به تارنمای سازمان انرژی های تجدیدپذیر و بهره وری انرژی برق خوش آمدید.

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.

تصاویر زمین گرمایی 3 

پمپ حرارتی با سیستم تراکم بخار

 

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.

تصاویر زمین گرمایی 4 

 پمپ حرارتی با سیستم جذبی

 

 

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.

 

پمپ­های حرارتی با منبع 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.

سیکل گرمایش:

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.

تصاویر زمین گرمایی 5 

   اجزای یک پمپ حرارتی هوایی(سیکل گرمایش)

 

سیکل سرمایش:

     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.

تصاویر زمین گرمایی 6 

اجزای یک پمپ حرارتی هوایی (سیکل سرمایش)

 

سیکل دیفراست (برفک زدا):

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.

تصاویر زمین گرمایی 7 

اجزای یک پمپ حرارتی زمینی

 

سیکل گرمایش :

در سیکل گرمایش، آب­های زیر زمینی (در سیکل باز) و یا مخلوط آب و ضد یخ(در سیستم­های بسته)، و یا مبرد (که توسط سیستم لوله­کشی زیرزمینی به گردش درآمده) ، حرارت را از زمین دریافت می­دارند و آن را در یک مبدل حرارتی واسط (اواپراتور)، به مبرد در سیکل تبرید، منتقل می­نمایند. در، یک سیستم باز، آب پس از انتقال انرژی به مبرد، به برکه و یا چاه، تخلیه  می­گردد.در یک سیستم بسته، مخلوط ضد یخ به سیستم لوله­کشی زیر­زمینی در خارج ساختمان ارسال می­گردد، تا حرارت را از زمین دریافت نماید.

سیکل سرمایش:

در سیکل سرمایش جهت جریان مبرد، توسط شیر کنترل، عوض می­شود. مبرد، گرمای موجود در ساختمان را گرفته و مستقیماً آن را به آب­های زمینی و یا مخلوط آب و ضدیخ، منتقل می­نماید. سپس حرارت به خارج منتقل شده، به یک منبع آب و یا به چاه (در سیستم باز) یا به مدار لوله­کشی زیرزمینی (در سیستم بسته) انتقال می­یابد. در برخی مواقع، قسمتی از این حرارت اضافی، برای پیش گرم کردن آب گرم مصرفی نیز، استفاده می­شود.

برخلاف پمپ­های حرارتی هوایی، پمپ­های حر ارتی زمینی، به سیکل دیفراست احتیاج ندارند. زیرا دمای زمین بسیار پایدارتر از دمای هوا است، و دستگاه پمپ حرارتی، عموماً در داخل ساختمان قرار دارد بنابراین مشکلات مربوط به تشکیل برفک به وجود نمی­آید.

 

 انواع سیستم­های پمپ حرارتی زمینی:

در سیستم­های زمینی، پمپ حرارتی توسط سیستم لوله­کشی به زمین متصل می­شود، و باعث تبادل حرارتی با زمین و یا آب­های موجود در زمین می­گردد. این سیستم­ها به دو نوع عمده سیستم­های باز و بسته تقسیم می­شوند .

بنابراین برخلاف پمپ­های حرارتی هوایی، سیستم­های پمپ حرارتی زمینی، به یک چاه یا یک سیستم حلقه بسته، برای دریافت و یا بیرون دادن حرارت به زمین، نیاز دارند.

  

       سیستم­های با حلقه باز:

یک سیستم باز، از آب های زیر­زمینی که مثلا ًدر یک چاه معمولی وجود دارد، به عنوان یک منبع حرارت استفاده می­کند. بنابراین با کمک سیستم­های باز(آبی) از یک منبع عظیم و نسبتاً ارزان، انرژی بهره­برداری می­شود .

مطابق با شکل ذیل که پمپ حرارتی با سیستم باز و منبع آب زیرزمینی را نشان می­دهد، آب زیرزمینی به پمپ حرارتی فرستاده می­شود تا در آنجا، حرارت آن گرفته شود. سپس آب مصرف شده به یک برکه، جوی، گودال، فاضلاب، رودخانه و یا دریاچه می­ریزد. البته این فرآیند، معمولاً در روش تخلیه باز انجام می­گیرد که ممکن است در تمام نواحی مقدور نباشد. در  سیستم­های باز، آب زیرزمینی به عنوان منبع و مدفن گرما عمل می­کند، و در حقیقت واسطه انتقال گرما بین آب زیرزمینی و زمین می­باشد. مهم­ترین نوع سیستم­های باز، چاه­های زیرزمینی هستند که آب را از لایه­های زیر زمین دریافت نموده و یا به آنجا منتقل می­کنند.

تصاویر زمین گرمایی 8 

پمپ حرارتی با سیستم باز و منبع آب زیرزمینی

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.

 

  سیستم­های با حلقه بسته :

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.

 

 

تصاویر زمین گرمایی 9 

 آرایش عمودی سیستم حلقه بسته

یک نمونه از پمپ­های حرارتی با سیستم­های افقی، نوع انبساط مستقیم است. سیال عامل پمپ حرارتی (مبرد) به طور مستقیم در لوله­های زیر زمین به گردش در می آید (به عبارت دیگر اواپراتور پمپ حرارتی در زیر زمین گسترده شده است.

 

تصاویر زمین گرمایی 10 
شکل13- آرایش افقی سیستم حلقه بسته

  

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:

  1. 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.
  2. در مکان­هایی که برای هر دو مورد گرمایش و سرمایش تقاضایی وجود داشته باشد که این تقاضا می­تواند به صورت فصلی تغییر کند.
  3. در بخش­های صنعتی که یک جریان بزرگ انرژی وجود دارد و می­تواند بوسیله­ی پمپ حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.
  4. 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

 

 نمودار  

 

 در تمامی این شهرها میزان مصرف برق پمپ حرارتی در حالت سرمایش در مقایسه با یک کولر گازی بین 70-50 درصد کاهش داشته و نیز این دستگاه در حالت گرمایش در مقایسه با بخاری برقی بین 80-70 درصد کاهش مصرف برق داشته است.

 

 پمپ حرارتی زمین گرمایی در طالقان

جهت تکمیل نمودن این مطالعات سازمان انر‍ژیهای نو ایران به کمک شرکت آساد صنعت چهار دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمائی تهیه و آن را در آزمایشگاه کولر گازی "آزمایشگاه صرفه جوئی ملی انرژی" مورد آزمایش قرار داد که منتج به محاسبه راندمان (COP) برابر 5/4 و مصرف برق 750 وات گردید که در مقایسه با بهترین کولر گازی موجود در ایران که دارای راندمان کمتر از 5/2 با مصرف برق 2800 وات می باشد، از میزان قابل توجه کاهش مصرف برق برخوردار است..

پس از آن جهت نمایش واقعی عملکرد و کاهش مصرف برق واقعی،یک دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمائی در سایت طالقان جهت مطالعه دقیق و برداشت اطلاعات میزان کاهش مصرف برق، دما و رطوبت هوا و خاک نصب گردید. برای این منظور مدارهای مختلف لوله پلی اتیلن 2 اینچ کویل زمینی طراحی و در داخل 9 حلقه چاه به عمق 15 متر و به قطر 80 سانتی متر نصب شد که هدف از حفاری این تعداد چاه مطالعه و تحقیق بر روی اثرات چیدمان های مختلف و سیکل های مختلف کویل زمینی می باشد. همچنین جهت مطالعه بهتر بر روی انتقال حرارت داخل زمین تعداد 12 سنسور اندازه گیری دما در چاهها نصب شده تا همزمان با برداشت اطلاعات میزان مصرف برق، دما و رطوبت هوای آزاد، دما و رطوبت داخل اتاق، بتوان دمای زمین و میزان حرارت تبادل شده بین سیال داخل کویل زمینی و خاک را نیز اندازه گیری نمود. نتیجه مطالعات بیانگر عملکرد مناسب سیستم در فصل گرما و سرما بوده و در مقایسه با یک کولر گازی معمولی مشابه 65 درصد کاهش مصرف برق نشان می دهد.

تصاویر زمین گرمایی 11 

تصاویر زمین گرمایی 12 

 9 حلقه چاه به عمق 15 متر و قطر 80 سانتیمتر با فاصله 3 متر از یکدیگر

پمپ حرارتی زمین گرمائی در رشت

به منظور بررسی عملکرد دستگاه در شرایط شمالی کشور، شهر رشت به عنوان نمونه انتخاب و سومین پمپ حرارتی در آن نصب و راه اندازی شد. به دلیل بالا بودن سطح آب در شهر رشت و مشکلات حفر چاه، از کویل عمودی-افقی استفاده شد. به همین منظور در پست شهید سیادتی دو کانال به عمق 5 متر حفاری و در آنها لوله های پلی اتیلنی با قطر 2 اینچ به طول 100متر به صورت عمودی و افقی با فاصله 3 متری و 5/1 متری نصب گردیده است.علاوه بر کویل عمودی-افقی به منظور مطالعه کویل های مختلف از دو آرایش افقی دیگر نیز استفاده شده است که قابل انتخاب است.  در این سایت برای اولین بار از یک آبگرمکن 300 لیتری به صورت سری با کویل زمینی استفاده و مورد تست قرار گرفت. نتیجه تست عملکرد مناسبی را برای سیستم ارائه داد به گونه ای که به کمک سیستم نصب شده ضمن خنک کاری فضای اداری به وسعت 45 متر مربع با ارتفاع 5/4 متر، با مصرف برقی در حدود 850 وات قادر به تامین آب گرم مورد نیاز مجموعه با دمای 40 درجه سانتیگراد و با حجم 300 لیتر گردید.

 تصاویر زمین گرمایی 13

تصاویر زمین گرمایی 14 

پمپ حرارتی زمین گرمائی در اهواز

استان خوزستان از جمله مناطقی از کشور است که در ماه های گرم به دلیل داشتن رطوبت و دمای بالا از کولر گازی بسیار استفاده می شود.در شهر اهواز نیز یک دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمائی نصب گردید و کویل زمینی این سیستم از نوع مارپیچ با طول 200 متر در کانالی به طول هفت متر نصب گردید. در زمستان 1386 این سیستم در حالت گرمایشی راه اندازی شد و با مصرف برق 850 وات گرمای مورد نیاز اتاقی به مساحت 35 متر مربع را تامین نمود. هم اکنون و با شروع فصل گرما سیستم در حالت سرمایش با مصرف برق 900 وات در حال کار می باشد و توسط دستگاه های اندازه گیری تمامی پارامترهای مهم اندازه گیری می شود و اطلاعات بدست آمده نشان از موفقیت این سیستم دارد.   

تصاویر زمین گرمایی 15 

پمپ حرارتی زمین گرمائی در شهر بندرعباس

پنجمین پمپ حرارتی زمین گرمائی در ایران در شهر بندرعباس و در کتابخانه اداره جهاد کشاورزی استان هرمزگان نصب شده است. شهر بندر عباس نیز به دلیل گرما و رطوبت بالا و نزدیکی به دریا انتخاب گردید تا تاثیر این ویژگی های مهم بر عملکرد پمپ حرارتی زمین گرمائی بررسی و مورد مطالعه قرار گیرد.کویل این سیستم به صورت افقی و مارپیچ است.

 

تصاویر زمین گرمایی 16