در این مقاله به ادامه مبحث سیستم های زمین گرمایی شامل محاسن و معایب سیستم، نوع نصب، چیدمان لوله کشی، راندمان سیست، طراحی و موارد دیگر پرداخته شده است.

(قسمت اول در همین سایت قابل دسترسی است)

محاسن سیستم:

1. تعداد قطعات مکانیکی متحرک در این سیستم پایین بوده، لذا تعمیرات کاهش می یابد.
2. با توجه به نبودن تجهیزات خارجی در این سیستم، مسئله تولید نویز و سرو صدا منتفی می گردد.
3. با توجه به کارکرد مستقل هر زون با هیت پمپ مربوطه، در صورت تعمیرات، خللی در کار دیگر دستگاه ها ایجاد نخواهد شد.

معایب سیستم:

1.  حفر کردن چاه ها به پیمانکار متخصص و ماشین آلات نیاز دارد.
2. سیستم هیت پمپ زمین گرمایی، دارای هزینه های اولیه بالایی جهت حفر چاه ها و قرار دادن لوله ها است.
3. برای تامین هوای تازه در ساختمان نیاز به یک دستگاه هواساز و یا انرژی ریکاوری یونیت (ERV) خواهد بود.
4. برای قرار دادن هیت پمپها در هر زون، بصورت افقی و یا عمودی، نیاز به فضایی برای این مهم خواهیم داشت.

نصب سیستم:

هیت پمپ های زمین گرمایی دارای 3 جز اصلی هستند:

1. دستگاه هیت پمپ داخل ساختمان
2. زمین بعنوان منبع انرژی
3. سیستم توزیع انرژی بین زمین و ساختمان

این سیستم در حالت های متفاوتی می تواند نصب شود. مهمترین آن سیستم های لوپ بسته است که در انواع افقی و عمودی در پروژه های تجاری بزرگ استفاده می شوند. در این نوع سیستم، لوله کشی به صورت "یو" شکل در اعماق زمین تا 300 فوت و حتی بیشتر ادامه پیدا می کند و سیال آب در این لوله ها در حال تبادل انرژی با خاک است.

 

در صورتیکه خطر یخ زدن آب در سطوح نزدیک زمین وجود داشته باشد، می توان از ترکیب آب و اتیلن گلایکول با درصد 25% استفاده نمود (در این حالت هد پمپ و قدرت پمپ بایستی تصحیح شوند).

درحالت افقی نیز به شکل زیر میتواند کار شود که مساحت زیادی را به خود اختصاص می دهد (حالت افقی دارای راندمان کمتری نسبت به عمودی است).

سیستم همچنان می تواند به صورت لوپ باز کار شود، که تبادل انرژی را توسط لوله ای که وارد چاه آب در زمین میشود، انجام می دهد. در این حالت یک مقدار ثابت از دبی آب، وظیفه تبادل حرارتی را بین هیت پمپ ها و زمین بر عهده دارد. این سیستم با توجه به مشکلاتی از جمله کم بودن منابع آبی در پروژه های تجاری کمتر مورد توجه است.

تصویر زیر، سیستم لوپ بسته را در حالت افقی نشان می دهد. در حالتی که لوله ها در ترنچ نصب شوند، عمق آن میتواند بین 6 تا 10 فوت در نظر گرفته شود. در این حالت به زمین بسیار بزرگی نیاز است (حدود 250 مترمربع به ازای هر تن سرمایش). لذا این حالت تنها برای پروژه های مسکونی و یا تجاری خیلی کوچک مقرون بصرفه است. از طرفی، به ازای هر یک کیلو وات ظرفیت سرمایشی، حدود 60 متر لوله بایستی در ترنچ قرار داده شود.

با توجه به اینکه در اکثر پروژه ها، زمین در دسترس کم است، بیشتر از حالت لوپ بسته عمودی استفاده می شود. در اینحالت با توجه به آزمایش خاکی که برای ضریب انتقال هدایت حرارتی خاک انجام می گیرد، معمولا لوله ها را در عمق 100 تا 300 فوتی از زمین قرار می دهند.

برای مثال، در اکثر پروژه های که در کشورهای توسعه یافته کار می شود، لوله ها در عمق 300 فوتی از سطح زمین نصب شده و چاه ها دارای فاصله 15 تا 20 فوتی، نسبت به یکدیگر هستند (مرکز به مرکز). برای حفر چاه ها و قرار دادن لوله ها، از ماشین آلات مخصوص حفاری در این زمینه استفاده می شود.

بعد از لوله گذاری، داخل چاه ها کاملا گروت ریزی شده و سیل و آب بند می گردند. بنابراین هیچ آبی به داخل چاه وارد نخواهد شد. بعد از تکمیل لوله کشی، لوله ها بصورت رفت و برگشتی وارد موتورخانه شده و در آنجا به کلکتورها نصب می شوند. کلکتورها نیز آب ورودی از زمین را توسط پمپ به هیت پمپ های داخل ساختمان برای انتقال انرژی میرسانند. به همین ترتیب آب برگشت نیز توسط کلکتور برگشت، به زمین بر می گردد.

 

راندمان سیستم:

بصورت نمونه، به ازای هر کیلووات انرژی برق استفاده شده برای کارکرد هیت پمپ زمین گرمایی، 3 کیلووات انرژی از زمین گرفته می شود (رایگان). به عبارتی به ازای هر 1 دلاربرق مصرفی در این سیستم ، 3 دلار صرفه جویی در مصرف داریم. با توجه به اینکه هیت پمپ ها، بخشی از انرژی را بصورت رایگان از زمین دریافت می کنند، میتوانند انرژی بیشتری نسبت به آنچه مصرف می کنند، را تولید کنند. راندمان گرمایش بین 30 تا 70 درصد و راندمان سرمایش بین 20 تا 50 درصد نسبت به سیستمهای دیگر مخصوصا با سوختهای فسیلی و انرژی برقی تخمین زده می شود.

در هیت پمپ ها، برای نشان دادن راندمان از COP برای حالت گرمایش و از EER یا SEER برای حالت سرمایش استفاده می شود. هیت پمپهای زمین گرمایی دارای COP بالای 1 هستند، به این دلیل که انرژی که دستگاه از زمین دریافت می کند خیلی بیشتر از انرژی برقی است که برای راه اندازی کمپرسور خود لازم دارد. بطور نمونه هیت پمپ ها دارای اعداد COP بین 2 تا 4 هستند. جدول زیر مقایسه بین این اعداد را در لوپ بسته و لوپ باز نشان می دهد:

یک تفاوت اصلی بین راندمان هیت پمپ های آبی با زمین گرمایی در رنج درجه حرارت آب ورودی می باشد. معمولا هیت پمپهای آبی در رنج درجه حرارت 60 تا 90 درجه فارنهایت کار می کنند اما هیت پمپ زمین گرمایی می تواند در حالت گرمایش، از دماهای پایین تر خاک مانند 35 درجه فارنهایت نیز استفاده کند. بهمین دلیل عددEER  در هیت پمپهای آبی تا 22 و در زمین گرمایی تا 36 میرسد. همچنین در جدول زیر، تفاوت بین سه سیستم هیت پمپ آبی، هیت پمپ زمین گرمایی لوپ بسته و لوپ باز در فول لود و میان باری دیده می شود.

 

نکته: هر چه اختلاف دمای آب ورودی و گرمای منتقل شده از دستگاه بیشتر باشد، ضریب COP نیز افزایش پیدا خواهد کرد. به همین دلیل در مناطق سردسیر مانند آلاسکا و یا بخش هایی از کانادا، ضریب COP گرمایش به حدود 2 تا 3 افت می کند.

هزینه ها:

معمولا هزینه هیت پمپهای زمین گرمایی بدون در نظر گرفتن چاه ها و لوله های خارج از پروژه، چیزی حدود 2000 تا 2500 دلار به ازای هر تن سرمایشی است. این مبلغ به حدود 4000 تا 4500 دلار به ازای هر تن سرمایشی با تمام تجهیزات می تواند افزایش پیدا کند. برای مثال برای یک خانه مسکونی با مساحت 200 متر مربع در آمریکا و نیاز به 11 کیلووات انرژی گرمایی، سیستم هیت پمپ زمین گرمایی در حالت افقی (230 متر طول لوله کشی) حدود 30.000 دلار و برای حالت عمودی (165 متر لوله کشی در عمق زمین) حدود 34.000 دلار هزینه خواهد داشت.

برگشت سرمایه در پروژه های زمین گرمایی معمولا بین 2 تا 10 سال است. در حالیکه عمر سیستم داخلی بیش از 25 سال و عمر لوله های دفن شده داخل زمین بیش از 50 سال است. همچنین در کشور آمریکا، برای پروژه های اینچنینی که دارای کاهش مصرف انرژی بالایی هستند، تا 30% از مالیات فدرال کم خواهد شد.

بعنوان یک قاعده سرانگشتی برای هزینه های اولیه (پروژه های تجاری و مسکونی):

1. هزینه به ازای هر فوت مربع ساختمان : 3 تا 3.5 دلار
2. هزینه به ازای هر تن سرمایشی : 1500 تا 2000 دلار
3. هزینه به ازای هر چاه : 700 تا 3000 دلار

هزینه های تعمیرات نگهداری در این سیستمها نیز بسیار پایین است. برای مثال در آنالیز زیر 4 سیستم متفاوت برای 20 ساختمان آموزشی مورد مقایسه قرار گرفت است.

1. هیت پمپ زمین گرمایی (لوپ بسته عمودی)
2. سیستم مرکزی چیلر هوا خنک و بویلر آب گرم
3. سیستم مرکزی چیلرآب خنک و بویلر بخار
4. سیستم مرکزی چیلرآب خنک و بویلر آب گرم

نتایج به شرح زیر خواهد بود که بر اساس آن سیستم اول (هیت پمپ زمین گرمایی) دارای هزینه های تعمیرات نگهداری پایین تری است.

 

 

محاسبات و طراحی :

در ابتدا بایستی توسط نرم افزارهای محاسباتی چون ترین یا کریر، که قابلیت اضافه کردن سیستم هیت پمپ زمین گرمایی را دارد، محاسبات بارهای سرمایش و گرمایش هر فضا را انجام دهیم. برای مثال در نرم افزار ترین، سیستم در این بخش انتخاب می شود.

بعد از بدست آوردن بارهای ساختمان، بایستی با توجه به شرایط پروژه تعیین کنیم که از چه نوع لوپی میخواهیم استفاده کنیم. لوپ بسته افقی نیاز به فضای بیشتر و هزینه کمتر حدود 600 تا 800 دلار به ازای هر تن خواهد داشت اما لوپ بسته عمودی نیاز به فضای کمتر و هزینه بیشتر حدود 900 تا 1300 دلار به ازای هر تن خواهد داشت.

بعنوان یک قاعده سرانگشتی مناسب، در صورتی که ضریب هدایت خاک حدود Btu/h.ft.F 1 باشد، می توان به ازای هر تن سرمایشی یک چاه در نظر گرفت. برای این آزمایش معمولا از دستگاهی استفاده می شود که ضریب هدایت خاک را در عمقی مشخص به مدت 48 ساعت اندازه گیری می کند. هزینه این تست حدود 2000 دلار به ازای هر چاه در آمریکاست.

 یعنی برای پروژه ای با 200 تن سرمایش، به 200 عدد چاه نیاز خواهیم داشت. برای محاسبات مربوط به پمپ های موتورخانه نیز به ازای هر تن سرمایش 3 جی پی ام آب در نظر می گیریم. برای مثال در شکل زیر، به 24 تن سرمایشی نیاز است، لذا 24 چاه در 3 ردیف 8 تایی حفر شده است و لوله های ورودی به موتورخانه شامل 3 لوله رفت و 3 لوله برگشت خواهد بود (در اینجا عمق چاه ها 200 فوت در نظر گرفته شده است).

رسم دقیق و مناسب چاه ها یکی از موارد خیلی مهم در بدست آوردن راندمان بالا در این سیستم است. برای مثال چاه ها را نمی توانیم خیلی نزدیک به یکدیگر حفر کنیم، چراکه در این حالت خاک نمی تواند گرمایی که از آب گرفته است را بخوبی در خود انتشار دهد و دما بطور موضعی در یک منطقه بالا می رود. لذا توصیه می شود که فاصله مرکز به مرکز چاه ها حدود 25 فوت باشد و در مواردی هم که فضا نداریم، این فاصله کمتر از 15 الی 20 فوت نشود. برای بررسی دقیقتر دیاگرام لوله کشی براساس ضریب رسانش، می توان از نرم افزاری به نام  ground loop design استفاده کرد که تصویر آن در شکل زیر آورده شده است.

تاکید:

 قبل از اجرای پروژه حتما بایستی آزمایش مکانیک خاک برای فضایی که می خواهیم چاه بزنید، انجام گیرد. به این دلیل که ضریب انتقال حرارت خاک از مقدار گفته شده پایین تر نباشد و این از پارامترهای مهم طراحی در این سیستم است.  در صورتیکه این عدد طبق ازمایشات انجام شده پایین گزارش شود، اقدامات دیگری بایستی انجام داد.

1. تعداد چاه ها را به ازای هر تن تبرید افزایش دهید.
2. با افزایش قطر لوله ای که وارد چاه می شود عدد رینولدز رو به بیشتر از 4000 افزایش دهید که جریان مغشوش داشته باشیم (میدانیم که انتقال حرارت در حالت مغشوش بیشتر از حالت ارام یا توسعه یافته است).

آنالیز انرژی:

جهت آنالیز انرژی این سیستم می توانیم از بخش تحلیل انرژی و اقتصادی نرم افزار ترین استفاده کنیم. در این نرم افزار بخشی به عنوان تحلیل اقتصادی سیستم وجود دارد که بر مبنای داده های ورودی به آن می توان آنالیز سیستم را انجام  داد. پارامترهای مهمی که برای تحلیل به نرم افزار داده می شود عبارتند از:

1. نرخ های انرژی شامل آب، برق و گاز
2. نرخ تعمیرات نگهداری سالیانه
3. نرخ تورم مصرف انرژی و نیز تعمیرات بصورت سالیانه
4. زیربنای پروژه
5. تمامی جزئیات تاسیسات مکانیکی
6. هزینه اولیه خرید و نصب سیستم

یکی از قابلیتهای خوب این نرم افزار، تحلیل اقتصادی چند سیستم مختلف است. برای مثال، در جدول زیر، 4 سیستم را برای یک پروژه 6000 متری در طی 30 سال با هم مقایسه کرده ایم. این 4 سیستم عبارتد از:

1. سیستم هواساز حجم متغیر به همراه VAV BOX  شامل چیلر هواخنک و بویلر
2. سیستم فن کویل 4 لوله ای شامل چیلرهوا خنک و بویلر
3. سیستم هیت پمپ انرژی زمین گرمایی
4. سیستم  VRF

بعد از دادن اطلاعات و مقایسه نتایج خواهیم داشت:

سیستم هیت پمپ انرژی زمین گرمایی در طی 30 سال دارای پایین ترین هزینه نسبت به بقیه سیستم ها است و سیستم فن کویل 4 لوله ای دارای بیشترین هزینه است. تمام هزینه هایی که در بالا اشاره شد، در مقایسه دیده شده است.

شکل زیر، نمونه لوله کشی سیستم هیت پمپ زمین گرمایی برای یک پروژه کوچک آموزشی 25 تنی است.

نوید ژیانی 

کارشناس ارشد مکانیک - عضو تخصصی سازمان اشری