مقایسه فنی و زیست محیطی سیستم ذخیره سازی سرمایش و گرمایش 24 ساعته و سالیانه در ساختمان‌های غیرمسکونی با استفاده از لوله‌های زیرزمینی

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یک، شماره چهار، تیرماه 98

مقایسه فنی و زیست­محیطی سیستم ذخیره ­سازی سرمایش و گرمایش 24 ساعته  و سالیانه در ساختمان‌های غیرمسکونی با استفاده از لوله‌های زیرزمینی

عیسی خاکنژاد [1]

اشکان عبدالی سوسن [2] ^*

a.abdali@srbiau.ac.ir

چکیده

زمینه و هدف: با توجه به افزایش تقاضا برای ساخت ساختمان‌های با کارایی انرژی بالا، راه‌حل‌های فنی موردنیاز است تا با حداقل نمودن        مصرف انرژی، از آن­ها استفاده نمود. یکی از این  راه‌حل ها، عبارت است از ذخیره‌سازی انرژی در منابع زیرزمینی که بر اساس استفاده کوتاه­مدت یا بلند­مدت درنظر­گرفته می‌شود.

روش بررسی: در تحقیق حاضر یک بیمارستان در شهر تهران به نمایندگی از ساختمانی با نیاز انرژی حرارتی بالا موردمطالعه قرار گرفت و محاسبات حرارتی و سیالاتی برای ذخیره سرما و گرما توسط لوله‌های زیرزمینی در آن، توسط نرم‌افزار متلب شبیه‌سازی گردید و بارهای حرارتی و برودتی ساختمان توسط نرم‌افزارHAP4.5  محاسبه و در نرم‌افزار متلب وارد شد و اندازه و نحوه پاسخ سیستم­های 24 ساعته و فصلی و نیز کاهش انتشار دی­اکسید کربن مقایسه گردید.

یافته‌ها: سیستم ذخیره­ساز حرارتی، تقاضا از گرما و سرما را برای ساختمان کاهش نمی­دهد، اما با استفاده از یک ذخیره‌سازی زیرزمینی می‌توان مقدار انرژی خریداری‌شده و آسیب‌های زیست‌محیطی آن را کاهش داد.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج حاصل نشان داد، با به‌کارگیری سیستم ذخیره‌سازی 24 ساعته در طی سال، که دارای 15 خط لوله فولادی به قطر نامی  3 اینچ و به طول 600 متر که در عمق 3 متری سطح زمین قرار می‌گیرد، 67% از نیاز گرمایشی و 34% از نیاز سرمایشی را تأمین و از انتشار 127 تن دی‌اکسید کربن در سال جلوگیری می‌شود. در حالی­که سیستم ذخیره­سازی فصلی دارای 45 خط لوله با مشخصات یکسان در عمق 5 متری سطح زمین می­باشد و %98 از نیاز گرمایشی و %5/39 از نیاز سرمایشی را تأمین و از انتشار 2/169 تن دی‌اکسید کربن جلوگیری می‌کند.

واژه­های کلیدی: ذخیره‌سازی 24 ساعته، ذخیره­سازی سالیانه، لوله‌های زیرزمینی، مصرف انرژی، گازهای گلخانه‌ای.

Technical and environmental evaluation of 24-hour heating and cooling storage system for1 year in non-residential buildings using underground pipes

Isa Khaknezhad ^[3]

Ashkan Abdalisousan ^[4]*

a.abdali@srbiau.ac.ir

Abstract

Background and Objective: Considering the demands on constructing high energy performance buildings, technical solution is needed to be used for decreasing and improving the energy consumption. One of this solutions is underground energy storage that is considered based on short-term or long-term usage.

Method: In this study, a hospital in Tehran city, as a high energy performance building, was investigated. Fluid and heat transfer calculation for heat and cold storage in the building was simulated using MATLAB software for underground pipes. Also heating and cooling loads of the building was calculated by HAP4.5 software and the results were imported to MATLAB software. Then the volume and quality of the 24-hour and seasonal systems and reduction of carbon dioxide emissions were compared.

Findings: Heating storage system does not reduce the heating and cooling demand of the building, but application of an underground storage can decrease the amount of bought energy and the subsequent environmental damage.

Discussion and Conclusion: The results showed that application of a 24-hour storage system with 15 lines of steel pipes with the length of 600 m and nominal diameter of 3 inches placed in a ground depth of 3 m, yields 67% heating load and 34% cooling load and reduce CO2 emissions by 127 tons per year.  However, application of a 1-year storage system with 45 lines of steel pipes with the same specification placed in a ground depth of 5 m, yields 98% heating load and 39.5% cooling load and reduces CO2 emissions by 169.2 tons per year.

Keywords: 24-hour storage, 1-year storage, Underground pipes, Energy consumption; GHG emissions.

مقدمه

مطالبات در ساخت ساختمان‌های با کارایی انرژی بالا در بازارهای جهان در حال افزایش است. این خواسته‌ها در درجه اول توسط کشورهای اروپایی آغاز شد زیرا ازیک‌طرف اهداف سخت‌گیرانه در استانداردهای مصرف انرژی در اروپا تدوین شد و از طرف دیگر به دلیل افزایش علاقه ساکنین ساختمان برای استفاده بهینه از انرژی و محیط‌زیست، این نیاز را معرفی نمود. اندرسون در سال 2008 با استفاده از روش ذخیره چاهکی(BTES)  برای ذخیره‌سازی گرما جهت یک کارخانه ریخته‌گری، که علاوه بر مصرف زیاد برق با انرژی حرارتی تلف‌شده زیادی مواجه است، توسط 140 چاه به عمق 150 متر که به‌عنوان مبدل حرارتی بر روی توده سنگی 000 600 مترمکعبی هستند، استفاده نمود  و درنهایت بر اساس اندازه‌گیری‌های دوساله محاسبه گردید که می‌توان 3800 مگاوات ساعت انرژی اتلافی را ذخیره نمود و 2600 مگاوات ساعت یعنی 68 درصد را بازیابی نمود و مابقی اتلاف حرارتی از سیستم ذخیره‌سازی است. همچنین با ذخیره‌سازی انرژی که جایگزین سوخت فسیلی گردیده است، انتشار دی‌اکسید کربن به میزان تقریبی 1700 تن در سال کاهش یافت (1).

در سال بعد یعنی 2009، روش ذخیره‌سازی آبخوان (ATES) برای ذخیره سرما توسط پاک­سوی پیشنهاد شد تا برای استفاده در ساختمان‌های آمریکا مورداستفاده قرار گیرد که در این روش آب ولرم یا سرد ذخیره‌شده را از سنگ‌های زیرزمینی خارج و پس‌ازآن­که انرژی خود را از دست داد دوباره به زیرزمین تزریق می‌شود برای ساختمان موردمطالعه از 770مگاوات ساعت انرژی سرمایشی چیلر، 344 مگاوات آن توسط سیستم فوق تأمین شد (2).

پروژه اکوتوکس با روش BTES و پروژه مدیسین هات با روش ATES دو نمونه پروژه با استفاده از سیستم‌های ذخیره‌ساز زیرزمینی بین فصلی می‌باشد. (3). در پروژه اوتوکس که با ترکیب دو روش جمع‌آوری انرژی خورشید و ذخیره آن به‌وسیله سیستم BTES جهت تأمین گرمایش 52 خانواده که هریک در منازل به متراژ 140-160 مترمربع زندگی می‌کنند، سیستم ذخیره چاهکی، به حجم 50000 مترمکعب شامل 144  حلقه چاه حفاری‌شده به عمق 35 متر در خاک استفاده گردیده است که به‌صورت شعاعی و به فاصله 25/2 متر از یکدیگر قرار دارند که توسط دو لوله پلاستیکی به یکدیگر متصل شده‌اند و نهایتاً توسط لوله به مرکز انرژی متصل گردیده‌اند و با این سیستم به ازای هر منزل مسکونی تقریباً  5 تن سالیانه انتشار گازهای گلخانه‌ای کاهش می‌یابد. همچنین پروژه مدیسین هات با روش ATES با استفاده از سه حلقه چاه گرم و سه حلقه چاه سرد که فاصله بین گروه چاه‌های سرد و چاه‌های گرم در حدود 200 متر می‌باشد، برای ساختمانی به مساحت تقریبی 12000 مترمربع انجام گردید و درنتیجه میزان مصرف سوخت‌های فسیلی برای گرمایش و سوخت جهت تولید برق مصرفی چیلر برای سرمایش کاهش یافت و در کل تخمین زده می‌شود که سالیانه 480 تن از انتشار گازهای گلخانه‌ای از این ساختمان کاهش یابد. در نروژ امروزه تخمین زده‌شده است که حدود 13000 دستگاه پمپ‌های حرارتی زیرزمینی GSHP به ظرفیت 450 مگاوات نصب گردیده‌اند که 90 درصد این‌ها جهت استفاده در سیستم ذخیره انرژی به روش حفاری چاه با لوله‌کشی به شکل U بوده‌اند (4).

در ایران نیز کارهایی درزمینه ذخیره انرژی به انجام رسیده است. مثلاً هدف منصوری و همکاران(5) از به‌کارگیری سیستم‌های ذخیره‌سازی سرما، کاهش حداکثر نیاز انرژی الکتریکی و یکنواخت نمودن مصرف برق در سیستم تهویه مطبوع و تبرید ساختمان‌ها در طول ساعات شبانه‌روز است.

همچنین شبنم منصوری و همکاران در سال 1390 نیز یک سیستم ذخیره‌ساز سرما از نوع یخ بر روی کویل ذوب از داخل با مشخصات فنی   اجزای مخزن ذخیره‌ساز به همراه پتانسیل‌های ساخت داخل هر یک از اجزاء موردبررسی قراردادند (6). بر اساس نتایج تحلیل ترموهیدرودینامیکی مخزن ذخیره‌ساز، طراحی اجزای سازه‌ای مخزن ذخیره‌ساز با ظرفیت ذخیره‌سازی ۶۴۷ کیلووات ساعت سرمایش به انجام رسید.

خراسانی آبگرمکنی را که توسط سلول‌های خورشیدی، سیال ذخیره‌ساز درون آبگرمکن را گرم و این گرما در سیال ذخیره می‌گردد تا در زمان‌های دیگر مصرف گردد بررسی نمود (7).

در تحقیق حاضر، از زمین برای برای سرمایش و گرمایش استفاده می‌شود. همان‌طور که در مروری بر کارهای صورت گرفته مطرح شد، در ایران هنوز بر پایه روش استفاده از لوله‌های زیرزمینی،  ذخیره‌سازی انرژی حرارتی و ذخیره‌سازی انرژی بر اساس مصرف 24 ساعته، صورت نگرفته است.

مواد و روش‌ها

 روش مورداستفاده در این تحقیق، محاسبات نظری محاسباتی و برنامه‌نویسی (توسط برنامه متلب) است. برای انجام این تحقیق، یک بیمارستان به ابعاد 30×50 مترمربع در چهار طبقه با ارتفاع هر طبقه 5/3 متربه عنوان یک ساختمان با عملکرد انرژی بالا در شهر تهران موردمطالعه قرار گرفته است. برای انجام محاسبات، مدل ریاضی سیستم ذخیره‌ساز بر اساس معادلات انرژی بنا می‌گردد. سپس بارهای حرارتی و برودتی ساختمان توسط نرم‌افزارHAP4.5 با توجه به داده‌های آب‌وهوایی تهران در هر ساعت محاسبه و در نرم‌افزار متلب وارد می‌گردند. رفتار سیستم ذخیره‌ساز زیرزمینی نیز، موردمطالعه قرار گیرد. محاسبه توزیع درجه حرارت در لوله
به دست می‌آید و  پاسخ دما در زمین محاسبه می‌شود.

فرض بر این است که سیستم داخلی ساختمان، قادر به انتشار و جمع‌آوری انرژی معمول موردنیاز برای گرمایش یا سرمایش است. سیستم ذخیره انرژی، تنها منبع حرارتی‌اش، باید از انرژی ساختمان باشد. در این­صورت تعادل استخراج و بازگشت انرژی به‌منظور حفظ اثر ذخیره‌سازی تضمین شود. ذخیره‌سازی انرژی با استفاده از سیستم‌های لوله افقی در زمین متشکل از خاک­رس انجام می‌گیرد.

مدل ریاضی، سیستم به سه بخش فرعی تقسیم می‌گردد: ساختمان، لوله و زمین، که در شکل 1 نشان داده‌شده است.

مدل ساختمان (شکل2) بارهای خارجی و رفتار فضای داخلی ساختمان را پوشش می‌دهد. مدل لوله (شکل5)، محاسبه توزیع درجه حرارت در لوله‌ها را مدل می‌نماید، که به انتقال انرژی از ساختمان به زمین مربوط می‌شود. در مدل زمین(شکل6)، پاسخ دما در زمین محاسبه می‌شود. مدل‌ها به یکدیگر متصل خواهند بود و رفتار سیستم در طول زمان محاسبه‌شده و بررسی می‌گردد. برای انجام این مدل‌سازی، از معادلات انرژی حاکم بر جریان سیالات و انتقال حرارت هدایت و همرفت استفاده خواهد گردید.

بخشی از تقاضای گرمایش در ساختمان از زمین با یک پمپ حرارتی استخراج می‌گردد. اگر این گرما نتواند میزان حرارت موردنیاز را برآورده کند، یک هیتر اضافی نیز وارد مدار می‌گردد. شماتیک این سیستم در شکل3 قابل‌مشاهده است.

پمپ حرارتی تا زمانی می‌تواند گرما را از سیال در لوله‌های زیرزمینی استخراج و به ساختمان هدایت کند که درجه حرارت سیال خروجی آن‌که    به منبع زیرزمینی بازمی‌گردد، از صفر درجه سانتی‌گراد بالاتر باشد. پمپ حرارتی از انرژی الکتریکی و گرمایی زمین برای تولید انرژی استفاده می‌نماید.(روابط 1 الی14 در جدول 2)

- حرارت خروجی سرمایشی که با (q_cool) توسط یک مبدل حرارتی و کولر اضافی همانند شکل4 انجام می‌گیرد. در این سیستم، T_{E-cooling unit}و  T_{R-cooling unit}ثابت در نظر گرفته می‌شوند. درحالی‌که v_{cooling unit} متغیر است و وابسته به میزان تقاضای سرمایش است .

در ادامه، به نحوه محاسبه رسانایی بین المان‌های غیر مرزی و بین المان‌های مرزی داخلی و خارجی، پرداخته می‌شود.

- در المان مرزی داخلی، مقاومت بین سیال ولوله و همچنین مقاومت نیمه اول المان دایره‌ای مربوط به زمین، لحاظ شده‌اند که رسانایی بین آن‌ها با روابط 15 الی 23 جدول 2  محاسبه می‌شود، که در این روابط  Nu عدد نوسلت است و به عدد Re بستگی دارد. اگر عدد رینولدز از 2300 کم­تر باشد، عدد نوسلت برابر با 4 فرض می‌گردد، در غیر این صورت از روی رابطه تجربی محاسبه می‌شود (8).

- رسانایی المان‌های مرزی خارجی (معادله20) مربوط به مقاومت نیمه خارجی آخرین المان زمین به همراه مقاومت حرارتی سطح زمین است. برای محاسبه R_surface راه حل ارایه شده توسط هنریک استفاده شده است (9).

در روابط 24 الی 29  از جدول 2، به نحوه محاسبه جریان حرارتی بین المان‌های غیر مرزی و بین المان‌های مرزی داخلی و خارجی، پرداخته شده است.

-تغییر درجه حرارت در هر المان، با توجه به تغییر انرژی داخلی و ظرفیت گرمایی در آن المان ارتباط دارد (برای هر مرحله زمانی). تغییر در درجه حرارت برای المان j ام با معادله 30و31 محاسبه می‌شود.

- نحوه تعامل بین ساختمان، لوله و زمین: مدل‌های ساختمان، لوله و زمین هم با استفاده از یک گام زمانی پایدارو پس از ساده سازی (روابط32و 33)، به هم مرتبط شده و محاسبات حالت پایا برای آن‌ها در هر مرحله زمانی، انجام می‌گیرد (10).

- روند حل: برای شروع حلقه حل، مقادیر اولیه (در لحظه t=0):موردنیاز است که عبارتند از دمای واحد مربوط به سرمایش و گرمایش (TE)، دمای داخل (T_indoor)، دمای هر المان زمین (T_ground). سپس درجه حرارت خارج وارد می‌شود. همچنین در مواقع لزوم، اگر دماها مربوط به فواصل زمانی زیاد باشند، درجه حرارت با درون‌یابی محاسبه می‌گردد. پس‌ازآن، محاسبات مربوط به از دست دادن یا به دست آوردن گرما به دلیل انتقال، تهویه و حرارت داخلی محاسبه می‌شود. مجموع این گرما به نام q_tot خواهد بود و باعث تغییر در دمای محیط داخلی می‌شود. این تغییر دما به دمای داخل (T_indoor) اضافه می‌گردد. در این مرحله دمای محاسبه‌شده، تحت عنوان T_indoor-check ذخیره می‌شود. اگر این دما، بزرگ‌تر، کوچک‌تر و یا بین حدود مشخص‌شده برای دمای داخل باشد، به ترتیب واحد سرمایش، واحد گرمایش و هیچ‌کدام از آن‌ها فعال می‌شوند. سپس دمای خروجی از واحد سرمایش/گرمایش (TR(t)) با استفاده از اطلاعات مربوط به دمای ورودی به این واحد (TE(t)) و مد سرمایش و یا گرمایش، مشخص می‌شود. در شکل 4 شماتیک دمای خروجی TR که همان دمای ورود به لوله است (T_inlet) مشاهده می‌شود.

 با دانستن درجه حرارت محیط اطراف لوله، یعنی درجه حرارت در المان شعاعی مربوط به درونی‌ترین بخش زمین برای هر بخش از لوله مطابق

 شکل 5، توزیع دما در لوله را می‌توان محاسبه نمود. درجه حرارت زمین در گام قبلی محاسبه‌شده است. در این مرحله، توزیع جدید دما برای زمین محاسبه می‌گردد و حلقه حل بعدی، با داشتن این دمای جدید برای زمین، تکرار می‌گردد.

- محاسبه تولید گازهای گلخانه‌ای: همان‌طور که اشاره شد  و در فرضیات نیز آمده است، ساختمان به‌تنهایی قادر به پاسخ­گویی تقاضای سرمایشی و گرمایشی موردنیاز خود می‌باشد که این امر با استفاده از تجهیزات سرمایشی و گرمایشی مستقر در موتورخانه امکان‌پذیر شده است.  در اثر استفاده از این سیستم‌ها، که شامل چیلر و دیگ می‌باشند و به جهت تأمین انرژی این دستگاه‌ها به برق و گاز طبیعی احتیاج می‌باشد. لذا به‌ناچار تولید گازهای گلخانه‌ای که ناشی از برق مصرفی چیلر و گاز مصرفی دیگ  صورت می‌گیرد. اما سیستم ذخیره‌سازی انرژی، مقادیری از انرژی لازم را تأمین می‌کند و نیز  از میزان کارکرد آن‌ها می‌کاهد و درنتیجه آن، تولید گازهای گلخانه‌ای و مخصوصاً تولید گاز دی‌اکسید کربن کاسته می‌شود، هرچند اندکی برق جهت کارکرد پمپ حرارتی لازم است و باعث تولید مقداری دی‌اکسید کربن می‌گردد. میزان انتشار و صرفه‌جویی گاز دی‌اکسید- کربن توسط رابطه­ های 34 الی 42 از جدول 2 محاسبه می­ شوند. در رابطه 35بر طبق آخرین ترازنامه انرژی کشور اعداد متوسط بازده نیروگاهی و تلفات خطوط انتقال و توزیع به ترتیب %9/38، %02/3 و %93/12 می‌باشد (11). همچنین ارزش حرارتی گاز متان 9434 کیلوکالری به ازای هر- مترمکعب می‌باشد‍(12). از روابط 40 و41 نیز با توجه به درصد بالای گاز متان در گاز طبیعی (13) و وزن دی­اکسید کربن تولیدی از سوختن    یک مترمکعب متان(14) استفاده شده است. همچنین میزان صرفه­جویی ناشی از کاهش انتشار گازدی‌اکسید کربن براساس جدول (237-1) ترازنامه انرژی سال 93، به ازای هر کیلوگرم گازدی‌اکسید کربن برابر100 ریال است(11) و با محاسبات فوق و کاهش انتشار بدست آمده، صرفه جویی زیست محیطی توسط سیستم ذخیره سازی بدست می­آید.

تجزیه و تحلیل داده ها

 ابتدا مقدار سرمایش و گرمایش موردنیاز ساختمان شرح داده می‌شود. سپس تقاضای ذخیره‌سازی 24 ساعته و سالیانه شرح داده می‌شود و درنهایت به میزان تغییر در انتشار گاز دی‌اکسید کربن ناشی از ذخیره‌سازی انرژی پرداخته می‌شود. با محاسبه توان موردنیاز دستگاه‌های تهویه در هر گام زمانی، بار سرمایشی و گرمایشی موردنیاز ساختمان در طی سال به دست می‌آید.

در شکل 7، دمای محیط بیرون و دمای موردنیاز در داخل ساختمان، که بین 21 تا 23 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته‌شده است، در طی سال را مشاهده می‌کنیم. در پایین آن‌هم حالت سرمایشی و گرمایشی دستگاه‌های تهویه دیده می‌شود. توان موردنیاز جهت کارکرد دستگاه‌ها در شکل 8، به تصویر کشیده شده است. خطوط قرمزرنگ بالای صفر نشان‌دهنده توان گرمایشی موردنیاز و خطوط آبی‌رنگ در زیر صفر، مقادیر توان سرمایشی ساختمان است.

با توجه به نمودار شکل 8و یا قسمت پایینی شکل 7، می‌توان فهمید که طول دوره‌ای که سیستم گرمایشی مورداستفاده است با طول دوره‌ای که سیستم سرمایشی در حال کار می‌باشند تقریباً یکسان است. اما می‌توان دید که میزان بار حداکثر سرمایشی از بار حداکثر گرمایشی بیش­تر است.  با جمع‌کردن بارهای سرمایشی و گرمایشی در طول سال، دیده می‌شود که انرژی سرمایشی بیش از انرژی گرمایشی موردنیاز است. انرژی گرمایشی و سرمایشی در مدت‌زمان محاسبه برابر اعداد زیر است:

انرژی گرمایشی: KWh 188,977 یا KWh/(m²-year) 8/162 انرژی سرمایشی: KWh 029,582,1- یا KWh/(m²-year) 6/263-

این تفاوت در انرژی مقدار موردنیاز برای سرمایش و گرمایش نیز در شکل9 نشان داده‌شده است که با توجه به تجمیع مقدار سرمایش و گرمایش در هر گام زمانی در طی سال به‌دست‌آمده است. ازآنجایی‌که انتهای منحنی زیر صفر است، نشان می‌دهد که انرژی سرمایشی موردنیاز ساختمان از انرژی گرمایشی آن بیش­تر است.

تقاضا و طراحی ذخیره‌سازی 24 ساعته: جهت ذخیره‌سازی 24 ساعته، نیاز است تا تقاضا بار سرمایشی و گرمایشی از روز تا شب متفاوت باشد. طبق شکل 7، رفتار مشابه این توضیح در اوایل بهار و پاییز دیده می‌شود. بنابراین طراحی سیستم ذخیره‌ساز انرژی 24 ساعته بر اساس دوره 35 روزه می‌باشد و در این دوره زمانی مشخص، هر دو تقاضای سرمایشی و گرمایشی از روز تا شب وجود دارد.

نکته حایز اهمیت در رابطه با ذخیره 24 ساعته و سالیانه، برابری انرژی استخراج‌شده از زمین با انرژی واردشده به زمین است. بنابراین نیاز است تا تقاضاهای سرمایشی و گرمایشی در این دوره مشخصه اصلاح شوند تا برابر گردند. تقاضاهای اضافی سرمایشی و گرمایشی، که پس‌ازاین تغییرات موردنیاز است، توسط سیستم‌های دیگری تأمین خواهد شد. طراحی سیستم ذخیره‌سازی جهت این دوره مشخصه انجام‌گرفته و محاسبات برای نحوه پاسخ­گویی بلندمدت سیستم ذخیره‌ساز، تکرار گردیده است.

 بار سرمایشی و گرمایشی موردنیاز در دوره مشخصه: دوره مشخصه از روز 13 سال شروع و تا روز 48 به مدت 35 روز از اواسط فروردین تا اواسط اردیبهشت‌ماه می‌باشد. اختلاف دمای داخل و خارج در این دوره در شکل 10 در نمودار بالا نشان داده‌شده است و در نمودار پایین این شکل حالات تقاضای گرمایش و سرمایش در طی روزها و شب‌های این دوره می‌بینیم.

در شکل11، توان موردنیاز گرمایشی و سرمایشی در طی دوره مشخصه نشان داده‌شده است. می‌توان با توجه به شکل و محاسبات متوجه شد توان سرمایشی بیش­تری موردنیاز است. با توجه به بزرگ‌تر بودن توان سرمایشی و مجموع زمان کارکرد بیش­تر در حالت سرمایش نسبت به گرمایش، انرژی سرمایشی بیش­تری در طی دوره مشخصه موردنیاز است. مجموع انرژی موردنیاز در طی این دوره 35 روزه به‌صورت زیر است:

انرژی گرمایشی: KWh 658,30 یا KWh/(m²-year) 8/51  انرژی سرمایشی: KWh 231,35- یا KWh/(m²-year) 5/59- مجموع انرژی حرارتی در طی دوره مشخصه در شکل 12 مشاهده می‌شود.

اصلاح بار سرمایشی و گرمایشی موردنیاز در دوره مشخصه: برای محاسبه رفتار ذخیره‌ساز حرارتی، درخواست انرژی و بازگشت انرژی به ذخیره‌ساز بایستی برابر باشند. راه‌حل برای محاسبات کنونی، کاهش میزان سرمایش موردتقاضا از ذخیره‌ساز، چنان­چه جمع انرژی سرمایش و گرمایش تغییریافته صفر می‌گردد.

در شکل 13، سرمایش و گرمایش موردنیاز و سرمایش و گرمایش اصلاح‌شده را مشاهده می‌کنیم. خطوط قرمز، گرمایش موردنیاز و خطوط آبی سرمایش موردتقاضا، خطوط سیاه گرمای به‌دست‌آمده از زمین (ذخیره‌ساز) و خطوط سبز سرمایش اصلاح‌شده حاصله از سیستم ذخیره‌ساز هستند. چنان­چه در شکل می‌بینیم فقط قسمتی از گرمایش موردنیاز از زمین به دست می‌آید که به خاطر الکتریسیته مصرفی در پمپ حرارتی که نهایتاً به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. توجه شود که مجموع انرژی گرمایشی اصلاحی (مساحت زیر خطوط سیاه) با مجموع انرژی سرمایشی اصلاح‌شده (مساحت زیر خطوط سبز) برابر است. در حالت توصیف‌شده انرژی گرمایشی سیستم ذخیره‌ساز، در حدود%58 انرژی سرمایشی اصلاح‌شده است. بدان معنی که %58 انرژی سرمایشی می‌تواند از سیستم ذخیره‌سازی تأمین گردد (خطوط سبز). درنهایت مقادیر انرژی سرمایشی و گرمایشی اصلاح‌شده به‌صورت زیر محاسبه گردیده‌اند:

گرمایش اصلاح‌شده: KWh 658,30 که 100% گرمایش موردتقاضا با در نظر گرفتن الکتریسیته پمپ حرارتی یا KWh/(m²-year) 8/51

سرمایش اصلاح‌شده: KWh 439,20- که %58 سرمایش موردنیاز یا KWh/(m²-year) 5/34- می‌باشد.

مجموع انرژی موردنیاز از سیستم ذخیره‌سازی در شکل 14 نشان داده‌شده است. که فقط انرژی به‌دست‌آمده از زمین می‌باشد و شامل گرمایش تولیدی ناشی از الکتریسیته پمپ حرارتی نیست. انرژی به‌دست‌آمده از زمین در روز اول تا سی‌ام دوره مشخصه بیش­تر به‌صورت گرمایشی می‌باشد و به همین جهت نمودار با شیب مثبت حرکت می‌کند. ولی پس از روز سی‌ام انرژی سرمایشی اصلاح‌شده از گرمایشی بزرگ‌تر بوده و درنتیجه مجموع مقادیر انرژی از روز سی‌ام به بعد کاهش می‌یابد و شیب منفی می‌گردد و درنهایت همان‌طور که گفته‌شده بایستی مجموع انرِژی اصلاح‌شده حرارتی که از زمین استخراج می‌شود با مجموع انرژی واردشده به آن برابر باشد، یعنی انتهای نمودار به صفر برسد.

طراحی ذخیره‌ساز انرژی بر اساس تقاضای اصلاح‌شده جهت کنترل آب‌وهوا: برای تصمیم‌گیری در رابطه با اندازه ذخیره‌ساز، محدودیت‌هایمان پوشش دادن توان و مقدار انرژی اصلاح‌شده در دوره مشخصه می‌باشد. سیستم ذخیره‌سازی بایستی بدون گرمایش اضافی این‌ها را مدیریت نماید. طول لوله‌ها بر طبق پمپ انتخابی و لوله در نظر گرفته‌شده، 600 متر می‌باشد و دمای سطح زمین نیز 8 درجه سلسیوس است.

در محاسبات شبیه‌سازی در نرم‌افزار متلب جهت یافتن مقدار مناسب تعداد خطوط لوله، اعداد را وارد می‌کنیم و درنهایت اعداد مناسب این سیستم به طول لوله600 متر و  با خطوط موردنیاز15 خط می­باشد.با تعداد خطوط کافی همه تقاضای اصلاح‌شده تأمین می‌شود. درصدهای انرژی که توسط ذخیره‌سازی پوشش داده می‌شود برابر اعداد زیر است:

%100 از انرژی گرمایشی اصلاح‌شده و یا %100 از انرژی گرمایشی موردتقاضا

%100 از انرژی سرمایشی اصلاح‌شده و یا %58 از انرژی سرمایشی موردتقاضا که در شکل15 مشاهده می‌شود.

هنگامی‌که تعداد لوله‌ها به‌اندازه کافی باشد، سرمایش و گرمایش اصلاحی به‌صورت کامل تأمین می‌گردد. و مجموع انرژی وارده به زمین با مجموع انرژی استخراج‌شده از آن در طی دوره مشخصه برابر می‌شود و به همین جهت انتهای نمودار صفر است (شکل16).

هنگامی‌که انرژی وارده و استخراج‌شده از زمین برابر باشند، پاسخ بلندمدت سیستم پایا است. در شکل17مجموع انرژی استخراج‌شده از زمین (سیستم ذخیره‌ساز) و واردشده به زمین در طی دوره مشخصه 35 روزه نشان داده است.در شکل18 توزیع دما در زمین با 9 مرتبه تکرار  در دوره مشخصه 35 روزه جهت تعیین اندازه زمین جهت ذخیره‌سازی دیده می‌شود. محاسبات این مورد در بخش میانی لوله انجام‌گرفته است. در این شکل محور X نماینده شعاع حلقه‌ها از مرکز لوله تا سطح زمین می‌باشد.

 به‌این‌ترتیب توزیع دما از ورودی لوله تا انتهای خروجی لوله به طول 600 متر در زمان‌های مختلف از دوره مشخصه به شکل19 خواهد بود.

دماهای ورودی و خروجی از این لوله در طی این دوره مشخصه که تکرار گردیده است در شکل20 دیده می‌شود. نواحی آبی‌رنگ دمای ورودی و نواحی قرمزرنگ دماهای خروجی از لوله می‌باشند. لازم به توضیح است اگر نواحی قرمز پایین‌تر از آبی باشند یعنی سیال درون لوله خنک شده است.

استفاده بهینه از سیستم فوق که برای دوره مشخصه و ذخیره‌سازی 24 ساعته طراحی‌شده، بدین‌صورت است که در طی سال هم از سیستم استفاده شود، در این صورت درصدهای زیر را از کل انرژی مورد تقاضای سالانه تأمین کند:

انرژی گرمایشی: %67 درصد از نیاز سالیانه (شامل انرژی ناشی از توان الکتریکی پمپ حرارتی)

انرژی سرمایشی: %34 درصد از نیاز سالیانه

یعنی اعداد زیر ذخیره می‌شوند:

ذخیره گرمایش کل: KWh 636,653 (KWh 878, 217 مربوط به انرژی الکتریکی هیت پمپ) یا KWh/(m²-year) 92/53

ذخیره سرمایش کل: KWh 336, 542- یا KWh/(m²-year) 2/173-

- تقاضا و طراحی ذخیره‌ساز یک‌ساله: در این بخش محاسبات مربوط به مقایسه سیستم ذخیره‌سازی انرژی یک‌ساله با ذخیره‌سازی 24 ساعته انجام‌شده است. در ابتدا میزان تقاضای سرمایش و گرمایش اصلاح گردید، به‌گونه‌ای که  برابر شوند. سپس اندازه و حجم موردنیاز به‌دست‌آمد و درنهایت پاسخ دمایی زمین و لوله مورد مطالعه قرارگرفت.

اصلاح تقاضای بار حرارتی سالیانه: میزان تقاضای بار سرمایشی از گرمایشی بیش­تر می‌باشد و لذا برای جلوگیری از سرمایش و گرمایش بیش از نیاز و صفر بودن انرژی درخواستی از زمین لازم هست، میزان بار سرمایشی اصلاح شود تا با بار گرمایشی برابر شود. میزان بار باقی­مانده سرمایشی که بیش از مقدار اصلاحی می‌باشد بایستی توسط سیستم دیگری تأمین شود.

در شکل21 بخش‌های سیاه‌رنگ و سبز نشان‌دهنده بارهای اصلاح‌شده می‌باشند که از سیستم ذخیره‌ساز تأمین می‌شوند. بخش باقی­مانده انرژی گرمایشی توسط انرژی الکتریکی پمپ حرارتی و بخش باقی­مانده سرمایش توسط سیستم سرمایشی مرکزی تأمین می‌گردند. در شکل22 نیز برابری میزان سرمایش و گرمایش اصلاح‌شده از سیستم ذخیره‌ساز مشخص‌شده است.

گرمایش اصلاح‌شده: KWh 172,977 که 100% گرمایش موردتقاضا می‌باشد (با در نظر گرفتن الکتریسیته پمپ حرارتی)

سرمایش اصلاح‌شده: KWh 458,651- که %41 سرمایش موردنیاز می‌باشد.

طراحی سیستم ذخیره سالانه بر اساس بارهای اصلاح‌شده: نکته اول که باید در این طراحی مدنظر قرارداد این است که اگر قرار باشد سیستم پاسخ­گویی بالاترین پیک اصلاح‌شده باشد، اندازه سیستم و تعداد خطوط لوله بیش‌ازاندازه خواهند بود، لذا با فرض جواب­گویی سیستم تا حد پیک بار سرمایشی و نه بزرگ‌ترین پیک آن طراحی را انجام می‌دهیم.

در محاسبات شبیه‌سازی در نرم‌افزار متلب جهت یافتن مقدار مناسب تعداد خطوط لوله، اعداد را وارد می‌کنیم و درنهایت اعداد مناسب این سیستم طول لوله 600 متر و با 45 خط خواهد بود. همان­طور که می‌بینیم تعداد خطوط، نسبت به ذخیره‌سازی 24 ساعته حدود سه برابر شده است که عدد قابل‌ملاحظه‌ای است. نتیجه میزان ذخیره‌سازی در شکل23 نشان داده‌شده است. قسمت‌های سبزرنگ نشان‌دهنده انرژی اضافه‌شده                 به مجموعه جهت پوشش کامل بار اصلاح‌شده می‌باشد و اگر تعداد خطوط به 50 برسد، دیگر نیازی به سیستم‌های اضافی نیست. در این حالت ذخیره‌سازی سالیانه مدیریت مقادیر زیر را بر عهده دارد:

%1/98 از انرژی گرمایشی اصلاح‌شده و یا %1/98 از انرژی گرمایشی موردتقاضا 

%9/95 از انرژی سرمایشی اصلاح‌شده و یا %5/39 از انرژی سرمایشی موردتقاضا

در شکل 24 مجموع انرژی وارده به زمین و استخراج‌شده از آن دیده می‌شود. درخواست سرمایش و گرمایش حتی اگر طراحی بر اساس پیک حرارتی نباشد، بسیار به هم نزدیک هستند. و به همین جهت انتهای نمودار نزدیک به صفر و تقریباً برابر ابتدای آن می‌باشد.

در رابطه با نحوه پاسخ­گویی زمین و لوله در ذخیره سالیانه، با توجه به این­که برای ذخیره‌سازی سالیانه هر خط لوله در مقایسه با ذخیره‌سازی 24 ساعته، به عمق و فواصل بیش­تری نیاز دارد. با توجه به شکل25 تأثیر لوله در زمین اطراف آن، تا شعاع 5 متری دیده می‌شود. همچنین تغییرات دمای سیال درون لوله در ذخیره سالیانه در رنج گسترده‌تری نسبت به ذخیره 24 ساعته می‌باشد (شکل26).

با سیستم کنترل دمای ورودی و خروجی از لوله، میزان ذخیره‌سازی سالیانه برابر مقادیر زیر می‌باشد:

انرژی گرمایشی: %98 درصد از نیاز سالیانه (شامل انرژی ناشی از توان الکتریکی پمپ حرارتی)   انرژی سرمایشی: %5/39 درصد از نیاز سالیانه

که بارهای حرارتی زیر ذخیره می‌شوند:

ذخیره گرمایش کل: KWh 260,959 (KWh 753, 319 مربوط به انرژی الکتریکی هیت پمپ) یا KWh/(m²-year) 9/2

ذخیره سرمایش کل: KWh 845, 624- یا KWh/(m²-year) 53/159-

بررسی انتشار گازهای گلخانه‌ای: در اثر استفاده از این سیستم‌های مرکزی سرمایشی و گرمایشی که شامل چیلر و دیگ نیز می‌باشند و به جهت تأمین انرژی این دستگاه‌ها به برق و گاز احتیاج می‌باشد، لذا به‌ناچار انتشار گازهای گلخانه‌ای که ناشی از برق مصرفی چیلر و گاز مصرفی دیگ صورت می‌گیرد. اما سیستم ذخیره‌سازی انرژی، مقادیری از  انرژی لازم را تأمین می‌کند و نیز  از میزان کارکرد آن‌ها می‌کاهد و درنتیجه آن       تولید گازهای گلخانه‌ای و مخصوصاً تولید گاز دی‌اکسید کربن که ناشی از سوختن گاز طبیعی در نیروگاه که به جهت تولید برق است و یا در دیگ- آب گرم مرکزی کاسته می‌شود. نتایج در  جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1- میزان انتشار و کاهش انتشار گازCO₂

Table 1- CO2 emissions and its reduced

نتیجه‌گیری

با توجه به لزوم کاهش مصرف انرژی در دنیا و به‌ویژه اروپا و درنتیجه کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی و انتشار گازهای گلخانه‌ای، نیاز به استفاده بهینه از انرژی‌های موجود خواهد بود. لذا لزوم یافتن راه‌حل‌های فنی و استفاده از آن‌ها در آینده‌ای نزدیک در کشورمان اساساً دور ­از انتظار نخواهد بود. روش پیشنهادی در این تحقیق، جهت حذف محدودیت شرایط ویژه ذکرشده، یک روش نوآورانه بر اساس ذخیره‌سازی انرژی در لوله‌هایی افقی با طول مشخص و در عمق خاصی از سطح می‌باشد که از درجه حرارت  زمین استفاده می‌نماید. از طرفی در روزهای خاصی از سال که عمدتاً اوایل بهار و پاییز خواهد بود، در طی روز  و شب هر دو نیاز سرمایشی و گرمایشی وجود دارد لذا  ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت 24ساعته انرژی نیز می‌تواند موردبررسی قرار گیرد. بدین منظور یک بیمارستان که نمونه‌ای از ساختمان با مصرف انرژی بالا می‌باشد موردبررسی قراردادیم.

از منظر ذخیره‌سازی انرژی در طی سال، سیستم ذخیره‌سازی بلندمدت (سالیانه) از سیستم ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت مفیدتر می‌باشد. ذخیره‌سازی 24 ساعته موردبحث، 67% از نیاز سالیانه گرمایشی و 34% از نیاز سالیانه سرمایشی را تأمین می‌کند، درحالی‌که در ذخیره‌سازی سالیانه، 98%  از نیاز سالیانه گرمایشی و 5/39%  از نیاز سرمایشی تأمین می‌شود. البته این مقادیر فقط ازنظر تئوری است و در عمل ممکن است به دلیل-        افت انرژی مقادیر متفاوت باشد و فقط جنبه مقایسه دارند.

به دلیل طراحی جهت برآورده کردن نیاز حرارتی مدت محدودی در سال، مقدار انرژی ذخیره‌شده سیستم 24 ساعته کم­تر می‌باشد. همچنین به هنگام وقوع حداکثر بارهای حرارتی گرمایشی و سرمایشی، سیستم ذخیره سالیانه پوشش بیش­تری خواهد داشت.

به سبب کوتاه بودن مدت‌زمان حالات گرمایشی و سرمایشی در ذخیره‌سازی 24 ساعته، مقدار انرژی ذخیره‌شده در مدت‌زمان مشابه از سیستم ذخیره سالیانه کم­تر می‌باشد. در مقابل حجم زمین موردنیاز سیستم 24 ساعته و تعداد خطوط لوله موردنیاز آن کم­تر می‌باشد.

به سبب انرژی ذخیره‌شده کم­تر، تعداد خطوط لوله سیستم 24 ساعته از سیستم سالیانه خیلی کم­تر می‌باشد (15 خط در مقابل 45 خط لوله 600 متری) و علت این تفاوت زیاد، علاوه بر مورد بالا، به علت بالا بودن توان موردنیاز سرمایشی در تابستان و گرمایشی در زمستان می‌باشد که با دوره مشخصه استفاده از سیستم 24 ساعته که بهار و پاییز از بسیار متفاوت است.

به دلیل کاهش ساعات و توان موردنیاز از چیلر، کیلووات ساعت برق مصرفی چیلر کاهش می‌یابد و درنتیجه میزان سوخت‌های فسیلی سوزانده شده برای تأمین برق مذکور، کاهش می‌یابد. همچنین به دلیل کاهش ساعات و توان موردنیاز از دیگ آبگرم، مقدار کیلووات ساعت گرمایشی که توسط دیگ تأمین می‌شود، کاهش می‌یابد و درنتیجه آن مترمکعب گاز طبیعی مصرفی کم­تر شده و در نهایت انتشار گازهای گلخانه‌ای و مخصوصاً دی‌اکسید کربن کم­تر می‌شود. با بهره­گیری از دو سیستم مذکور 6/127 تن با استفاده از سیستم ذخیره 24 ساعته و 2/169 تن یا سیستم ذخیره‌سازی فصلی، از مجموع انتشار 387 تن در سال کاسته می‌شود. به‌عبارت‌دیگر %9/32 و %7/43 از انتشار گازهای گلخانه‌ای با به‌کارگیری سیستم‌های ذخیره روزانه و فصلی جلوگیری می‌شود.

جدول 2- روابط محاسباتی مدل ساختمان، لوله و زمین و انتشار گازCO₂

Table 2- Equations of the building model, the pipe, the ground and CO2 emissions

Reference

1. Andersson O, et al. Deliverable 10 - Sweden - Preliminary design of a seasonal heat storage for ITT Flygt. IGEIA – Integration of geothermal energy into industrial applications; 2008 retrieved 21 April 2013; Emmaboda, Sweden.
2. Paksoy H, et al. Aquifer Thermal Energy Cold Storage System at Richard Stockton College. EFFSTOCK 2009 (11th International) - Thermal Energy Storage for Efficiency and Sustainability; 2009 2009; Stockholm.
3. Wong B, et al. Recent Inter-seasonal Underground Thermal Energy Storage Applications in Canada. 2006 IEEE EIC Climate Change Technology; 2006.
4. Stene J, et al. Large-Scale Ground-Source Heat Pump Systems in Norway. IEA Heat Pump Annex 29 Workshop; 2008; Zurich.
5. Mansouri Sh, et al. Designing a cold storage system for an office building in Ahwaz city  and comparing it with conventional cooling systems (In Persian). 02nd International Conference on Heating, Ventilating and Air Conditioning; 2010; Tehran.
6. Mansouri Sh, et al. Study on technical specification of the cold storage tank of the ice type on a melting coil from inside with a capacity of 647 kWh (In Persian). 26th International Power System Conference; 2011; Tehran.
7. Khorasani M. Using of energy storage tank in design of solar water heaters (In Persian). 6th Conference on Emerging Trends in Energy Conservation; 2013; Tehran.
8. ASHRAE. ASHRAE HANDBOOK.  Fundamentals. Atalnda: American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers; 2009.
9. Henrik K. Thermal Modelling of Water-Based Floor Heating Systems. Göteborg, Sweden: CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY; 2010.
10. Martínez I. HEAT AND MASS TRANSFER.  Termodinámica básica y aplicada. Madrid: Ed. Dossat; 1992.
11. Ministry of Energy. 1393 Energy balance sheet  (In Persian); 2014.
12. Standard natural gas piping in industrial areas (In Persian); 2005 .
13. UnionGas. chemical composition of Natural Gas 2016. https://www.uniongas.com
14. EIA. How much carbon dioxide is produced when different fuels are burned? 2016. https://www.eia.gov