بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از زمین به عنوان چشمه و یا چاه گرمایی در پمپهای حرارتی زمین گرمایی به علت بالا بردن ضریب عملکرد سیستم و صرفه جویی در مصرف انرژی در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به شبیه سازی عددی عملکرد گرمایی انواع مبدلهای افقی پمپهای حرارتی زمین گرمایی شامل مبدلهای لوله مارپیچ و مبدلهای فنری با استفاده از نرم افزار فلوئنت برای یافتن عمق بهینه و فاصله بهینه بین دو مبدل پرداخته شده است. همچنین عملکرد دو مبدل از جهات مختلفی ازجمله عملکرد گرمایی، مقدار لوله مصرفی، مقدار سطح زمین مورد نیاز و مقدار حجم خاکبرداری نیز بررسی و مقایسه شدهاند.
نتایج حاصل از شبیه سازی عددی با کارهای تجربی مقایسه شد و تطابق خوبی بین نتایج دیده شد. نتایج حکایت از تاثیر گذار بودن عمق قرارگیری مبدل و همچنین فاصله بین دو مبدل در تمامی پارامترهای مورد بررسی دارد. افزایش عمق قرار گیری مبدل - عمق کانال - باعث بهبود عملکرد گرمایی و کاهش لوله مصرفی و افزایش حجم خاکبرداری میشود.
نتایج نشان دادند که با زیاد کردن فاصله بین دو مبدل عملکرد گرمایی بهبود می یابد و مقدار لوله مصرفی کاهش می یابد ولی باعث افزایش مقدار سطح زمین مورد نیاز میشود. در حالت کلی مبدل لوله مارپیچ دارای عملکرد گرمایی بهتری نسبت به مبدل فنری است در حالیکه در عمقها و فواصل بالاتر، مبدل فنری دارای هزینه اولیه کمتری میباشد.
-1 مقدمه
استفاده از زمین به عنوان چاه و یا چشمه گرمایی در سیستمهای پمپ حرارتی زمین گرمایی به علت بالا بردن ضریب عملکرد سیستم و کم کردن مصرف انرژی سیستم در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است. به طورکلی دو نوع مبدل زمین گرمایی در پمپهای حرارتی زمین گرمایی استفاده میشود که عبارتند از: مبدلهای عمودی که درون چاه های به عمق 30 الی 150 متری قرار می گیرند1 و مبدلهای افقی که درون گودالهای با عمق یک الی دومتری قرار می گیرند. مبدلهای عمودی به علت آنکه دمای زمین درعمقهای پایینتر نسبتا ثابت است دارای عملکرد گرمایی بهتری هستند و مقدار سطح زمین به مراتب کمتری نیاز دارند ولی به علت حفر چاههای عمیق به سرمایه گذاری اولیه خیلی بیشتری نیاز دارند.
مبدلهای افقی از آنجایی که در عمقهای یک الی دومتری از سطح زمین قرار میگیرند داری عملکرد گرمایی ضعیف تری هستند ولی نیاز به هزینه خاک برداری کمتری دارند و در صورتی که زمین به اندازه کافی در دسترس باشد، گزینه مناسبی میباشند. در سالهای اخیر استفاده از این مبدلها، به علت نصب در زیر ساختمانهای جدید و حذف هزینه خاکبرداری، افزایش یافته است.
مبدلهای افقی دارای آرایش های مختلفی میباشند که متداولترین آنها مبدل لوله مستقیم، مبدل لوله مارپیچ1 افقی و عمودی و مبدل فنری2 میباشد. افراد مختلفی پارامترهای مختلف این مبدلها را بررسی کردهاند. وو و همکاران [1] با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی به بررسی و مقایسه مبدل لوله مستقیم و مبدل مارپیچ پرداختند. آنها از لحاظ عملکرد گرمایی مبدل لوله مستقیم بهتر از مبدل لوله مارپیچ یافتند ولی از لحاظ مقدار سطح زمین مورد نیاز و جنبه اقتصادی مبدل مارپیچ را برتر یافتند.
سپس با استفاده از شبیه سازی عددی به بررسی پارامترهای مختلف مبدل مارپیچ از قبیل گام حلقه و قطر حلقهها پرداختند و حالت بهینه را مشخص کردند. فوجی و همکاران[2] به شبیه سازی مبدل مارپیچ با گام های مختلف پرداختند و این مبدل را با یک لوله با مقطع مستطیلی مدل کردند که به خوبی نتایج هر دو مدل با هم همخوانی داشت. آنها نتایج حاصل از حل عددی را با نتایج تجربی اعتبار سنجی کردند.
در آن تنها با تغییر ضریب هدایت لوله با مقطع مستطیلی میتوانستند تاثیر تغییر گام مبدل مارپیچ را بررسی کنند. چانگ و همکاران [3] با استفاده از شبیه سازی عددی به بررسی آرایشهای مختلف مبدلهای افقی مارپیچ از قبیل گام مارپیچ، قطر حلقه مارپیچ و تاثیر جنس خاک بر عملکرد مبدل پرداختند. نتایج نشان داد که بهترین حالت هندسی مبدلهای مارپیچ زمانی است که قطر حلقه و گام حلقه ها برابر باشند. پائولی و همکاران [4] به بررسی تجربی مبدلهای لوله مستقیم و مبدل مارپیچ پرداختند و نحوی دقیق توزیع دما در اطراف مبدل در زمین را تحلیل و بررسی کردند.
سلامت و همکاران[5] به شبیه سازی عددی مبدلهای مارپیچ پرداختند و رفتار این مبدل را با استفاده از مفهوم تداخل گرمایی در ساعات اولیه راه اندازی سیستم بررسی کردند. یون و همکاران [6] با یک کار تجربی به بررسی و مقایسه دو مبدل مارپیچ و فنری پرداختند. نتایج آنها نشان داد عملکرد مبدلهای فنری بهتر از مبدلهای مارپیچ است. همچنین پارامتر هندسی نسبت گام فنر به قطر حلقه را بررسی کردند که بهترین حالت در نسبت یک حاصل شد. کیم و همکاران [7] به شبیه سازی عددی دو مبدل مارپیچ و فنری پرداختند و به نتایج خود با مقایسه کردن با نتایج تجربی اعتبارسنجی کردند.
آنها تاثیر دو پارامتر قطر لوله و جنس خاک بر عملکرد این مبدلها را بررسی کردند که نتایج نشان داد که قطر لوله تاثیر چندانی بر عملکرد مبدلها ندارد ولی جنس خاک به شدت بر روی عملکرد مبدلها تاثیر می گذارد. لی و همکاران[8] به شبیه سازی عددی مبدل فنری پرداختند و تاثیر پارامترهایی نظیر ضریب هدایت خاک، فاصله بین دو مبدل، عمق قرارگیری مبدل و تغییرات دمای محیط در طول یک سال را بررسی کردند.
دمای سیال خروجی از مبدل به عنوان شاخصی برای مقایسه استفاده شد و از این دما برای تعیین ضریب عملکرد سیستم استفاده شد. در این کار دو عملکرد گرمایی و سرمایی سیستم مورد بررسی قرار گرفت و میزان لوله مصرفی و مقدار سطح زمین مورد نیاز مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به اینکه مبدلهای افقی نیاز به مقدار لوله مصرفی و مقدار سطح زمین بالایی دارند، لازم است که این مبدلها در عمق و فاصلهای بهینه از مبدلهای دیگر قرار بگیرد تا اقتصادی ترین عملکرد را داشته باشند. با توجه به اینکه تا به حال هیچ کدام از کارهای گذشته به بررسی عمق و فاصله بین دو مبدل برای یافتن حالت بهینه بر اساس پارامترهایی نظیر مقدار لوله مصرفی، مقدار حجم خاکبرداری و مقدار سطح زمین مورد استفاده نپرداخته است لازم است تا این پارامترها بررسی و حالت بهینه مشخص شود.
-2تعریف مسئله:
در این بررسی به شبیه سازی سه بعدی و مقایسه دو مبدل لوله مارپیچ و مبدل فنری با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است و تاثیر عمق قرارگیری - که همان عمق کانال حفر شده میباشد - و فاصله بین دو مبدل را بر پامترهایی چون عملکرد گرمایی، مقدار لوله مصرفی، مقدار حجم خاکبرداری و مقدار سطح زمین مورد استفاده را بررسی شده است.
مشخصات هندسی مدل از قبیل قطر لوله ها، قطر حلقه ها و گام حلقه ها بر پایه مقادیر بهینه در کارهای قبلی[3] انتخاب شده اند. این مدل تنها یک حلقه از مبدلهای افقی را مورد بررسی قرار می دهد. برای مقایسه یکسان بین موارد مختلف فرض میشود که از این مبدلهای زمین گرمایی، برای گرمایش یک ساختمان به وسیله پمپ حرارتی زمین گرمایی استفاده میشود.
ابعاد این ساختمان فرضی 10 متر طول و 6 متر عرض و 3 متر ارتفاع می باشد و دارای ده متر مربع پنجره و چهار متر مربع درب می باشد. بار گرمایشی ساختمان با فرض افزایش دمای 15 درجه سانتی گراد و تعویض هوای ساختمان در هر ساعت برابر 4/23 کیلو وات می باشد. اگر از یک سیستم پمپ حرارتی با ضریب عملکرد سه استفاده شود، مقدار گرمای موردنیاز که باید از زمین برداشت شود 2/82 کیلو وات می شود. . [9]
-1-2 مدل عددی مسئله
مدل عددی مسئله شامل یک مبدل مارپیچ با قطر حلقه یک متر و گام یک متر و یک مبدل فنری با قطر حلقه یک متر و گام یک متر می باشد. مبدل مارپیچ و مبدل فنری در شش کانال با عمقهای 1/25 ،1/5 ، 1/75 ،2 ، 2/25و 2/5 متر مورد بررسی قرار میگیرند. همچنین هر دو مبدل مارپبچ و فنری در شش فاصله 0/5 ،1 ،1/5 ،2 ، 2/5 ، 3 متری بررسی میشوند. لوله مورد استفاده در هر دو مبدل دارای سایز DN40 میباشد که قطر خارجی آن چهل میلیمتر میباشد. این سایز از لوله یکی از رایجترین موارد مورد استفاده در این مبدلها است.
با توجه به شکل 1 ابعاد دامنه حل مسئله به اینگونه میباشد که برای بررسی پارامتر عمق، فاصله مرزها در راستای افقی از مبدل پنج متر و فاصله سطح زمین تا مرز پایینی زمین هفت متر می باشد و برای پارمتر بررسی فاصله بین دو مبدل، فاصله مرزها در راستای افقی برابر نصف فاصل بین دو مبدل میباشد و فاصله سطح زمین تا مرز پایینی زمین نیز هفت متر میباشد.
