پیمانکار رتبه یک تاسیسات

نیروگاه های هسته ای-تولید انرژی پاک از طریق نیروگاه های هسته ای در آمریکا
1397-03-22
حفاظت تجهیزات الکتریکی-نکات مهم برای انتخاب ادوات حفاظتی مناسب
1397-03-24
Show all

مصرف انرژی-آنالیز مصرف انرژی سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی با بهره گیری از انرژی خورشیدی

آنالیز مصرف انرژی سیستم پمپ حرارتی زمین گرمایی با بهره گیری از انرژی خورشیدی

گردآورنده: حسین حاجی زین العابدینی
خرداد ماه 97

 

مصرف انرژی

مصرف انرژی

 

مقدمه

در این مقاله با توجه به کاهش منابع آب های زیرزمینی در شمال کانادا، تجزیه و تحلیل و پیاده سازی پمپ های حرارتی زمین گرما (GSHP) همراه با کالکتور خورشیدی لوله خلاء ارائه شده است. مصرف سالیانه انرژی، هزینه بهره برداری، مصرف، نگهداری شبکه، انتشار گاز گلخانه ای و عوامل اقتصادی، سیستم GSHP کمکی خورشیدی با بسیاری از پمپ های حرارتی سنتی، جهت گرمایش و سرمایش فضا، سیستم آب گرم خانگی برای ساختمان و آپارتمان هایی که در شهر وایت هورس آمریکا و یلو نایف-نورث ترن استرالیا قرار دارند مقایسه شده اند در هر دو منطقه مقدار صرفه جویی سیستم کمک گرمایشی GSHP در مقایسه با سیستم های گرمایش سنتی ارائه شده است نشان داده می شود که این روش برای غلبه بر بی تعادلی انرژی سالیانه زمین و کاهش عمق سفره های زیر زمینی موفقیت آمیز بوده است.

اگرچه با کمک سیستم های پمپ های حرارتی( HP )، استفاده از منابع انرژی جهت گرمایش فضا از سوخت فسیلی به الکتریسته تغییر یافته است، سیستم گرمایش خورشیدی با سیستم گرمایش سنتی برای کمک به حداقل رساندن هزینه انرژی جهت تامین گرمایش فضا در تعامل هستند. هزینه بالای مربوط به پیاده سازی سیستم GSHP که با سیستم گرمایشی سنتی ترکیب شده دارای توجیه اقتصادی است. همچنین برای مناطقی که امنیت انرژی از اهمیت بالایی برخوردار است صرفه جویی در مصرف انرژی با این سیستم می تواند تاثیر اساسی داشته باشد.

 

متدولوژی و شبیه سازی

برای مدلسازی و تحلیل مصرف انرژی با کمک نرم شبیه سازی افزار ترنسیس، آپارتمان 32 واحدی در نظر گرفته شده است. شکل و ابعاد آپارتمان از مدلهای نمونه DOE گرفته شده است ساختمانها بر اساس شرایط آب و هوایی مربوطه طراحی شده اند. آپارتمان دارای 4 طبقه است و هر طبقه دارای 8 سوییت آپارتمان است و در هر طبقه یک راهرو وجود دارد. مساحت سطح گرمایش از کف آپارتمان مذکور 3.135 متر مربع است و سطح اشغال شده و عبور مرور 789 متر مربع می باشد. الگو و پلان آپارتمان در شکل زیر قابل مشاهده است. شرایط آسایش داخلی سوئیت آپارتمان ها شامل هوا با درجه حررات بین 21 و 23 درجه سانتی گراد و میزان رطوبت نسبی بالای 30% است. در حدود 33 لیتر هوای تازه در فضای داخلی هر آپارتمان با تاثیر پذیری 50% از طریق دستگاه تهویه و با بازیابی گرما تزریق می شود. روشنایی، سطح اشغال شده، برنامه زمانبندی تامین انرژی و آب گرم برای ساختمان ها طبق استاندارد IEA اینوکس 42 کانادا فرض می شود.( تقریبا 184 لیتر آب داغ در هر روز برای هر سوییت آپارتمان در نظر گرفته می شود).

 

مصرف انرژی

مصرف انرژی

 

برای بررسی تاثیر انرژی گرمایی خورشیدی جهت تامین گرمایش فضا در آپارتمان و آب گرم توسط DHW در هر سوییت آپارتمان، پنج سیستم تهویه هوا و سیستم گرمایش هیدرونیک در نظر گرفته شده است.

 

 سناریوی اول: گرمایش سیستم هیدرونیک، سیستم تهویه مطبوع بصورت پکیج و سیستم DHW

هر سوئیت آپارتمان دارای یک سیستم تهویه بصورت پکیج به همراه کویل گرمایشی هیدرونیکی است .

کویلهای گرمایشی توسط دیگهای با سوخت هیدروکربنی دارای بازده  3/83 درصد تغذیه می شوند و طوری انتخاب شده اند که بار گرمایی لازم  در شرایط پیک مصرف ساختمان را تامین کنند . ظرفیت سیستم گرمایشی-سرمایشی برای تامین شرایط آسایش آپارتمان تعیین شده است. هر سوییت آپارتمانی دارای سیستم گرمایشی الکتریکی DHW 110لیتری می باشد. در هر دو منطقه، بیشترین مصرف انرژی، صرف گرمایش فضا می شود که در حدود 50% کل مصرف انرژی ساختمان است، در حالی که تامین آب گرما توسط سیستم  DHW تقریبا 15% و سرمایش فضا حداقل شامل  2%ا کل مصرف نرژی ساختمان است و نمایی از این سیستم در شکل زیر قابل مشاهده است.

 

 

مصرف انرژی

مصرف انرژی

 

سناریوی دوم: تامین سرمایش با پمپ گرمایی و DHW الکتریکی(CC ASHP)

دومین سیستمی که در نظر گرفته می شود، پمپ گرمایی جهت تامین سرمایش است (CC ASHP) و این سیستم برای تامین بارهای مختلف سرمایشی بکار می رود. CC ASHP به عنوان نمونه ای از این سیستم ها انتخاب شده است که قادر است در دماهای محیط پایین تر با کمک کمپرسورهای دور متغییر بار سرمایی مناسب را تامین کند. بازده پمپ های گرمایی رایج برای تامین سرمایش فضا اساساً در دماهای محیط پایین به شدت افت می کند و در شرایط آب و هوایی سردسیر معمولاً یک منبع گرمایشی الکتریکی کمکی لازم است. بنابراین قابلیت سیستم CC ASHP با توجه با کمپرسور دور متغییر بکار رفته در آن، می تواند بار مورد نیاز را با بازده مناسبی تامین کند و به دمای از پیش تامین شده دست یابد بدون اینکه نیازی به سیکلهای روشن و خاموش مداوم سیستم باشد.

سناریوی سوم: پمپ گرمایشی منبع زمین و الکتریکی (GSHP)DHW

سومین سیستم گرمایشی سرمایشی، پمپ گرمایی منبع زمین GSHP می باشد جایی که انرژی گرمایی نهفته در زمین از طریق تبادل حرارتی آب با هوا در پمپ گرمایی به سمت بالای زمین و  به طرف سوییت آپارتمان ها هدایت می شود. با توجه به اینکه دمای اعماق زمین ثابت است سیستم GSHP یک متد کارآمد برای تامین بار گرمایشی فضا است البته تا زمانیکه سفره های آب زیرزمینی افت شدیدی نداشته باشد و تعادل حرارتی اعماق زمین تحت تاثیر عوامل دیگیر قرار نگیرد.

 

مصرف انرژی

تخمین سایز سفره زیر زمینی برای آپارتمانی با تعداد طبقات متوسط در وایت هرس و یلو نایف در جدول 2 گزارش شده است.

مصرف انرژی

 

سناریوی چهارم: پمپ گرمایی منبع زمین و خورشیدی و سیستم DHW الکتریکی (SAGSHP)

برای غلبه بر عدم تعادل بسیار زیاد بین بارگرمایی زمین و بار سرمایشی، یک سیستم کمکی خورشیدی GSHP استفاده شده است بصورتی که انرژی گرمایی خورشیدی جمع آوری شده توسط لوله های خلاء نصب شده بر روی بام به سفره های آب زیرزمینی منتقل می شود تا سبب کاهش بی تعادلی ناشی از گرمای دفع شده و گرمای اضافه شده در سفره زیر زمینی محلی شود.

خصوصیات کاری لوله های خلاء خورشیدی با توجه به رده بندی انجام شده توسط موسسه رتبه بندی کالکتورهای مشخص شده است. شماتیکی از این سیستمها در شکل زیر نشان داده شده است.

 

مصرف انرژی

 

 

در کارهای آینده بهینه سازی این سیستم ها مانند استفاده از کلکتور صفحه به جای لوله خلاء و کاهش حجم مخزن ذخیره خورشدی مد نظر می باشد.

 سناریوی پنجم: پمپ گرمایی منبع زمین به همراه آب گرم خورشیدی با مصرف خانگی

این روش برای پیشبرد استفاده از انرژی خورشیدی جهت کاهش عدم تعادل سالانه سفره زمینی یک استراتژی خوب می باشد، پنجمین سیستم استفاده از لوله خلاء و کالکتورهای خورشیدی برای تامین قسمتی از بار حرارتی آب مصرف خانگی را پیشنهاد می کند در اینجا استفاده از سیستم GSHP سناریو 3 پیشنهاد می شود. بهره گیری از سیستم گرمایشی خورشیدی سناریو4 برای هر منطقه جهت تامین آب گرم مصرف خانگی پیشنهاد می شود. آب گرم خانگی قبل از داغ شدن در مخزن 3300 لیتری ذخیره می شود و انرژی گرمایی دریافت شده از کالکتورهای خورشیدی در مخزن   10000لیتری اول نگهداری می شوند و این انرژی زمانی که نیاز است به مخزن 3300 لیتری منتقل می شود.

 

 

مصرف انرژی

 

 

نتیجه گیری:

هر شبیه سازی با گام زمانی 5 دقیقه ای  انجام شده است و سیستم  GSHP برای مدت زمانی 5 سال شبیه سازی شده است تا تعادل گرمایشی زمین در مدت زمان قابل توجهی مورد ارزیابی قرار گیرد. نتیجه 5 سال شبیه سازی این سیستم در اینجا ارائه شده است.

انرژی، هزینه بهره برداری، انتشار GHG :

مصرف انرژی سالانه و پیک مصرف برق  و هزینه مصرف انرژی و انتشار GHG در تمام سیستم ها آنالیز و نتیجه مربوط به شهر وایت هوس  در جدول 3 و 5 و7 قابل مشاهده است. و نتایج مروبط به شهر یلونایف در جداول 4 و 6و 8 آورده شده است. COP سیستم گرمایش در جدول 3  و4 به ترتیب برای شهرهای وایت هوس و یلونایف ارائه شده است که شامل توان مصرفی کمپرسور و بار گرمایی کمکی برای تامین گرمایش فضاهای داخلی است.

 

مصرف انرژی

 

مصرف انرژی

مصرف انرژی

 

-نتیجه گیری و کارهای آینده

آنالیزی که در اینجا ارائه شده است برای معرفی پتانسیل انرژی گرمایی خورشیدی جهت غلبه بر بی تعادلی انرژی گرمایی زمین بصورت سالیانه برای سیستم های پمپ گرمایی زمینی استفاده شده در شمال کاناداست. تحلیل بر روی یک آپارتمان تازه ساز با تعداد متوسط طبقات واقع در وایت هوس و یلونایف و با رعایت حداقل الزمات بازدهی بر اساس استاندارد NEC برای ساختمان هاست.

همچنین این آنالیز شامل مقایسه مصرف انرژی سالیانه هزینه های بهره برداری سیستم سرمایشی و DHW برای هر منطقه سیستم گرمایشی فایر هیدرولیک سیستم سرمایشی گرمایشی ، پمپ گرمایشی منبع زیر زمینی ، پمپ گرمایشی خورشیدی و سیستم DHW خورشیدی می باشد.

نتایج تمامی این ها نشان می دهد که در هر دو منطقه انرژی قابل توجه هزینه  بهره برداری و انتشار GHG می تواند با سیستم پمپ گرمایشی بدست آید. استفاده از انرژی خورشیدی برای تاثیر غلبه بر نامتعادل بودن انرژی سالیانه زمین از پمپ منبع گرمایشی شرح داده شده است و همچنین انتقال گرمای سالیانه آب های زیرزمینی مثبت بوده و کمک به کاهش نیازمندی گرمایشی در حالی که کاهش سفره های زیر زمینی به اندازه 5/17% در وایت هرس و 5% در یلو نایف رسیده است.استفاده از انرژی خورشیدی برای مصارف آب خانگی به عنوان یک موضوع اقتصادی بهره وری بالای انرژی و استفاده سیستم گرمایش آن را سودمند می کند.همچنین سیستم گرمایشی و سرمایشی از نظر اقتصادی در وایت هرس نتایج خوبی داشته است. پمپ سیستم گرمایشی تاثیر کمتری دارد مخصوصا سیستم کمکی خورشیدی که در کاهش استفاده از تماس کمکی تا گرما به دلیل عدم تعادل انرژی در زمین بوده است. از منظر خطوط شبکه منبع انرژی گرمایشی به سوخت نفتی الکتریسیته  و کاهش نیاز الکتریکی در هر ساختمان شده است.

 

منابع:

1-Emmi G, Zarrella A, De Carli M, Galgaro A. An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates. Energy Conversion and Management, 2015; 106:660-675.

2- Environment Canada. National Inventory Report 1990 – 2007 – GHG Sources and Sinks in Canada. Environment Canada Greenhouse Gas Division, Ottawa, Canada, 2009.

 

یک دیدگاه