مقاله روابط اتلاف و بازدهی اگزرژی برای یک پمپ حرارتی زمین گرمایی ( GHP )

بخشی از مقاله

چکیده

اگزرژی حداکثر کار مفیدی است که از مقدار مشخصی از انرژی موجود یا از جریانی از مواد، حاصل میشود. در تحلیل اگزرژی، هدف اساسی تعیین محل و مقدار تولید بازگشت ناپذیریها در طی فرآیندهای مختلف سیکل ترمودینامیکی و عوامل مؤثر بر تولید این بازگشت ناپذیری میباشد. استفاده از روابط کلی ارائه شده برای اجزای اصلی پمپ حرارتی زمین گرمایی این مهم را فراهم می آورد. ما در این مقاله کوشیده ایم تا با بررسی مقالات ارائه شده در حالت های خاص متفاوت، برای حالت کلی یک سیستم GHP با استفاده از مهندسی معکوس، این روابط کلی را استخراج کنیم.

کلمات کلیدی: آنالیز اگزرژی، اتلاف اگزرژی، بازدهی اگزرژی، پمپ حرارتی زمین گرمایی، GHP

.1 مقدمه

انرژی های نو از آن جهت اهمیت دارند که جایگزین خوبی برای سوخت های فسیلی می باشند. سوخت های فسیلی باعث آلودگی های زیست محیطی و آلودگی های آب و هوایی شده اند و همچنین تجدید ناپذیر می باشند. ازدیاد جمعیت و نیاز روزافزون بشر به انرژی از دیگر عوامل روی آوردن بشر به انرژی های نو و تجدید پذیر است.[1] به دلیل محدود بودن منابع انرژی حاصل از سوخت های فسیلی، تلاش برای به کارگیری و گسترش استفاده از منابع نو و تجدیدپذیر انرژی مانند انرژی باد، نور خورشید، امواج دریا و انرژی زمین گرمایی در جهان هر روز بیش تر می شود. یکی از راه های بهره برداری از این منابع انرژی، استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی است.

پمپ های حرارتی زمین گرمایی روز به روز در میان استفاده کنندگان خانگی و تجاری محبوبیت بیش تری پیدا می کنند. استفاده از این سیستم ها به عنوان یکی از روش های موثر در کاهش مصرف سوخت های فسیلی، کم کردن انتشار آلاینده ها و مهیا کردن امکان بهره برداری از یک منبع انرژی بی نهایت بزرگ و ارزان - زمین - در دنیا مورد توجه قرار گرفته است.[2] آنالیز اگزرژی - و یا دسترس پذیری - یک ابزار قدرتمند در طراحی، بهینه سازی و ارزیابی عملکرد سیستمهای انرژی است. این تجزیه و تحلیل میتواند برای شناسایی منابع اصلی برگشت ناپذیری - افت اگزرژی - و به حداقل رساندن تولید آنتروپی در فرآیندی که در آن انتقال جرم و انرژی اتفاق میافتد، مورد استفاده قرار گیرد.[4-3] با توجه به کارهای دینسر و روسن [5]، آنالیز اگزرژی یک طرح ترمودینامیکی موثر برای استفاده از اصول پایستگی جرم و انرژی همراه با قانون دوم ترمودینامیک برای طراحی و تجزیه و تحلیل سیستمهای حرارتی است. همچنین روشی موثر برای مشخص نمودن این که آیا امکان طراحی سیستمهای حرارتی با کارآمدی بیشتر و کاهش ناکارآمدیها وجود دارد یا خیر و این که به چه اندازه این مهم امکان پذیر میباشد.

ما در این مقاله خواهیم کوشید تا با بررسی کارهای انجام شده در این خصوص، روابط اتلاف اگزرژی و بازدهی اگزرژی به دست آمده برای اجزای اصلی یک پمپ حرارتی زمین گرمایی را بر روی یک نمونه اعمال کنیم. نتایج حاصل از به کار بردن روابط اعمال شده در این مقاله می تواند توجه طراحان، مهندسان و پژوهشگران را به اجزایی که بیش ترین میزان دسترس ناپذیری را در یک فرایند ایجاد می کنند جلب کرده تا برای بهینه سازی آن ها اقدام نمایند.

.2 مروری بر پمپ حرارتی زمین گرمایی و آنالیز انرژی و اگزرژی آن ها

پمپ های حرارتی با منبع زمینی - GSHPs1 - ، که اغلب به عنوان پمپ های حرارتی زمین گرمایی - GHPs2 - شناخته می شود، برای گرمایش، سرمایش و سیستم های گرمایش آب مورد استفاده قرار می گیرند. این پمپ ها کاهش مناسبی برای انرژی الکتریکی مصرفی و مورد نیاز فراهم آورده و قادر هستند علاوه بر این که سطوح بالایی از آرامش را فراهم می کنند، سطوح پایینی از تعمیرات را نیاز داشته و سازگار با محیط زیست باشند.[6] اُزگنر و هپباسلی7] و [8 مزیتهای زیر را برای پمپهای حرارتی زمین گرمایی - GSHPs - نسبت به پمپهای حرارتی با منبع هوایی بر شمردند:

الف- انرژی کمتری برای کار کردن مصرف میکنند.

ب- از زمین و یا آبهای زیرزمینی استفاده میکنند که یک منبع انرژی با ثبات تر از هوا میباشد.

ج- در زمان پایین بودن شدید درجه حرارت بیرون، نیاز به حرارت مکمل ندارند.

د- از مبرد کمتری استفاده میکنند.

ه- طرح سادهتری داشته و درنتیجه نیاز به نگهداری کمتری دارند.

GSHP ها جایگزینی مناسب برای روش های مرسوم تهویه ی منازل هستند، زیرا به جای هوای محیط، از زمین به عنوان چشمه یا چاه استفاده می کنند. زمین مبدل حرارتی با ثبات تری نسبت به هواست، اساسا نامحدود بوده و همواره در دسترس است. GSHP ها با مبادله ی حرارتی با زمین ، حتی در آب و هوای سرد، سطوح بالای عملکرد را حفظ می کنند.[9] منابع حرارتی همچون هوای محیط، هوای خروجی، دریاچه و رودخانه، خاک و سنگ برای پمپ های حرارتی استفاده شده در ساختمان ها، همان گونه که در صنعت استفاده می شوند در منبع [10] مورد بحث قرار گرفته است. مطالعات مختلفی در حوزه ی طراحی [17-11]، عملکرد [21-18]، و آنالیز اقتصادی [24-22] سیستم های GSHP انجام شده است. مطالعات موردی [27-25]، هندبوک ها و استاندارد ها [30-28] برای فرایند نصب این سیستم ها موجودند.

یوهونگ و همکارانش[31] با تجزیه و تحلیل جامع اگزرژی سه مدار مبدل حرارتی زمینی، پمپ حرارتی و فن کویل و همچنین از کل سیستم - GSHP - برای هر دو حالت گرمایش و سرمایش ساختمان، مولفههای کلیدی بالقوه در صرفه جوییِ انرژی را به دست آوردند. این نتایج نشان دادند که در کل سیستم، محلی که حداکثر از دست دادن نرخ اگزرژی در آن رخ میدهد، کمپرسور است، در حالی که محل حداقل راندمان اگزرژی و درجه کامل ترمودینامیکی، مبدل حرارتی زمینی است، به طوری که در درجه ی اول باید کمپرسور و مبدل حرارتی زمینی بهبود یابند. همچنین نتایج نشان میدهد که از دست دادن اگزرژی یک سیستم GSHP برای ایجاد حالت گرمایش بزرگتر از حالت سرمایش است.

تلبی و اگنیو [32] برای یک یخچال جذبی نشان دادند که نه تنها تجزیه و تحلیل اگزرژی را میتوان برای شناسایی اجزای کمتر کارآمد سیستم مورد استفاده قرار داد، بلکه نشان دادند که مزیت این روش این است که افتهای برگشت ناپذیر در فرایندهای انتقال حرارت را که در بالانسهای حرارتی معمولی محاسبه نمیشوند، نشان میدهد. پامبودی و همکارانش [33] با ارزیابی عملکرد نیروگاه زمین گرمایی تبخیر آنی دومرحلهای شهر دینگ با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک یعنی با آنالیز انرژی و اگزرژی نشان دادند که اصلاح سیستم تبخیر آنی تک مرحلهای مورد نظر با معرفی یک سیستم تبخیر آنی دو مرحلهای، ظرفیت نیروگاه و همچنین بهرهوری آن را بهبود میبخشد.

منصفراد و جواهرده [34] با تحلیل اگزرژی یک GHP دما پایین برای استفاده در شرایط اقلیمی رامسر در دو حالت گرمایش و سرمایش نشان دادند که بیشترین اتلاف اگزرژی، ضریب اتلاف اگزرژی و نسبت اتلاف اگزرژی متعلق به کمپرسور میباشد؛ درحالیکه کمترین بازدهی اگزرژی نیز متعلق به همین جزء است. بنابراین مهمترین جزء سیستم که بهبود آن باید مورد توجه قرار گیرد، کمپرسور است. اُزگنر و همکاران [35] با بررسی و تحلیل اگزرژی دو پمپ حرارتی موجود در کشور ترکیه اتلاف اگزرژی اجزای پمپ حرارتی و نیز بهرهوری کلی آنها را مورد بررسی قرار دادند.

لیلا و اندر اُزگنر [36] تحلیل اگزرژی کلی پمپ حرارتی زمین گرمایی را به همراه بررسی اقتصادی آن مورد مطالعه قرار دادند. کارا و یوکسل [37] به بررسی انرژی زمین گرمایی دما پایین با استفاده از پمپ حرارتی پرداختند. آنها با استفاده از مبرد R-22 در پمپ حرارتی و آب زمین گرمایی دفع شده از مراکز آب گرم موجود در شهر ارزروم ترکیه این کار را طراحی کردند. در این روش پمپ حرارتی زمین گرمایی با استفاده از آب استفاده شدهی 35 درجهی سلسیوس، آب سالم در دمای 45 درجه سلسیوس فراهم میکند که برای یک شبکهی گرمایش از کف ارسال میشود. لوهانی و اشمیت [38] با مقایسه ی آنالیز انرژی و اگزرژی واحد فسیلی و پمپ حرارتی با منبع هوایی و منبع زمین گرمایی به این نتیجه رسیدند که سیستم گرمایشی با منبع زمین گرمایی بهتر از پمپ حرارتی با منبع هوایی و سیستم های گرمایشی مرسوم عمل می کند.

ناکانیشی و همکاران [39] عملکرد اگزرژتیک واحد های مختلف پمپ حرارتی را مورد بررسی قرار دادند. هیهارات [40] از لحاظ نظری سیستم های پمپ حرارتی را مورد ارزیابی قرار داده و از نقطه نظر اگزرژتیک هر تحول را تجزیه وتحلیل نمودند. بیژن [41] سیستم های تبرید را از لحاظ نظری مورد مطالعه قرار داده و بر اساس به حداقل رساندن تولید آنتروپی بررسی نمود. یومروتاس و همکاران[42] آنالیز اگزرژی سیستم های تبرید بخار متراکم را مورد مطالعه قرار دادند. یک مدل محاسباتی مبتنی بر آنالیز اگزرژی برای بررسی اثرات دمای تبخیر و دمای تراکم روی افت فشار، اتلاف اگزرژی، قانون دوم بهره وری و ضریب عملکرد - COP - از سیکل تبرید بخار متراکم ارائه شد. کایگوسوز و آیهان [43] به صورت تجربی یک سیستم پمپ حرارتی با کمک خورشید ارائه کردند و به کمک ایده ی اگزرژی اطلاعات به دست آمده را آنالیز نمودند. بریجز و همکاران [44] یک آنالیز قانون دوم ترمودینامیک برای یخچال خانگی و سیستم های تهویه مطبوع برای تعیین مقدار اتلاف انرژی موجود در هر جزء به منظور کمک به بهره وری کلی سیستم ارائه دادند. اسمیت و فیو [45] آنالیز قانون دوم ترمودینامیک برای یک نیروگاه تولید همزمان شامل یک پمپ گرما در مقیاس خانگی ارائه دادند.