كتب geothermal heat exchanger

توفر المضخات الحرارية التدفئة الشتائية باستخراج الحرارة من منبع حراري ونقلها إلى مبنى. يمكن استخراج الحرارة من أي مصدر، مهما كان باردًا، لكن المصدر الأدفأ دائمًا يسمح بمردود أعلى. تستخدم المضخة الحرارية ذات المصدر الأرضي الطبقة العليا من قشرة الأرض كمنبع حراري. مستفيدةً بذلك من درجة حرارتها المعتدلة على مدى المواسم.

في الصيف، يمكن عكس العملية بحيث تستخرج المضخة الحرارية الحرارة من المبنى وتنقلها إلى الأرض. نقل الحرارة إلى مكان أبرد يستهلك طاقة أقل، لذا يستفيد المردود التبريدي للمضخة الحرارية من درجة الحرارة الجوفية الأقل.

توظّف المضخات الحرارية ذات المصادر الأرضية مبادلًا حراريًّا على تلامس مع جوف الأرض أو مع المياه الجوفية لاستخراج أو تبديد الحرارة. هذا المكون يستهلك خُمس إلى نصف كلفة النظام الكلية، وبالتالي فهو الجزء الأثقل على الميزانية عند استبداله أو إصلاحه. تقييس هذا المكون بشكل صحيح أمر ضروري لضمان الأداء طويل الأمد: يتحسن المردود الطاقي للنظام بما يقارب 4% لكل درجة مئوية (سيليسيوس) تُكسب من خلال التقييس الصحيح، ويجب المحافظة على توازن درجة الحرارة الباطنية من خلال التصميم الصحيح للنظام ككل. يمكن للتصميم غير الصحيح أن يؤدي إلى تجمد النظام بعد عدد من السنوات أو إلى أداء غير فعال للنظام؛ وبالتالي، فإن تصميم النظام بدقة أمر حاسم لنجاحه.

تتعرض المبادلات الحرارية الأفقية غير العميقة 3-8 أقدام (0.91-2.44 مترًا) لدورات درجات حرارة موسمية بسبب الربح الشمسي وضياعات النقل إلى الهواء الجوي عند مستوى سطح الأرض. تتأخر هذه الدورات وراء المواسم بسبب العطالة الحرارية، بحيث يحصد المبادل الحراري الحرارة التي أودعتها الشمس قبل عدة شهور، كما تزداد حمولته في نهاية الشتاء وفي الربيع بسبب برد الشتاء المتراكم. تعتمد الأنظمة العميقة العمودية البالغ عمقها 100-500 قدمًا (30-152 مترًا) على هجرة الحرارة من البيئة الجيولوجية المحيطة، ما لم تكن تُشحن سنويًّا بطريقة الشحن الشمسي للأرض أو الحرارة الخارجة (حرارة العادم) من أنظمة تكييف الهواء.

يوجد العديد من الخيارات للتصاميم الرئيسية لهذه الأنظمة، تصنف وفق المائع والتصميم الخارجي. تدير أنظمة التبادل المباشر وسيط التبريد تحت الأرض، تستخدم أنظمة الدارة المغلقة مزيجًا من الماء ومانع التبريد، وتستخدم أنظمة الدارة المفتوحة المياه الجوفية الطبيعية.

التبادل المباشر (دي إكس)

تعد المضخة الحرارية الجيوثيرمية بالتبادل المباشر (دي إكس) أقدم أنواع تكنولوجيا المضخات الحرارية الجيوثيرمية. يتحقق الوصل مع باطن الأرض عبر دارة واحدة، تدير وسيط التبريد، بتماس حراري مباشر مع باطن الأرض (عوضًا عن وجود دارة وسيط تبريد ودارة مائية). يغادر وسيط التبريد حجرة المضخة الحرارية، ويدور عبر دارة أنبوبية نحاسية مدفونة تحت الأرض، ويتبادل الحرارة مع باطن الأرض قبل أن يعود إلى المضخة. يشير اسم «التبادل المباشر» إلى التبادل الحراري بين دارة وسيط التبريد وباطن الأرض دون استخدام مائع وسيط. لا يوجد تفاعل مباشر بين المائع والأرض؛ فقط تبادل حراري عبر جدار الأنبوب. لا يجب الخلط بين المضخات الحرارية بالتبادل المباشر و«المضخات الحرارية ذات المصادر المائية» أو «المضخات الحرارية العاملة على دارة مائية» لعدم وجود مياه في الدارة الجوفية. تعرف الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (آشري) مصطلح المضخة الحرارية المقترنة بالأرض لتشمل أنظمة الدارة المغلقة وأنظمة التبادل المباشر، مع إقصاء أنظمة الدارة المفتوحة من هذا التعريف.

أنظمة التبادل المباشر أكثر فعالية وذات تكاليف تأسيسية أقل من أنظمة الدارة المغلقة المائية. تساهم الناقلية الحرارية العالية للنحاس في تحسين مردود النظام، لكن التدفق الحراري تحده بشكل كبير الناقلية الحرارية للأرض نفسها، وليس الأنبوب. الأسباب الرئيسية في ارتفاع المردود هي التخلص من المضخة المائية (التي تستخدم الكهرباء)، والتخلص من المبادل الحراري بين وسيط التبريد والماء (وهو من مصادر الضياعات الحرارية)، والأهم من ذلك كله، الحرارة الكامنة للتحول الطوري لوسيط التبريد في الأرض نفسها.

على كلًّ، في حال حدوث التسرب لا يوجد تقريبًا أية خطر تلوث لباطن الأرض أو المياه الجوفية. على عكس الأنظمة الجيوثيرمية ذات المصادر المائية، لا تحتوي أنظمة التبادل المباشر مانع تجمد. وبالتالي، في حال حدوث تسرب، سيتبخر وسيط التبريد المستعمل حاليًّا في معظم الأنظمة –آر-410إيه- مباشرةً نحو الغلاف الجوي. مرجوع هذا إلى درجة الغليان المنخفضة لوسيط التبريد آر-410إيه: -51 درجة مئوية سيليسيوس (-60 درجة فهرنهايت). يستبدل وسيط التبريد آر-410إيه الأحجام الكبيرة التي تشغلها خلائط مانع التجمد المستخدمة في الأنظمة الجيوثيرمية ذات المصادر المائية ولا يشكل أي تهديد للمياه الجوفية ولا للأرض نفسها.

مع أنها تحتاج كميات أكبر من وسيط التبريد وكلفة الأنابيب أعلى لواحدة الطول؛ فإن دارة التبادل المباشر أقصر من دارة الماء المغلقة لنفس السعة الحرارية. يتطلب نظام التبادل المباشر فقط 15% إلى 40% من طول الأنابيب ونصف القطر الذي تحتاجه الثقوب المحفورة، وبالتالي فإن تكلفة الحفر أقل. دارات وسيط التبريد أقل سماحية للتسريب من دارات الماء لأن الغاز يمكن أن يتسرب من خلال عيوب أو ثقوب أصغر. هذا يستوجب استعمال الأنابيب النحاسية الملحّمة، رغم أن قيم الضغط مشابهة في دارات الماء. يجب حماية الدارة النحاسية من الاهتراء في التربة الحامضية (الأسيدية) باستخدام المصعد (القطب الموجب أو الأنود) الغلفاني أو طريقة حماية مهبطية أخرى.

أجرت وكالة حماية البيئة الأمريكية مراقبة ميدانية لنظام تسخين مياه بمضخة حرارة تعمل على التبادل الأرضي المباشر في تطبيق تجاري. صرحت الوكالة بأن النظام وفر 75% من الطاقة الكهربائية الني كانت ستتطلبها وحدة تسخين مياه بالمقاومة الكهربائية. وفقًا للوكالة، إذا شُغّل النظام بقدرته الكاملة، يمكنه تفادي انبعاثات تصل إلى 7100 باوندًا من ثاني أكسيد الكربون و15 باوندًا من أكاسيد الآزوت (النتروجين) كل سنة لكل طن من قدرة الضاغط (أو 42600 باوندًا من ثاني أكسيد الكربون و90 باوندًا من أكاسيد النتروجين لنظام تقليدي بست أطنان تبريد (~21.5 كيلوواط).

في المناخات الشمالية، ورغم أن درجة حرارة الأرض أبرد، كذلك درجة حرارة المياه الواردة، ما يسمح باستبدال الأنظمة عالية المردود لمقدار طاقة أكبر من ذلك الذي كانت ستتطلبه الأنظمة المشغلة بالكهرباء أو الوقود الأحفوري. أي درجة حرارة فوق -40 درجة مئوية سيليسيوس تكفي لتبخير وسيط التبريد، ويمكن لأنظمة التبادل المباشر حصد الطاقة من الجليد؟

في المناخات الحارة جدًّا ذات التربة الجافة، تزيد إضافة جهاز تبريد مساعد كمكثف ثانٍ بين الضاغط والدارات الأرضية من المردود ويمكن أن تقلص حجم الدارة الأرضية التي يجب تركيبها.

الدارة المغلقة

معظم الأنظمة المركبة لها دارتان من جهة باطن الأرض: دارة التبريد الرئيسية محتواة في حجرة الخدمات حيث تتبادل الحرارة مع دارة مائية ثانوية مدفونة تحت الأرض. الدارة الثانية تصنع عادةً من أنبوب بولي إيثيلين وتحتوي مزيجًا من الماء ومانع التجمد (بروبلين غليكول أو كحول منزوع الطعم أو ميثانول). للمونوبروبيلين غليكول أقل احتمال لإحداث الضرر عند تسربه إلى جوف الأرض، ولذلك فهو مانع التجمد الوحيد المسموح به في عدد من الدول الأوروبية.