المؤلفون / Authors
الملخص / Abstract
الكلمات المفتاحية / Keywords
أقسام الملف
1-المقدمة والدراسة المرجعية
2-مواد البحث وطرائقه
3-النتائج والمناقشة
4-الاستنتاجات
5-المراجع |
استخدام طاقة جوف الأرض في تدفئة وتكييف المباني |
| The Use of Geothermal Energy in Heating and Air Conditioning |
| الناشر : جامعة دمشق |
| |
| |
د. أحمد عمايري |
| Dr. Ahmad Amayri |
| |
| |
|
| |
الملخص
يعد نظام المضخة الحرارية ذات المصدر الأرضي GSHP تقنية متطورة للغاية لتكييف وتدفئة المباني في جميع أنحاء العالم للاستفادة من طاقة جوف الأرض. للأسف، هذه التكنولوجيا غير متوفرة هنا في سوريا، ولكن حان الوقت للبدء في التفكير في الطرق القابلة للتطبيق التي تمكننا من الاستفادة من مزايا هذه التكنولوجيا الواعدة في سوريا بسبب كفاءتها العالية. لتحقيق هذا الغرض بالتحديد، تم إجراء تجربة في كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية، جامعة دمشق في سوريا. أولاً، لتقييم الأبعاد المثلى للمبادل الجيوحراري (الأرضي) GSHE التي تم حسابها تحليلياً، ودراسة كفاية الكتلة التخزينية التي تم نمذجتها حاسوبياً لتوضع المبادل ومن ثم تحليل أداء المبادل تجريبيًا وتحليليًا. وتحليل دورة المضخة الحرارية (دورة كارنو)، وتم تحديد مجال كل من كسر الجفاف، زيادة التبريد ، معامل الأداء، استجابة المبادل الجيوحراري.
تم استخدام نتائج هذه الدراسة التجريبية لتقييم COPhp (معامل أداء المضخة الحرارية) والذي تراوحت قيمه بين 2.3-4.7. والذي يعني أنه عند صرف واحد كيلو واط من الطاقة الكهربائية يتم الحصول على 2.3-4.7 كيلو واط من الحرارة كما كان التوفير في مصروف الطاقة الكهربائية بحدود 33% بالمقارنة مع المضخات الحرارية التقليدية (مكيفات الهواء) أظهرت النتائج أن استخدام المضخة الحرارية الأرضية مناسب لتكييف المباني في سوريا ذات المناخ الحار صيفاً كحل بديل للمضخة الحرارية التقليدية المبردة بالهواء.
|
| |
 |
| |
الكلمات المفتاحية: طاقة جوف الأرض. مضخة جيو حرارية، مبادل حراري حلزوني، دراسة تجريبية |
| |
|
| |
Abstract
GSHP (Ground Source Heat Pump) system is a highly sophisticated technology for cooling and heating buildings worldwide. Unfortunately, this technology is not available here in Syria, however it is time to start thinking about applicable ways that enable us to make use of the advantages of this promising technology here is Syria because of its high performance. Aiming for this exact purpose, an experiment was installed at the Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Damascus University in Syria. First, to evaluate the optimal parameters of the GSHE (ground source heat exchanger), the performance of a helical GSHE was analyzed experimentally and analytically. The heat pump cycle (Carnot cycle) was analyzed, also dryness factor, subcooling, coefficient of performance, response of GSHE were analyzed.
The findings of this experimental study, will be used to evaluate the COPhp (coefficient of performance of the heat pump) which are ranged between 2.3-4.7. Which means that when one kilowatt of electrical energy is consumed, 2.3-4.7 kilowatts of heat are obtained, and the saving in electrical energy are about 33% compared to traditional heat pumps (air conditioners). The results showed that the use of the ground source heat pump is appropriated for cooling buildings in Syria, which has hot climate, as a substitutional solution of traditional air-cooled heat pump
|
| |
|
| |
Keywords: Geothermal energy. Ground source heat pump. Helical heat exchanger- experimental study |
| |
|
| |
1.المقدمة والدراسة المرجعية |
| |
تحافظ أنظمة تكييف الهواء على درجة حرارة مريحة للإنسان داخل المباني المكيفة، وهذا يتطلب استهلاك الطاقة التي تعمل بالكهرباء أو الوقود الأحفوري. تمتص الأرض 46٪ من الطاقة الشمسية التي تسقط على الغلاف الجوي، ويمكن استخدام هذه الطاقة الهائلة لتغطية احتياجات أنظمة التكييف [1]. تستخدم المضخات الحرارية في الوقت الحاضر على نطاق واسع للتدفئة وتكييف الهواء. تعتمد هذه الآلات على دورة كارنو العكسية حيث يتم استخلاص الحرارة من مكان ونقلها إلى مكان آخر بمساعدة مصدر طاقة خارجي (في الغالب كهرباء). يتم تعريف GSHP (المضخة الحرارية الأرضية المصدر) على أنها مضخات حرارية من مصدر الأرض وتوفر تدفئة المباني وتسخين المياه عن طريق استخراج الحرارة اللازمة من الأرض وتوفير التبريد بعملية معاكسة [2]. تتميز الأرض بانخفاض درجة حرارتها صيفاً وارتفاعها شتاءً مقارنة بدرجة حرارة الهواء الخارجي وذلك للطبقات السطحية والعميقة على حد سواء وتقوم الطبقات السطحية بعزل الطبقات الأعمق عن الهواء الخارجي مما يسبب ثبات درجة حرارة هذه الطبقات على مدار العام [3]. نتيجة لهذه المميزات ينخفض الاستهلاك الكهربائي ويرتفع مردود منظومات المضخات الجيوحرارية مقارنة بالمنظومات التقليدية. عادة ما تستخدم المبادلات الحرارية الأفقية أو الشاقولية في أنظمة المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي، وللمبادلات الشاقولية مجموعة من المزايا لأنها تتطلب مساحات صغيرة من الأرض مقارنة بأنظمة المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي الأفقي [4]. تؤدي أعماق الحفر الكبيرة نسبيًا إلى استقرار نسبي في درجة حرارة الأرض وبالتالي استقرار عمل النظام، فضلاً عن استخدام كمية أقل نسبيًا من الأنابيب مقارنة بأنظمة المضخات الحرارية الأرضية الأخرى [5]. بينما تتلخص عيوب المبادلات الشاقولية بارتفاع الكلفة التأسيسية بسبب ارتفاع تكلفة الحفر، حيث تصل أعماق الحفر إلى 80 مترًا. أما بالنسبة للمبادلات الأفقية، فإن مزاياها هي: التكلفة المنخفضة مقارنة بالأنظمة الرأسية بسبب انخفاض تكلفة الحفر وبساطة التصميم والتنفيذ [6]. وتتلخص عيوبها بـ: الحاجة لمساحات كبيرة من الأرض وتقلبات في أداء وحدة النظام نتيجة تذبذب درجة حرارة الأرض عند الأعماق المنخفضة بسبب هطول الأمطار والتغير في درجة الحرارة المحيطة بالإضافة إلى انخفاض معامل الأداء. |
| |
|
| |
2.مواد البحث وطرائقه |
| |
2. 1. المبادل الأرضي الحلزوني |
| |
يتم تصنيف المبادل الأرضي الحلزوني كمبادل حراري أفقي. يُؤدِّي استخدام هذا النوع إلى تقليل أكبر في المساحة المطلوبة إذ يقل الطول المطلوب للخندق بمقدار % 80- 70 عن الطول المطلوب لخندق مبادل الأنبوب المفرد ولكن الطول المطلوب للأنابيب يزداد بمقدار الضعف [3]. |
| |
تتلخَّصُ ميزات منظومات المضخات الجيوحرارية الأفقية ذات الأداء المزدوج بما يلي: [7] |
| |
1-الكلفة التأسيسية منخفضة مقارنة بالمنظومات الشاقولية نتيجة لانخفاض كلفة الحفر. |
| |
2-بساطة التركيب والتصميم. |
| |
3-قابلية الوصول للمبادل والقدرة على مرا قبة التربة السطحية. |
| |
تتلخَّصُ مساوئ منظومات المضخات الجيوحرارية الأفقية ذات الأداء المزدوج بما يلي: [7] |
| |
1-تتطلب مساحات كبيرة من الأرض. |
| |
2-تقلبات في أداء وحدة المضخة الحرارية نتيجة لتقلب درجة حرارة الأرض على الأعماق المنخفضة بسبب هطول الأمطار وتغير درجة حرارة الجو المحيط. |
| |
3-ارتفاع الطاقة اللازمة لمضخة التدوير بحدود 20%. |
| |
4-انخفاض معامل أداء المنظومة .COP |
| |
2. 2. المنصة الاختبارية |
| |
تتكون الوحدة التجريبية من مبادل حراري حلزوني. تم ربطه بارة مضخة حرارية ذات مصدر أرضي ، والتي تستخدم لتكييف المكان على مدار العام. يصنع المبادل الحراري من أنابيب PEX بقطر اسمي يبلغ 32 مم. مجموعة الاختبار لسلوك الاستجابة الحرارية هي مضخة حرارية (تربة / ماء).يتكون المبادل الحراري من أنابيب PEX بقطر اسمي يبلغ 32 مم. مجموعة الاختبار لدراسة الاستجابة الحرارية هي مضخة حرارية (تربة / ماء). |
| |
 |
| |
الشكل (1) المبادل الحراري الأرضي |
| |
 |
| |
الشكل (2) مخطط رمزي للمنصة التجريبية |
| |
تتألف المنصة الاختبارية الموضحة في الشكل 2 من ثلاثة عناصر رئيسية |
| |
1-مضخة جيوحرارية من النوع المنفصل |
| |
وهو عبارة عن مضخة حرارية من النوع المنفصل باستطاعة فعلية 0.75 طن تعمل على الفريون R22 حيث تمَّ عزل مكثف القطعة الخازجية والمروحة واستبدالهما بالمبادل الجيوحراري الحلزوني المطمور في التربة ومضخة الماء والمبادل الصفائحي |
| |
2-مبادل حراري صفائحي |
| |
وهو عبارة عن مبادل حراري ماء – فيريون يستعمل من أجل التبادل الحراري ما بين وسيط التبريد الفريون R22 الموجود ضمن مبخر المضخة الجيوحرارية والضاغط بطبيعة الحال وما بين الماء المتجه إلى التربة مارأ بأنابيب البكس المُشكلة للمبادل الجيوحراري |
| |
3-المبادل الجيوحراري |
| |
تُصنع عادة المبادلات الجيوحرارية ذات التمدد غير المباشر من أنابيب HDPE بولي إيريثان عالي الكثافة ولكن تمَّ استخدام أنابيب من البكس بقطر 32 mm وهو القطر الذي تم الحصول عليه في الفصل الثالث وذلك بسبب صعوبة تأمين أنابيب HDPE ذات جودة مرتفعة وقابلية لإنشاء لفات متناظرة وبالقطر المطلوب إذ إن الأنواع المتوافرة في السوق المحلية ذات جودة متوسطة. وتمَّ عزل الأنابيب الظاهرة فوق التربة بعازل من الأرموفلكس للتقليل من الحرارة الضائعة. |
| |
هناك أيضًا بعض الأجزاء المكملة لعمل المنصة مثل: مضخة مياه 0.5 حصان وخزان تمدد 25 لتر وصمامات قطع. |
| |
الشكل (3) المنصة التجريبية المنفذة
|
| |
2. 3. خوارزمية تصميم المبادل الأرضي الحلزوني |
| |
عند التعامل مع التدفق الداخلي من المهم تحديد منطقة مدى الدخول التي تعتمد على نوع التدفق إذا كان صفائحي أو مضطرب وذلك من خلال حساب عدد رينولدز حسب العلاقة التالية: |
| |
 |
| |
حيث: |
| |
D: قطر الأنبوب [m] |
| |
V: السرعة [m/s] |
| |
ρ: الكثافة [kg/m3] |
| |
μ: اللزوجة التحريكية [N.S/m2] |
| |
ونحسب الأعداد اللابعدية التي تعبر عن انتقال الحرارة بالحمل القسري وهما عددي نوسيلت وبراندل من العلاقات التالية: |
| |
 |
| |
C_p: السعة الحرارية [j/kg.oC] |
| |
k: معامل انتقال الحرارة بالتوصيل [W/m.oC] |
| |
ونحسب التدفق من العلاقة: |
| |
 |
| |
Q: كمية الحرارة [W] |
| |
∆t: فرق درجات الحرارة [oC] |
| |
وسرعة الجريان من العلاقة: |
| |
 |
| |
A: مساحة المقطع [m2] |
| |
لحساب عدد نوسيلت في الأنبوب دائري المقطع نطبق علاقات نوسيلت ونتأكد من الشروط الموافقة لحالة المبادل المدروس مع الأخذ بالاعتبار أن الجريان مضطرب في المبادل المدروس |
| |
علاقات ديتوس بويتلر: |
| |
 |
| |
 |
| |
Nu_o: عدد نوسيلت |
| |
t_wall: درجة حرارة جدار الأنبوب [oC] |
| |
t_fluid: درجة حرارة المائع المار في الأنبوب [oC] |
| |
أو |
| |
 |
| |
|
| |
أو |
| |
 |
| |
|
| |
حيث f هي خشونة السطح الداخلي
|
| |
ثم نطبق معادلة تصحيح درجة الحرارة لحساب معامل انتقال الحرارة بالحمل: |
| |
 |
| |
|
| |
حيث: |
| |
μ_b : اللزوجة التحريكية للماء [N.S/m2] |
| |
μ_w : اللزوجة التحريكية للأنبوب [N.S/m2] |
| |
h : معامل انتقال الحرارة بالحمل [W/m2.oC] |
| |
ويعطى معامل انتقال الحرارة بالتوصيل عبر الأنبوب أو التربة بالعلاقة: |
| |
 |
| |
وبالتالي يكون معامل انتقال الحرارة الكلي بالحمل والتوصيل: |
| |
 |
| |
وتكون مساحة سطح التبادل الحراري |
| |
 |
| |
|
| |
أما طول المبادل: |
| |
 |
| |
|
| |
وانخفاض الضغط ضمن المبادل |
| |
 |
| |
وتكون الاستطاعة الهيدروليكية المطلوبة للضخ |
| |
 |
| |
ونحسب حجم اللفة من العلاقة |
| |
 |
| |
حيث: D_turn^ هو قطر اللفة [m] |
| |
و X هو التباعد بين اللفات ويؤخذ 0.6[m] على الأقل حتى لا يحدث تداخل حراري [14] |
| |
وعدد اللفات المطلوبة |
| |
 |
| |
حيث: |
| |
Per: هو محيط اللفة |
| |
وبالتالي يكون حجم المبادل الكلي |
| |
 |
| |
يستخدم معامل الطول الإضافي أو ما يسمى بمعامل الأمان للتعبير عن تأثير الانحناء والتدفق الثانوي في انتقال الحرارة في المبادل الأنبوبي الحلزوني وبذلك يصحح طول المبادل الأنبوبي من خلال ضربه بمعامل التصحيح المعطى في العلاقة [12]: |
| |
 |
| |
حيث: |
| |
: r_i نصف قطر أنبوب المبادل |
| |
: R_c نصف قطر المبادل |
| |
ويكون مجال تطبيق معامل التصحيح هذا بالنسبة لعدد رينولدز |
| |
 |
| |
|
| |
يبين الجدول (1) الأبعاد التصميمية لمبادل جيوحراري عامل في مضخة جيوحرارية باستطاعة 0.75 طن |
| |
الجدول (1) الأبعاد التصميمية للمبادل المدروس |
| |
 |
| |
|
| |
|
| |
2. 4. توصيف أجهزة القياس ودرارة الحساسات |
| |
1-مقياس تدفق مياه |
| |
وهو مقياس تدفق بمجال قياس 0-25 l/min |
| |
2-مقياس درجة حرارة سطحي (تيرمو كابل PT 100) |
| |
وهو عبارة عن حساس درجة حرارة لقياس درجة حرارة وسيط التبريد والماء على مدخلي ومخرجي المبادل الصفائحي ودرجة حرارة الماء ضمن المبادل الجيوحراري بعدد 5 حساسات على طول المبادل وترتبط جميع هذه الحساسات مع شاشة لتحصيل القراءات وتخزينها. |
| |
3- مقياس درجة حرارة سطحي |
| |
وهو عبارة عن حساس درجة حرارة مزود بشاشة لقياس درجة حرارة السحب والدفع على مدخل ومخرج الضاغط وقياس درجة حرارة هواء التغذية والهواء الراجع من القطعة الداخلية للمكيف كما أنَّ المقياس مزود بحساس لقياس رطوبة الهواء. |
| |
4- المجموعة متعددة المقاييس |
| |
وتُستَخدَم هذه المجموعة في دارات التبريد للتأكد من ضغوط التشغيل وشحن المضخة الجيوحرارية بوسيط التبريد، وتمَّ استخدامها لقياس ضغطي السحب والدفع خلال التشغيل. |
| |
5- مقاييس كهربائية |
| |
وهي عبارة عن آفومتر لقياس التوتر الكهربائي وبانس أمبير لقياس التيار المستجر من المكيف خلال التشغيل. |
| |
6- مقاس تدفق هواء |
| |
Anemometre (fan) وهو عبارة عن مروحة صغيرة مربوطة بمقاومة متغيرة يتمُّ تحديد سرعة الهواء وتدفقه من خلال تغير هذه المقاومة بتغير سرعة دوران المروحة أثناء توضعها ضمن مجرى الهواء وتُستَخدَم لقياس تدفق الهواء الخارج من الوحدة الداخلية للمكيف. |
| |
الجدول (2) مواصفات أجهزة القياس المستخدمة |
| |
 |
| |
|
| |
|
| |
 |
| |
الشكل (4) أجهزة القياس المستعملة |
| |
|
| |
|
| |
|
| |
2. 5. خواص التربة: |
| |
يمكن الحصول على الخواص الحرارية للتربة، الموصلية والناشرية بأخذ عينات من الطبقات الجيولوجية في موقع تركيب المبادل وتحليلها مخبرياً لمعرفة تركيبها ثم مقارنة هذا التركيب مع الأنواع المذكورة في الجدول 3 للحصول على القيم الأمثل |
| |
الجدول (3) الموصلية والناشرية الحرارية للترب الرملية والطينية [9] |
| |
 |
| |
 |
| |
 |
| |
 |
| |
|
| |
|
| |
|
| |
وقد تمَّ الحصول على هذه القيم بحساب المتوسط الحسابي للقيم المحسوبة بخمس طرق مختلفة ، يتمُّ تحديد درجة حرارة الأرض عن طريق الاختبارات المباشرة في الموقع الجيوحراري كما هو مُوضَّحٌ في الفقرة السابقة، أو باستخدام الخرائط الجيوحرارية المعتمدة من المؤسسات الجيولوجية، ويُبيِّن الجدول 4 درجات حرارة الأرض في عدة مدن وبلدان من العالم على عمق أكثر من عشرة أمتار |
| |
|
| |
|
| |
الجدول (2-2) درجات حرارة الأرض صيفاً لعدة مدن على عمق عشرة أمتار [9] |
| |
 |
| |
ويمكن تحديد درجة حرارة الأرض من العلاقات التالية [1] |
| |
 |
| |
|
| |
 |
| |
|
| |
XS: عمق التربة مقدر بالقدم |
| |
AS: مدرى درجات الحرارة السطحية بالفهرنهايت |
| |
 |
| |
a : الانتشارية الحرارية للتربة |
| |
|
| |
3. النتائج والمناقشة |
| |
3. 1. تحليل نتائج الدراسة التجريبية صيفاً لدارة المضخة الحرارية |
| |
يُبيِّن الشكل (5) الحمل التبريدي للغرفة التي تم تركيب وحدة الاختبار بداخلها وعلاقته مع الإشعاع الشمسي الموجه على الجدار الخارجي للغرفة باتجاه الشرق [12,13]. |
| |
 |
| |
الشكل (5) الحمل التبريد للغرفة مع الإشعاع الشمسي |
| |
يُبيِّن الشكل (6) الاستطاعة المطلوبة للمضخة الجيوحرارية لتكييف الغرفة خلال يوم واحد من التشغيل من الصباح إلى المساء، وفقًا لحمل التبريد المحسوب للغرفة والذي يختلف باختلاف الإشعاع الشمسي. من الواضح أنَّ الاستطاعة المقدَّمة من المضخة الجيوحرارية غير كافية للغرفة المكيفة في وقت الذروة من الساعة الثانية إلى الرابعة تقريباً ويعود ذلك إلى أنَّ المبادل الصفائحي المستخدم غير كافٍ لتحقيق التبادل الحراري اللازم ولكن يتم قبول هذه النتيجة كونها تغطي الاستطاعة المطلوبة بنسبة أعلى من 95%
|
| |
 |
| |
الشكل (6) استطاعة المضخة الجيوحرارية مقارنة بحمل الغرفة |
| |
يُبيِّن الشكل (7) درجة حرارة وسيط التبريد R22 عند مدخل الضاغط (t1) فمن الواضح أن هناك زيادة تسخين عند مخرج المبخر تتراوح من (1-26)oC ومن ثُمَّ ، يدخل وسيط التبريد إلى الضاغط في حالة بخار محمص وبدون قطرات من سائل وسيط التبريد، مما يحمي الضاغط من التلف، تُصمم الشركات المصنعة لمكيفات الهواء بأن تكون درجة حرارة التبخر حوالي (5-7)oC ومن ثُمَّ تكون زيادة التسخين ∆t_h=t_1-t_o |
| |
يُبيِّن أيضاً درجة حرارة وسيط التبريد R22 عند مخرج المكثف (t3) من الواضح أن درجة حرارة تكاثف وسيط التبريد 40oC، بمقارنة t3 مع .مقدار زيادة التبريد المُبيَّن في الشكل (6) |
| |
حيث إنَّ زيادة التبريد ∆t_c=t_c-t_3. |
| |
 |
| |
الشكل (7) درجات الحرارة عند مدخل الضاغط ومخرج المكثف |
| |
يُبيِّن الشكل (8) زيادة التبريد في المكثف أثناء تشغيل المضخة الجيوحرارية ونلاحظ انخفاض قيمته إلى ∆t_c=-1^o C في عدة نقاط تشغيل. ويدلُّ هذا إلى أنَّ وسيط التبريد لا يتكاثف كلياً أثناء مروره عبر المبادل الصفائحي ويعود ذلك إلى الكفاءة المنخفضة لهذا المبادل. وتجدر الإشارة أيضاً إلى أنَّ قيمة زيادة التبريد تصل إلى 〖25〗^o C ، وهو أمر إيجابي يُؤدِّي إلى ارتفاع معامل أداء الدارة. يُبيِّن الشكل أيضًا مقدار كسر الجفاف عند مدخل المبخر، وتتراوح قيمته بين 0-56٪، ويرتبط بقيمة زيادة التبريد، فكلما انخفض كسر الجفاف، زادت الإنتاجية التبريدية التي نحصل عليها. عندما يكون كسر الجفاف مساويًا للصفر، فهذا يعني أنَّ كل كمية وسيط التبريد التي تدخل المبخر تكون في حالتها السائلة وهي أفضل حالة ممكنة. |
| |
 |
| |
الشكل (8) زيادة التبريد في المكثف وكسر الجفاف عند مدخل المبخر |
| |
يُبيِّن الشكلان (9)، (10) العلاقة بين الاستطاعة التبريدية للمضخة الجيوحرارية واستطاعة (استجابة) المبادل الجيوحراري أثناء التشغيل. من الملاحظ أنَّ الحدَّ الأدنى والحد الأقصى لقيمة الاستطاعة متساويان، ولكن مع تأخر زمني (فرق في الصفحة) قدره 214 ثانية. يُوضِّح الشكل أيضاً أنَّ طول موجة العمل يبلغ 592 ثانية. |
| |
 |
| |
الشكل (9) استطاعة المضخة الجيوحرارية واستطاعة المبادل صيفاً |
| |
 |
| |
الشكل (10) استجابة المبادل الجيوحراري الحلزوني |
| |
يُبيِّن الشكل (11) معامل أداء المضخة الجيوحرارية أثناء التشغيل. من الملاحظ أنَّ متوسط قيمته هو 3.5، وهو أكثر من متوسط قيمة معامل الأداء لمضخة حرارية ذات المكثف الهوائي، والذي يبلغ حوالي 2.6 [15] بسبب انخفاض درجة حرارة التكاثف في المبادل الجيوحراري مقارنة بالمكثف المبرد بالهواء. تتحقق القيمة القصوى لمعامل الأداء عندما تكون زيادة التبريد عند أكبر قيمة لها |
| |
 |
| |
الشكل (11) معامل الأداء صيفاً للمضخة الجيوحرارية كتابع للزمن |
| |
|
| |
|
| |
3. 2. تحليل نتائج الدراسة التجريبية شتاءً لدارة المضخة الحرارية |
| |
يُبيِّن الشكل (12) تمثيل نقاط دورة المضخة الجيوحرارية على مخطط الفريون R22 للتجربة والقراءات التي تم تحصيلها ومن الملاحظ أنَّ وسيط التبريد لا يتكاثف بشكل كامل ونقاط الدورة الحرارية لا تصل لمنطقة السائل المشبع ولا يتحقق أي زيادة تبريد وذلك لأنَّ الدارة الاختبارية صممت وحسبت لفصل الصيف ومن المعلوم أنَّ الحمل الحراري في سورية أقل من الحمل التبريدي وبذلك كانت كمية الحرارة المقدمة للمكان كافية لتدفئته شتاءً. |
| |
 |
| |
الشكل (12) تمثيل نقاط دورة المضخة الجيوحرارية شتاءً على مخطط الفريون R22 [14] |
| |
يُبيِّن الشكل (13) مقدار كسر الجفاف عند مدخل المبخر، وتتراوح قيمته بين 33-38٪، وهي قيم مستقرة لكنها منخفضة نسبياً حيث لا تصل الدورة الحرارية لحدود السائل المشبع ولا يوجد أيُّ زيادة تبريد كما هو مُوضَّح بالشكل (13) وذلك بسبب تحقيق الاستطاعة المطلوبة لتغطية الحمل الحراري للمكان. |
| |
 |
| |
الشكل (13) كسر الجفاف عند مدخل المبخر شتاءً |
| |
يُبيِّن الشكل (14) العلاقة بين استطاعة المضخة الجيوحرارية واستطاعة (استجابة) المبادل الجيوحراري أثناء التشغيل. من الملاحظ أنَّ الحد الأدنى والحد الأقصى لقيمة الاستطاعة متساويان، ولكن مع تأخر زمني (فرق في الصفحة (ومن الملاحظ وجود استقرار أكبر في الأداء خلال فصل الشتاء مقارنة بفصل الصيف والسبب أنَّ استطاعة المكيف أكبر من كمية الحرارة اللازمة لتغطية الحمل الحراري شتاءً. |
| |
 |
| |
الشكل (14) استطاعة المضخة الجيوحرارية واستطاعة المبادل صيفاً |
| |
يُبيِّن الشكل (15) معامل أداء المضخة الجيوحرارية أثناء التشغيل. من الملاحظ أنَّ متوسط قيمته هو 2.33 وهو أقل من متوسط قيمة معامل الأداء للمضخة الحرارية ذات المكثف الهوائي، والذي يبلغ حوالي2.8 بسبب انخفاض قيمة الحمل الحراري شتاء وثبات عمل الضاغط في المكيف كونه من النوع ثابت الاستطاعة Constant Compressor وفي حال اكتمال الدورة الحرارية (أي تركيب مضخة جيوحرارية لتغطية مساحة أكبر) يتضاعف معامل الأداء ليصل إلى قيمة 4.7 تقريباً ومن الممكن استخدام ضاغط متغير السرعة Inverter Compressor للحصول على القيمة الحقيقية لمعامل الأداء. |
| |
 |
| |
الشكل (15) معامل الأداء للمضخة الجيوحرارية شتاءً |
| |
|
| |
4.الاستنتاجات Discusion: |
| |
أنظمة المضخات الجيوحرارية في الجمهورية العربية السورية ملائمة جداً لحالة التدفئة وتوفر في الاستطاعة الكهربائية المستجرة. |
| |
يمكن استخدام المضخة الجيوحرارية لتسخين المياه أيضاً بالإضافة لتغطية الحمل الحراري كون الاستطاعة المطلوبة للتكييف أكبر منها في حالة التدفئة |
| |
يمكن استخدام أنابيب PEX بدلاً من البولي إيريثان عالي الكثافة لتنفيذ المبادلات الجيوحرارية لما تتمتع به من سهولة في تشكيل المبادل مع فعالية في نقل الحرارة من وإلى التربة. |
| |
المضخة الحرارية الأرضية لها قيم معامل أداء أعلى مقارنة بالمضخة الحرارية ذات المنبع الهوائي ويكون معامل الأداء أعلى بمقدار 34% صيفاً و 67% شتاءً. |
| |
يكون مقدار الوفر الطاقي في الاستجرار الكهربائي حوالي 33% بالمقارنة مع المضخة الحرارية التقليدية ذات المنبع الهوائي وبالتالي التقليل من انبعاثات غاز co2. |
| |
إنَّ المبادل الجيوحراري المطلوب صيفاً أكبر من المبادل اللازم شتاءً وفق الشروط المناخية وشروط التربة في مدينة دمشق ومن ثُمَّ يجب العناية باختيار عناصر التحكم بالاستطاعة في الدارة. |
| |
الاعتماد على ضواغط من نوع Inverter بدلاً من الضواغط ذات الاستطاعة الثابتة. |
| |
الاعتماد على مضخة ماء متغيرة السرعة للتحكم بتدفق الماء ضمن المبادل الجيوحراري. |
| |
الاعتماد على صمام تمدد عوضاً عن الأنبوبة الشعرية ضمن دارة المضخة الجيوحرارية. |
| |
. |
| |
References
[1] RETScreen International, Clean Energy Decision Support Centre, GROUND SOURCE HEAT PUMP PROJECT ANALYSIS,2005
[2] jay Egg, Greg Cunniff, Carl D. Orio, Modern Geothermal HVAC engineering and control applications, 2013
[3] ASHRAE. (2007). GEOTHERMAL ENERGY Chapter 32 In APPLICATION HANDBOOK
[4] Energy Saving Trust, Domestic Ground Source Heat Pumps: Design and installation of closed-loop systems, 2007
[5] James E. Bose, Air Innovations Conference, 2005
[6] V.R. Tarnawski, W.H. Leong, T. Momose Y. Hamada, Analysis of ground source heat pumps with horizontal ground heat exchangers for northern Japan, 2007.
[7] CHIASSON, A. D. (1999). ADVANCES IN MODELING OF GROUND SOURCE HEAT PUMP. MASTER of SCIENCE, Oklahoma State University, USA
[8] Nabiha Naili, Majdi Hazami, Issam Attar, Abdelhamid Farhat. "In-field performance analysis of ground source cooling system with horizontal ground heat exchanger in Tunisia", Energy, 2013
[9] McQuay air conditioning. (2008). Geothermal Heat Pump Design Manual. (1st ed). McQuay International.
[10] www.geographyiq.com
[11] Marija Lazova, Henk Huisseune, Alihan Kaya, Steven Lecompte, George Kosmadakis and Michel De Paepe,Performance Evaluation of a Helical Coil Heat Exchanger Working under Supercritical Conditions in a Solar Organic Rankine Cycle Installation, 2016
[12] ASHRAE. (2014). Residential Cooling and Heating Load Calculations Chapter 17 In FUNDAMENTALS HANDBOOK
[13] Hourly Analysis Program V: 5.1, Computer software Carrier company
[14] ASHRAE. (2013). THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF REFRIGERANTS Chapter 30 In FUNDAMENTALS HANDBOOK
[15] LG Split Ac Datasheet
[16] Naimeh, Amayri, Designing a Geothermal Helical Exchanger According to Damascus Climate’s Conditions, 2020
[17] FRANK P. INCROPERA, DAVID P. DEWITT, THEODORE L. BERGMAN, ADRIENNE S. LAVINE, Fundamentals of heat and m
ass transfer, 2007
|
|
|
| |
    |
| |
|
| |
|
