آشنایی با سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی

سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی با تأکید بیشتر بر کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در میان صاحبان خانه ها در ایالات متحده محبوب شده است. سیستم های زمین گرمایی از دهه  1940 جهت پیش گرمایش آب رایج شدند. با گذشت زمان، ترکیب فناوری های جدید و پیشرفت در سیستم های انتقال هوا، سیستم های زمین گرمایی را به عنوان یک جایگزین مناسب تجاری برای سیستم های HVAC معمولی مطرح کرده است.

سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی ، که پمپ های حرارتی منبع زمینی (GSHP  Ground Source Heat Pumps )  نیز نامیده می شوند، با تبادل گرما با زمین، امکان گرمایش و سرمایش را فراهم می کنند. این سیستم ها از این واقعیت استفاده می کنند که محدوده دمای زمین در طول سال نسبتاً ثابت باقی می ماند و از 7 درجه تا 24 درجه سانتیگراد متغیر است، بسته به فصل، زمین می تواند به عنوان منبع گرما یا سرما عمل کند.

پیاده سازی سیستم های تهویه مطبوع زمین گرمایی بین 20 تا 60 درصد در قبوض آب و برق صرفه جویی می کند. البته قابل ذکر است که این درصد در کشورهایی مثل ایران که یارانه انرژی زیادی پرداخت می کنند، صحیح نیست. همچنین، اگرچه هزینه های اولیه نصب می تواند زیاد باشد اما پس از بازگشت سرمایه اولیه، سیستم تهویه مطبوع کم مصرف برای خانه شما وجود دارد.

همه سیستم های گرمایش و گرمایش زمین گرمایی دارای چند جزء مشترک هستند. این اجزا شامل مکانیزمی برای انتقال سیال تبادل حرارت به زمین و برگشت آن، پمپ حرارتی برای حرکت سیال و یک سیستم توزیع است.
بیایید نگاهی اجمالی به هریک از این زیر سیستم ها و نقش آنها بیندازیم.

سیستم های زمین گرمایی چرخشی یا مداری

انواع سیستم های زمین گرمایی از شبکه ای از لوله های متصل به هم استفاده می کنند که به عنوان مبدل های حرارتی در زیر زمین قرار می گیرند. در زمستان ها، وقتی که هوا سرد است اما زمین گرم است، مبرد درون این سیم پیچ ها گرمای زمین را جذب کرده و آن را به ساختمان منتقل می کند. برعکس این روند در تابستانها گرما از ساختمان جذب می شود و به زمین منتقل می شود.

این سیستم حلقه به پمپ حرارتی زمین گرمایی متصل می شود که شامل کمپرسور، پمپ و یک واحد کنترل کننده هوا است. سپس این هوا با استفاده از سیستم مجاری و دریچه ها در سراسر خانه به گردش در می آید.

سیستم های زمین گرمایی با توجه به طراحی مبدل های حرارتی طبقه بندی می شوند. آنها می توانند حلقه های بسته، حلقه های باز، عمودی، افقی، حلقه های حوضچه ای یا حلقه های شل و ول باشند. در سیستم های حلقه بسته مبرد موجود در سیستم دارای مقدار ثابتی است و دائما در داخل مدار گردش می کند. اما سیستم های حلقه باز دائماً مبرد را با استفاده از منبع آب شیرین یا سفره زیرزمینی تغذیه می کنند، زیرا مبرد در این حالت غالبا آب است.

سیستم های زمین گرمایی حلقه بسته

سیستم های حلقه بسته رایج ترین نوع سیستم های زمین گرمایی هستند. آب، مخلوط با ضد یخ یا مبرد مناسب دیگر ، در داخل سیم پیچ های مبدل حرارتی استفاده می شود تا به عنوان وسیله تبادل حرارت عمل کند. نیازی به پر کردن مداوم مایع در سیستم نیست. این سیستم را می توان با توجه به جهت حلقه های مبدل حرارتی در داخل زمین تقسیم بندی کرد.

حلقه های عمودی

همانطور که مشهود است ، مبدل های حرارتی در این نوع عمودی جهت دارند. سوراخ هایی تا عمق 400 فوت حفر می شوند و لوله های U در داخل آنها قرار می گیرد. سپس چندین لوله U در حفره های مختلف متصل می شوند تا یک شبکه بسته ایجاد شود که سپس با پمپ و کمپرسور (در صورت وجود) متصل می شود.
سپس گمانه با دوغاب پر می شود تا هدایت حرارتی بهتری بین لوله های U و زمین ایجاد شود. تعداد گمانه ها ، فاصله آنها ، عمق و حجم مایع در لوله های U همه به ویژگی های خاک ، نیازهای گرمایش و سرمایش خانه ، تغییرات دما بستگی دارد.
مزیت این ترتیب این است که می توان آن را در یک سطح کوچک در مقایسه با حلقه های افقی قرار داد. این امر آن را برای صاحبان خانه های کوچک یا مدارس در مناطق مسکونی ایده آل می کند ، جایی که املاک و مستغلات اغلب می تواند یک حق بیمه باشد. اما لازم است اقدامات پیشگیرانه ای انجام شود تا گمانه ها به اندازه کافی قوی باشند که سقوط نکنند. علاوه بر این ، خاک زیرزمینی هنوز باید بتواند ساختمانها را در مجاورت خود نگه دارد.

حلقه های افقی

یک سیستم حلقه های افقی از لوله هایی تشکیل شده است که در جهت افقی در امتداد زمین قرار گرفته اند. یک سنگر کم عمق و طولانی ، عمیق تر از خط یخ زدگی ، حفر می شود و لوله های U در داخل آنها قرار می گیرد. عموماً عمق آن بین 1 تا 3 متر است. بسته به شرایط خاص ، طول می تواند تا 400 فوت باشد.

عمق می تواند تأثیر عمیقی بر ویژگی های گرمایش و سرمایش سیستم حلقه افقی داشته باشد. اگر بسیار کم عمق باشد، حلقه ها می توانند گرمای خورشید را در طول تغییر از زمستان به تابستان، زمانی که زمین هنوز نسبتاً سرد است، جذب کنند. این باعث افزایش ظرفیت گرمایش سیستم می شود. اما یک اثر نامطلوب این است که در طول ماه های زمستان، حلقه ها به دلیل مجاورت با سطح با سرعت بیشتری سرد می شوند.
این مشکل را می توان با افزایش عمق حلقه ها برطرف کرد، با افزایش هزینه نصب با صرفه جویی در انرژی جبران می شود. راه حل دیگر این است که از یک لایه بالایی حرارتی غیر رسانا در بالای حلقه ها استفاده کنید. این باعث می شود که حلقه ها تحت تأثیر خاک سطحی یا تغییرات دما قرار نگیرند.
سیستم های حلقه افقی بیشتر مناسب مناطقی هستند که زمین زیادی برای حفاری وجود دارد، مانند خانه های بزرگ مزرعه، املاک روستایی و غیره.

حلقه های نامنظم

مانند حلقه های افقی ، حلقه های slinky در جایی که باید از حلقه های افقی استفاده شود استفاده می شود ، اما فضای کافی در دسترس نیست. لوله های کویل مانند در ترانشه های کم عمق شبیه حلقه های افقی قرار می گیرند. هنگامی که این حلقه ها در پایین ترانشه قرار می گیرند با یکدیگر همپوشانی دارند. این مقدار مسافت یکسانی را برای عبور سیال در داخل لوله ها ، اما طول پوشش کوتاه شده کل سیستم فراهم می کند.

حلقه های حوضچه

از این سیستم ها در جایی استفاده می شود که آب مناسب در مجاورت آن وجود داشته باشد. حلقه ها را می توان در زیر آب غوطه ور کرد یا روی بستر بدنه قرار داد. چنین سیستمی هزینه های حفاری یا حفاری مرتبط با آن را ندارد و در صورت خرابی یا نشتی، استخراج آسان سیستم حلقه را فراهم می کند. مخزن آب باید به اندازه کافی عمیق باشد تا اثرات سطحی دما در حلقه ها تغییر نکند.

سیستم های زمین گرمایی حلقه باز

سیستم های حلقه باز ساده ترین نوع سیستم های گرمایش زمین گرمایی هستند. از لوله باز برای برداشتن آب از سفره زیرزمینی، چشمه آب گرم یا منبع آب مناسب دیگر استفاده می شود. سپس این آب از طریق مبدل های حرارتی درون پمپ حرارتی عبور می کند. سپس آب مصرف شده در همان منبع آب، در فاصله مناسب از آب مصرفی تخلیه می شود. با این حال، سیستم های حلقه باز چند چالش دارند.
باید بسیار دقت کرد تا اطمینان حاصل شود که آب ورودی به اندازه کافی تمیز است و دارای ترکیب معدنی مناسب است تا به پمپ حرارتی یا مبدل های حرارتی آسیب نرساند. مواد شیمیایی محلول یا جامدات درون آب می توانند با مواد مبدل های حرارتی واکنش نشان داده و به عنوان یک شتاب دهنده خوردگی عمل کنند. آهک می تواند در قسمت داخلی لوله ها ایجاد شود، بنابراین جریان آب را کاهش می دهد.
علاوه بر این ، مقررات زیست محیطی در برخی از نقاط مستلزم تصفیه آب خروجی قبل از تخلیه است. حتی مقررات سختگیرانه می تواند تخلیه آب را کاملاً ممنوع کند، بنابراین همه این دلایل ممکن است استفاده سیستم های حلقه بسته را ضروری کند.

مزایای سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی

مزایای ارائه شده توسط سیستم های زمین گرمایی بی شمار است. بیایید برخی از آنها را ببینیم:
    بهره وری انرژی
از  نظر کارآیی ، سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی از تهویه مطبوع  معمولی بسیار بیشتر است. دلیل اصلی این امر این است که یک سیستم پمپ حرارتی  زمین گرمایی گرما را به محیط گرم خارجی بیرون نمی زند ، بلکه آن را به یک  محیط خنک منتقل می کند.

همانطور که قبلاً نیز گفته شد ، یک سیستم  زمین گرمایی می تواند تا 50 درصد صرفه جویی انرژی داشته باشد. این می تواند  در ماه های گرم تابستان هدیه ای خدا به نظر برسد. این تا حدی به دلیل نسبت  بالای بهره وری انرژی سیستم های زمین گرمایی است که به 25 عدد می رسد ، در  حالی که در سیستم های معمولی 15 عدد است. از این رو خنک کننده زمین گرمایی  می تواند تأثیر عمده ای در قبوض تابستانی شما داشته باشد.
راحتی
یک  سیستم زمین گرمایی مانند سیستم های تهویه مطبوع معمولی قسمت های زیادی  برای مراقبت ندارد. هیچ مجاری وجود ندارد ؛ هیچ دمپر یا بلندی وجود ندارد ؛  نیازی به کنترل سوخت نیست در زمستان ها نیازی به نگهداری کوره و تابستان  ها پمپ حرارتی نیست. دو جزء اصلی سیستم های زمین گرمایی حلقه های زمین و  پمپ حرارتی هستند. حلقه های زمین درست در ابتدا نصب می شوند و بندرت نیاز  به مراقبت مجدد دارند.
    کاهش نگهداری و تعمیرات
متوسط عمر  یک کولر معمولی در حدود 10-15 سال است. اما این تنها پس از مراقبت و  نگهداری مناسب است. اگر از مراقبت مناسب HVAC غافل شوید ، طول عمر می تواندحتی کوتاهتر شود.
از طرف دیگر ، سیستم گرمایش یا سرمایش زمین گرمایی می  تواند بین 20 تا 50 سال دوام بیاورد. حداقل تعمیر و نگهداری مورد نیاز است. حلقه های زمین نیازی به بررسی دوره ای ندارند و سیستم می تواند به مدت طولانی به کار خود ادامه دهد. این به این دلیل است که یک سیستم زمین گرمایی  در تمام طول سال در معرض عناصر خشن نیست. یک سیستم تهویه مطبوع معمولی در  معرض تغییرات باد و دما ، همراه با آلاینده های مضر موجود در هوا است.