مبدل حرارتی زیرزمینی
مبدل حرارتی زیرزمینی – Ground heat Exchanger روشی است که با به جریان انداختن هوا و یا سیالات در درون لوله‌ها میتوانیم تهویه مناسب‌تری از محیط را داشته باشیم. این لوله‌ها که در درون کانال‌های حفرشده بر سطح زمین قرار داده شده اند، بسته به شرایط محیطی و خاک منطقه میتواند سیالات متفاوتی را در خود حرکت دهد.
مطالعات نشان می دهد که هر چه از سطح زمین به سمت لایه‌های داخلی آن برویم، دمای متفاوت‌تری نسبت به هوای اتمسفر زمین وجود دارد. به زبان ساده‌تر در لایه‌های زیرین سطح زمین در تابستان دما خنک‌تر و در زمستان این لایه‌ها دمای پایین‌تری را دارند. بنابراین متخصصین و مهندسین این حرفه بر آن شدند تا از تفاوت این دما برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی بهره ببرند. و راهی را برای دستیابی به دمای آسایش بهینه با استفاده از حداقل انرژی تجدید ناپذیر فراهم سازند.
در این مقاله سعی خواهیم کرد تا شما را با مبدل حرارتی زیرزمینی (Ground heat Exchanger) به عنوان بروزترین و کارآمدترین نوع سیستم گرمایشی و سرمایشی و مزایای استفاده از آن آشنا کنیم.
مبدل حرارتی زیرزمینی چیست؟
مبدل حرارتی زیرزمینی با نام‌های مختلفی چون پمپ حرارتی ژئوترمال، مبدل حرارتی لوله زمینی، مبدل‌های حرارتی هوا به خاک، سیستم تونل زمینی، لوله‌های زیرزمینی، مبدل حرارتی زیر خاک، GHE، HGHE و … شناخته میشود.
با اینکه بیانگذاری این روش از تبادل دما، سده‌ها قبل در بادگیرهای یزد بوده و در آن محل استفاده می شده است، اما هم اکنون کشورهایی چون آمریکا، دانمارک، هند، اتریش و در راس آنها آلمان از مبدل حرارتی زیرزمینی بهره می‌برند. ساختمان اداره فدرال محیط زیست آلمان بهترین نمونه از انواع ساختمان‌هایی است که از روش مبدل زیرزمینی برای تبادل دما استفاده میکند.
ساختمان اداره فدرال محیط زیست آلمان
نمای داخلی ساختمان فدرال محیط زیست آلمان
چگونگی عملکرد مبدل حرارتی زیر خاک
مبدل حرارتی زیر خاک یا پمپ حرارتی ژئوترمال با به دام انداختن گرمای زمین و انتقال آن به محیط مورد نظر و یا منتشر کردن گرمای این محیط به زمین نقش مهمی در تهویه مرکزی ساختمان‌ها دارد. این سیستم از طریق لوله‌هایی که در زیر زمین به کار رفته، به عنوان نوعی تهویه مرکزی کاربرد دارد. که در آن از مواد شیمیایی و مشتعل خبری نیست. و به صورت دمیدن و انتقال هوا در این کانال‌ها میتوان به صورت کاملا نوین و کاربردی دمای ایده‌آل محیط گلخانه‌ای، دامداری‌ها و ساختمان‌های مسکونی و تجاری را فراهم کرد. کانال‌هایی که در زیر زمین حفر می‌شوند از طریق دمنده‌های مکانیکی، هوا را به سمت این کانال‌ها می‌کشانند. و با حرکت هوا در لوله‌های زیر زمین و چرخش در کانال‌های زیرزمینی، با تبادل دمای هوای بیرون لوله‌ها در نهایت دمای نزدیک به دمای آسایش را به محیط انتقال میدهند.
تصور کنید در مرداد ماه هستیم و دمای هوا 43 درجه می باشد. اما همانطور که قبلا گفته شد، در زیر زمین دمای معکوسی نسبت به دمای اتمسفر وجود دارد. بنابراین با کشاندن هوای محیط به این کانال‌ها میتوانیم هوای خنک زیر زمین را به دام انداخته و با تبادل با هوای محیط، هوا را با دمای پایین‌تری به محیط برگردانیم. البته در نظر داشته باشید که در تابستان نیز همین رابطه وجود دارد. و از گرمای زیر زمین برای بالا بردن دمای محیط میتوان بهره برد.
انواع کانال‌های مبدل حرارتی زیرزمینی
کانال‌هایی که برای جاگذاری لوله‌های مبدل حرارتی زیر خاک حفر میشود بسته به عوامل محیطی و شرایط منطقه‌ای و سطح زیر ساخت سازه ساختمان در دو نوع افقی و عمودی میباشد. هر کدام از این کانال‌ها مزایایی دارند که به طور مختصر اشاره خواهیم کرد.
کانال کشی افقی
کانال‌های افقی و صفحه‌ای کاربرد و عملکرد بهتری دارند. در این نوع کانال‌ها هرچه کانال کشی در عمق پایین‌تری از سطح زمین انجام بگیرد، اختلاف دما بیشتر بوده و تبادل دمای بهتری خواهیم داشت. به طور کلی این مبدل‌ها در سیستم سرمایشی نقش بهتری نسبت به کانال‌های عمودی دارند. و بیشتر برای مناطقی که در تابستان دمای گرم‌تری دارند، کاربردی‌تر هستند. GHE افقی را در سه زیر گروه ذیل دسته بندی می کنند:
- تک لوله‌ای‌های افقی
- چند لوله‌ای و مارپیچی
- لوله‌های موازی
نمایی از کانال‌های حفرشده در زمین در مبدل حرارتی زیرزمینی افقی چند لوله‌ای و مارپیچی
مبدل حرارتی زیرزمینی افقی با لوله‌های موازی
البته در مبدل‌های افقی باید با برآورد دمای میانگین منطقه توسط افراد کاربلد بهترین سیال را برای لوله‌ها انتخاب کرد.
کانال کشی عمودی
کانال‌کشی عمودی برای ساختمان‌هایی که سطح زیرساخت کمتری دارند، بهینه‌تر است. و نوع خاک منطقه در عملکرد مبدل حرارتی عمودی نقش مهمی ایفا میکند.
عوامل موثر بر کیفیت تبادل دمای سیستم تونل زمینی
به طور کلی عواملی چون سطح آب‌های زیرزمینی منطقه، نوع و چگالی خاک، فاصله کانال‌ها از یکدیگر، تفاوت دمای خاک منطقه، طول و قطر لوله‌ها، عمق کانال‌ها، سطح بستر کانال‌های GHE در زیر زمین و … از جمله عواملی هستند که در میزان صرفه جویی انرژی و کیفیت تبادل دما تاثیر دارند.
مزیت استفاده از مبدل حرارتی زیرزمینی
محدود کردن استفاده از انرژی‌های فسیلی، هوای مطبوع و عاری از هر گونه گاز و مواد شیمیایی، کاهش آلودگی، کاهش اثرات گلخانه‌ای، کاهش آلایندگی قارچی و باکتریایی، کاهش مرگ و میرهای ناشی از گارگرفتگی، کاهش آتش‌سوزی، صرفه جویی در مصرف انرژی‌های تجدید ناپذیر و … از جمله مزیت‌های استفاده از مبدل حرارتی زیرزمینی است.
معایب استفاده از مبدل حرارتی زیرزمینی
هر چند که استفاده از مبدل حرارتی زیرزمینی در طولانی مدت، باعث کاهش مصرف انرژی میشود، ولی به دلیل یارانه پرداختی به حامل‌های انرژی از طرف دولت و هزینه بالایی در زمان ساخت سازه با استقبال خوبی از طرف مهندسین و مدیرهای پروژه‌های ساختمانی مواجه نمیشود. اما در سال‌های پیش رو و بسته به سیاست‌های حذف یارانه‌ها از طرف دولت، مسلما بهترین جایگزین برای تامین دمای ساختمان‌ها خواهد بود.
ترتیب خاک‌ها با بهترین بهره‌وری
- زمینی که آب‌های زیرزمینی به سطح نزدیک‌ترند. و میتوان از این نوع مبدل حرارتی برای تغییر دمای محیط بهره‌وری بهتری داشت.
- خاک رس مرطوب
- خاک رس خشک
- شنی مرطوب
- شنی خشک
نتیجه‌گیری
برای کاهش مصرف انرژی در کنار مبدل‌های دیگر میتوان از مبدل حرارتی زیرزمینی در ساختمان‌های تجاری، مسکونی، تولیدی، کارخانه‌ای و … استفاده کرد. در ساختمان‌های بزرگ و تجاری با وسعت بالا باید تحقیقات و بررسی‌های بیشتری توسط مهندسین این شاخه برای عمق و نوع کانال کشی عمودی یا افقی انجام گیرد. تا نتیجه معکوسی در عملکرد سیستم مبدل حرارتی زیرزمینی نداشته باشیم.
البته باید در نظر داشت که به جای هوا میتوان از سیالاتی چون آب، آب نمک، ضدیخ، اتانول و … با در نظر گرفتن شرایط محیطی منطقه در درون این لوله‌های زیر زمین استفاده کرد.
شما بزرگواران می‌توانید با مراجعه به صفحه محصولات وبسایت جهان تهویه اعتماد با انواع سیستم های تهویه مطبوع تولید شده در شرکت جهان تهویه نیز آشنا شده و کاتالوگ فنی آن را نیز دانلود و مشاهده فرمایید.
برای مطالعه بیشتر در رابطه با سیستم‌های تهویه مطبوع به دیگر مقالات ما در صفحه مقالات علمی مراجعه فرمایید.
همچنین برای دریافت مشاوره در مورد سیستم‌های تهویه مطبوع می‌توانید از طریق صفحه تماس با ما، با واحد فنی ما در ارتباط باشید.
منابع :
, https://www.geoexchange.com.au/ground-heat-exchanger/ , https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%85%D8%A8%D8%AF%D9%84_%D8%AD%D8%B1%D8%A7%D8%B1%D8%AA%DB%8C_%D8%B2%D9%85%DB%8C%D9%86%DB%8C
