سيستم گرمايش و ذوب برف بر اساس پمپ حرارتي زمين گرمايي در فرودگاه گولنيو لهستان

خلاصه:
طراحي يك سيستم گرمايش و ذوب برف در فرودگاه GolenioW در كشور لهستان هدف اين مقا له مي‌باشد. سيستم بر اساس كار كرد و استفاده از انرژي زمين گرمايي در منطقة Sziciecin نزديك به شهر Goleniow طراحي شده است. در اين منطقه آب زمين گرمايي در محدودة دمايي ۴۰ تا ۹۰ درجه سانتيگراد يافت مي‌شود. مبناي طراحي سيستم استفاده از هیت پمپ هايي مي‌باشد كه گرما را از آب گرم ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتيگراد جذب مي‌كنند. براي درك عملكرد چيدمان پمپ حرارتي مختلف در يك سيستم گرمايي براي سيال زمين گرمايي ۴۰ oc مقايسه هايي به عمل آمده است. براي منطقه مورد نظر محاسبات جريان سيال و محاسبات گرمايش موجود مي‌باشد.

سيستم ديواره هاي پخش گرما شامل يك دبی سنج مبدل حرارتي زمين گرمايي و پمپ حرارتي (كه به طور الكتريكي كار مي‌كند) مي‌باشد. اگر سيستم با يك اوپراتور كه مستقيماً بعد از مبدل حرارتي زمين گرمايي نصب شده است كار کند سيم نوع I و اگر با اوپراتوري كه بطور غيرمستقيم روي شبكة برگشت آب نصب شده است كار كند سيتم نوع I I و اگر شامل يك منبع حرارتي معمولي با يك ديگ گازي (كه مي‌توانند با هم با يك مبدل حرارتي زمين گرمايي كار كنند) سيستم نوع I I I مي‌باشد.

منطقه گرمايش توسط يك سيستم توزيع (شامل اتصالات موازي) گرما را بين مصرف كنندگان با احتياجات مختلف توزيع مي‌كند.در اولین مصرف کننده (سيستم گرمايش با رادياتور دما پايين) محاسبات در دو حالت كاري متفاوت انجام مي‌شود. در اولين حالت دماي آب خروجی و ورودي تابعي از دماي هوای بيرون مي‌باشد. در دومين حالت دماي آب خروجي و ورودي به دماي بيرون بستگي ندارد و ثابت فرض مي‌شود. دومین مصرف کننده يك سيستم تهويه وآب گرم مصرفی است كه آب شبكه را با دماي ثابت در طول سال به حركت در مي‌آورد. نوع سوم استفاده يك سيستم ذوب برف است.
كه در محدوده دمايي ۳oc تا– ۱۶ oc با تأمين گرماهاي متفاوت در دو حالت ذوب برف و در جا كاركردن، عمل مي‌كند.گرماي ناشي از زمين در اين سيستم توسط مبدل حرارتي تامين مي‌شود.

هر يك از سه سيستم فوق الذكردر اين مقاله مورد نظر مي‌باشند و توسط دياگرام شماتیكي مربوطه كاربرد انرژي زمين گرمايي، الكتريكي و انرژي كسب شده توسط ديگ گازي را شرح مي‌دهد معرفي مي‌شوند.

در سيستم هاي گرمايي، هيت پمپ مستقيم از هيت پمپ غير مستقيم اقتصـــادي تر و موثرتر مي‌باشد. با كنترل هدفمند وبا استفاده از يك حسگر برف در يك سيستم ذوب برف مقدار آب گرم و هزينه عمليات كاهش مي‌يابد.

معرفي
متاسفانه اخيراً همه احتياجات سوخت لهستان براي گرمايش از سوزاندن زغال سنگ قهوه اي تأمين مي‌شود. مهمترين نتيجه سوزاندن چنين سوختهاي فسیلي تخريب محيط زيست است.

براي مهار رشد سريع آلودگي محيط زيست، صاحب نظران تمايل زيادي بسمت جايگزيني منابع انرژي (بازگشت پذير) كه در ميان آنها انرژي زمين گرمايي نقش مؤثري ايفاء مي‌كند دارند. لهستان يك كشور غني در منابع آب زمين گرمايي با آنتالپي متوسط مي‌باشد. حجمي از اين آبهاي گرمايشي ، در حدود تقريباً ۶۵۰۰ Km3 (در سوكولوسكي) دمايي بين ۳۰ تا ۱۲۰ درجه سانتيگراد دارند.آب در محدودة دمايي ۵۰ oc تا ۹۰ oc از ميان سوراخهايي با عمق km 1.5 تا ۳km به سطح زمين آورده مي‌شوند.

كم و بيش منابع زمين گرمايي بطور يكنواخت در قسمت هایي از لهستان در حوزه يا زير حوزه هاي زمين گرمايي مخصوصي كه به مناطق و ايالات زمين گرمايي خاصي تعلق دارد توزيع شده اند. بهترين شرايط مناسب و دلخواه زمين گرمايي در Podhale and Studety, Polish Low land مي‌تواند يافت شود.با وجود چنين انرژي با پتانسيل بالا در منابع زمين گرمايي، بهره برداري گسترده از يك دهه پيش شروع شده است.
تا اين زمان، آب زمين گرمايي فقط براي منظورهاي استحمام درماني مورد استفاده بوده است. مثال هايي از ، مراكز مهمي كه آب زمين گرمايي را براي درمان بيماري به كار مي‌بردند Spas:

Ladek zdroj , cieplice , ciechocink هستند.
بين سالهای ۱۹۹۳ تا ۲۰۰۱ ، چهار سيستم گرمايي بزرگ بر اساس انرژي زمين گرمايي درلهستان ساخته و نصب شده اند. (Banska Nizna, Pyrzyce ,Mszczonow ,Uniejow) محاسبات طراحي پروژه بر اساس كاربرد انرژي زمين گرمايي توسط يك مبدل حرارتي و يك هيت پمپ در آرايش هاي متفاوت ارائه شده است.از آب گرم توليد شده براي رادياتور وگرمايش آب معرفي و همچنين براي انتقال حرارت به منظور نصب يك سيستم ذوب برف در فرودگاه GOLENIOW استفاده خواهد شد.

اين عمل امكان كاهش انتشار گازهاي گلخانه اي را نسبت به سوختهاي معمولي ايجاد مي‌كند. ذوب يخ (برف) پياده رو توسط آب و بخار زمين گرمايي در چندين كشور، از جمله ايسلند، ژاپن و ايالات متحده استفاده مي‌شود.اين تأسيسات مي‌توانند شامل پياده روها، جاده ها، سراشيبي ها، باند فرودگاه ها، ميدان ها، محوطه پارگينك و پل‌ها باشند.

اغلب اين كار توسط يك محلول گليكول انجام مي‌شود. آب يا بخار گرم درون لوله هاي زیر پياده رو به گردش در مي‌آيد.اين مقاله سعي دارد احتياجات كلي طرح براي يك سيستم ذوب برف را معرفي كند و يك راه حل براي فرودگاهي كه سيستم آب گرم زمين گرمايي اش توسط مبدل هاي حرارتي تأمين مي‌شود پيشنهاد مي‌كند.از فوايد آشكار چنين سيستم هايي اين است كه احتياج به برف روبي از بين مي‌رود. آرامش و راحتي بيشتر براي پياده‌ها و وسايل نقليه، كاهش زحمت برف روبي و شرايط كاري بهتر در فرودگاه ايجاد مي‌شود.

۲٫هيت پمپ‌ها در سيستم گرمايش
هيت پمپ وسايل انتقال حرارتي هستند كه به استفاده از كار يا گرماي ورودي قادر هستند كه جهت نرمال انتقال حرارت را معكوس كنند و در يك دماي پايين گرما را جذب و آن را در يك دماي بالاتر دفع نمايند.هيت پمپ‌ها در طرح هاي گرمايش زمين گرمايي در دماي پايين براي افزايش گرماي خروجي از سيال استفاده مي‌شوند، اما نقش مشخص آنها در هر طرح به دماي سيالي كه مورد استفاده قرار مي‌گيرد بستگي دارد.

بنابراين با سيالات دما متوسط در محدوده oc 40تا ۷۰ oc ، گرماي خارج شده توسط مبدل اوليه تقويت مي‌شود. با اين وجود ، با سيالات با دماي پايين تر از ۴۰ oc ، تقريباً مبادله گرما بصورت مستقيم مشكل و غير ممكن مي‌شود و با نصب پمپ حرارتی این کار ممکن میشود.
-۲-۱ قواعد اساسي

معمولي ترين هيت پمپ‌ها از نوع تراكم بخار هستند كه از يك كمپرسور متحرك مكانيكي با شرح زير استفاده مي‌کنند. وقتي گاز بدون افت گرما متراكم مي‌شود، دما و فشارش بخاطر كاري كه توسط كمپرسور روي گاز انجام مي‌شود افزايش مي‌يابد ، برعكس ، وقتي گاز منبسط مي‌شود، دما و فشارش كاهش مي‌يابد.تبديل مايع به گاز تبخير ناميده مي‌شود و اين عمل در دماي ثابت با جذب گرما از محيط اطراف اتفاق مي‌افتد.گرماي جذب شده باعث افزايش انرژي جنبشي مولكولي مي‌شود.

مقدار گرماي مورد نياز براي تبديل يك واحد جرم از مايع به بخار گرماي نهان تبخير ناميده مي‌شود.در يك ظرف آب جوش روي خوراك پزي وقتي كه از گرماي گرفته شده از خوراك پزي به عنوان گرماي نهان تبخير براي تبديل آب به بخار استفاده مي‌شود، مايع (آب) در دماي جوش باقي مي‌ماند. براي آب مقدار گرماي مورد نياز است.

وقتي گاز به فاز مايع بر مي‌گردد (فرآيندي شناخته شده به نام تقطير) گرماي آزاد شده گرماي نهان تقطير ناميده مي‌شود. گرماي نهان تقطير و گرماي نهان تبخير براي هر سيال داده شده اي با هم برابر هستند،‌ بنابراين سيال همان اندازه گرما را در تقطير از دست مي‌دهد كه در تبخير نياز دارد.

در هيت پمپ ، سيال عامل در يك مسير بسته گردش مي‌كند.سيال عامل در هيت پمپهاي زمين گرمايي امروزه معمولاً از نوع هيدروفلروكربن (HFC, chlorine free) يا يك مبرد طبيعي مانند پروپان، ايزو بوتان ، آمونياك يا دي اكسـيد كربن است.
مبرد يا سيال عامل با گردش در مدار مكرراً در قسمتي از سيستم منبسط و تبخير شده و باعث سرمايش و جذب گرما مي‌شود و در قسمت دیگر متراکم و تقطیر شده و باعث گرمایش و دفع گرما می شود. اثر اين عمل، به حركت در آوردن يا پمپ شدن گرما از قسمتي از سيستم كه سيال تبخير شده به قسمتي از سيستم كه سيال تقطير شده مي‌باشد. شكل ۱ اين عمل را نشان مي‌دهد.

كمپرسور با انجام كار روي گاز، دماي فشار آن را افزايش مي‌دهد.گاز گرم، با فشار بالا به داخل كندانسور جاري مي‌شود كه در آن جا گرما توسط كندانسور به محيط داده مي‌شود و گاز تقطير مي‌شود.
سيال خروجي از كندانسور مايع خنك و با فشار بالا مي‌باشد.در وسيله انبساط (شير انبساط) فشار مايع كاهش مي‌يابد . سپس مخلوط مايع و بخار فشار پايين به سمت اوپراتور جاري مي‌شود. در اوپراتور، گرماي نهان تبخير مايع، جذب شده و در نتيجه گاز فشار پايين به كمپرسور برمي گردد و سيكل كامل مي‌شود.

گرماي ظاهر شده در كندانسور، مجموع گرماي جذب شده در اوپراتور و گرماي اضافه شده بوسيله كمپرسور در طول انجام كار موتور محرك كمپرسور مي‌باشد. چون تنها از برق براي راندن كمپرسور استفاده مي‌شود، هيت پمپ ۳ تا ۴ برابر انرژي بيشتر از مصرفش آزاد مي‌كند.
– ۲-۲اساس و پايه آرايش (چيدمان) تجهيزات

واحدهاي توليد گرما در يك ايستگاه گرمايي كه توسط انرژي زمين گرمايي براي تأمين شبكه
گرمايشي يك ناحيه تغذيه مي‌شود ممكن است بصورت زير باشد:
• مبدل حرارتي ابتدايي بين سيال زمين گرمايي و آب گرمايشي ناحیه
• هيت پمپها
• واحدهاي بازيافت گرما
• ديگ هاي گازي
از بويلرهاي كمكي تنها زماني استفاده مي‌شود كه گرماي مورد نياز شبكه بيشتر از گرماي زمين باشد. در غير اين صورت تصميم براي ساخت بويلرها و انتخاب قدرت حرارتي براي اين واحدها به يك سري محاسبات بهينه اقتصادي بستگي دارد.
هيت پمپ‌ها مانند مبدل هاي حرارتي اوليه يا بويلرهاي پشتيبان عناصر منفرد و مجردي نيستند.
دو كلاس اساسي از پيكر بندي هيت پمپها مي‌توان تشخيص داد:

• هيت پمپ مبدل حرارتي اوليه را براي تأمين گرماي اضافي از سيال زمين گرمايي كمك مي‌كند اين هيت پمپ هيت پمپ كمك كننده ناميده مي‌شود. (HpA)در اين آرايش هيت پمپ‌ها به طريقه اي كه گرماي زمين گرمايي بيشتري را توليد كنند متصل شده اند، دو حالت استفاده از اين روش اتصال اوپراتور بطور مستقيم يا غير مستقيم مي‌باشند.

• دومین حالت هيت پمپ تنها (HPO) ناميده مي‌شود.اين آرايش وقتي استفاده مي‌شود كه كه دماي سيال عامل، يا آب زمين خيلي پايين باشد كه فقط انتقال حرارت بسيار ناچيزي توسط انتقال حرارت ساده بدست مي‌آيد.

گرما بوسيله اوپراتور از سيال عامل زمين گرمايي بطور مستقيم يا در عرض يك مبدل حرارتي كمكي خارج مي‌شود سپس گرما توسط كندانسور به سيستم گرمايش آزاد مي‌شود. تنها مسير انتقال حرارت از درون هيت پمپ است و هيچ گرمايي آزاد نمي شود مگر اين كه هيت پمپ كار كند.
هيت پمپ گرماي خارج شده را بالا مي‌برد بطوري كه دماي خروجي از كندانسور بالاتر از دماي تأمين زمين گرمايي است.
-۳سيستم ذوب برف (مثال ها)

-۳-۱ ايسلند
در مركز قديمي (Rejkjavix)ترميم خيابانها و پياده روها قبل از سال ۱۹۹۰ با لوله هاي ذوب برف جاسازي شده همزمان توسعه داده شد.
در حال حاضر ناحيه ذوب برف ۳۰,۰۰۰ m 2 مي‌باشد و انتظار مي‌رود كه به ۶۰,۰۰۰ m2 توسعه یابد. در (Rejkjavix) آب گرم زمين گرمايي براي گرمايش خانه‌ها استفاده مي‌شود. قسمتي از سيستم توزيع تك لوله و قسمتي ديگر دو لوله مي‌باشد.در شهرهاي قديمي يك سيستم تك لوله اي نصب شده است. آب زمين گرمايي بعد از استفاده براي گرمايش خانه‌ها در سيستم فاضلاب شهر رها مي‌شود.

آب برگشتي در ۳۲ ocمحتواي انرژي زيادي است. از زمان نو كردن جاده ها، امکان استفاده از اين آب در سيستم ذوب برف تشخيص داده شد. آب برگشتي اكنون با ۵ مركز كنترل براي ذوب برف هدايت مي‌شود.سيستم لوله كشي آب در مسيرهايي كه مراكز را بهم متصل مي‌كنند، خوابانيده شده است و آب مي‌تواند به مراكز دلخواه توزيع شود.
همه لوله هاي ذوب برف لوله هاي پلاستيكي هستند بجز لوله های مركز كنترل كه از فولاد ساخته شده اند.شاه لوله آب ورودی و آب خروجی در مراكز كنترل نصب مي‌شوند و شاخه هاي فرعي به جعبه هاي شير متصل مي‌شوند و همه لوله‌ها با شيرهايي با هم ارتباط دارند.ضروری است كه اين شيرها به آساني قابل دسترسي باشند بطوري كه يك لوله هر وقت لازم باشد بتواند هواگيري شود. بنابراين از جعبه هاي شير بتوني با صفحات پوششي چدني در رو يا بيروني استفاده مي‌شود.(شكل ۲)، بنابراين دستيابي به شيرها بدون برداشتن روكش پياده رو ممكن است.

سيستم لوله از نوع برگشت ـ معكوس است كه تعادل فشار را حفظ مي‌كند. همه لوله هاي ذوب برف طول معادلشان ۲۸۰ m مي‌باشد فاصله بين لوله‌ها ۰٫۲۵ m است. بهترین حالت براي ذوب برف بيشتر با فاصله كم بين لوله‌ها ( ۰٫۲m) به تحقق مي‌پيوندد. لوله‌ها در شن مخصوص زير يك پیاده رو جاسازي شده اند. در جاده هاي با ترافيك بالا بخاطر وزن ناشي از ماشين ها، لوله‌ها در لايه آسفالت خوابانيده مي‌شوند.

– ۳-۲ژاپن
در سيستم ذوب برف Gaia از مبدل حرارتي هم محور (DCHE ) Downhole براي خروج گرما از زمين استفاده مي‌شود. در اين سيستم آب سرد به سمت پايين از درون لوله هايي كه عايق شده اند مي‌رود و آب گرم براي تبادل حرارت به سمت بالا مي‌آيد.اولين سيستم ذوب برف Gaia در Ninohe نصب شدکه شهری در ۵۰۰km شمال Tokyo مي‌باشد که بطور موفقیت آميزي عمل مي‌كرد. ميانگين پايين ترين دما براي ماه January در اين شهر -۷٫۱ oc است.بارش ساليانه در زمستان ۱۹۹۵/۹۶ ، ۲٫۹m بوده است.
به منظور جلوگيري از سر خوردن ماشينها اين سيستم در يك مسير با شيب ۹% نصب گريد. منطقه پوشيده شده بوسيله سيستم ذوب برف ۴ متر عرض و ۶۵ متر طول دارد كه يك مسافت كلي ۲۶۶m2 را پوشش مي‌دهد. لوله هاي گرمايي در بتون و آسفالت پياده رو در عمق ۱۰cm و فواصل ۲۰cm از همديگر نصب شده اند.مواد زير جاده شامل تخت سنگ شني مي‌باشد و دماي زمين oc 22.5 در عمق ۱۵۰m است.
سه عدد DCHE كه قطر خارجي هر يك ۱۵۰M , 8.9 CM عمق وهيت پمپ ۱۵kw مورد استفاده قرار گرفته مي‌شود. در زمستان گرماي خارج شده از زمين بوسيله DCHE‌ها به هيت پمپ منتقل مي‌شود. بعداً دما بوسيله هيت پمپ افزايش مي‌يابد و انرژي گرمايي منتقل مي‌شود. در تابستان گرماي خورشيد دماي جاده را كه در آن لوله هاي گرمايي جاســازي شده است تا ۳۰-۵۰oc بالا مي‌برد. گرماي خورشيد در جاده دريافت و ذخيره مي‌شود.
اين گرما توسط اتصال DCHEها و لوله هاي گرمايي بطور مستقيم و بوسيله گردش سيال باعث گرم شدن لوله‌ها يي مي‌شود كه به داخل DCHE جاري مي‌شود و سطح زمين را خنك مي‌كند بدين طريق گرماي خورشيد در اوقات تابستاني براي استفاده در زمستان براي ذوب برف در زمين ذخيره مي‌شود.
سيستمGaia در شهر Ninohe يك كاهش ۸۴ در صدي در مصرف انرژي ساليانه در مقايسه با سيستم هايي كه از كابل هاي گرمايش الكتريكي (Morta and togo2000) استفاد مي‌كنند را نشان مي‌دهد.

-۳-۳ ايالات متحده
قديميترين سيستم ذوب برف زمين گرمايي در (oregon) Klamath Falls در سال ۱۹۴۸ توسط سازمان بزرگراه oregon نصب شد طول مقطع ۴۵۰ f t با شيب ۸% است. شبكه شامل لوله هاي آهني با قطر كه زير سطح بتون پياده رو با فاصله مركز با مركز مي‌باشد.
سيستم شبكه به چشمه زمين گرمايي با گرماي منتقل شده از يك مبدل حرارتي به يك محلول آب ـ اتيلن گليكول ۵۰-۵۰ كه در ۵۰gpm در گردش است متصل مي‌شود.
در ۱۹۹۷ تقريباً ۵۰ سال بعد از از نصب سيستم بخاطر نشت در شبكه به دليل پوسيدگي خارجي از بين رفت.در پاييز ۱۹۹۸ ، يك قرارداد براي ترميم پل و محوطه بزرگراه با جايگزيني شبكه سيستم گرمايش صادر شد.
خارجی ترین لايه بتون روي پل بوسيله hydro blastiring برداشته شده و يك روكش فشرده شده سنگي جديد جايگزين آن مي‌شود.يك لوله پلي بوتيلن براي شبكه استفاده شده است كه در مسير دوگانه به فاصله تا از هم خوابانيده شده اند.