تأمین کند.
پمپهای حرارتی با قدرت در حدود 12 تا 20 کیلو وات برای مصارف داخلی بزرگتر مانند انبارهای ذخیرهی کالا و گرمایش آب در استخرها مورد استفاده قرار میگیرد.
از مصارف خاص پمپهای حرارتی میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
- در مکانهایی که یک منبع تخلیه گرما با یک دمای بسیار پایین وجود داشته باشد، تا پمپ حرارتی از آن استفاده کند و همچنین در جاهایی که همزمان تقاضایی برای مصرف انرژی گرمایی وجود دارد.
- در مکانهایی که برای هر دو مورد گرمایش و سرمایش تقاضایی وجود داشته باشد که این تقاضا میتواند به صورت فصلی تغییر کند.
- در بخشهای صنعتی که یک جریان بزرگ انرژی وجود دارد و میتواند بوسیلهی پمپ حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
- در تأسیسات صنعتی که یک سیستم تولید گرمای بزرگ وجود دارد و استفاده از پمپ حرارتی میتواند آنرا بهینه کند.
فواید زیست محیطی :
از مهمترین مزایای استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی می توان به کاهش اثرات مخرب محیط زیستی آن اشاره نمود. با توجه به اینکه استفاده از سیستم هائی که از سوخت های فسیلی مانند گاز طبیعی جهت تامین گرمایش محیط استفاده می کنند، یکی از عوامل اصلی تولید آلاینده های محیط زیستی می باشند، جایگزین نمودن انواع انرژی های نو بجای سیستم های با مصرف سوخت فسیلی، می تواند به میزان قابل توجهی از انتشار گازهای گلخانه ای و آلاینده های محیط زیستی جلوگیری نماید.
مراحل انجام پروژه های هیت پمپ زمین گرمایی (GHP)
1- برداشت اطلاعات
1-1- جمع آوری اطلاعات آب و هوا شامل دمای هوا، میزان رطوبت، میزان بارش، میزان تابش خورشید و میزان وزش باد طی 10 الی 30 سال گذشته
1-2- مشخص شدن نوع کاربری ساختمان، مدت بهره برداری در روز
1-3- تهیه نقشه ساختمان
1-4- تهیه نقشه موقعیت ساختمان و محدودیت های اطراف آن مانند: خیابان ها، ساختمان های اطراف و خطوط برق، آب، گاز، تلفن
1-5- جمع آوری اطلاعات زمین شامل: سطح ایستابی، میزان رطوبت خاک، بررسی هایدروژئولوژی، بررسی جنس خاک، تعیین دانه بندی خاک،
2- طراحی
2-1- محاسبه بار حرارتی و برودتی ساختمان
2-2- انتخاب تعداد و ظرفیت دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی بر اساس نظر کارفرما
2-3- انتخاب نوع دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی از نوع آب به آب یا آب به هوا بر اساس نظر کارفرما
2-4- طراحی کانال انتقال هوا (آب به هوا) یا خطوط انتقال آب به فن کویل ها ( آب به آب)
2-5- طراحی کویل زمینی از نوع سیکل باز، سیکل بسته عمودی، سیکل بسته افقی یا ترکیب موارد مطرح شده
2-6- محاسبه متراژ لوله و قطر آن
2-7- طراحی و انتخاب پمپ های سیرکولاتور
2-8- طراحی چیدمان محل موتورخانه پمپ حرارتی زمین گرمایی
3- اجراء
3-1- حفر چاه های برداشت آب و تزریق آن برای سیکل باز، حفر چاههای سیکل بسته عمودی یا حفر کانال برای سیکل بسته افقی
3-2- نصب لوله کویل زمینی
3-3- پر نمودن کویل زمینی از خاک یا گروت
3-4- نصب دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی و اتصال آن به کویل زمینی
3-5- نصب کانال یا لوله های فن کویل به دستگاه
3-6- نصب مدار الکترونیک به برق ساختمان
3-7- پر نمودن آب کویل زمینی در سیکل بسته یا تست آبدهی چاه در سیکل باز
3-8- اندازه گیری میزان دبی کویل زمینی
3-9- بهره برداری از دستگاه
وضعیت پمپ حرارتی زمین گرمائی در ایران
در ایران مطالعه گسترده بر روی پمپ حرارتی زمین گرمائی از سال 1380 در معاونت امور انرژی آغاز گردید که این مطالعات منجر به تغییر یک کولر گازی به پمپ حرارتی زمین گرمائی گردید. این دستگاه در سایت زمین گرمائی مشکین شهر نصب و راه اندازی شده است و کویل زمینی آن که به صورت افقی است، باعث شده تا میزان مصرف برق دستگاه مذکور با اندازه 30% کاهش یابد.
در ایران پمپ حرارتی زمین گرمائی در پنج شهر مختلف آب و هوائی که دارای اقلیم مختلف هستند نصب و راه اندازی شده است. این پنج شهر عبارت است از:
جدول ذیل برخی از مشخصات پمپهای حرارتی نصب شده در ایران را نشان میدهد.
مساحت تحت پوشش(m2)
مصرف برق سرمایشی (W)
مصرف برق گرمایشی (W)
نوع کویل
مکان
24
-
-
افقی
مشکینشهر
30
-
750
عمودی
طالقان
45
900
800
عمودی- افقی
رشت
35
900
850
افقی
اهواز
45
1300
-
افقی
بندر عباس
نام شهر
تابستان
زمستان
تعداد ماه گرم
تعداد ماه سرد
مشکین شهر
معندل
خیلی سرد
1-0
9-8
رشت
گرم و مرطوب
سرد
4-3
5-4
طالقان
نسبتاٌ گرم
سرد
3
7-6
اهواز
خیلی گرم
معتدل
8
2
بندرعباس
خیلی گرم
معتدل و مرطوب
9
0
در نمودار زیر مشخصات پمپ های حرارتی نصب شده در شهر های مختلف و میزان کاهش میزان مصرف برق به وسیله جایگزینی پمپ های حرارتی زمین گرمایی به جای استفاده از کولر های گازی نشان داده شده است