انرژی زمین گرمایی: استفاده از زمین برای گرم کردن و خنک کردن ساختمان ها

استفاده از گرمای زمین گرمایی برای اقلیم سازی ساختمان یک روش مقرون به صرفه و پایدار است. در قسمت سوم سری انرژی زمین گرمایی ، نگاهی دقیق تر به جمع کننده های حرارتی لوله های کم عمق خواهیم داشت . پیش‌بینی دقیق عملکرد حرارتی آنها، با در نظر گرفتن طرح‌بندی لوله‌کشی و خواص حرارتی محلی، کار مناسبی برای ماژول جریان لوله است.

کلکتورهای حرارتی زمین گرمایی

ساخت و ساز ساختمان های مدرن نیازمند کنترل آب و هوای کارآمد، ترجیحاً با استفاده از منابع انرژی پایدار است. چنین منابعی می توانند سیستم های کلکتور خورشیدی برای پشتیبانی از آب گرم یا هوای محیط یا سیستم های پمپ حرارتی مبتنی بر زمین گرمایی باشند که می توانند برای خنک کردن در تابستان و گرمایش در زمستان استفاده شوند.

کاربردهای زمین گرمایی عمدتاً شامل نصب لوله با آب یا آب نمک به عنوان سیال برای تأمین تبادل حرارت بین سطح زیرین و یک پمپ حرارتی است. دو نوع اصلی از این سیستم‌های به اصطلاح حلقه بسته وجود دارد: مبدل‌های حرارتی عمودی گمانه (BHEs) که در گمانه‌ها نصب می‌شوند ( بخش 1 این سری را ببینید ). و کلکتورهای حرارتی افقی که در مناطق وسیع و در اعماق بسیار کم فقط یک یا دو متر رسوب می کنند.

در حالی که BHE های عمودی اغلب به عنوان منابع خط حرارتی بی نهایت یا سینک ساده می شوند، سیستم های افقی از نقطه نظر مدل سازی پیچیده تر هستند. این به این دلیل است که آنها باید در الگوهایی چیده شوند تا سطوح وسیعی را پوشش دهند و استفاده از این ساده سازی دیگر مطابقت ندارد. طول کل لوله ها به راحتی می تواند به 100 متر یا بیشتر برسد. رژیم جریان ترجیحاً متلاطم است زیرا مقاومت حرارتی کمتری بین سیال و سطح زیرین ایجاد می شود. می توانید تصور کنید که یک رویکرد شبیه سازی CFD از سیستم هایی با این ابعاد یک چالش است (علی رغم عملکرد محاسباتی خوشه های HPC مدرن). خوشبختانه راه حلی برای این نوع کار وجود دارد.

بیایید نگاهی به نحوه استفاده از ماژول جریان لوله در بخش رو به رشد سیستم های جمع کننده حرارت زمین گرمایی بیندازیم.

با ماژول جریان لوله بر روی موارد ضروری تمرکز کنید

خوشبختانه، ما مجبور نیستیم به مشکلات محاسباتی که ممکن است هنگام شبیه‌سازی سیستم‌های لوله بلند ایجاد شود اهمیت دهیم. ماژول جریان لوله همه قابلیت‌های لازم را برای محاسبه افت فشار، سرعت و مهم‌تر از همه – انتقال حرارت بین سیال لوله و سطح زیرین، با استفاده از توابع همبستگی لبه منحنی سه‌بعدی تجویز می‌کند. تنها کاری که باید انجام دهیم این است که شرایط ورودی (دما، سرعت) و خواص لوله، سیال و زیرسطح را تعریف کنیم. بنابراین، ما می‌توانیم کاملاً روی سؤالاتی تمرکز کنیم، “به نظر شما بهترین چیدمان لوله افقی در زیر باغ شما چیست؟”

بیایید دریابیم.

نمونه مدل: از باغ خود به عنوان منبع گرما استفاده کنید

مثال انتقال حرارت، ارائه شده در یک پست وبلاگ اخیر ، نشان می‌دهد که چگونه یک نرخ استخراج گرمای تجویز شده را می‌توان در قالب یک شرایط مرزی دمای ورودی محاسبه‌شده عددی تحقق بخشید. با انجام این کار، می توان هر نرخ استخراج حرارت مورد نظر را ارائه داد و دمای ورودی مربوطه را محاسبه کرد. با فرض اینکه خواص سیال مستقل از دما هستند، یک نسخه ساده شده از دمای ورودی را می توان به صورت زیر نوشت:

(1)

بنابراین، تابعی از دمای خروجی (، چگالی ()، ظرفیت گرمایی (و سرعت جریان حجمی () سیال عامل در لوله ها. اختلاف دما بین دمای ورودی و خروجی از طریق گرمای استخراج شده توسط پمپ حرارتی کنترل می شود.، که تابع زمان است زیرا پمپ های حرارتی (برای اهداف گرمایش خانه) معمولاً در تمام روز کار نمی کنند. نرخ گرمایش معمولی یک پمپ حرارتی خانه یک خانواده 8 کیلو وات است که برای راه اندازی آن به 2 کیلو وات برق نیاز است و 6 کیلو وات باید از سطح زیرین استخراج شود. برای رسیدن به تقاضای گرمایی روزانه مثلاً 48 کیلووات ساعت در طول فصل زمستان در آلمان یا آمریکای شمالی، پمپ حرارتی باید 6 ساعت در روز کار کند.

نمودار خطی که 6 کیلو وات استخراج گرما را به مدت شش ساعت در روز در طول سه روز نشان می دهد
6 کیلو وات استخراج حرارت به مدت شش ساعت در روز، در یک سیکل سه روزه.

تعداد احتمالات نحوه چیدمان لوله های جمع کننده گرما در سطح زیرین بی پایان است. در اینجا، نگاهی به سه الگوی انتخابی تصادفی خواهیم داشت. بیایید آنها را طرح های مار، حلزون و پیچ و خم بنامیم. جمع کننده حرارت در زیر سطح با خواص حرارتی معمولی تعبیه شده است که می توانید آن را در بالاترین لایه خاک در باغ خود بیابید. توزیع دمای زیرسطحی مطابق با دمای آلمان در ماه ژانویه است.

هندسه سه طرح برای یک سیستم جمع کننده حرارت زمین گرمایی که با COMSOL Multiphysics ایجاد شده است.
سه طرح لایه مختلف برای یک سیستم جمع کننده حرارت زمین گرمایی: 1) مار، 2) حلزون، و 3) طرح پیچ و خم.

ویژگی COMSOL Multiphysics، هندسه بعدی ، به ما اجازه می دهد تا هر سه هندسه لوله مختلف را در یک مدل ایجاد کنیم. همچنین به ما اجازه می دهد تا یک مطالعه پارامتری را انجام دهیم که برای هر زیر هندسه خاص حل می شود. ما می‌توانیم طرح‌های مختلف را با نگاهی به دمای خروجی حاصل به عنوان تابعی از زمان مقایسه کنیم.

نموداری که دمای خروجی سه طرح کلکتور حرارتی را نشان می دهد
مقایسه دمای خروجی سه طرح کلکتور.

سه کلکتور هر کدام رفتار حرارتی متفاوتی از خود نشان می دهند. این به دلیل فاصله های مختلف بین لوله ها، طول های مختلف آنها و در نتیجه سطح موجود برای انتقال حرارت است. حتی اگر نقطه انجماد مخلوط آب و گلیکول در داخل لوله ها در حدود -13 درجه سانتیگراد است، دمای خروجی – به دلایل زیست محیطی – از نظر قانونی در آلمان بالای 5- درجه سانتیگراد باقی بماند.

طرح مار تنها پس از چند روز به پایین‌تر از این نقطه می‌رود و بنابراین در اینجا طرح ترجیحی نخواهد بود. با این حال، یک مهندس زمین گرمایی اکنون می تواند به بهینه سازی یک طرح ادامه دهد (مثلاً طول لوله، قطر لوله، یا ناحیه تحت پوشش را برای رسیدن به حداکثر دمای خروجی تغییر دهد.) البته می توان به راحتی اجراهای طولانی مدت را برای مطالعه انجام داد. تاثیر تغییرات دمای فصلی یا حتی استفاده از لوله ها برای مقاصد خنک کننده در تابستان.

هنگامی که طراحی بهینه جمع کننده حرارت زمین گرمایی در باغ شما پیدا شد، چرا به مدل سازی سیستم گرمایش از کف مدرن در خانه نپردازید؟ روش کار مستقیم است. فقط تغییر علامت وجود دارد زیرا گرما در اینجا تزریق می شود.

مدل کلکتور حرارتی باغ aa در ترکیب با سیستم گرمایش از کف خانه
مدل ترکیبی کلکتور حرارتی باغ به همراه سیستم گرمایش از کف خانه. کلکتور گرما را با 6 کیلو وات از سطح زیرین استخراج می کند، در حالی که سیستم گرمایش خانه گرما را در دمای 30 درجه سانتی گراد به کف خانه تزریق می کند.