شمع های انرژی(شمع مبدل حرارتی)

شمع های انرژی

به منظور استفاده از انرژی گرمایی درون زمین میتوان در زمان تصمیم گیری برای استفاده از شمع ها در سازه ساختمان ها، از سیستم های مبادله گر حرارتی در آنها استفاده کرد که در آن لوله هایی حاوی سیالی در گردش است. در واقع به شمع هایی که به این لوله های مبادله گر حرارتی تجهیز شده باشند، شمع های انرژی (یا شمع مبدل حرارتی) گفته می شود .بحث انرژی و مدیریت مصرف آن از جمله بحث های حیاتی در جامعه مدرن امروزی است. در دهه های گذشته افزایش جمعیت زمین و لزوم افزایش تولید انرژی برای تامین نیازهای این جمعیت، منجر به افزایش میزان مصرف انرژی و در نتیجه بالا رفتن انتشار گاز کربن دی اکسید در محیط پیرامون شده است؛ به همین علت توجه به دیگر انرژی های پاک و تجدیدپذیر بسیار والا و ارزشمند گردیده است . براساس تحقیقات به عمل آمده حدود 98 درصد از مصرف های انرژی در ساختمان ها از مشتقات نفتی و گازی در جهان حاصل می گردد. یکی از انواع انرژی های تجدید پذیر را میتوان انرژی زمین گرمایی نام برد که بوسیله استفاده از پمپ های حرارتی و مبادله گر حرارتی قرار گرفته در زمین تکمیل می گردد. یکی از دلیل هایی که این انرژی مورد توجه قرار گرفته است این مورد است که با کاهش میزان مصرف انرژی های تجدید ناپذیر و کاهش میزان آلایندگی های مربوطه، برای گرمایش و سرمایش خانه و ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرد.

استفاده از انرژی های زمین گرمایی در بین سال های 2005 تا 2010 به میزان 2.15 برابر افزایش و به رشد سالانه ی 16.6% رسیده است . این فناوری در اروپا بسیار موفق بوده است. شمع های انرژی به علت همخوانی با محیط زیست و همچنین تامین انرژی ساختمان در کنار پاسخ به نیاز استقامتی سازه، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مقدار انرژی تبادل شده با خاک بسته به عمق قرار گیری مبدل های حرارتی افزایش یا کاهش می یابد.

این سیستم ها عملکرد خود را مدیون ظرفیت بالای انباشت گرمایی بتن هستند که خصوصیات استحکام سازه ای را نیز دارند. انواع مختلف سازه های ژئوتکنیکی از قبیل دیوار های حائل، پی های گسترده، دال ها ، زهکش مسطح و زهکش تراشه ای میتوانند همانند یک مبدل حرارتی زمین (GHE) رفتار کنند. این اعضای بتنی به منظور تامین نیاز های انرژی ساختمان میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند و نیاز به نصب عناصر اضافی جهت تامین انرژی را ندارند.

خاک در تمام فصول سال از مقدار عمقی به بعد دمای ثابتی دارد که بر این اساس میتوان از خاک بعنوان منبع تبادل حرارتی در ساختمان استفاده کرد. در واقع دمای خاک در فصل زمستان بالاتر از محیط بیرون و در فصل تابستان پایین تر از آن می باشد . دستگاهی که وظیفه ی انجام تبادل حرارتی میان ساختمان و زمین را دارد، پمپ حرارتی زمین منبع یا به اختصار پمپ حرارتی نامیده میگردد. این پمپ های حرارتی در واقع ساختمان را به شمع های حرارتی ارتباط میدهد به این معنی که گرمای مورد نیاز ساختمان را از زمین دریافت و یا گرمای مازاد را جهت خنک شدن فضا به زمین منتقل میکند . نکته حائز اهمیت دیگر این است که در صورت پایین بودن میزان تبادل حرارت با زمین در سیستم های تبادل حرارتی، میتوان در ترکیب آنها با سیستم آبگرمکن های خورشیدی برای جبران گرمایش استفاده کرد تا انرژی حاصل از آبگرمکن خورشیدی به زمین منتقل گردد و در صورت نیاز از زمین برداشت شود. که البته در صورت وجود جریان های آب زیزمینی در محل شمع های انرژی، استفاده از روش آخر توصیه نمیگردد. باید به این نکته توجه داشت که انتقال حرارت در شمع های انرژی و در لوله به میزان درصد زیادی به جهت افقی صورت میگیرد و میتوان از انتقال حرارتی که در جهت شمع صورت می پذیرد صرف نظر کرد. به طور کلی تحلیل های علمی مربوط به شمع های انرژی به دو دسته تحلیل باربری و مطالعه ی میزان کارآیی آنها تقسیم می شوند .

عملکرد شمع های انرژی

عملکرد شمع های انرژی در فصل زمستان به این صورت است که گرمای موجود در لایه های پایینی زمین توسط لوله های دانسیته بالا پلی اتیلن که به قفسه ای از آرماتور متصل است جذب میگردد. قطر لوله های حاوی سیال مبدل حرارتی غالبا بین 25 تا 40 میلی متر است. جذب گرما از طریق سیال موجود در لوله ها انجام شده که عمدتا برای جلوگیری از یخ زدگی از ترکیب آب و نمک با آب و اتانول استفاده می شود. در تابستان شاهد عکس این عملیات هستیم که پمپ حرارتی گرمای موجود در ساختمان را به منظور کاهش دمای فضا و شارژ مجدد به داخل زمین منتقل می کند. با بررسی هایی که از منحنی تغییرات دمای زمین انجام پذیرفته است میتوان این نکته را گفت که با افزایش عمق زمین مقدار تغییرات دمایی آن ناچیز خواهد بود به صورتی که از حدود 3 تا 4 متری سطح زمین عملا تغییرات دمایی سالانه بسیار کم خواهد بود.

علی رغم پیشرفت های صورت گرفته در طراحی به صورت علمی این شمع های انرژی، هنوز تعیین ظرفیت باربری آنها بدلیل اهمیت در نظر گرفتن واکنش خاک و سازه در روش های علمی، بوسیله روابط تجربی بستگی دارد. البته که با پیشرفت روز افزون نرم افزار ها به خصوص در زمینه مدلسازی میتوان از نرم افزار ABAQUS که در زمینه های مسائل ژئوتکنیکی بسیار قدرتمند است نام برد که علاوه بر تحلیل مدل های خطی و ساده ، توانایی مدلسازی و تحلیل مسائل پیچیده و غیر خطی را دارد.

شمع های حرارتی اغلب در مناطق سردسیر استفاده می گردند که کاهش دمای خاک پیرامون شمع حرارتی میتواند موجب یخ زدگی و قطع ارتباط سطح بین خاک و شمع شود. پس باید تمهیداتی بمنظور جلوگیری از یخ زدگی این سطح مشترک در نظر گرفت.

انواع شمع های انرژی

شمع مبدل حرارتی به دو سیستم جاذب انرژی و سیستم انتقال انرژی گرمایی زمین با استفاده از جریان مایع موجود در لوله های درون شمع تقسیم می شود. ساخت شمع های انرژی به صورت کلی هم به شکل پیش ساخته و هم بصورت درجا و در محل پروژه انجام می پذیرد. در شمع هایی که بصورت پیش ساخته تولید میشوند فضای داخل شمع ها که توخالی می باشند لوله ها در آن قسمت و در تماس با دیواره بتنی شمع ها قرار میگیرد. اما در شمع هایی که بصورت درجا و در محل پروژه ساحته میشوند ، لوله ها بوسیله شبکه آرماتور بندی در داخل بتن ثابت می شوند . جنس لوله های داخلی شمع از جنس پلاستیکی (HDPE) میباشد.

عوامل اثر گذار بر میزان کارایی

عواملی که بر کارآیی شمع های انرژی اثر میگذارد را میتوان به دو دسته: 1-عوامل طبیعی و 2-عوامل مهندسی تقسیم کرد که در عوامل طبیعی، انسان تاثیری در میزان انرژی استخراجی از این شمع ها را ندارد مانند آب و هوای منطقه، درجه اشباع خاک، وجود یا عدم وجود آب های زیر زمینی، سرعت این آب ها و... همچنین میتوان اظهار کرد که با افزایش سرعت جریان آب های زیر زمینی میزان خروجی و بازده شمعهای انرژی افزایش پیدا خواهد کرد .

1- از آن رو که نحوه انتشار حرارت درخاک ،خواص حرارتی خاک و رسانایی حرارتی آن بسیار وابسته به نوع خاک و شرایط زمین موجود است، از آزمونی با نام پاسخ حرارتی (TRT) برای تعیین پارامتر هایی که بیان گردید استفاده می شود .گفتنی است در خاک اشباع شده دیگر تنها خواص حرارتی خاک مدنظر نیست، بلکه وجود جریان همرفت آب در خاک نیز در این اتقال حرارت نقش پررنگی خواهد داشت.

در خاک غیر همگن به علت آنکه خواص حرارتی هر لایه با لایه دیگر خاک متفاوت است، اختلاف دمای بین لایه های مختلف بیشتر می گردد و دمای توزیع شده در هر لایه از خاک یکنواخت تر می گردد .

به طور کلی این مدل از سیستم های شمع گذاری در بالا یا پایین لایه های خاک رس تحکیم یافته عملکرد اقتصادی بهتری از خود نشان خواهد داد. ماسه و شن خشک نیاز به شمع هایی با عمق بیشتری خواهد داشت و همچنین به مقدار مساحت بیشتری از جاذب ها نیاز دارند. بسته به خصوصیات خاک و عمق نصب شمع ها، بمنظور تولید یک کیلووات گرمایش از این سیستم ها سطحی بین 20 متر مربع (در خاک اشباع) و 50 متر مربع (در خاک ماسه خشک) به سازه های بتنی که در تماس با خاک یا آب زیر زمینی باشند نیاز است .

2- مورد دومی که در کارآیی شمع های مبدل حرارتی اثرگذار بود مورد مهندسی (انسانی) است که مواردی نظیر شکل اجرای لوله در داخل شمع، ابعاد هندسی شمع و مقدار سرعت تعیین شده برای آب در لوله ها اشاره کرد. البته از عوامل دیگری نیز میتوان نام برد که به علت تاثیر کم چندان مورد توجه و تحلیل قرار نمیگیرد مثل جنس بتن شمع و میزان خلوص آب داخل لوله ها که به مقدار ناچیزی نتیجه حاصله را دستخوش تغییر میکنند.

اجزا تشکیل دهنده

به صورت کلی میتوان این سیستم را به سه مدار تشکیل دهنده تقسیم کرد که مدار اول زمین که منبع دریافت انرژی این سیستم محسوب شده و مدار دوم شمع های بتنی مجهز به لوله های U شکل است و در نهایت مدار آخر ساختمان و سیستم تاسیسات گرمایشی-سرمایشی آن به حساب می آید.

اجزای یک شمع انرژی را میتوان به قسمت های زیر تقسیم کرد که شامل شمع بتنی ، شبکه آرماتور و لوله های مبادله کننده حرارت است که شبکه آرماتور در کنار نقشه سازه ای که دارد بعنوان نگهدارنده لوله های مبادله کننده حرارت به هنگام بتن ریزی استفاده می گردد .

تاریخچه

تاریخچه اولین استفاده از شمع های انرژی به 30 سال قبل و کشور اتریش بر میگردد و اکنون حدود 100 هزار مبادله گر حرارتی برای بهره گیری از انرژی زمین در اتریش نصب گردیده است . اولین پروژه استفاده از شمع انرژی به سال 2001 در ساختمان 6 طبقه ی دانشکده کبل  (Keble college)دانشگاه آکسفورد بر میگردد .

از معروف ترین نمونه هایی که با استفاده از این شمع ها فعالیت میکند، ترمینال E شهر زوریخ سوئیس میباشد. این پروژه دارای حدود 300 شمع انرژی به قطر های بین 90 و 150 سانتی متر است که طولی بالای 30 متر دارند. میزان حجم خاکی که تحت تاثیر این شمع ها قرار دارند حدود 200000 متر مکعب هستند و میزان انرژی که توسط این شمع ها تامین میگردد بیش از 2700 مگاوات ساعت در یکسال خواهد بود که این مقدار انرژی حدود 75% میزان انرژی سرمایشی یا گرمایشی مورد نیاز این ترمینال است. از دیگر نمونه های آن نیز میتوان از دانشگاه پلی تکنیک فدرال لوزان سوییس نام برد . پروژه ترمینال زوریخ نشان داد که هزینه تمام شده به ازای هر کیلووات ساعت انرژی استخراج شده از این سیستم برابر 6 سنت می باشد که این در حالیست که باقی سیستم های سرمایشی-گرمایشی معمول بطور میانگین دارای مقدار 8 سنت به ازای هر انرژی تولید شده دارند. این در حالیست که در ایران با توجه به پایین بودن مقدار قیمت انرژی های فسیلی به این منبع انرژی پاک و تجدید پذیر کم لطفی شده است .

محاسن

سیستم های زمین گرمایی به علت یکسان بودن دمای زمین در فصول مختلف سال، دارای ضریب عملکرد (COP) 4 تا 5 هستند که این مقدار از ضریب عملکرد پمپ های حرارتی منبع هوا بالاتر است. بیشترین هزینه مربوط به سیستم های شمع انرژی به هزینه های مربوط به حفر زمین جهت نصب شمع ها بر میگردد .

با توجه به این نکته که شمع های مبدل حرارتی با دو کاربرد تامین پایداری سازه و سرمایش-گرمایش ساختمان عمل میکند و نیاز به حفر گمانه های تبادل گر حرارتی را حل میکند، بسیار مقرون به صرفه است .

به طور کلی باید گفت در مقدار عمق شمع های انرژی در زمین هیچ محدودیتی وجود ندارد تا آنجایی که به عنوان نصب و راه اندازی سیستم های جذب کننده انرژی مربوط شود. انرژی بالقوه با افزایش میزان عمق افزایش پیدا میکند ، بنابراین شمع هایی که عمق بیشتری دارند دارای میزان تبادل بالاتری هستند هستند. از جنبه اقتصادی پروژه، کمترین مقدار عمق شمع ها 6 متر هستند.

منابع

This article "شمع های انرژی(شمع مبدل حرارتی)" is from Wikipedia. The list of its authors can be seen in its historical and/or the page Edithistory:شمع های انرژی(شمع مبدل حرارتی). Articles copied from Draft Namespace on Wikipedia could be seen on the Draft Namespace of Wikipedia and not main one.

---

 Facebook Page

 Follow us on Twitter !

Read or create/edit this page in another language

• شمع های انرژی(شمع مبدل حرارتی) in English