بخشی از مقاله
چکیده
دینامیک سیالات محاسباتی در بین محققین از روشهای معتبر و محبوب است که با ایجاد شرایطی مناسب، امکان بررسی اثر پارامترهای عملیاتی را بر عملکرد حرارتی سیستم مبدل حرارتی زمین به هوا - EAHE - فراهم میکند. این روش در طراحی علمی و بهینهی EAHE نقش مهمی ایفاء میکند. این مطالعه با هدف شبیهسازی عددی EAHE در گلخانه بر پایهی دینامیک سیالات محاسباتی تحت شرایط مختلف سرعت جریان هوا انجام گرفت. از نرمافزار FLUENT که یک کد تجاری شده دینامیک سیالات محاسباتی بر پایه روش حجم محدود است، برای گسستهسازی و حل معادلات حاکم بر مسئله استفاده گردید.
برای این منظور مدلی سه بعدی، تحت شرایط پایا و به صورت ضمنی توسعه داده شد. رژیم جریان هوای درون لوله به صورت غیرمتراکم در نظر گرفته و آشفتگی جریان با استفاده از روش Realizable − مدل شد. مدل عددی، بر اساس دادههای آزمایشگاهی انجام شده مورد بررسی قرار گرفت. بیشترین اختلاف برای حالت سرمایش و گرمایش به ترتیب 9/42 و 9/88 درصد بدست آمد که بیانگر همبستگی خوب بین نتایج شبیهسازی و دادههای آزمایشاهی است.
مقدمه
مصرف سوختهای فسیلی از طریق آسیب رساندن جدی به لایهی اوزن، عامل اصلی تغییر اقلیم و گرمایش جهانی مناطق محسوب میشوند. به ویژه اینکه انرژی مصرفی برای تهویه، گرمایش یا سرمایش ساختمانها که % 25-40 کل انرژی مصرف شدهی جهان را دربر میگیرد که اکثر این انرژیها از سوختهای فسیلی و غیر قابل برگشتپذیر مانند گاز، بنزین و نفت سفید تامین میشوند . - Stylianou et al., 2016; Omer et al., 2008 - در طی سالهای گذشته مطالعات زیادی برای ارائهی روشهایی برای بهرهبرداری از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی زمین گرمایی، انرژی باد، زیست توده و انرژی خورشید جهت جایگزین کردن بهجای سوختهای فسیلی صورت گرفته است.
از روشهایی، که با صرف هزینهی به نسبت کمتر، امکان بهرهبرداری از انرژی ذخیره شده حاصل از تابش خورشید در عمقهای نزدیک سطح زمین را فراهم میکند، سیستمهای مبدل حرارتی زمین به هوا1 میباشند - . - Cataldi et al., 1999; Correia et al., 2012 این سیستمها از خاک زیر سطح زمین به عنوان چشمهی دائم انرژی استفاده میکنند. دمای خاک در زیر سطح زمین، در فصل سرد، بیشتر و در فصل گرم کمتر از دمای هوای محیط است.
این سیستمها، با بکارگیری دمندهای، حجمی از جریان سیال را در سراسر لولهی دفن شده در عمق زمین به گردش در میآورند و به دلیل اختلاف دمای موجود بین خاک احاطه کنندهی لوله و جریان سیال دررون لوله، باعث ایجاد انتقال حرارت بین زمین و سیال میشوند. در نتیجه دمای جریان هوای خروجی از مبدل، در فصل گرم، خنکتر و در فصل سرد، گرمتر از دمای هوای محیط میشود که میتوان از این جریان به صورت مستقیم برای تهویه، پیش گرمایش یا سرمایش فضای ساختمانها بهره برد . - Abbaspour-Fard et al., 2014;
دمای زیر سطح زمین در طول سال، از عمقی مشخص به بعد تقریباً ثابت میماند که این عمق با اصطلاح دمای غیر مختل شده زمین1 شناخته میشود و از پارامترهای بسیار مهم در طراحی سیستمهای مبدل حرارتی زمین به هوا محسوب میشود. - wu et al., . - 2007 ; Bisonia et al., 2015 ; Bansal et al., 2014 ; Ozuzen et al., 2014; برای طراحی عملی و از نظر اقتصادی بهینهی این مبدلها، نیاز به بررسی اثر پارامترهای عملیاتی مانند، طول لوله، عمق لولهی دفن شده در زیر خاک، نرخ جریان هوای در گردش درون لوله است. ایجاد و بررسی آزمایشگاهی تمامی پارامترها درکنار هم میتواند بسیار دشوار و زمانبر باشد . - Pfafferott et al., 2013
از طرفی با گسترش و توسعهی کامپیوترهایی با سرعت پردازش بالا شرایط استفاده از روشهای عددی مثل دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - 2 برای شبیهسازی سیستم مبدل حرارتی زمین به هوا برای محققین فراهم شده است . - Torre-Gea et al., 2011 - برای شبیهسازی عددی مبدلهای EAHE از فرضیاتی جهت ساده سازی مدل استفاده میگردد که در ادامه آورده شده است. مطالعات زیادی در زمینهی بهبود عملکرد حرارتی3 این مبدلها انجام شده که در ادامه مروری به بخشی از این منابع خواهیم داشت.
بنسل4 و همکاران، یک مدل گذرا بر پایه CFD برای سیستم مبدل حرارتی زمین به هوا، با در نظر گرفتن پارامترهایی مانند جنس لوله - در دو نوع فولاد و PVC به شعاع 15سانتیمتری، به طول 23/42متر و عمق 2/7متر - و سرعتهای متفاوت جریان هوای درون لوله که با فرض عدم تراکمپذیری هوا، عدم تاثیر دمای زیرخاک از دمای سطح خاک، مواد مهندسی همگن- ثابت و جریان آشفته - مدل استاندارد - − که دارای انتقال حرارت همراه بود، ارائه کردند. حداکثر خطا بین نتایج شبیهسازی و دادههای آزمایشگاهی را 11/4 درصد گزارش کردند . - Bansal et al., 2013 - در تحقیق دیگری سیستم مبدل حرارتی زمین به هوای دیگری بر اساس روش CFD در قالب نرمفزار CFX 12، به صورت سه بعدی برای جریان دائم آشفته - مدل - − که قادر به انتقال حرارت و انرژی گرمایی بود، توسعه داده شد.
در این شبیهسازی به تحلیل اثر عواملی چون : طول لوله 19/22 - متر - ، شعاع لوله 0/101 - متر - ، سرعت جریان هوا 2 - ، 3/5، 5 متربرثانیه - و عمق لوله دفن شده در زمین 2 - متر - و جنس زمین - خاک پنبهای سیاه - 5 ، بر عملکرد سیستم مبدل حرارتی زمین به هوا برای سرمایش در تابستان پرداخته شد. نتایج شبیهسازی با نتایج بدست آمده از دادههای آزمایشگاهی همبستگی خوبی داشت . - Flaga-Maryanczyk et al., 2014; Bisonia et al., 2014 - تحقیقی شامل اندازهگیری آزمایشگاهی و شبیهسازی عددی برای بررسی کارایی مبدل حرارتی زمین به هوا جهت تهویه یک خانهی غیرفعال6 در یک اقلیم سرد ارائه دادند.
