زمین گرمایی، زمین سرمایی با پمپ حرارتی

قطعا برای شما پیش آمده که کودکی در خانه سوال کند چرا اگر درب فریزر و یا یخچال را به مدت زیاد باز بگذاریم، آشپزخانه خنک نمیشود؟ قطعا با توجه به این که یک یخچال به وسیله سیکل تبرید کار میکند و اگر درب بخچال را باز بگذاریم گرمای پشت بخچال که از کندانسور آن انتشار پیدا میکند، تمام خنکای به وجود آورده را خنثی خواهد کرد. حال به این موضوع بیندیشید که اگر ما میتوانستیم این گرما را در درون دل خاک و یا زمین دفع کنیم آیا یخچال می توانست به عنوان یک خنک کننده برای ساختمان عمل کند؟ جواب این سوال در سیستمی به نام پمپ گرمایی به وسیله زمین گرمایی نهفته است که در ادامه به شرح آن و منافع استفاده از این سیستم میپردازیم.  با فرض سیکل پمپ های گرمایی مشابه با سیکل تبرید، بسته به منبع گرما در اواپراتور، سه دسته وسیع از پمپ های حرارتی وجود دارد. اگر منبع هوا هوای جو باشد، پمپ های حرارتی با منبع هوا معروف ترین نوع هستند. اگر منبع آب باشد، مانند رودخانه یا استخر، آنها به عنوان پمپ های حرارتی با منبع آب شناخته می شوند. اگر پمپ حرارتی گرما را از زمین جذب کند، به آنها پمپ های حرارتی زمین گرمایی یا منبع زمینی می گویند.

از انرژی زمین می توان به عنوان یک منبع تجدید پذیر انرژی در سیستم های تهویه مطبوع استفاده کرد. میزان بهره برداری از انرژی زمین به عوامل متعددی از جمله جنس خاک، دمای محیط، ظرفیت حرارتی مورد نیاز و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد. زمین به مثابه یک باتری انرژی عمل میکند و در هر دو فصل گرم و سرد، دمای خاک نسبت به دمای محیط، به شرایط آسایش نزدیک تر است که با تبادل حرارتی با یک سیال واسط میتواند به عنوان یک منبع انرژی لحاظ گردد.  اجرای سیستم تهویه مطبوع با استفاده از انرژی زمین گرمایی باعث صرفه جویی در مصرف انرژی سرمایشی و گرمایشی میشود. دو روش متداول مورد استفاده برای زمین گرمایی، دفن افقی لوله ها و چاه های عمودی می باشد که در فصول مختلف آب درون لوله ها به جریان در می آید و دمای آن به شرایط آسایش فصلی نزدیک تر می شود.

دمای زمین در اعماق کم عمق، صرف نظر از دمای هوای محیط، که روزانه و همچنین فصلی متغیر است، تقریبا ثابت می ماند.همانطور که در نمودار نشان داده شده است، در اعماق کم، نوسانات دمای هوا به شدت بر دمای زمین تا عمق 5 متر تأثیر می گذارد. در زیر این عمق تا 10 متر ، دمای زمین تقریباً برابر با دمای سالانه هوا است. با عمق بیشتر در زیر زمین ، دمای زمین با سرعت متوسط ​​حدود 3 درجه سانتی گراد در 100 متر افزایش می یابد،

مطابق پژوهش های صورت گرفته، در صورت استفاده از زمین گرمایی، 5-15 درصد برای سرمایش و 15-35 درصد برای گرمایش صرفه جویی انرژی می توان بدست آورد که به اقلیم منطقه نیز بستگی دارد.
برای برآورد دقیق مقدار صرفه جویی انرژی پارامترهای زیادی مانند عمودی یا افقی بودن، طول و عمق لوله ها، قطر و جنس لوله ها
و از همه مهم تر آنالیز دمایی خاک منطقه و محل تاثیرگذار هستند. بنابراین برای دستیابی به طرح نهایی و مقدار دقیق صرفه جویی

انرژی، نیاز است که پارامترهای ورودی برای طراح مشخص گردند که در قالب یک چک لیست در انتهای این مطلب آورده شده است.
تخمین اولیه صرفه جویی در مصرف انرژی به صورت تقریبی بر اساس یافته های معتبر به طور میانگین 10 درصد برای سرمایش و 20
درصد برای گرمایش در نظر گرفته شده است لذا میزان هزینه صرفه جویی ماهانه مطابق جدول زیر میباشد.

چک لیست تعیین برخی پارامترهای زمین گرمایی

انواع پمپ های حرارتی با منبع زمین گرمایی بر اساس نوع نصب

هنگام استفاده از انواع پمپ های حرارتی با منبع زمین گرمایی ، دو نوع ساختار اساسی وجود دارد:

نصب افقی و نصب نوع عمودی. در مقابل پمپ های حرارتی منبع هوا ، پمپ های حرارتی منبع زمینی عموماً شامل حلقه ثانویه ای از لوله های پلی اتیلن با چگالی بالا هستند. این لوله ها دارای محلول ضد یخ/آب سازگار با محیط زیست هستند که از طریق لوله های پلیاتیلن توسط یک پمپ گردش کرده و گرما را به زمین جذب یا رد می کند. پمپ حرارتی منبع زمینی شامل چندین لوله موازی است که بهصورت افقی قرار گرفته اند ، در عمق کم عمق 1 تا 2 متر همانطور که در شکل نشان داده شده است.

اگر فضای کافی به صورت افقی وجود داشته باشد ، آنها یا به صورت غیر منظم و یا به صورت مستقیم پیکربندی
می شوند. چیدمان افقی زمانی مناسب تر است که مساحت وسیعی از زمین در دسترس باشد. آنها انتخاب بهتری
هستند زیرا هزینه های نصب کمتر از نمونه عمودی به پروژه تحمیل مینماید، نیازی به ماشین آلات حفاری سنگین
نیست و نصب در اعماق کم انجام می شود. اما این نیز یک چالش است زیرا زمین کم عمق مستعد اثر پذیری از تغییرات بیرونی مانند نوسانات آب و هوا و دما است. بنابراین، طراحی چنین سیستمی را نسبت به نوع چیدمان عمودی چالش
برانگیزتر می کند.در پمپ های حرارتی منبع زمینی عمودی، لوله های پلاستیکی نوع U به طور موازی تا عمق 50 متر تا 100 متر حفر شده اند، مطابق شکل نصب می شوند. سپس این لوله ها به منیفولد های افقی متصل می شوند که سیال ثانویه را گردش می دهند، پمپ حرارتی چیدمان عمودی بیشتر در ساختمانهای تجاری بزرگ مانند بیمارستانها رایج است، زیرا مناطق وسیع معمولاً در دسترس نیستند. این چیدمان همچنین ممکن است لازم باشد زمانی انتخاب شود که خاک برای لوله کشی افقی بسیار کم عمق باشد.