تحقیق مقاله سیستم گرمایش و ذوب برف بر اساس پمپ حرارتی زمین گرمایی در فرودگاه گولنیو لهستان

خلاصه:

طراحی یک سیستم گرمایش و ذوب برف در فرودگاه GolenioW در کشور لهستان هدف این مقا له می‌باشد. سیستم بر اساس کار کرد و استفاده  از انرژی زمین گرمایی در منطقه  Sziciecin نزدیک به شهر Goleniow طراحی شده است. در این منطقه آب زمین گرمایی در محدوده دمایی 40 تا 90 درجه سانتیگراد یافت می‌شود. مبنای طراحی سیستم استفاده از هیت پمپ هایی می‌باشد که گرما را از آب گرم 40 تا 60 درجه سانتیگراد جذب می‌کنند. برای درک عملکرد چیدمان پمپ حرارتی مختلف در یک سیستم گرمایی برای سیال زمین گرمایی  40 oc مقایسه هایی به عمل آمده است. برای منطقه مورد نظر محاسبات جریان سیال و محاسبات گرمایش موجود می‌باشد.

سیستم دیواره های پخش گرما شامل یک دبی سنج مبدل حرارتی زمین گرمایی و پمپ حرارتی (که به طور الکتریکی کار می‌کند) می‌باشد. اگر سیستم با یک اوپراتور که مستقیماً بعد از مبدل حرارتی زمین گرمایی نصب شده است کار کند سیم نوع  I  و اگر با اوپراتوری که بطور غیرمستقیم روی شبکه برگشت آب نصب شده است کار کند سیتم نوع  I I و اگر شامل یک منبع حرارتی معمولی با یک دیگ گازی (که می‌توانند با هم با یک مبدل حرارتی زمین گرمایی کار کنند) سیستم نوع  I I I  می‌باشد.

منطقه گرمایش توسط یک سیستم توزیع (شامل اتصالات موازی) گرما را بین مصرف کنندگان با احتیاجات مختلف توزیع می‌کند.در اولین مصرف کننده (سیستم گرمایش با رادیاتور دما پایین) محاسبات در دو حالت کاری متفاوت انجام می‌شود. در اولین حالت دمای آب خروجی و ورودی تابعی از دمای هوای بیرون می‌باشد. در دومین حالت دمای آب خروجی و ورودی به دمای بیرون بستگی ندارد و ثابت فرض می‌شود. دومین مصرف کننده یک سیستم تهویه وآب گرم مصرفی است که آب شبکه را با دمای ثابت در طول سال به حرکت در می‌آورد. نوع سوم استفاده یک سیستم ذوب برف است.

که در محدوده دمایی  3oc تا– 16 oc  با تأمین گرماهای متفاوت در دو حالت ذوب برف و در جا کارکردن، عمل می‌کند.گرمای ناشی از زمین در این سیستم توسط مبدل حرارتی تامین می‌شود.

هر یک  از سه سیستم فوق الذکردر این مقاله مورد نظر می‌باشند و توسط دیاگرام شماتیکی مربوطه  کاربرد انرژی زمین گرمایی، الکتریکی و انرژی کسب شده توسط دیگ گازی را شرح می‌دهد معرفی می‌شوند.

در  سیستم های گرمایی، هیت پمپ مستقیم از هیت پمپ غیر مستقیم اقتصادی تر و موثرتر می‌باشد. با کنترل هدفمند وبا استفاده از یک حسگر برف در یک سیستم ذوب برف مقدار آب گرم و هزینه عملیات کاهش می‌یابد.

معرفی

متاسفانه اخیراً  همه احتیاجات سوخت لهستان برای گرمایش از سوزاندن زغال سنگ   قهوه ای تأمین می‌شود. مهمترین نتیجه سوزاندن چنین سوختهای فسیلی تخریب محیط زیست است.

برای مهار رشد سریع آلودگی محیط زیست، صاحب نظران تمایل زیادی بسمت جایگزینی منابع انرژی (بازگشت پذیر) که در میان آنها انرژی زمین گرمایی نقش مؤثری ایفاء می‌کند دارند. لهستان یک کشور غنی در منابع آب زمین گرمایی با آنتالپی متوسط می‌باشد. حجمی از این آبهای گرمایشی ، در حدود تقریباً  6500 Km3 (در سوکولوسکی) دمایی بین 30 تا 120 درجه سانتیگراد دارند.آب در محدوده دمایی  50 oc  تا  90 oc از میان سوراخهایی با عمق km 1.5 تا  3km به سطح زمین آورده می‌شوند.

کم و بیش منابع زمین گرمایی بطور یکنواخت در قسمت هایی از لهستان در حوزه یا زیر حوزه های زمین گرمایی مخصوصی که به مناطق و ایالات زمین گرمایی خاصی تعلق دارد توزیع شده اند. بهترین شرایط مناسب و دلخواه زمین گرمایی در  Podhale and  Studety, Polish Low land  می‌تواند یافت شود.با وجود چنین انرژی با پتانسیل بالا در منابع زمین گرمایی، بهره برداری گسترده از یک دهه پیش شروع شده است.

تا این زمان، آب زمین گرمایی فقط برای منظورهای استحمام درمانی مورد استفاده بوده است.  مثال هایی از ، مراکز مهمی که آب زمین گرمایی را برای درمان بیماری به کار می‌بردند Spas:

 Ladek zdroj , cieplice , ciechocink  هستند.

بین سالهای 1993 تا 2001 ، چهار سیستم گرمایی بزرگ بر اساس انرژی زمین گرمایی درلهستان ساخته و نصب شده اند.  (Banska  Nizna, Pyrzyce ,Mszczonow ,Uniejow) محاسبات طراحی پروژه بر اساس کاربرد انرژی زمین گرمایی توسط یک مبدل حرارتی و یک هیت پمپ در آرایش های متفاوت ارائه شده است.از آب گرم تولید شده برای رادیاتور وگرمایش آب معرفی و همچنین برای انتقال حرارت به منظور نصب یک سیستم ذوب برف در فرودگاه GOLENIOW استفاده خواهد شد.

این عمل امکان کاهش انتشار گازهای گلخانه ای را نسبت به سوختهای معمولی ایجاد می‌کند. ذوب یخ (برف) پیاده رو توسط آب و بخار زمین گرمایی در چندین کشور، از جمله ایسلند، ژاپن و ایالات متحده استفاده می‌شود.این تأسیسات می‌توانند شامل پیاده روها، جاده ها، سراشیبی ها، باند فرودگاه ها، میدان ها، محوطه پارگینک و پل‌ها باشند.

اغلب این کار توسط یک محلول گلیکول انجام می‌شود. آب یا بخار گرم درون لوله های زیر پیاده رو به گردش در می‌آید.این مقاله سعی دارد احتیاجات کلی طرح برای یک سیستم ذوب برف را معرفی کند و یک راه حل برای فرودگاهی که سیستم آب گرم زمین گرمایی اش توسط مبدل های حرارتی تأمین می‌شود پیشنهاد می‌کند.از فواید آشکار چنین سیستم هایی این است که احتیاج به برف روبی از بین می‌رود. آرامش و راحتی بیشتر برای پیاده‌ها و وسایل نقلیه، کاهش زحمت برف روبی و شرایط کاری بهتر در فرودگاه ایجاد می‌شود.

2.هیت پمپ‌ ها در سیستم گرمایش

هیت پمپ  وسایل انتقال حرارتی هستند که به استفاده از کار یا گرمای ورودی قادر هستند که جهت نرمال انتقال حرارت را معکوس کنند و در یک دمای پایین گرما را جذب و آن را در یک دمای بالاتر دفع نمایند.هیت پمپ‌ها در طرح های گرمایش زمین گرمایی در دمای پایین برای افزایش گرمای خروجی از سیال استفاده می‌شوند، اما نقش مشخص آنها در هر طرح به دمای سیالی که مورد استفاده قرار می‌گیرد بستگی دارد.

بنابراین با سیالات دما متوسط در محدوده oc  40تا 70 oc ، گرمای خارج شده توسط مبدل اولیه تقویت می‌شود. با این وجود ، با سیالات با دمای پایین تر از  40 oc ، تقریباً مبادله گرما بصورت مستقیم مشکل و غیر ممکن می‌شود و با نصب پمپ حرارتی این کار ممکن میشود.

-2-1 قواعد اساسی

معمولی ترین هیت پمپ‌ها از نوع تراکم بخار هستند که از یک کمپرسور متحرک مکانیکی با شرح زیر استفاده می‌کنند. وقتی گاز بدون افت گرما متراکم می‌شود، دما و فشارش بخاطر کاری که توسط کمپرسور روی گاز انجام می‌شود افزایش می‌یابد ، برعکس ، وقتی گاز منبسط می‌شود، دما و فشارش کاهش می‌یابد.تبدیل مایع به گاز تبخیر نامیده می‌شود و این عمل در دمای ثابت با جذب گرما از محیط اطراف اتفاق می‌افتد.گرمای جذب شده باعث افزایش انرژی جنبشی مولکولی می‌شود.

مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل یک واحد جرم از مایع به بخار گرمای نهان تبخیر نامیده می‌شود.در یک ظرف آب جوش روی خوراک پزی وقتی که از گرمای گرفته شده از خوراک پزی به عنوان گرمای نهان تبخیر برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌شود، مایع (آب) در دمای جوش باقی می‌ماند. برای آب مقدار گرمای مورد نیاز   است.

 وقتی گاز به فاز مایع بر می‌گردد (فرآیندی شناخته شده به نام تقطیر) گرمای آزاد شده گرمای نهان تقطیر نامیده می‌شود. گرمای نهان تقطیر و گرمای نهان تبخیر برای هر سیال داده شده ای با هم برابر هستند،‌ بنابراین سیال همان اندازه گرما را در تقطیر از دست می‌دهد که در تبخیر نیاز دارد.

در هیت پمپ ، سیال عامل در یک مسیر بسته گردش می‌کند.سیال عامل در هیت پمپهای زمین گرمایی امروزه معمولاً از نوع هیدروفلروکربن  (HFC, chlorine  free)  یا یک مبرد طبیعی مانند پروپان، ایزو بوتان ،  آمونیاک یا دی اکسید کربن   است.

 مبرد یا سیال عامل با گردش در مدار مکرراً در قسمتی از سیستم منبسط و تبخیر شده و باعث سرمایش و جذب گرما می‌شود و در قسمت دیگر متراکم و تقطیر شده و باعث گرمایش و دفع گرما می شود. اثر این عمل، به حرکت در آوردن یا پمپ شدن گرما از قسمتی از سیستم که سیال تبخیر شده به قسمتی از سیستم که سیال تقطیر شده می‌باشد. شکل 1 این عمل را نشان می‌دهد.

کمپرسور با انجام کار روی گاز، دمای فشار آن را افزایش می‌دهد.گاز گرم، با فشار بالا به داخل کندانسور جاری می‌شود که در آن جا گرما  توسط کندانسور به محیط داده می‌شود و گاز تقطیر می‌شود.

سیال خروجی از کندانسور مایع خنک و با فشار بالا می‌باشد.در وسیله انبساط (شیر انبساط) فشار مایع کاهش می‌یابد . سپس مخلوط مایع و بخار فشار پایین به سمت اوپراتور جاری می‌شود. در اوپراتور، گرمای نهان تبخیر مایع، جذب شده و در نتیجه گاز فشار پایین به کمپرسور برمی گردد و سیکل کامل می‌شود.

گرمای ظاهر شده در کندانسور، مجموع گرمای جذب شده در اوپراتور و گرمای اضافه شده بوسیله کمپرسور  در طول انجام کار موتور محرک کمپرسور می‌باشد. چون تنها از برق برای راندن کمپرسور استفاده می‌شود، هیت پمپ 3 تا 4 برابر انرژی بیشتر  از مصرفش آزاد می‌کند.

- 2-2اساس و پایه آرایش (چیدمان) تجهیزات

واحدهای تولید گرما در یک ایستگاه گرمایی که توسط انرژی زمین گرمایی برای تأمین شبکه

گرمایشی یک ناحیه تغذیه می‌شود ممکن است بصورت زیر باشد:

مبدل حرارتی ابتدایی بین سیال زمین گرمایی و آب گرمایشی ناحیه

هیت پمپها

واحدهای بازیافت گرما

دیگ های گازی

از بویلرهای کمکی تنها زمانی استفاده می‌شود که گرمای مورد نیاز شبکه بیشتر از گرمای زمین باشد. در غیر این صورت تصمیم برای ساخت بویلرها و انتخاب قدرت حرارتی برای این واحدها به یک سری محاسبات بهینه اقتصادی بستگی دارد.

هیت پمپ‌ها مانند مبدل های حرارتی اولیه یا بویلرهای پشتیبان عناصر منفرد و مجردی نیستند.

دو کلاس اساسی از پیکر بندی هیت پمپها می‌توان تشخیص داد:

هیت پمپ مبدل حرارتی اولیه را برای تأمین گرمای اضافی از سیال زمین گرمایی کمک می‌کند این هیت پمپ هیت پمپ کمک کننده نامیده می‌شود. (HpA)در این آرایش هیت پمپ‌ها به طریقه ای که گرمای زمین گرمایی بیشتری را تولید کنند متصل شده اند، دو حالت استفاده از این روش اتصال اوپراتور بطور مستقیم یا غیر مستقیم می‌باشند.

دومین حالت هیت پمپ تنها  (HPO) نامیده می‌شود.این آرایش وقتی استفاده می‌شود که که دمای سیال عامل، یا آب زمین خیلی پایین باشد که فقط انتقال حرارت بسیار ناچیزی توسط انتقال حرارت ساده بدست می‌آید.

گرما بوسیله اوپراتور از سیال عامل زمین گرمایی بطور مستقیم یا در عرض یک مبدل حرارتی کمکی خارج می‌شود سپس گرما توسط کندانسور به سیستم گرمایش آزاد می‌شود. تنها مسیر انتقال حرارت از درون هیت پمپ است و هیچ گرمایی آزاد نمی شود مگر این که هیت پمپ کار کند.

هیت پمپ گرمای خارج شده را بالا می‌برد بطوری که دمای خروجی از کندانسور بالاتر از دمای تأمین زمین گرمایی است.

 -3سیستم ذوب برف (مثال ها)

 -3-1 ایسلند

در مرکز قدیمی  (Rejkjavix)ترمیم خیابانها و پیاده روها قبل از سال 1990 با لوله های ذوب برف جاسازی شده همزمان توسعه داده شد.

در حال حاضر ناحیه ذوب برف  30,000 m 2 می‌باشد و انتظار می‌رود که به  60,000 m2 توسعه یابد. در (Rejkjavix) آب گرم زمین گرمایی برای گرمایش خانه‌ها استفاده می‌شود.  قسمتی از سیستم توزیع تک لوله و قسمتی دیگر دو لوله می‌باشد.در شهرهای قدیمی یک سیستم تک لوله ای نصب شده است. آب زمین گرمایی بعد از استفاده برای گرمایش خانه‌ها در سیستم فاضلاب شهر رها می‌شود.

آب برگشتی در  32 ocمحتوای انرژی زیادی است. از زمان نو کردن جاده ها، امکان استفاده از این آب در سیستم ذوب برف تشخیص داده شد. آب برگشتی اکنون با 5 مرکز کنترل برای ذوب برف هدایت می‌شود.سیستم لوله کشی آب در مسیرهایی که مراکز را بهم متصل می‌کنند، خوابانیده شده است و آب می‌تواند به مراکز دلخواه توزیع شود.

همه لوله های ذوب برف لوله های پلاستیکی هستند بجز لوله های مرکز کنترل که از فولاد ساخته شده اند.شاه لوله آب ورودی  و آب خروجی در مراکز کنترل نصب می‌شوند و شاخه های فرعی به جعبه های شیر متصل می‌شوند و همه لوله‌ها با شیرهایی با هم ارتباط دارند.ضروری است که این شیرها به آسانی قابل دسترسی باشند بطوری که یک لوله هر وقت لازم باشد بتواند هواگیری شود. بنابراین از جعبه های شیر بتونی با صفحات پوششی چدنی در رو یا بیرونی استفاده می‌شود.(شکل 2)، بنابراین دستیابی به شیرها بدون برداشتن روکش پیاده رو ممکن است.