انرژی زمین‌گرمایی (ژئوترمال)

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 ۵۰۰۰ 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 ۱۰۰ متر ۳ درجه سانتی گراد)  انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ 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 ۱۳۵۴ 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 ۲۶۰ هزار کیلومتر مربع آغاز گردید. نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر ۳۱ 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 ۱۳۶۱ 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 ۱۳۶۹ 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 ۱۳۸۱گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال ۱۳۸۳ 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 ۱۳۸۴ 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 ۱۰۰% 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  ۱۶و ۱۷ 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.

۱۸۷۰: استخراج بخارات طبیعی آب با هدف بهره برداری از انرژی مکانیکی آن انجام شد.

۱۹۰۴:تولید برق از این انرژی در لاردرلو ایتالیا

۱۹۲۰:نخستین چاهها ژئو ترمال در ژاپن و کالیفرنیا به طور همزمان

۱۹۲۸:استخراج سیال زمین گرمایی برای تامین گرمایش منازل در ایسلند.

پس از جنگ جهانی دوم در سال ۱۹۵۸ نیوزلند بعنوان دومین کشور فعال در این زمینه اقدام به تولید برق از انرژی زمین گرمایی نمود.

منابع زمین گرمایی :

۱٫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 ۱۰۰ 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

۲٫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 .

۳٫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 ۳ تا ۶ کیلومتری از سطح زمین یافت میشوند ودرجه حرارت آنها بین ۹۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی گراد تخمین زده میشوند .

۴٫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 ۴ تا ۶ 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 ۱۳۵ تا ۱۸۰ درجه سانتیگراد بوده و در  این حالت امکان افزایش بازده نیروگاه تا ۱۵ درصد وجود دارد.

۵٫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 ۷۰۰ تا ۲ 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 ۳ الی ۴ 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 ۲ تا ۳ 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 ۳۰۰ تا ۴۰۰ درصد بوده(در مقایسه با مدرن ترین سیستمهای گازی با ۹۸ درصد راندمان) و به ازای هر ۱ دلاربرق مصرفی در این سیستم ،۳ تا ۴ 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 ۶۶ درصد انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش داده و۷۵ 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:

۱-     پمپ حرارتی با سیستم تراکمی

۲-     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 ۱ تا ۸/۱ متر (۳ تاft. 6) عمق دارند، قرار داده می­شوند. معمولاً ۱۰۰ تا ۱۵۰ متر (۳۳۰ 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 ۱۰۰ سری از لوله­های پلی اتیلن یا پلی بوتیلن باشد. با نصب مناسب، این لوله­ها می­توانند در هر مکانی بین ۲۵ تا ۷۵ 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 ۱۲ تا ۲۰ 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)

۱-   برداشت اطلاعات

۱-۱- جمع آوری اطلاعات آب و هوا شامل دمای هوا، میزان رطوبت، میزان بارش، میزان تابش خورشید و میزان وزش باد طی ۱۰ الی ۳۰ سال گذشته

۱-۲- مشخص شدن نوع کاربری ساختمان، مدت بهره برداری در روز

۱-۳- تهیه نقشه ساختمان

۱-۴-  تهیه نقشه موقعیت ساختمان و محدودیت های اطراف آن مانند: خیابان ها، ساختمان های اطراف و خطوط برق، آب، گاز، تلفن

۱-۵- جمع آوری اطلاعات زمین شامل: سطح ایستابی، میزان رطوبت خاک، بررسی هایدروژئولوژی، بررسی جنس خاک، تعیین دانه بندی خاک،

 ۲-   طراحی

۲-۱- محاسبه بار حرارتی و برودتی ساختمان

۲-۲- انتخاب تعداد و ظرفیت دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی بر اساس نظر کارفرما

۲-۳- انتخاب نوع دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی از نوع آب به آب یا آب به هوا بر اساس نظر کارفرما

۲-۴- طراحی کانال انتقال هوا (آب به هوا) یا خطوط انتقال آب به فن کویل ها ( آب به آب)

۲-۵- طراحی کویل زمینی از نوع سیکل باز، سیکل بسته عمودی، سیکل بسته افقی یا ترکیب موارد مطرح شده

۲-۶- محاسبه متراژ لوله و قطر آن

۲-۷- طراحی و انتخاب پمپ های سیرکولاتور

۲-۸- طراحی چیدمان محل موتورخانه پمپ حرارتی زمین گرمایی

۳-   اجراء

۳-۱- حفر چاه های برداشت آب و تزریق آن برای سیکل باز، حفر چاههای سیکل بسته عمودی یا حفر کانال برای سیکل بسته افقی

۳-۲- نصب لوله کویل زمینی

۳-۳- پر نمودن کویل زمینی از خاک یا گروت

۳-۴- نصب دستگاه پمپ حرارتی زمین گرمایی و اتصال آن به کویل زمینی

۳-۵- نصب کانال یا لوله های فن کویل به دستگاه

۳-۶- نصب مدار الکترونیک به برق ساختمان

۳-۷- پر نمودن آب کویل زمینی در سیکل بسته یا تست آبدهی چاه در سیکل باز

۳-۸- اندازه گیری میزان دبی کویل زمینی

۳-۹- بهره برداری از دستگاه

وضعیت پمپ حرارتی زمین گرمائی در ایران

در ایران مطالعه گسترده بر روی پمپ حرارتی زمین گرمائی از سال ۱۳۸۰ 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 ۳۰% 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.

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

منبع : iranecs.com