مقاله در مورد پمپ هاب حرارتی - سیستم های حرارتی سازگار با محیط زیست

بخشی از مقاله

مقدمه

گرمايش و سرمايش ساختمانها در ايران در پنجاه سال گذشته سير تكاملي قابل توجهي را طي كرده است . اين سير شامل گرمايش از طريق كرسي با استفاده از خاكه ذغال ، بخاري يا گرم كننده هاي نفت سوز با دودكش و بخاري هاي گاز سوز با دودكش براي هر يك از اتاقهاي مورد استفاده ساختمان و گرمايش مركزي با استفادهاز نفت گاز يا گاز طبيعي و بالاخره آب گرم در يك مركز و گرمايش اتاقهاي مورد استفاده به كمك رادياتور يا فن كويل بوده است .

سير سرمايش ساختمانها نيز شامل مراحل زير بوده است . باز گرداندن در و پنجره هاي ساختمان و اجازه بر قراري جريان هوا در مواقعي كه دماي هواي بيرون كمتر از دماي هواي اتاقهاست و يا جريان هوا مي تواند به خنك كردن بدن ساكنان ساختمان كمك كند ، استراحت در سايه درختان حياط در روز ، گذراندن روزهاي بسيار گرم در زير زمين ها و شبها در بالاي بامها ، استفاده از بادبزنهاي دستي ، استفاده از بادبزنهاي برق روميزي يا سقفي در اتاقها ، استفاده از كولرهاي آبي ، استفاده از كولرهاي گازي نوع تراكمي براي هر يك از اتاقهاي مورد استفاده ،استفاده از سرمايش مركزي به كمك چيلر هاي تراكمي و جذبي وتوليد آب سرد در يكمركز و خنك كردن يا سرمايش اتقاهاي مورد استفاده به كمك فن كويل .

امروزه تقريباً تمامي ساختمانها گرمايش خود را با استفاده از سوختهاي فسيلي و آب يا هواي گرم در اتاقها و سرمايش خود را كمك كولرهاي آب و توليد هواي خنك ولي مرطوب تامين مي كنند . در ساعاتي از شبانه روز در تابستان كه دما و رطوبت نسبي هوا بالاست (و تعداد اين ساعات با تغييرات اقليمي كره زمين در حال افزايش است ) كولرهاي آبي قادر به تامين آسايش برودتي ساكنان بسياري از شهرهاي ايران نيستند .از اين نظر بسياري از ساختمانها ، بويژه برجها ، از دستگاههاي تبريد تراكمي و يا جذبي براي توليد برودت در تابستان استفاده مي كنند .

بسياري از شركتهاي تاسيساتي اقدام به ساخت دستگاههاي تبريد جذبي - با استفاده از گاز طبيعي موجود در شهرها - در ظرفيتهاي پايين براي آپارتمانها كرده اند . اين اقدام كه سوزاندن گاز را در طول سال در شهرها افزايش ميدهد باعث افزايش آلودگي محيط زيست مي شود . به علاوه دستگاههاي تبريد جذبي در مقايسه با انواع تراكمي ، داراي ضريب كارايي بسيار پايين تري هستند و براي توليد مقدار معيني برودت ، ارنژي بيشتري نسبت به سيستم ها يتبريد تراكمي مصرف مي كنند و چنانچه كندانسور آنها با آب خنك مي شود نياز به آب بيشتري در برج خنك كن دارند كه در كشور كم آبي مانند ايران اين موضوع مسائل مربوط به مصرف زياد آب را به همراه دارد .

استفاده از پمپ هاي حرارتي براي سرمايش و گرمايش ساختمانها

با استفاده از پمپ هاي حرارتي نوع تراكمي مي توان برودت مورد نياز را در زمستان تامين و از آلوده تر شدن محيط زيست نيز جلوگيري كرد . استفاده از پمپ هاي حرارتي را مي توان مدرت ترين و از نظر حفاظت محيط زيست بهترين روش براي تامين نياز برودتي و حرارتي ساختمانها دانست . در ارتباط با اثرات زيست محيطي استفاده از پمپ هاي حرارتي مي توان گفت كه با جايگزين سوختهاي فسيلي با برق ، مصرف سوختهاي فسيلي در شهرها و آلودگي هوا (كه به خصوص در زمستانها به دليل وارانگي هوا به حد بحراني خود مي رسد )كاهش مي يابد.

بررسي مختصر كارايي پمپ هاي حرارتي از نوع تراكمي

پمپ حرارتي يك دستگاه تبريد است كه از حرارت دفع شده در كندانسور براي گرمايش ساختمان استفاده مي كند و اين عمل ازمنبع دماي پايين و انتقال حرارت به منبع دماي بالا انجام مي شود . طرح پمپ حرارتي دفع شده در كندانسور را براي گرمايش ساختمان امكان پذير كند و اين در حالي است كه همين سيستم از برودت توليد شده در اوپراتور براي خنك كردن ساختمان در تابستان استفاده مي كند . لازم است اضافه شود كه در بعضي از كاربردهاي خاص ، پمپ حرارتي ممكن است بتواند به طور همزمان سرمايش و گرمايش مورد نياز قسمتهاي مختلف يك ساختمان را تامين كند.

منابع انرژي در پمپ هاي حرارتي ، منابع حرارتي اي هستند كه پمپ حرارتي مي تواند انرژي حرارتي مورد نياز اوپراتور خود را از انها بگيرد. پمپ هاي حرارتي مي تواند از منابع حرارتي مختلف مانند هوا ، آبهاي جاري ، انرژي خورشيدي و حتي آب دور ريخته شده در هنگام استحمام و ساير شستشوها استفاده كند . لذا پمپ هاي حرارتي را مي توان علاوه بر حسب سيكل ترموديناميكي آنها ، بر حسب منابع حرارتي نيز تقسيم بندي كرد .

شكل 1 يك پمپ حرارتي را نشان مي دهد كه از هواي محيط به عنوان منبع انرژي استفاده مي كند . اجزا اصلي اين سيستم شامل كمپرسور ،‌كندانسور ،‌اوپراتور ، شير انبساط يا لوله هاي مويي و شر چهار راهه است .

هنگام كار به عنوان پمپ حرارتي ،شير چهار راهه به گونه اي تنظيم مي شود كه كه بخار فوق اشباع كه از كمپرسور خارج مي شود كه بخار فوق اشباع كه از كمرسور خارج مي شود . ابتدا وارد مبدل حرارتي داخل ساختمان       مي شود و در طي فرايند تقطير ، حرارت انتقال يافته را به داخل ساختمان اراسال مي كند و سپس مايع مبرد به طرف لوله مويي جريان مي يابد. در اين حالت شير يك طرفه در خط بالايي ، مانع از جريان يافتن مبرد از طريق اين خط شده و مايع مبرد از طريق خط پاييني جريان مي يابد . سپس مبرد فشار پايين و سرد وارد مبدل حرارتي بيرون از ساختمان شده و در حين فرايند تبخير ، انرژي حرارتي مورد نياز خود را از هواي بيرون جذب كرده و سپس به طرف قسمت مكش كمپرسور هدايت مي شود .

در فصل تابستان به منظور معكوس كردن جهت سيكل ، شير چهار راهه به گونه اي تنظيم مي شود كه ابتدا بخار داغ خروجي از كمرسور وارد مبدل حرارتي خارج از ساختمان مي شود و در حين فرايند تقطير ، انرژي حرارتي خود را به هواي محيط منتقل مي كند . در اين مرحله شير يك طرفه در خط پاييني مانع از جريان يافتن مبرد از طريق خط بالايي جريان مي يابد . سپس مبرد فشار پايين و سرد وارد مي يابد . سپس مبرد فشار پايين و سرد وارد مبدل حرارتي داخل ساختمان مي شود و حرارت را از محيط داخل جذب مي كند . وجود دو شير انبساط يا لوله مويي در پمپ حرارتي ضروري است زيرا با توجه به انكه اختلاف فشار بين دو مبدل حرارتي در فصل زمستان بيشتر از فصل تابستان است بنابراين لوله موي اي كه براي فصل زمستان طراحي شده است نمي تواند عملكرد مناسبي در فصل تابستانه داشته باشد .

انتخاب ساختمان هاي نمونه

براي بررسي عملكرد پمپ هاي حرارتي لازم است بار حرارتي و برودتي ساختمان مورد نظر معلوم باشد . دو نوع ساختمان را به شرح زير در نظر مي گيريم :

• يك مجتمع مسكوني چهار طبقه چهار واحدي با سطح زير بناي كل 800 متر مربع در هر طبقه با پاركينگ در زير طبقه اول براي شهرهاي بزرگ نظير تهران ، اصفهان ، تبريز ،‌مشهد و شيراز .
• يك ساختمان ويلايي يك طبقه با مساحت مفيد 200 متر مربع براي شهرهاي اهواز ،‌بندرعباس ، رشت ، كرمان و همدان .

شكلهاي 2و3 با رحرارتي و برودتي طبقات مختلف مجتمع مسكوني در تهران را به ترتيب در ماه دي برابر يك روز ابري بسيار سرد و در ماه تير براي يك روز آفتابي بسيار گرم نشان مي دهند . اين منحني ها با استفاده از نرم افزار انرژي شريف به دست آمده اند .

جدول (1) : بار حرارتي مجتمع مسكوني در تهران براي يك روز بسيار سرد ابري و يك روز متوسط در دي ماه ، نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدي با سطح زير بناي 800 متر مربع در هر طبقه (BTU/hr 3413= KW1 و تن برودتي 284/0 = KW1 )

جدول (2) : بار برودتي مجتمع مسكوني در تهران براي يك روز بسيار گرم و آفتابي و يك روز متوسط در تيرماه ،نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدي با زيربناي 800 متر مربع در هر طبقه

جدول (3): نيازهاي انرژي يك آپارتمان متوسط در تهران با سطح زير بناي 200 متر مربع

جدول (4) : انرژي حرارتي و برودتي مورد نياز مجتمع مسكوني براي پنج شهر بزرگ ايران . نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدي با سطح زيربناي 800 متر مربع در هر طبقه (J10¹² = TJ1)

جدول (5): انرژي حرارتي و برودتي مورد نياز ساختمان ويلايي با مساحت 200 متر مربع براي شهرهاي اهواز ، بندرعباس ،رشت ، كرمان و همدان .

مي توان با استفاده از اين نرم افزار بار حرارتي و برودتي مجتمع را در تمام ماههاي سال تعيين كرد. شكل هاي 4 و5 به ترتيب نياز حرارتي و برودتي مجتمع را در ماههاي مختلف سال براي تهران نشان مي دهند.

جدول شماره (1) بار حرارتي مجتمع مسكوني را براي يك روز بسيار سرد وابري و بار حرارتي مجتمع را براي يك روز متوسط در دي ماه براي شرايط اقليمي تهران نشان مي دهد. جدول (2) بار برودتي اين مجتمع را برا ييك روز آفتابي وبسيار گرم و بار برودتي را براي يك روز متوسط در تيرماه در شرايط اقليمي تهران نشان مي دهد.

چنانچه از جدول هاي (1)و(2) برمي آيد بار حرارتي و برودتي طبقات مختلف اين مجتمع متفاوت هستند. ازاين نظر آپارتمان متوسطي را در اين مجتمع 16 آپارتماني در نظر مي گيريم كه بار حرارتي و برودتي و نياز آن به انرژي هاي حرارتي وبرودتي 16/1 كل مقادير مجتمع باشد. جدول (3) مقادير فوق را براي اين آپارتمان متوسط نشان مي دهد.

ميزان انرژي لازم براي گرمايش و سرمايش مجتمع مسكوني براي روزهاي متوسط در ماههاي سال در شرايط اقليمي تهران ،اصفهان ،تبريز ، مشهد ، شيراز با استفاده از نرم افزار انرژي شريف تعيين شدند .جدول (4) اين مقادير را براي ساختمان مورد نظر با 3200 متر مربع زير بنا نشان مي دهد . اين جدول شامل انرژي مورد نياز در سال براي هر متر مربع نيز مي شود.

جدول(5) انرژي حرارتي و برودتي موردنياز را براي شهرهاي اهواز ، بندرعباس ، رشت ، كرمان و همدان نشان مي دهد.

اثرات تمهيدات مختلف براي كاهش انرژي حرارتي مورد نياز ساختمانها

مي توان با تمهيدات مختلف بار حرارتي و نياز انرژي حرارتي ساختمانها را كاهش داد. اين تمهيدات بار برودتي و نياز انرژي برودتي ساختمان را نيز كاهش مي دهند ولي اثر آنها روي بار حرارتي بيشتر است . جدول(6) اثر بعضي از اين تمهيدات را روي انرژي هاي حرارتي و برودتي مورد نياز مجتمع مسكوني چهارطبقه چهار واحدي در تهران نشان مي دهد .

جدول (6) :مقايسه انرژي هاي حرارتي و برودتي مورد نياز مجتمع مسكوني در شرايط اقليمي تهران و صرفه جويي انرژي با تمهيدات مختلف . نوع ساختمان :چهار طبقه چهار واحدي با سطح زير بناي 800 متر مربع در هر طبقه .

شكل (2) : بار حرارتي طبقات مختلف ساختمان مسكوني در تهران در دي ماه براي يك روز بسيار سرد و كاملاً ابري با حداكثر سرعت باد ممكن

نوع ساختمان : چهار طبقه – چهار واحدي با سطح زيربناي 800 متر مربع در هر طبقه ،TXو Tn به ترتيب حداكثر و حداقل دماي هواي بيرون . KT ،ضريب صافي هوا در روز و Vwسرعت باد بر حسب متر بر ثانيه است .

تن برودتي                        284/0 = BTU/hr 3413=kw1

شكل (4):نياز حرارتي ساختمان مسكوني در تهران در ماههاي مختلف سال

نوع ساختمان :چهار طبقه – چهارواحدي با سطح زير بناي 800 متر مربع در هر طبقه                             kwhr8/277=BTU948000=GJ1

شكل (5): نياز برودتي ساختمان مسكوني در تهران در ماههاي مختلف سال

نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدي با سطح زير بناي 800 متر مربع در هر طبقه             kwhr8/277=BTU948000=GJ1

شكل (3):بار برودتي طبقات مختلف ساختمان مسكوني در تهران درتير ماه براي يك روز بسيار گرم با حداكثر تابش خورشيد و حداكثر سرعت باد ممكن

نوع ساختمان : چهار طبقه – چهار واحدي با سطح زير بناي 800 متر مربع در هر طبقه . Tx و Tn به ترتيب حداكثر و حداقل دماي هواي بيرون .KT،ضريب صافي هوا در روز و Vwسرعت باد بر حسب متر بر ثانيه است .

تن برودتي                       284/0=BTU/hr3413=kw1

انتخاب پمپ حرارتي

پمپ حرارتي بايد بتواند نياز حرارتي و برودتي ساختمان را در تمام ساعات شبانه روز و در تمام ماههاي سال تأمين كند. اما به ندرت پيش مي آيد كه حداكثر ظرفيت حرارتي و برودتي پمپ حرارتي دقيقاً‌ برابر با حداكثر بار حرارتي و برودتي ساختمان مورد نظر باشد. از اين نظر مجبور هستيم كه پمپ حرارتي را براي بدترين شرايط گرمايشي و سرمايشي انتخاب كنيم كه در اين صورت اين دستگاه براي ماههاي ديگر داراي ظرفيتي بيش از نياز خواهد بود.

با بررسي بار حرارتي و بودتي ساختمان هاي ياد شده مي توان :

• با انتخاب پمپ هاي حرارتي براي تأمين نياز برودتي ساختمانها در تابستان در شهرهاي نسبتاً گرم (مانند شيراز)تا بسيار گرم (مانند اهواز ، آبادان و بندرعباس )نياز حرارتي ساختمانها در زمستان به راحتي تإمين مي شود.
• براي شهرهاي بسيار سرد بايد پمپ هاي حرارتي را براي تأمين نياز گرمايي ساختمان انتخاب كرد كه در اين صورت نياز برودتي ساختمانهاي مسكوني در تابستان به راحتي قابل تأمين است .در مورد شهرهاي بسيار سرد و استفاده از پمپ هاي حرارتي براي گرمايش ،لازم است دماي اوپراتور چند درجه پايين تر از صفر درجه سانتيگراد انتخاب شود.در اين صورت بخار آب موجود در هوايي كه روي كويل عبور مي كند روي صفحه هاي آن تقطير و سپس منجمد مي شود . براي جلوگيري از اين امر مي توان كويل اوپراتوررا به ذوب كننده اتوماتيك مجهز كرد و يا اينكه دماي سيال در اوپراتور را بالا تر از صفر درجخ گرفت و در مواقعي كگه دماي هواي بيرون از حدود 5 درجه كمتر مي شود از يك هيتر برقي در مجاورت كويل استفاده كرد . اين هيتر الكتريكي مي تواند هواي عبوري از روي كويل اپراتور را تا دماي دلخواه گرم كند .

براي شهرهاي معتدل نظير تهران و اصفهان انتخاب پمپ حرارتي براي نيازهاي حرارتي و برودتي بايد با دقت بيشتري صورت گيرد و اين نيازها براي روزهاي بسيار گرم و آفتابي متوسط در تابستان و روزهاي بسيار سرد و ابري و متوسط در زمستان تعيين شوند . چنانچه