بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی بهینه سیستمهای ترکیبی کلکتور خورشیدی - پمپ حرارتی زمینگرمایی برای تامین بار حرارتی مورد نیاز جهت گرمایش گلخانه ها
چکیده
در این تحقیق طراحی بهینهی یک سیستم ترکیبی شامل کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی زمینگرمایی از دیدگاه فنی و اقتصادی برای تامین بار حرارتی یک گلخانه مورد بررسی قرار میگیرد. برای بهینه کردن طرح از دیدگاه فنی با استفاده از نرمافزار ترنسیس عملکرد اجزای مختلف سیستم به گونهای تنظیم میشود که علاوه بر پیشگرمایش سیال ورودی به اواپراتور و تنظیم این دما به مقدار ایدهآل مدنظر و در نتیجه افزایش ضریب عملکرد پمپ حرارتی، بازیافت حرارتی غیر مستقیم زمین در زمان اوج بار و همچنین بازیافت حرارتی زمین در فصل تابستان در اطراف مبدل صورت پذیرد. سیستم بهینه ابتدا از لحاظ فنی و سپس از دیدگاه اقتصادی بررسی شده و طرح بهینه با تبادل بین موارد فنی و اقتصادی انتخاب میشود. مدل انتخابی دارای ضریب عملکرد میانگین فصلی 4/14 برای پمپ حرارتی، مجموع طول لولههای زمینگرمایی 150 متر و سطح کلکتور9/42 متر مربع بوده و افزایش بین 0/5 تا 1 درجه سانتیگراد دمای سیال در مدار زمینی را نشان میدهد.
واژههای کلیدی: طراحی بهینه، سیستم ترکیبی، کلکتور خورشیدی، پمپ حرارتی زمین گرمایی، ترنسیس، ضریب عملکرد، بازیافت حرارتی زمین.
-1 مقدمه
انرژیهای تجدید پذیر به تنهایی از قابلیت اطمینان پایینی برخوردار می باشند. بنابراین یا باید در ترکیب با انرژی های فسیلی استفاده شوند و یا باید از ترکیب انرژیهای تجدید پذیر با یکدیگر گونهای استفاده شود که بار مورد نیاز و عملکرد مورد انتظار ما تحت تمامی شرایط در دسترس باشند. از طرفی ترکیب انرژیهای تجدیدپذیر با هم باعث افزایش بهرهوری میشود. انرژی زمینگرمایی از قابلیت اطمینان بالایی در میان انرژیهای تجدیدپذیر برخوردار میباشد، اما یکی از مشکلات استفاده از پمپهای حرارتی زمینگرمایی به تنهایی این است که در طی زمان با کاهش دمای زمین مواجه میشویم، بنابراین آنچه توصیه می شود استفاده از این منبع بهمراه کلکتورهای خورشیدی است که میتواند علاوه بر رفع این مشکل (با بازیافت حرارتی زمین توسط کلکتور خورشیدی) با کاهش طول لولههای زمینگرمایی و تعداد آنها به دلیل تامین بخشی از بار حرارتی مورد نیاز از طریق کلکتورهای خورشیدی باعث کاهش هزینهها شود. در این تحقیق قرار است تا برای تأمین بار حرارتی مورد نیاز جهت گرمایش گلخانهها از سیستمهای ترکیبی شامل پمپ حرارتی زمینگرمایی و کلکتور خورشیدی استفاده شود. در این راستا میزان تامین بار حرارتی توسط هر یک از منابع فوق طوری تعیین میشود که از نظر فنی و اقتصادی بهینه باشد.
طرحهای ترکیبی کلکتورهای خورشیدی و پمپهای حرارتی زمین-گرمایی که قبلا نیز ارائه شده است اغلب با اهدافی نظیر بازیافت حرارتی زمین توسط کلکتور بوده است، اما طرح پیش رو هدف دیگری را نیز دنبال مینماید و آن ارائه طرحی بهینه از نظر طول لولههای زمینگرمایی و سطح کلکتورهای نصب شده میباشد، به طوریکه سیستم ترکیبی نهایی علاوه بر اینکه از نظر فنی نیاز ما را برای تامین حرارت پاسخگو میباشد، از نظر اقتصادی نیز مناسبترین طرح باشد. دلایل انتخاب ترکیب کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی زمین گرمایی جهت گرمایش گلخانهای:
1. استفاده از پمپهای حرارتی زمینگرمایی در بخش گرمایش گلخانهای در دنیا بسیار رایج بوده و در کشورهایی مثل آمریکا و ترکیه سهم عمدهای از گرمایش گلخانهای را بر عهده دارد.
2. پمپ حرارتی زمینگرمایی نسبت به هر سیستم گرمایشی متداولی هزینه عملیاتی پایینتری دارد. در حالت کلی مصرف سالانه انرژی در یک سیستم نصب شدهی پمپ حرارتی میتواند بین 20 تا 60 درصد نسبت به سیستمهای متداول کاهش داشته باشد.
3. پمپهای حرارتی زمینگرمایی ضریب عملکرد بالاتری نسبت به پمپهای حرارتی منبع هوا داشته و عملکردشان در دماهای پایین بر خلاف پمپهای حرارتی منبع هوا افت نمیکند که این باعث کاربری گسترده آنها برای گرمایش در مناطقی شده که در فصل زمستان دماهای خیلی پایین دارند.
.4 یکی از مشکلات اساسی پمپهای حرارتی زمینگرمایی افت دمای خاک در اطراف لولهها میباشد که میتواند منجر به افت راندمان شود. این مشکل را میتوان با بازیافت حرارتی زمین توسط یک منبع دیگر تامین حرارت مانند کلکتورهای خورشیدی جبران نمود. البته در این تحقیق به بررسی طرحهای دیگری از ترکیب این دو سیستم مثلا طرحی که در آن هر دو سیستم به طور مستقل عمل کرده و حرارت خود را از طریق یک مبدل برای تامین گرمایش ساختمان منتقل می-نمایند نیز پرداخته و طرح بهینه را بدست میآوریم. لازم به ذکر است که طرح بهینه میتواند ترکیبی از دو نمونه طرح ذکر شده با توجه به فصلی که در آن هستیم باشد.
.5 از دیگر مشکلات یک سیستم پمپ حرارتی زمینگرمایی هزینه اولیه بالای آن میباشد که این مشکل را نیز با تامین بخشی از بار حرارتی از طریق سایر سیستمها از جمله کلکتورهای خورشیدی که بیشتر به صورت تجاری در آمدهاند میتوان رفع نمود.
.6 تامین حرارت و محیط مناسب گلخانهای بسیار پرهزینه بوده و ارائه راهکارهایی که بتوان علاوه بر داشتن قابلیت اطمینان بالا هزینه اولیه سیستم را کمینه نمود بسیار موثر میباشد. در این طرح نیز سعی شده با توجه به گسترش استفاده از پمپهای حرارتی در بخش گلخانهای سیستم ترکیبیای پیشنهاد شود که از لحاظ فنی و اقتصادی بهینه باشد.
-1-1 مرور کارهای انجام شده
تریلات و همکاران [1] سیستمهای ترکیبی کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی زمینگرمایی را برای تامین بار حرارتی و برودتی و آب گرم مصرفی ساختمان ها در نظر گرفتهاند. ترکیب های مختلفی بررسی شده و بهترین ترکیب از نظر فنی و اقتصادی با شبیه سازی عددی توسط نرم افزار ترنسیس بدست آمده است.
در این مطالعه رفتار سیستم در سه حالت مورد بررسی قرار گرفته شده است:
.1 کلکتور خورشیدی برای تامین آب گرم مصرفی و پمپ حرارتی زمینگرمایی برای تامین گرمایش و سرمایش به کار گرفته شدهاند.
. 2 کلکتور خورشیدی برای گرمایش کف استفاده شده و اگر سطح دما به سطح مورد نظر ما نرسد بعنوان منبع سرد پمپ حرارتی برای افزایش ضریب عملکرد آن به کار میرود.
.3 کلکتور خورشیدی خورشیدی برای شارژ حرارتی زمین و پمپ حرارتی با عملکرد معکوس برای تامین سرمایش به کار گرفته شده است.
نتیجه اینکه از ترکیب حالات فوق سیستم دارای قابلیت اطمینان منطقی با در نظر گرفتن قیود فنی و اقتصادی خواهد بود.
در دیگر مطالعه صورت گرفته جون و همکاران [2] یک مدل بهینه ریاضی با استفاده از نتایج تجربی در محل برای یک سیستم ترکیبی سری شامل پمپ حرارتی زمینگرمایی و کلکتور خورشیدی ارائه شده و معادلات بهینه سازی با در نظر گرفتن محدودیت هایی که از دیدگاه فنی و اقتصادی وجود دارد حل شده است. این محدودیت ها سطح کلکتورها و طول لوله های زمینگرمایی در این سیستم ترکیبی را مشخص می کنند.
آنچه در این تحقیق به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده است عبارتست از هزینه کل سالانه که شامل دو بخش سرمایش و گرمایش است. البته آنچه برای ما اهمیت بیشتری دارد هزینه گرمایش میباشد زیرا درتابستان دو سیستم کاملا مستقل عمل کرده و هیچ عملکرد سریای اتفاق نمی افتد. بنابراین عامل تعیین کننده هزینه سالانه گرمایش میباشد که مجموع هزینه سرمایهگذاری اولیه بر سال و هزینههای عملیاتی سالانه خواهد بود.
متغیر های مستقل در نظر گرفته شده نیز عبارتند از: بار حرارتی دمای ورود و خروج آب برای گرمایش محیط دمای تغییر نیافته زمین اطلاعات منطقهای مانند تابش خورشید در نهایت نتایج بدست آمده با توجه به به طول لولههای زمین گرمایی و سطح کلکتورها طی نمودار ذیل بیان شده است.
در [3] فنگ و همکاران به شبیهسازی عددی دینامیکی سه بعدی برای زمین و مبدل حرارتی زمینگرمایی در یک سیستم ترکیبی کلکتور خورشیدی-پمپ حرارتی زمین-گرمایی با روش المان محدود پرداخته و پس از محاسبه میزان تغییرات دمایی زمین و بازیافت حرارتی زمین توسط کلکتورها طرح بهینه را ارائه کرده اند.
علاوه بر این در این تحقیق به این نتیجه میرسیم که بازیافت حرارتی زمین باعث افزایش قابلیت اطمینان و بهبود اقتصاد سیستم خواهد شد به طوری که دمای زمین حدودا 3 درجه سانتیگراد بیشتر از دمای اولیه آن بعد از یک سال عملکرد خواهد بود که این به عملکرد درازمدت سیستم کمک خواهد کرد.نمودار ذیل نشان دهنده رفتار دمایی زمین در عمقهای مختلف در این سیستم ترکیبی با استراتژی بیان شده در طول سال خواهد بود.
ژای و همکاران [4] به بررسی سیستمهای مختلف قابل ترکیب با پمپ حرارتی زمینگرمایی با توجه به سرویس مورد ن یاز پرداخته و معایبی که یک سیستم پمپ حرارتی زمینگرمایی می تواند داشته باشد را با استفاده از سیستم ترکیبی برطرف کرده اند. آنچه در این مطالعه بدست آمده اِین است که با ترکیب پمپ حرارتی زمینگرمایی با سیستمهای مختلف میتوان به ضریب عملکرد بین 3 تا 5 دست یافت و هر کدام از سیستمهای ترکیبی برای سرویسی مناسب میباشند که در ذیل به بعضی از آنها اشاره میکنیم:
ترکیب با کلکتور خورشیدی : مناسب برای گرمایش ترکیب با برج خنککن : مناسب برای سرمایش ترکیب با تکنولوژیهای ذخیره حرارت : مناسب برای گرمایش و سرمایش ترکیب با سیستمهای مرسوم تهویه متبوع : مناسب برای سرمایش و گرمایش چن ژی و همکاران [5] به بررسی استفاده از سیستم ترکیبی کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی زمینگرمایی با سیستم ذخیرهساز حرارت در شهر سردسیر واقع در شمال چین برای تامین گرمایش و آب گرم مصرفی مورد نیاز پرداخته اند. در این مطالعه طراحی بهینه سیستم در محیط نرمافزار ترنسیس انجام شده و همچنین نتایج شبیهسازی عددی سیستم ارائه شده است. علاوه بر این پس از مطالعه استراتژی های کنترلی مختلف خصوصیات عملیاتی هر کدام از حالات مورد مطالعه قرار گرفته شده است.
نتایج بدست آمده نشان میدهند که راندمان سالانه متوسط برای گرمایش محیطی %26 افزایش داشته است که دلیل عمده این افزایش بکار گیری کلکتور خورشیدی جهت افزایش انرژی حرارتی ذخیره شده در زمین و فراهم نمودن گرمایش محیطی با استفاده از این انرژی میباشد. همچنین این تحقیق مبین این مطلب است که با رفع مشکلات استفاده از پمپهای حرارتی زمین گرمایی توسط کلکتور-های خورشیدی میتوان انرژی مورد نیاز جهت گرمایش محیطی و تامین آب گرم مصرفی را فراهم نمود. استراتژی کنترلی ذکر شده توسط شکل زیر نمایش داده شده است.
در [6] اسلامینژاد و همکاران انتقال حرارت یکنواخت را با استفاده از لوله u شکل مستقل بررسی کردهاند به گونه-ای هر کدام مدار مستقل خود را داشته و یکی به پمپ حرارتی برای گرمایش و دیگری به کلکتور خورشیدی جهت بازیافت حرارت متصل است. نتایج بکارگیری این ایده با مقایسه با سیستمهای مشابه بدون بازیافت حرارتی زمین و همچنین سیستمهای تک مداره به شرح ذیل بیان شده است:
. شارژ حرارتی زمین در زمستان باعث کاهش چشمگیر حرارت استخراج شده از زمین خواهد شد.
کاهش حدودا %18 طول لولهها نسبت به سیستم مشابه بدون بازیافت حرارتی زمین و %33 نسبت به سیستم تک مداره.
کاهش مصرف سالیانه انرژی در پمپ حرارتی % 3/5 نسبت به سیستم مشابه بدون بازیافت حرارتی زمین %6/5 نسبت به سیستم تک مداره.
در مطالعهای دیگر [7] ونگ و همکاران به بررسی سیستم ترکیبی پمپ حرارتی زمینگرمایی و کلکتور خورشیدی با سیستم ذخیره حرارت فصلی در یک شهر سردسیر پرداختهاند. در این طرح ذخیره حرارتی فصلی در فصل گرما صورت میگیرد و در تابستان زمین به عنوان منبعی برای دفع حرارت ساختمان جهت سرمایش بکار گرفته شده است. در زمستان نیز انرژی خورشید به عنوان اولویت مد نظر می باشد و ساختمان بوسیله ترکیبی از دو سیستم گرم میگردد. نتایج بدست آمده به شرح ذیل میباشند:
.1 این طرح میتواند انرژی مورد نیاز جهت گرمایش و سرمایش ساختمان را فراهم نماید.
.2 در حالت گرمایش کلکتور خورشیدی %49/7 از انرژی مورد نیاز را فراهم مینماید و ضریب عملکرد پمپ حرارتی و سیستم به ترتیب 4/29 و 6/55 میباشد.
.3 در حالت سرمایش ضریب عملکرد سیستم به 21/35 می رسد که این بدلیل عدم نیاز ما برای استارت پمپ حرارتی میباشد.
. 4 بعد از یک سال حرارت استخراج شده از زمین توسط پمپ حرارتی %75/5 حرارتی ذخیره شده در آن می-باشد که حرارت اضافی موجب افزایش دمای زمین شده که در نهایت به افزایش ضریب عملکرد پمپ حرارتی منجر خواهد شد که مطلوب خواهد بود.
باکیرسی و همکاران [8] مطالعات آزمایشی را روی یک سیستم نصب شده ترکیبی کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی زمینگرمایی انجام دادهاند. این سیستم در شهر ارزروم ترکیه نصب شده و مشخصات مربوطه مانند دما، رطوبت و تابش خورشید برای ماههایی از سال که نیاز به گرمایش است، ارائه شده است. آنچه در این سیستم نصب شده مورد اندازهگیری قرار گرفته و معیار اصلی جهت تصمیمگیری ما میباشد، ضریب عملکرد است، به گونهای که ضریب عملکرد پمپ حرارتی و همچنین سیستم ترکیبی در ساعات مختلف در طول روز محاسبه شده و نتایج کلی برای ماههای تحت بررسی بصورت نمودارهایی جهت مقایسه ارائه گردیده است. آنچه از نمودارها بدست آمده مبین این مطلب است که ضریب عملکرد سیستم کلی حدودا %10 از ضریب عملکرد مربوط به پمپ حرارتی به تنهایی کمتر می باشد. نتایج بدست آمده در این تحقیق گویای این مطلب میباشند که این سیستم با توجه به مزایای فراوان از قبیل حذف مصرف سوختهای فسیلی و در نتیجه آلایندههای زیستمحیطی و همچنین هزینههای عملیاتی پایین و همپوشانی مشکلات دو انرژی تجدید پذیر در اثر ترکیب آنها با یکدیگر، قابلیت تامین گرمایش را با در نظر گرفتن هر دو دیدگاه فنی و اقتصادی داشته و می-تواند جایگزین مناسبی برای سیستمهای مرسوم فعلی در شهر ارزروم ترکیه باشد.
-1 بخشهای مقاله
1-2 روش انجام تحقیق
در این تحقیق با بررسی طرح مورد نظر در محیط نرمافزار ترنسیس و مقایسه نمودارهای با اهمیت در یک سیستم ترکیبی حرارتی به عنوان دلایل انتخاب طرح، به ارائه ترکیب بهینه از لحاظ فنی و اقتصادی پرداخته و سپس بررسی مینماییم که به ازای چه طولی از لولههای زمینگرمایی و چه سطحی از کلکتور خورشیدی سیستم ترکیبی ارائه شده از لحاظ فنی و اقتصادی بهینه میباشد.
2-2 انتخاب مدل مناسب
آنچه در این تحقیق میخواهیم بررسی نماییم ترکیبی از کلکتور خورشیدی و پمپ حرارتی منبع زمینی است که هم از دیدگاه فنی و هم از دیدگاه اقتصادی بهینه باشد. طرح اولیه مطابق شکل میباشد.
همانگونه که از شکل 1 پیداست سیال گرم خارج شده از مخزن به دایورتر شماره 15 منتقل میشود که در آن سیال عامل یا میتواند به دایورتر شماره 13 هدایت شده و یا به طور مستقیم جهت گرمایش گلخانه بکار رود و یاترکیبی از هر دو عمل صورت پذیرد. در دایورتر (2) شماره 13 نیز در زمستان سیال جهت پیشگرمایش سیال ورودی به اواپراتور تا دمای ایدهآل تعریف شده توسط ما که در اینجا 14 درجه سانتیگراد میباشد و در تابستان به میکسر شماره 20 جهت بازیافت حرارتی زمین منتقل میشودنکته حائز اهمیت این است که عملکرد کلی شیرها توسط کنترلرهای دما تعیین میگردند، بطوریکه کنترلر شماره 21 با توجه به دمای سیال خروجی از میکسر شماره 17 فرمان مورد نظر را به دایورتر شماره 15 میدهد. توضیح این نکته حائز اهمیت میباشد که عملکرد دایورتر شماره 13 و پمپهای شماره 10 و 12 یکی میباشد و توسط یک کلید دو وضعیتی تعریف میشود، به این ترتیب که در فصل گرما هر دو پمپ ذکر شده خاموش میباشند. از طرف دیگر عملکرد دایورترهای شماره 14 و 16نیز دقیقاٌ همانند دایورتر شماره 15 بوده و فرمان لازم را از کنترلر دمایی شماره 21 دریافت مینمایند و سیال سرد خارج شده از مبدل شماره 8 با توجه به فرمان دریافت شده برای گرمایش به منبع حرارتی مورد نظر منتقل میشود. توضیحات بیشتر راجع به اعداد بکار رفته در شبیهسازی فرایند و همچنین استرتژی کنترلی در قسمتهای بعدی به تفسیر آمده است.
3-2 تحلیل توسط نرم افزار
برای انجام تحلیل مورد نظر از نرمافزار ترنسیس 16 استفاده میکنیم. نرمافزار ترنسیس دارای محیطی جامع و قابل گسترش برای شبیه-سازی و بهینهسازی سیستمهای انرژی میباشد. مدل انتخابی را یک گلخانه در شهر تهران در نظر میگیریم.
بار حرارتی مورد نیاز گلخانه:
برای محاسبه بار حرارتی مورد نیاز ابتدا باید مشخصات گلخانه مورد بررسی را بدست بیاوریم.
-1 مساحت گلخانه : مساحت دیواره های گلخانه را 130 متر مربع در نظر میگیریم. . -2 جنس گلخانه که مشخصکننده ضریب انتقال حرارت آنها می-باشد. لازم به ذکر است که معمولا گلخانهها از پلیاتیلن تکلایه و یا دولایه ساخته شوند که نوع دولایه آنها میتواند شامل پردهای باشد که از تلفات انرژی خودداری میکند. این ضریب برای نوع بدون پرده جلوگیری کننده تلفات 1/1 برای تک لایه و 0/7 برای دولایه و بین 0/3 تا 0/5 برای گلخانههای شامل پرده محافظ است.
-3 دمای مورد نیاز محیط گلخانه
دمای مطلوب محیط گلخانهها بین 12 تا 29 میباشد که در اینجا عدد 18 را انتخاب مینماییم.
بنابراین برای محاسبهی رسانش کلی گلخانه که حاصلضرب ضریب انتقال حرارت و سطح کلی گلخانه میباشد و از ورودی های ترنسیس است داریم:
بنابراین بار حرارتی مورد نیاز گلخانه مطابق از حاصلضرب زیر محاسبه میشود.
برای محاسبه توان مصرفی مورد نیاز گلخانه نیز با فرض اینکه 6 ماه از سال و هر روز به طور متوسط 10 ساعت سیستم گرمایشی روشن باشد داریم.
در صدی از بار که توسط کلکتور تأمین میشود:
با توجه به ترکیبی که انتخاب کردهایم کلکتور نقش بازیافت حرارتی زمین و گرمایش آب مصرفی در فصولی که نیاز به گرمایش محیطی وجود ندارد را دارد و در فصل سرما با توجه به بار مورد نیاز میتواند برای تأمین آب گرم مصرفی، گرمایش محیطی، پیشگرمایش سیال در ورودی به اواپراتور، بازیافت حرارتی زمین و یا ترکیبی از سیستم-های فوق وارد عمل شود. بنابراین بار تأمین شده از کلکتور راحدوداً 30 درصد انتخاب مینماییم. لازم به ذکر است که 70 درصد مابقی بار مورد نیاز از پمپ حرارتی و یا در صورت نیاز از هیترها تأمین میگردد.
برای محاسبه سطح کلکتورهای خورشیدی ابتدا باید محاسبه شود که چه مقدار انرژی از واحد سطح کلکتورها قابل استحصال خواهد بود.
انرژی حاصله از کلکتور خورشیدی صفحه تخت770 - 880 : ] 9[ (6) [kWh/m2]
بدلیل اینکه طرح اصلی مورد نظر جهت تأمین بار در فصل سرما میباشد، مقدار حداقل را انتخاب مینماییم:
عمق چاه زمینگرمایی و ظرفیت پمپ حرارتی متصل:
با مطالعه صورت گرفته روی مقالات مختلف بعنوان یک قانون سرانگشتی هر کیلووات بار حرارتی خروجی از زمین نیاز به 20 متر مبدل زمینی نیاز دارد، از طرفی در انتخاب پمپ حرارتی معمولا ظرفیت آن را بر اساس 70 درصد از باری که سیستم ترکیبی باید باید تأمین کند انتخاب مینماییم وهمچنین مصرف برق پمپ حرارتی نیز حدوداٌ برابر با %25 ظرفیت پمپ میباشد.
