بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، استفاده از انرژی زمین جهت تهویه و برودت ایستگاههای مترو تبریز پیشنهاد شده است. در طرح پیشنهادی، از کف و جداره تونل مترو، به عنوان چاه افقی جهت استحصال انرژی زمین استفاده شده است که موجب حذف هزینه حفاری چاه گردیده است. تاثیر هر یک از پارمترهای تاثیرگذار در آرایش لولهها نظیر طول لوله، قطر لوله، دمای ورودی سیال و ... برای شرایط مترو تبریز با استفاده از روشهای المان محدود، بصورت مجزا برای دستیابی به طراحی بهینه مورد شبیهسازی قرار گرفته است و در نهایت آرایش بهینه برای استحصال 20 وات بر متر بدست آمده است. با استفاده از نرم افزار کامسول طراحی سیستم پیشنهادی برای یک کیلومتر لولهگذاری در تونل خط یک مترو تبریز شبیهسازی شده است و استحصال انرزی به اندازه 200 کیلووات استنتاج شده است.
کلید واژه- تونل مترو، انرژی زمین گرمایی، پمپ حرارتی، تهویه.
-1 مقدمه
انرژی زمینگرمایی یکی از منابع عمده انرژیهای تجدیدپذیر است که جوانب مثبت زیستمحیطی آن طیف وسیعی از موارد را شامل میگردد. یکی از موارد استفاده مستقیم از فناوری زمین گرمایی در ایجاد شرایط مطلوب از نظر تهویه در داخل ساختمان است. مزایای استفاده از سیستمهای تهویه مطبوع، اطمینان از پاکی هوای مورد تنفس است. از آنجایی که مترو یکی از مکانهای پر ازدحام شهر میباشد و در صورت آلودگی هوا تعداد افراد زیادی در معرض خطر قرار میگیرند، این مسئله مهمتر نیز می گردد. سیستم تهویه مطبوع در مترو علاوه بر اینکه باید شرایط آسایش مسافران را تأمین کند باید تجهیزات الکترونیکی را خنک نموده و همچنین رطوبت آنرا تا حدودی کم نماید.در سالهای اخیر این مهم بسیار مورد توجه قرارگرفته و میزان مصرف انرژی سیستم تهویه مطبوع بارها بازبینی و بهینه گردیده اما هنوز این دستگاهها ازجمله وسایل انرژیبر و پرمصرف و کم بازده میباشند.
سیستمهای گرمایش و سرمایش زمینگرمایی با استفاده از درجه حرارت طبیعی زمین برای گرم و سرد کردن ساختمانبا روش کاملاً سازگار با محیط زیست میباشد .[3-1]استفاده از انرژی زمینگرمایی جهت کاربری مترو پیشتر در حات چاه عمودی مطرح شده است. در یکی از ایستگاههای شهر مادرید اسپانیا، با حفر 32 چاه عمودی در عمق 145 متری موفق به استحصال 120 کیلوات انرژی از طریق زمین شدهاند .[4] در ایستگاه Kerpen-Horrem آلمان سیستم زمین گرمایی با ظرفیت گرمایش 29 کیلو وات و ظرفیت خنک کننده 37 کیلو وات مورد طراحی و ساخت قرار گرفته است .[5] همچنین در برخی از ایستگاههای کشور سویس و هلند از این سیستم استفاده شده است.
از مشکلات سیستم چاه عمودی، هزینه و مشکلات بالای حفاری در اعماق زمین است که استفاده از این تکنولوژی با محدودیتهایی مواجه شده است اخیراً. استفاده از پوشش تونل به عنوان مبدل حرارتی زمین مورد توجه قرارگرفته است که منجر به کاهش هزینه اصلی این فنآوری می شود .[2-1] اگر منحنی تغییرات دمای زمین نسبت به عمق آن را در طول یک سال رسم شود، مشاهده میشود که هرچه عمق زمین بیشتر شود، میزان تغییرات دما در طول سال دارای تغییرات کمتری خواهد بود در چنین سازهای، لولههای تبادل حرارت بین دیواره اولیه و پوشش ثانویه تونل قرار میگیرد و انتهای آن متصل به یک پمپ گرمایی می شود که از آن میتوان برای گرم کردن و سرد کردن ساختمانهای اطراف استفاده شود. امتیاز اصلی این نوع مبدلها نسبت به مبدل عمودی کاهش هزینهها به دلیل عدم نیاز به حفاری چاه است. اخیرا مبدلهای حرارتی پوششی تونل زمین در ایستگاه مترو وین و اشتوتگارد برای هر دو هدف گرمایش و سرمایش ارائه شده است .[6] امروزه این تکنولوژی در پکن چین هم بصورت پایلوت در حال اجرا است. .[7]
از آنجایی که نوسانات دما در تونلهای قطار شهری تبریز ناچیز بوده، میتوان از فن آوری زمین گرمایی بدون هزینه کردن برای حفر کانال و چاه سود برد و از انرژی بدست آمده برای تهویه ایستگاه مترو یا منازل و ساختمانهایی که در مسیر تونل قرار دارند، استفاده نمود. در این مقاله، ابتدا با نرمافزار کامسول تاثیر پارامترهای مربوط به آرایش لولهگذاری در جداره تونل خط یک مترو تبریز بصورت جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است و سپس دو نوع آرایش لولهگذاری در جداره تونل و کف تونل بطول یک کیلومتر شبیهسازی شده است. همچنین تحلیل اقتصادی برای سیستم پیشنهادی ارائه شده است.
-2 تحلیل و مدلسازی
سیستم پیشنهادی، دارای دو مکانیزم انتقال حرارت خواهد بود: فرآیند اول انتقال حرارت جابجایی بین سیال داخل لوله با سطح لوله و فرآیند دوم انتقال حرارت رسانش بین لوله و خاک اطراف لوله. سطح داخلی تونل به دلیل جلوگیری از تأثیر لولهها در شرایط داخل تونل عایقبندی شده است. در این مقاله، با استفاده از یک مدل حرارتی در شرایط پایا - شرایط ثابت در طول زمان - و با استفاده از نرمافزار کامسول، شدت انتقال حرارت در دماها و سرعتهای ورودی مختلف سیال مورد بررسی قرار گرفته است. برای سادهسازی معادلات مفروضات زیر در نظر گرفته شده است: -1 یکسان بودن رسانندگی گرمایی نواحی در تمام جهات.
-2 درجه حرارت خاک که در آن عمق ثابت فرض شده است. -3 مشخصات خاک محل مورد استفاده به قرار جدول - 1 - است. مکانیزم انتقال حرارت و فیزیک مسئله در شکل - 1 - آورده شده است. لولهها در داخل خاک و در زیر عایق قرار گرفته است. پارامترهای طراحی و محاسبات مربوط به حالت بهینه این چیدمان در بخشهای بعد با جزییات بررسی خواهد شد.فیزیک حاکم بر مسئله شامل دو قسمت مربوط به حل معادلات هیدرودینامیک و معادلات انرژی است. این معادلات که به صورت همزمان حل میشود شامل حل معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی برای سیال و معادله انرژی برای حالت انتقال گرمای هدایت سه بعدی برای خاک است. با توجه به مطالب فوق معادلات حاکم به صورت زیر طبقه بندی میشود:
که در آن چگالی - kg/m^3 - ، t زمان - - s، T دما F - - ، α ضریب نفوذ حرارتی W/ - m*K - ، لزجت دینامیکی - Pa·s - است. معادلات انتقال گرما و هیدرولیک سیال به صورت عددی و روش المان محدود حل میگردد. برای بدست آوردن چیدمان مطلوب لولهها لازم است که تاثیر پارامترهای اساسی بررسی گردد. این پارامترها عبارتند از قطر لوله، گام بندیها، دمای کاری سیال و طول لولهها. در ادامه تاثیر هر یک از پارامترها بصورت جداگانه توسط نرمافزار کامسول شبیهسازی و مورد بررسی قرار میگیرد. فرآیند تحلیل مسئله برمبنای حل عددی المان محدود استوار است. بدین منظور لازم است هندسه مورد نظر به شبکههای سه بعدی تقسیم گردد. معادلات حاکم برای هر شبکه به صورت جداگانه نوشته شده و یک سری معادلات به منظور ارتباط دادن بین شبکهها نیز اضافه میگردد. شبکهبندی هندسه مورد نظر با استفاده از ابزار مشبندی نرمافزار کامسول انجام میگردد. هندسه مورد استفاده جزو طبقهبندی شبکههای بدون سازمان قرار میگیرد و به خاطر پیچیدگی شکل از شبکه هرمی شکل استفاده شده است که در شکل - 2 - نشان داده میشود.
-2-1 تاثیر قطر لوله:
تغییرات انتقال گرما به ازای قطرهای مختلف لوله در سرعتهای مختلف ورودی در شکل - 3 - نشان داده شده است. نتایج بیانگر آن است که در سرعتهای پایین تفاوت چندانی در میزان انتقال گرمای سیال وجود ندارد؛ اما با افزایش سرعت، نمودارها از هم فاصله مییابند و تفاوت محسوسی در نتایج انتقال گرما مشاهده میشود. در سرعتهای پایین در ناحیه جریان لامینار قرار داریم اما با افزایش سرعت وارد ناحیه توربولانت میشویم. به ازای سرعت برابر لولهی دارای قطر بیشتر، عدد رینولدز بالاتری دارد. میزان انتقال گرما نسبت به عدد رینولدز حساس است و با افزایش عدد رینولدز میزان انتقال گرما افزایش مییابد. عامل دیگر افزایش سطح تماس لوله با افزایش قطر لوله میباشد که موجب افزایش انتقال حرارت میگردد.
-2-2 تاثیر فاصله گامبندی
یکی از پارامترهای تعیین کننده در عملکرد لولههای مبدل زمینی فاصله لولهها از همدیگر و به عبارتی تعیین گام بندی مناسب است. لولهها باید در فاصله ای از همدیگر قرار بگیرند تا اثر حرارتی روی همدیگر نداشته باشند که بتوانند به راحتی با خاک تبادل حرارتی داشته باشند. از طرفی فاصله لولهها نباید از حدی بیشتر باشد زیرا حجم زیادی را اشغال میکنند در صورتی که ما با محدودیت فضا روبرو هستیم. برای این منظور گام بندی های مختلف برای لولهها به صورت عددی بررسی شد. شکل - 4 - اثر سه گام بندی مختلف در انتقال حرارت را نشان میدهد.
همان طور که در شکل - 4 - مشاهده میشود با افزایش فاصله لولهها، میزان انتقال حرارت لولهها افزایش پیدا می کند. این امر با تصورات، سازگاری دارد زیرا سطح زمین با گذشت زمان گرم میشود و با کمتر شدن فاصله بین لولهها دمای خاک فضای بین لولهها بالاتر میرود در نتیجه اختلاف دمای بین سیال و دیواره خاک کمتر میشود. همانطور که میدانیم کاهش اختلاف دما سبب کاهش میزان انتقال گرما از سطح لوله خواهد شد.کمتر شدن فاصله گام بندی لولهها یک عیب اساسی دیگر نیز دارد و آن اینکه بازده گرمایی خاک کاهش مییابد زیرا خاک باید این امکان را داشته باشد تا گرمای دریافتی از لولهها را پخش نموده و به عبارت بهتر خود را بازیابی نماید.
افزایش فاصله گام بندی بین لولهها در عین حال که سبب افزایش میزان انتقال گرما میشود یک محدودیت اساسی دارد و آن اینکه مساحت لوله گذاری را افزایش میدهد که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. نتیجه دیگری که از شکل - 4 - بدست میآید نرخ تغیرات انتقال گرما با تغییرات سرعت سیال عبوری از لوله است. به وضوح مشاهده میشود که با افزایش سرعت سیال میزان انتقال گرما افزایش مییابد. در سرعت های پایین نتایج، مستقل از گام بندی لولههاست، اما با افزایش سرعت سیال و قرار گرفتن
