بررسی سیستم گرمایش و ذوب برف با پمپ حرارتی زمین گرمایی

فهرست مطالب

سیستم گرمایش و ذوب برف بر اساس پمپ حرارتی زمین گرمایی در فرودگاه گولنیو لهستان    1
خلاصه:    1
طراحی یك سیستم گرمایش و ذوب برف در فرودگاه GolenioW    1
سیستم دیواره های پخش گرما    1
معرفی    2
2.هیت پمپ‌ها در سیستم گرمایش    4
-2-1 قواعد اساسی    5
- 2-2اساس و پایه آرایش (چیدمان) تجهیزات    7
واحدهای تولید گرما در یك ایستگاه گرمایی كه توسط انرژی زمین گرمایی برای تأمین شبكه    7
گرمایشی یك ناحیه تغذیه می‌شود ممكن است بصورت زیر باشد:    7
مبدل حرارتی ابتدایی بین سیال زمین گرمایی و آب گرمایشی ناحیه    7
هیت پمپها    7
واحدهای بازیافت گرما    7
دیگ های گازی    7
-3سیستم ذوب برف (مثال ها)    8
-3-1 ایسلند    8
- 3-2ژاپن    11
-3-3 ایالات متحده    13
-4 فرودگاه GOLENIOW    14
-4-1 اطلاعات كلی    14
4.2- شرایط زمین گرمایی    16
چگالی متوسط آب زمین گرمایی    18
ظرفیت گرمایی متوسط آب زمین گرمایی در فشار ثابت    18
-4-3 اطلاعات هواشناسی (اقلیم شناسی)    19
5 . تحلیل گرمای مورد نیاز    20
برای آب مصرفی (بهداشتی)  10 w/m2    21
5.2   سیستم برف آبكن    22
6 . طراحی سیستم برف آب كن    28
-6-1 سیال ناقل حرارت    28
-6-2 ساختار پیاده رو    29
-6-4 كنترل *    35
-6-5 تنش های حرارتی *    36
آب زمین گرمایی:                                38
2-7- گرمایش رادیاتور    41
7.3 مبدل حرارتی زمین گرمایی    43
شكل 20 :    51
شكل 21 :    51
شكل 22 :    52
شكل 23 :    53
شكل 24 :    54
شكل 25 :    54
سیستم گرمایش و ذوب برف بر اساس پمپ حرارتی زمین گرمایی در فرودگاه گولنیو لهستان
خلاصه:
طراحی یك سیستم گرمایش و ذوب برف در فرودگاه GolenioW در كشور لهستان هدف این مقا له می‌باشد. سیستم بر اساس كار كرد و استفاده  از انرژی زمین گرمایی در منطقه  Sziciecin نزدیك به شهر Goleniow طراحی شده است. در این منطقه آب زمین گرمایی در محدوده دمایی 40 تا 90 درجه سانتیگراد یافت می‌شود. مبنای طراحی سیستم استفاده از هیت پمپ هایی می‌باشد كه گرما را از آب گرم 40 تا 60 درجه سانتیگراد جذب می‌كنند. برای درك عملكرد چیدمان پمپ حرارتی مختلف در یك سیستم گرمایی برای سیال زمین گرمایی  40 oc مقایسه هایی به عمل آمده است. برای منطقه مورد نظر محاسبات جریان سیال و محاسبات گرمایش موجود می‌باشد.
سیستم دیواره های پخش گرما شامل یك دبی سنج مبدل حرارتی زمین گرمایی و پمپ حرارتی (كه به طور الكتریكی كار می‌كند) می‌باشد. اگر سیستم با یك اوپراتور كه مستقیماً بعد از مبدل حرارتی زمین گرمایی نصب شده است كار کند سیم نوع  I  و اگر با اوپراتوری كه بطور غیرمستقیم روی شبكه برگشت آب نصب شده است كار كند سیتم نوع  I I و اگر شامل یك منبع حرارتی معمولی با یك دیگ گازی (كه می‌توانند با هم با یك مبدل حرارتی زمین گرمایی كار كنند) سیستم نوع  I I I  می‌باشد.
منطقه گرمایش توسط یك سیستم توزیع (شامل اتصالات موازی) گرما را بین مصرف كنندگان با احتیاجات مختلف توزیع می‌كند.در اولین مصرف کننده (سیستم گرمایش با رادیاتور دما پایین) محاسبات در دو حالت كاری متفاوت انجام می‌شود. در اولین حالت دمای آب خروجی و ورودی تابعی از دمای هوای بیرون می‌باشد. در دومین حالت دمای آب خروجی و ورودی به دمای بیرون بستگی ندارد و ثابت فرض می‌شود. دومین مصرف کننده یك سیستم تهویه وآب گرم مصرفی است كه آب شبكه را با دمای ثابت در طول سال به حركت در می‌آورد. نوع سوم استفاده یك سیستم ذوب برف است.
كه در محدوده دمایی  3oc تا– 16 oc  با تأمین گرماهای متفاوت در دو حالت ذوب برف و در جا كاركردن، عمل می‌كند.گرمای ناشی از زمین در این سیستم توسط مبدل حرارتی تامین می‌شود.
هر یك  از سه سیستم فوق الذكردر این مقاله مورد نظر می‌باشند و توسط دیاگرام شماتیكی مربوطه  كاربرد انرژی زمین گرمایی، الكتریكی و انرژی كسب شده توسط دیگ گازی را شرح می‌دهد معرفی می‌شوند.
در  سیستم های گرمایی، هیت پمپ مستقیم از هیت پمپ غیر مستقیم اقتصـــادی تر و موثرتر می‌باشد. با كنترل هدفمند وبا استفاده از یك حسگر برف در یك سیستم ذوب برف مقدار آب گرم و هزینه عملیات كاهش می‌یابد.
معرفی
متاسفانه اخیراً  همه احتیاجات سوخت لهستان برای گرمایش از سوزاندن زغال سنگ   قهوه ای تأمین می‌شود. مهمترین نتیجه سوزاندن چنین سوختهای فسیلی تخریب محیط زیست است.
برای مهار رشد سریع آلودگی محیط زیست، صاحب نظران تمایل زیادی بسمت جایگزینی منابع انرژی (بازگشت پذیر) كه در میان آنها انرژی زمین گرمایی نقش مؤثری ایفاء می‌كند دارند. لهستان یك كشور غنی در منابع آب زمین گرمایی با آنتالپی متوسط می‌باشد. حجمی از این آبهای گرمایشی ، در حدود تقریباً  6500 Km3 (در سوكولوسكی) دمایی بین 30 تا 120 درجه سانتیگراد دارند.آب در محدوده دمایی  50 oc  تا  90 oc از میان سوراخهایی با عمق km 1.5 تا  3km به سطح زمین آورده می‌شوند.
كم و بیش منابع زمین گرمایی بطور یكنواخت در قسمت هایی از لهستان در حوزه یا زیر حوزه های زمین گرمایی مخصوصی كه به مناطق و ایالات زمین گرمایی خاصی تعلق دارد توزیع شده اند. بهترین شرایط مناسب و دلخواه زمین گرمایی در  Podhale and  Studety, Polish Low land  می‌تواند یافت شود.با وجود چنین انرژی با پتانسیل بالا در منابع زمین گرمایی، بهره برداری گسترده از یك دهه پیش شروع شده است.
تا این زمان، آب زمین گرمایی فقط برای منظورهای استحمام درمانی مورد استفاده بوده است.  مثال هایی از ، مراكز مهمی كه آب زمین گرمایی را برای درمان بیماری به كار می‌بردند Spas:
 Ladek zdroj , cieplice , ciechocink  هستند.
بین سالهای 1993 تا 2001 ، چهار سیستم گرمایی بزرگ بر اساس انرژی زمین گرمایی درلهستان ساخته و نصب شده اند.  (Banska  Nizna, Pyrzyce ,Mszczonow ,Uniejow) محاسبات طراحی پروژه بر اساس كاربرد انرژی زمین گرمایی توسط یك مبدل حرارتی و یك هیت پمپ در آرایش های متفاوت ارائه شده است.از آب گرم تولید شده برای رادیاتور وگرمایش آب معرفی و همچنین برای انتقال حرارت به منظور نصب یك سیستم ذوب برف در فرودگاه GOLENIOW استفاده خواهد شد.
این عمل امكان كاهش انتشار گازهای گلخانه ای را نسبت به سوختهای معمولی ایجاد می‌كند. ذوب یخ (برف) پیاده رو توسط آب و بخار زمین گرمایی در چندین كشور، از جمله ایسلند، ژاپن و ایالات متحده استفاده می‌شود.این تأسیسات می‌توانند شامل پیاده روها، جاده ها، سراشیبی ها، باند فرودگاه ها، میدان ها، محوطه پارگینك و پل‌ها باشند.
اغلب این كار توسط یك محلول گلیكول انجام می‌شود. آب یا بخار گرم درون لوله های زیر پیاده رو به گردش در می‌آید.این مقاله سعی دارد احتیاجات كلی طرح برای یك سیستم ذوب برف را معرفی كند و یك راه حل برای فرودگاهی كه سیستم آب گرم زمین گرمایی اش توسط مبدل های حرارتی تأمین می‌شود پیشنهاد می‌كند.از فواید آشكار چنین سیستم هایی این است كه احتیاج به برف روبی از بین می‌رود. آرامش و راحتی بیشتر برای پیاده‌ها و وسایل نقلیه، كاهش زحمت برف روبی و شرایط كاری بهتر در فرودگاه ایجاد می‌شود.
2.هیت پمپ‌ها در سیستم گرمایش
هیت پمپ  وسایل انتقال حرارتی هستند كه به استفاده از كار یا گرمای ورودی قادر هستند كه جهت نرمال انتقال حرارت را معكوس كنند و در یك دمای پایین گرما را جذب و آن را در یك دمای بالاتر دفع نمایند.هیت پمپ‌ها در طرح های گرمایش زمین گرمایی در دمای پایین برای افزایش گرمای خروجی از سیال استفاده می‌شوند، اما نقش مشخص آنها در هر طرح به دمای سیالی كه مورد استفاده قرار می‌گیرد بستگی دارد.
بنابراین با سیالات دما متوسط در محدوده oc  40تا 70 oc ، گرمای خارج شده توسط مبدل اولیه تقویت می‌شود. با این وجود ، با سیالات با دمای پایین تر از  40 oc ، تقریباً مبادله گرما بصورت مستقیم مشكل و غیر ممكن می‌شود و با نصب پمپ حرارتی این کار ممکن میشود.
-2-1 قواعد اساسی
معمولی ترین هیت پمپ‌ها از نوع تراكم بخار هستند كه از یك كمپرسور متحرك مكانیكی با شرح زیر استفاده می‌کنند. وقتی گاز بدون افت گرما متراكم می‌شود، دما و فشارش بخاطر كاری كه توسط كمپرسور روی گاز انجام می‌شود افزایش می‌یابد ، برعكس ، وقتی گاز منبسط می‌شود، دما و فشارش كاهش می‌یابد.تبدیل مایع به گاز تبخیر نامیده می‌شود و این عمل در دمای ثابت با جذب گرما از محیط اطراف اتفاق می‌افتد.گرمای جذب شده باعث افزایش انرژی جنبشی مولكولی می‌شود.
مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل یك واحد جرم از مایع به بخار گرمای نهان تبخیر نامیده می‌شود.در یك ظرف آب جوش روی خوراك پزی وقتی كه از گرمای گرفته شده از خوراك پزی به عنوان گرمای نهان تبخیر برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌شود، مایع (آب) در دمای جوش باقی می‌ماند. برای آب مقدار گرمای مورد نیاز    است.
 وقتی گاز به فاز مایع بر می‌گردد (فرآیندی شناخته شده به نام تقطیر) گرمای آزاد شده گرمای نهان تقطیر نامیده می‌شود. گرمای نهان تقطیر و گرمای نهان تبخیر برای هر سیال داده شده ای با هم برابر هستند،‌ بنابراین سیال همان اندازه گرما را در تقطیر از دست می‌دهد كه در تبخیر نیاز دارد.
 

در هیت پمپ ، سیال عامل در یك مسیر بسته گردش می‌كند.سیال عامل در هیت پمپهای زمین گرمایی امروزه معمولاً از نوع هیدروفلروكربن  (HFC, chlorine  free)  یا یك مبرد طبیعی مانند پروپان، ایزو بوتان ،  آمونیاك یا دی اكسـید كربن   است.
 مبرد یا سیال عامل با گردش در مدار مكرراً در قسمتی از سیستم منبسط و تبخیر شده و باعث سرمایش و جذب گرما می‌شود و در قسمت دیگر متراکم و تقطیر شده و باعث گرمایش و دفع گرما می شود. اثر این عمل، به حركت در آوردن یا پمپ شدن گرما از قسمتی از سیستم كه سیال تبخیر شده به قسمتی از سیستم كه سیال تقطیر شده می‌باشد. شكل 1 این عمل را نشان می‌دهد.
كمپرسور با انجام كار روی گاز، دمای فشار آن را افزایش می‌دهد.گاز گرم، با فشار بالا به داخل كندانسور جاری می‌شود كه در آن جا گرما  توسط كندانسور به محیط داده می‌شود و گاز تقطیر می‌شود.
سیال خروجی از كندانسور مایع خنك و با فشار بالا می‌باشد.در وسیله انبساط (شیر انبساط) فشار مایع كاهش می‌یابد . سپس مخلوط مایع و بخار فشار پایین به سمت اوپراتور جاری می‌شود. در اوپراتور، گرمای نهان تبخیر مایع، جذب شده و در نتیجه گاز فشار پایین به كمپرسور برمی گردد و سیكل كامل می‌شود.
گرمای ظاهر شده در كندانسور، مجموع گرمای جذب شده در اوپراتور و گرمای اضافه شده بوسیله كمپرسور  در طول انجام كار موتور محرك كمپرسور می‌باشد. چون تنها از برق برای راندن كمپرسور استفاده می‌شود، هیت پمپ 3 تا 4 برابر انرژی بیشتر  از مصرفش آزاد می‌كند.
- 2-2اساس و پایه آرایش (چیدمان) تجهیزات
واحدهای تولید گرما در یك ایستگاه گرمایی كه توسط انرژی زمین گرمایی برای تأمین شبكه
گرمایشی یك ناحیه تغذیه می‌شود ممكن است بصورت زیر باشد:
•    مبدل حرارتی ابتدایی بین سیال زمین گرمایی و آب گرمایشی ناحیه
•    هیت پمپها
•    واحدهای بازیافت گرما
•    دیگ های گازی
از بویلرهای كمكی تنها زمانی استفاده می‌شود كه گرمای مورد نیاز شبكه بیشتر از گرمای زمین باشد. در غیر این صورت تصمیم برای ساخت بویلرها و انتخاب قدرت حرارتی برای این واحدها به یك سری محاسبات بهینه اقتصادی بستگی دارد.
هیت پمپ‌ها مانند مبدل های حرارتی اولیه یا بویلرهای پشتیبان عناصر منفرد و مجردی نیستند.
دو كلاس اساسی از پیكر بندی هیت پمپها می‌توان تشخیص داد:
•    هیت پمپ مبدل حرارتی اولیه را برای تأمین گرمای اضافی از سیال زمین گرمایی كمك می‌كند این هیت پمپ هیت پمپ كمك كننده نامیده می‌شود. (HpA)در این آرایش هیت پمپ‌ها به طریقه ای كه گرمای زمین گرمایی بیشتری را تولید كنند متصل شده اند، دو حالت استفاده از این روش اتصال اوپراتور بطور مستقیم یا غیر مستقیم می‌باشند.
•    دومین حالت هیت پمپ تنها  (HPO) نامیده می‌شود.این آرایش وقتی استفاده می‌شود كه كه دمای سیال عامل، یا آب زمین خیلی پایین باشد كه فقط انتقال حرارت بسیار ناچیزی توسط انتقال حرارت ساده بدست می‌آید.
گرما بوسیله اوپراتور از سیال عامل زمین گرمایی بطور مستقیم یا در عرض یك مبدل حرارتی كمكی خارج می‌شود سپس گرما توسط كندانسور به سیستم گرمایش آزاد می‌شود. تنها مسیر انتقال حرارت از درون هیت پمپ است و هیچ گرمایی آزاد نمی شود مگر این كه هیت پمپ كار كند.
هیت پمپ گرمای خارج شده را بالا می‌برد بطوری كه دمای خروجی از كندانسور بالاتر از دمای تأمین زمین گرمایی است.
 -3سیستم ذوب برف (مثال ها)
 -3-1 ایسلند
در مركز قدیمی  (Rejkjavix)ترمیم خیابانها و پیاده روها قبل از سال 1990 با لوله های ذوب برف جاسازی شده همزمان توسعه داده شد.
در حال حاضر ناحیه ذوب برف  30,000 m 2 می‌باشد و انتظار می‌رود كه به  60,000 m2 توسعه یابد. در (Rejkjavix) آب گرم زمین گرمایی برای گرمایش خانه‌ها استفاده می‌شود.  قسمتی از سیستم توزیع تك لوله و قسمتی دیگر دو لوله می‌باشد.در شهرهای قدیمی یك سیستم تك لوله ای نصب شده است. آب زمین گرمایی بعد از استفاده برای گرمایش خانه‌ها در سیستم فاضلاب شهر رها می‌شود.
آب برگشتی در  32 ocمحتوای انرژی زیادی است. از زمان نو كردن جاده ها، امکان استفاده از این آب در سیستم ذوب برف تشخیص داده شد. آب برگشتی اكنون با 5 مركز كنترل برای ذوب برف هدایت می‌شود.سیستم لوله كشی آب در مسیرهایی كه مراكز را بهم متصل می‌كنند، خوابانیده شده است و آب می‌تواند به مراكز دلخواه توزیع شود.
همه لوله های ذوب برف لوله های پلاستیكی هستند بجز لوله های مركز كنترل كه از فولاد ساخته شده اند.شاه لوله آب ورودی  و آب خروجی در مراكز كنترل نصب می‌شوند و شاخه های فرعی به جعبه های شیر متصل می‌شوند و همه لوله‌ها با شیرهایی با هم ارتباط دارند.ضروری است كه این شیرها به آسانی قابل دسترسی باشند بطوری كه یك لوله هر وقت لازم باشد بتواند هواگیری شود. بنابراین از جعبه های شیر بتونی با صفحات پوششی چدنی در رو یا بیرونی استفاده می‌شود.(شكل 2)، بنابراین دستیابی به شیرها بدون برداشتن روكش پیاده رو ممكن است.

سیستم لوله از نوع برگشت ـ معكوس است كه تعادل فشار را حفظ می‌كند. همه لوله های ذوب برف طول معادلشان 280 m می‌باشد فاصله بین لوله‌ها  0.25 m است. بهترین حالت برای ذوب برف بیشتر با فاصله  كم بین لوله‌ها ( 0.2m) به تحقق می‌پیوندد. لوله‌ها در شن مخصوص زیر یك پیاده رو جاسازی شده اند. در جاده های با ترافیك بالا بخاطر وزن ناشی از ماشین ها، لوله‌ها در لایه آسفالت خوابانیده می‌شوند.

- 3-2ژاپن
 در سیستم ذوب برف   Gaia از مبدل حرارتی هم محور  (DCHE ) Downhole برای خروج گرما از زمین استفاده می‌شود.  در این سیستم آب سرد به سمت پایین از درون لوله هایی كه عایق شده اند می‌رود و آب گرم برای تبادل حرارت به سمت بالا می‌آید.اولین سیستم ذوب برف Gaia در Ninohe نصب شدکه شهری در  500km شمال   Tokyo می‌باشد که بطور موفقیت آمیزی عمل می‌كرد. میانگین پایین ترین دما برای ماه  January در این شهر   -7.1 oc است.بارش سالیانه در زمستان   1995/96  ، 2.9m بوده است.
به منظور جلوگیری از سر خوردن ماشینها این سیستم در یك مسیر با شیب  9% نصب گرید. منطقه پوشیده شده بوسیله سیستم ذوب برف 4 متر عرض و 65 متر طول دارد كه یك مسافت كلی  266m2 را پوشش می‌دهد. لوله های گرمایی در بتون و آسفالت پیاده رو در عمق   10cm و فواصل  20cm از همدیگر نصب شده اند.مواد زیر جاده شامل تخت سنگ شنی می‌باشد و دمای زمین oc 22.5 در عمق  150m است.
 سه عدد  DCHE كه قطر خارجی هر یك   150M  , 8.9 CM  عمق وهیت پمپ  15kw مورد استفاده قرار گرفته می‌شود. در زمستان گرمای خارج شده از زمین بوسیله  DCHE‌ها به هیت پمپ منتقل می‌شود. بعداً دما بوسیله هیت پمپ افزایش می‌یابد و انرژی گرمایی منتقل می‌شود. در تابستان گرمای خورشید دمای جاده را كه در آن لوله های گرمایی جاســازی شده است تا         30-50oc بالا می‌برد. گرمای خورشید در جاده دریافت و ذخیره می‌شود.
این گرما توسط اتصال DCHEها و لوله های گرمایی بطور مستقیم و بوسیله گردش سیال باعث گرم شدن لوله‌ها یی می‌شود كه به داخل DCHE جاری می‌شود و سطح زمین را خنك می‌كند بدین طریق گرمای خورشید در اوقات تابستانی برای استفاده در زمستان برای ذوب برف در زمین ذخیره می‌شود.
سیستمGaia  در شهر  Ninohe یك كاهش 84 در صدی در مصرف انرژی سالیانه در مقایسه با سیستم هایی كه از كابل های گرمایش الكتریكی   (Morta and togo2000) استفاد می‌كنند را نشان می‌دهد.....