مجله تاسیسات

پتانسیل سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی در محیطهای تحت سرمایش: ساختمانهای مسکونی

نویسندگان :

محمد خرسه ، محمد الخواجه ، مهندس سلیمان

یک دانشگاه قطر گروه مهندسی مکانیک و صنایع ، دانشگاه لیهی قطر ، گروه مهندسی عمران و محیط زیست. ایالات متحده

برای کشورهای شبه جزیره عربستان ، سیستم های تهویه مطبوع (A/C) 65 درصد از مصرف انرژی را شامل می شود که همه آنها از سوخت های فسیلی تامین می شود. با توجه به آمادگی برای جام جهانی 2022 ، که در قطر برگزار می شود ، امکان پیاده سازی سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی (GSHP) برای اهداف تهویه مطبوع مورد بررسی قرار می گیرد. با توجه به عملکرد حرارتی بالا ، GSHP یک راه حل مناسب برای کاهش مصرف انرژی سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع است. با این حال ، برای محبوبیت سیستم GSHP در محیط های تحت سرمایش مانند قطر ، باید مزایای مالی و زیست محیطی نشان داده شود. این مزایا به شدت به شیوه ها و استانداردهای طراحی محلی و شرایط کار بستگی دارد.

کار ارائه شده در این مقاله صرفه جویی در انرژی را با استفاده از سیستم های GSHP در بخش ساختمان های مسکونی در محیط های تحت سرمایش نشان می دهد. برای دستیابی به این هدف ، یک نوع معمول از خانه های مسکونی واقع در دوحه ، قطر ، به عنوان مطالعه موردی انتخاب شد. بار خنک کننده مطالعه موردی و انرژی محرکه دو سیستم تهویه مطبوع مختلف برآورد شد. دو سیستم تهویه مطبوع در نظر گرفته شده عبارتند از: سیستم پمپ حرارتی منبع هوا معمولی (سیستم مرجع) و سیستم پمپ حرارتی منبع زمین. در نهایت ، تجزیه و تحلیل اقتصادی سیستم پیشنهادی برای شیوه های ساخت و ساز در قطر انجام شد.

تجزیه و تحلیل های انجام شده نشان می دهد که کاهش تقاضای انرژی اولیه و در نتیجه ، انتشار گازهای گلخانه ای برای GSHP در مقایسه با سیستم پمپ حرارتی منبع هوای معمولی 19 درصد است. علاوه بر این ، تجزیه و تحلیل ها نشان می دهد که برای شرایط محلی در قطر ، زمان بازپرداخت GSHP 9 سال است.

1. معرفی

تقاضای جهانی انرژی از 15*10¹⁰M^WH مگاوات ساعت در سال فراتر رفته است ، 85 % آن از سوخت های فسیلی تامین می شود ، در حالی که منابع انرژی تجدید پذیر تنها حدود 6 %را تأمین می کند (Seyboth et al.، 2008؛ Moomaw et al.، 2011: Jaber et al. ، 2011). با توجه به این اعتقاد قوی که تغییرات آب و هوایی انسانی است و به مصرف سوخت های فسیلی نسبت داده می شود ، بهبود عملکرد سیستم های انرژی موجود یک چالش بزرگ است.

سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع (A/C) حدود 33٪ از کل مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص می دهند (Wong et al.، 2010؛ IEA، 2007: Seyboth et al.، 2008). در کشورهای گرم ، تحت تسلط بر سرما و توسعه نیافته ، مانند کشورهای شبه جزیره عربستان ، سیستم های تهویه مطبوع بزرگترین مصرف کننده انرژی هستند. در عربستان سعودی، به عنوان مثال ، سیستم های تهویه مطبوع 65 درصد از کل مصرف انرژی در ساختمان ها را تشکیل می دهند (سعید ، 2010 ؛ حسنین ، 1999). بنابراین ، بررسی امکان بهبود عملکرد سیستم های تهویه مطبوع در محیطهای تحت سرمایش دارای پتانسیل بالایی برای صرفه جویی در انرژی و کاهش اثرات زیست محیطی سوخت های فسیلی است.

سیستم پمپ حرارتی منبع زمینی (GSHP) ممکن است به عنوان یک راه حل مناسب برای کاهش مصرف انرژی سیستم های تهویه مطبوع در نظر گرفته شود. مطالعات متعددی برای بررسی امکان استفاده از سیستم های GSHP در ساختمانهای مسکونی و تجاری انجام شده است (به عنوان مثال ، Esen و Yuksel ، 2013: Balbay and Esen ، 2010). در سال 2010 ، کل ظرفیت سیستم های GSHP نصب شده در جهان 51 گیگاوات برق تولید 122 TWh در سال با ضریب ظرفیت 0.27 (ساعات کار واقعی/ساعت سالانه) بود (لوند و همکاران ، 2010). سیستم GSHP با ظرفیت نصب شده سالانه 12.3 (لوند و همکاران ، 2010) یکی از سریعترین کاربردهای انرژی تجدیدپذیر است.

مقایسه با مصرف انرژی سیستم های معمولی تهویه مطبوع (یعنی پمپ حرارتی منبع هوا) نشان می دهد که سیستم GSHP ممکن است منجر به کاهش 60 درصدی مصرف انرژی شود که انتظار می رود در آینده بهبود یابد (جابر و همکاران ، 2011 ؛ Seyboth و همکاران ، 2008: Michopoulos و همکاران ، 2011) با این حال ، مزایای سیستم های GSHP در صرفه جویی در انرژی و هزینه های ساخت و ساز به شدت به شرایط کاری محلی بستگی دارد. این شرایط شامل عملکرد حرارتی ساختمانها ، ویژگیهای حرارتی زمین و دامنه دمای سالانه هوا است. به عبارت دیگر ، قابلیت زنده ماندن سیستم های GSHP ممکن است از یک منطقه به منطقه دیگر متفاوت باشد. برای به عنوان مثال ، در شرایط عملیاتی در عربستان سعودی ، نشان داده شد که اجرای سیستم های GSHP در ساختمانهای مسکونی می تواند منجر به صرفه جویی 14 تا 20 درصدی انرژی سیستمهای تهویه مطبوع شود (سعید ، 2010). به عنوان مثال دیگر ، استفاده از سیستم های GSHP در کاربردهای کشاورزی در سوریه منجر به صرفه جویی 31 درصدی در مصرف انرژی گرمایش و سیستم تهویه مطبوع می شود (خرسه و نوردل ، 2011 ؛خرسه ، 1390).

شایان ذکر است ، بر خلاف قطر که آبهای زیرزمینی آن کم عمق است ، عمق آبهای زیرزمینی در عربستان سعودی نسبتاً زیاد است و بنابراین ، گمانه های زمین معمولاً خالی از آب می شوند (شرقوی و همکاران ، 2009: خرسه ، 2011).

در محیطهای تحت سرمایش مانند عربستان سعودی ، تزریق گرما به زمین ممکن است منجر به افزایش دمای زمین و در نتیجه کاهش عملکرد سیستم های GSHP شود. با این حال ، وجود آب های زیرزمینی در اعماق پراکندگی حرارتی را افزایش می دهد ، که به بازیابی دمای زمین و بهبود عملکرد سیستم های GSHP کمک می کند (دیائو و همکاران ، 2004 ؛ ساتون و همکاران ، 2003 ؛ لی و لام ، 2007 ؛ چوی و همکاران ، 2013).

خوشبختانه سطح آب زیرزمینی در قطر تنها چند متر زیر سطح زمین است که باعث حذف یا کاهش می شود . در چنین شرایطی ، دمای هوا جزئی است و انتظار می رود سیستم های GSHP با عملکرد بلند مدت بهتر از سیستم های پر شده باشند.

سطح آبهای زیرزمینی در قطر تنها چند متر زیر سطح زمین است و نیاز به پر کردن چاههای زمین گرمایی را حذف یا کاهش می دهد. در چنین شرایطی ، دمای دما جزئی است و انتظار می رود سیستم های GSHP با عملکرد بلند مدت بهتر از سیستم های پر شده باشند.

با توجه به نیازهای قابل توجه برای خنک کننده هوا در قطر ، صرفه جویی در انرژی و مزایای زیست محیطی قابل توجهی را می توان با بهبود عملکرد سیستم های تهویه مطبوع درک کرد. بنابراین ، اهداف این مطالعه بررسی پتانسیل صرفه جویی در انرژی است.

سیستم های GSHP و ارزیابی قابلیت های اقتصادی آنها در محیط تحت سرمایش مانند قطر.

محدوده این مطالعه محدود به خنک کننده فضا در ساختمانهای مسکونی و سیستمهای GSHP حلقه بسته عمودی است. این مطالعه مرجع ارزشمندی برای ارزیابی های آینده سیستم های GSHP با آب های زیرزمینی در محیط های تحت سرمایش است.

2. طرح کلی سیستم پمپ حرارتی منبع زمین

از زمان ابداع فناوری مکانیکی پمپ حرارتی ، فناوری پمپاژ حرارتی برای گرمایش و تهویه مطبوع استفاده می شود. در زمستان ، چنین سیستمی از منبع نسبتاً سرد انرژی می گیرد تا به فضای مطبوع تزریق شود. در طول تابستان ، سیستم انرژی را از فضاهای تهویه شده استخراج می کند تا به سینک نسبتاً گرم تزریق شود. اختلاف دما بین فضای مطبوع و منبع حرارتی/سینک را افزایش دما می نامند. این دما نقش مهمی در تعیین ضریب عملکرد (COP) و در نتیجه مصرف انرژی پمپ حرارتی دارد. به طور خاص ، استخراج گرما از منبع گرمتر در زمستان یا تزریق گرما به سینک سردتر در تابستان منجر به مصرف کمتر انرژی توسط پمپ حرارتی می شود.

به دلیل اینرسی حرارتی زمین ، دمای زمین زیر عمق معینی (معمولاً بین 12 تا 15 متر) در طول سال تقریبا ثابت است. بنابراین ، زمین در زمستان گرمتر از هوای بیرون و در تابستان سردتر از هوای بیرون است. بنابراین ، استفاده از زمین به عنوان منبع حرارتی در زمستان یا به عنوان مخزن حرارتی در تابستان منجر به کاهش مصرف انرژی سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع می شود. این واقعیت به طور فزاینده ای سیستم های GSHP را به عنوان یک راه حل هوشمند برای کاهش مصرف انرژی سیستم های HVAC معرفی کرده است.

اساساً GSHP به ترکیبی از یک پمپ حرارتی و یک سیستم برای تبادل گرما با زمین اشاره دارد. سیستم GSHP گرما را از زمین برای گرم کردن ساختمانها در زمستان استخراج می کند یا به طور متناوب ، گرمای ساختمانها را در تابستان به زمین تزریق می کند. این فرآیند انتقال حرارت با گردش آب حامل یا مخلوط ضد یخ آب) بین مبدل حرارتی زمینی (GHE) و پمپ حرارتی حاصل می شود. GHE معمولاً یک لوله پلاستیکی است که به صورت عمودی یا افقی در زیر سطح زمین دفن شده است (Esen and Yuksel، 2013).

3. روش شناسی

دو خانه مسکونی مستقل با مشخصات مشابه به عنوان مطالعه موردی انتخاب شدند. کیفیت حرارتی پوششی خانه ها با مقررات فعلی ساختمان در قطر مطابقت دارد. یک مدل مبتنی بر تحلیل ساعتی برای شبیه سازی نیازهای سرمایشی دو خانه طراحی شده است. برای این منظور ، داده های آب و هوایی شهر دوحه از Meteonorm (METEONORM ، 2004) به دست آمد. سرمایش فضا توسط پمپ حرارتی منبع هوا انجام می شود .

سیستم (ASHP) (نشان دهنده یک سیستم مرجع) یا سیستم GSHP (سیستم پیشنهادی). طراح انرژی زمین (Blomberg و همکاران ، 2000) ، که یک نرم افزار تجاری معروف است ، برای طراحی سیستم GSHP استفاده شد. شبیه سازی انرژی ساعت به ساعت سیستم های ASHP و GSHP برای هر خانه انجام شد و مصرف انرژی مقایسه شد. در نهایت ، تجزیه و تحلیل اقتصادی برای ارزیابی شایستگی سیستم های GSHP از جمله ارزش فعلی خالص ، نرخ بازده داخلی و زمان بازپرداخت استفاده شد.

3.1 مطالعه موردی

برای بررسی پتانسیل سیستم های GSHP در قطر ، دو نوع معمول از خانه های مسکونی واقع در دوحه به عنوان مطالعه موردی انتخاب شد. مساحت خانه های مدل 144 متر مربع است و از چهار دیوار خارجی یکسان ، به طول 12 متر و ارتفاع 3 متر ، با مساحت باز شدن پنجره در هر دیوار 5 متر مربع تشکیل شده است. خانه ها به عنوان یک منطقه تلقی می شدند و فرض می شد که سقف مسطح دارند. کیفیت حرارتی پوشش ساختمان با مقررات فعلی ساختمان در قطر مطابقت دارد. جدول 1 خلاصه ای از مشخصات خانه های مدل شده و پارامترهای کلیدی طراحی را نشان می دهد.

3.2 محاسبه بار خنک کننده

برآورد بار خنک کننده با استفاده از برنامه تحلیل ساعتی (HAP) انجام شد که یک مدل تجاری است که توسط شرکت Carrier Corporation توسعه یافته است (Carrier، 2012). HAP از روش تابع انتقال ASHRAE برای محاسبات و تکنیک های شبیه سازی انرژی ساعت به ساعت برای تحلیل انرژی استفاده می کند. HAP می تواند بارهای خنک کننده ناشی از تمام قسمت های ساختمان (مانند دیوارها ، پنجره ها ، سقف های مسطح و کف) را تأمین کند. مشخصات ساختمان خلاصه شده در جدول 1 و داده های آب و هوایی ساعتی شهر دوحه که در شکل 1 نشان داده شده است ، که از برنامه ی  متئونورم بدست آمده است (METEONORM، 2004) ، در تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار گرفت.

• از پارامترهای جدول 2 و بارهای سرد سالانه و ماهانه که با استفاده از روشی که در آن ذکر شده است ، استفاده کنید

بخش 3.2 بالا ، برای اجرای مدل EED. • با فرض مقدار COP پمپ حرارتی (به عنوان مثال 2). و استفاده از دمای geofluid از مدل EED برای محاسبه ضریب عملکرد (COP) با استفاده از معادله (4) که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت.

به عنوان بخشی از تحقیقات در حال انجام ، خواص حرارتی زمین با استفاده از آزمایشهای پاسخ حرارتی درجا تعیین می شود و مفروضات فعلی برای مطالعات آینده تأیید یا تنظیم می شود.

3.3 ارزیابی COP

در کار فعلی ، مدل حل معادلات مهندسی (EES) برای شبیه سازی پمپ حرارتی که در دماهای متراکم مختلف کار می کند ، ایجاد شد. مقادیر مفروض مورد استفاده در این مدل در جدول 3 خلاصه شده است. قدرت انگلی شامل مصرف انرژی اواپراتور و فن های کندانسور (یا پمپ گردش آب) 20٪ ظرفیت کمپرسور فرض شده است (Esen و همکاران ، 2007) به

• 
• 
• برای تأیید مدل ، یک مطالعه تجربی بر روی واحد پمپ حرارتی THIBAR22C (Edibon) در دانشگاه قطر انجام شد. مقادیر خلاصه شده در جدول 3 به گونه ای انتخاب شد که بهترین همبستگی بین نتایج تجربی و شبیه سازی به دست آید. جدول 4 مقایسه تجربی و شبیه سازی را نشان می دهد.
• در آزمایشگاه ، دما و فشار در کندانسور و دما و فشار در اواپراتور اندازه گیری شد. عدم قطعیت محاسبه شده در تعیین COP پمپ حرارتی 2.7 بود. محاسبه با توجه به اینکه THIBAR22C از جفت حرارتی نوع J به عنوان سنسور دما استفاده می کند ، انجام شد
• سنسور با خطای 0.75٪ ، در حالی که سنسورهای فشار 1.6 کلاس دقت (درجه B) با تحمل انحراف 2.4٪ هستند (OMEGA ، 2014 ؛ Takashimakeiki ، 2009). شایان ذکر است محاسبه عدم قطعیت بر اساس شرایط زیر است: دما و فشار در اواپراتور به ترتیب 0 درجه سانتی گراد و 2.93 بار است ، در حالی که دما و فشار در کندانسور 55 درجه سانتی گراد به ترتیب 14.92 بار بنابراین ، برآورد عدم قطعیت ممکن است با آزمایش های مختلف تغییر کند. با این حال ، اسن و همکاران. (2007) نشان داده اند که عدم قطعیت به طور قابل توجهی تحت تأثیر دما و فشار در اواپراتور و کندانسور قرار نمی گیرد. شکل 2 COP یک سیستم پمپ حرارتی را نشان می دهد که به عنوان یک ماشین خنک کننده در دماهای متراکم مختلف کار می کند.

• برای تعیین مصرف انرژی پمپ حرارتی ، باید بار خنک کننده و COP پمپ حرارتی مشخص باشد. در سیستم های ASHP ، دمای متراکم 20 درجه بالاتر از دمای هوای بیرون فرض می شود (خرسه ، 2011 ؛ خرسه و آلترکمانی ، 2012 ؛ خرسه و همکاران ، 2011). 1 و 2. COP را می توان برای هر ساعت محاسبه کرد و انرژی محرک سیستم ASHP برای تأمین نیازهای سرمایشی ساختمان عبارت است از:

• جایی که E_ASHP انرژی محرک است: q_hc,i بار خنک کننده در طول ساعت i “(از HAP): COP_Ai ضریب مربوط به عملکرد ASHP است که به عنوان ماشین خنک کننده کار می کند. ضریب فصلی عملکرد ASHP (SCOP_A) توسط معادله داده می شود. (2) ، جایی که Q بار خنک کننده سالانه خانه است.

• برای سیستم GSHP و با توجه به ویژگی های حرارتی آب ، اختلاف دمای بین چگالش و ژئوسیال ورودی به کندانسور 10 درجه سانتی گراد فرض شد (خرسه ، 2011: خرسه و آلترکمانی ، 2012 ؛ خرسه و همکاران ، 2011). با توجه به این که اختلاف دما بین ژئوسیال استخراج شده و تزریق مجدد 5 درجه سانتی گراد است ، تفاوت بین درجه حرارت متراکم و میانگین ژئوسیال (شکل 4) 7.5 درجه سانتی گراد می شود. بنابراین ، انرژی رانندگی سالانه GSHP توسط معادله داده می شود. (3):

• جایی که q _mcj بار خنک کننده در طول ماه j است (از HAP): COPcj ضریب عملکرد سیستم GSHP در طول ماه است که با استفاده از دمای ماه ژوری سیال j (از EED) و شکل 2 تعیین می شود. عملکرد ضریب فصلی سیستم GSHP (SCOP_G) عبارت است از:

• صرفه جویی سالانه در نیروی محرکه سیستم تهویه مطبوع ، C_d,an ، به دلیل جایگزینی سیستم ASHP معمولی با سیستم GSHP در کیلووات ساعت توسط:

از آنجا که سیستم GSHP یک فناوری جدید در قطر است ، برای به دست آوردن محبوبیت باید مزایای مالی و زیست محیطی را نشان داد. نتایج تجزیه و تحلیل اقتصادی منجر به تعیین ارقام مختلف شایستگی از جمله ارزش فعلی خالص ، نرخ بازده داخلی و زمان بازپرداخت می شود. برای ارزیابی عملکرد اقتصادی سیستم می توان از روش های متفاوتی استفاده کرد: روش ارزش فعلی خالص ، روش نرخ بازده داخلی ، روش هزینه سالانه (Thuesen، 1989؛ Esen and Yuksel، 2013).

برای انجام تجزیه و تحلیل اقتصادی پروژه GSHP ، شرایط زیر باید مشخص باشد: هزینه اولیه سرمایه گذاری ، پس انداز (درآمد) سالانه ، نرخ تنزیل و افزایش نرخ قیمت برق. بررسی در صنعت محلی نشان می دهد که هزینه حفاری حدود 8.24 دلار در هر متر است ، در حالی که قیمت لوله پلی اتیلن با قطر اسمی 32 میلی متر و ضخامت 3 میلی متر 0.412 دلار در هر متر است (Al-Rantisiet al.، 2012). بنابراین ، سرمایه گذاری اضافی سیستم GSHP نسبت به سیستم ASHP معمولی ، یعنی هزینه کل مبدل حرارتی زمین در نوع لوله U واحد به شرح زیر است:

درآمد سالانه از GSHP هزینه واقعی برق (RCOE) برابر صرفه جویی سالانه در انرژی است. در سال 2001 ، RCOE برای شرایط کار قطر محاسبه شد و برابر 0.0573 دلار/کیلووات ساعت بود (معرفیه ، 2001). برآورد معرفیه (2001) از RCOE بر اساس مفروضات زیر بود: هزینه سرمایه 275 دلار/کیلووات است ، در حالی که هزینه نگهداری و سوخت به ترتیب 0.005 دلار و 0.045 دلار/کیلووات ساعت است. با در نظر گرفتن نرخ تورم در قطر معادل 1.9 ((CIA ، صفحه آخرین به روز رسانی در 5 ژوئن 2013) ، سرانه واقعی

هزینه فعلی 351 دلار/کیلووات است ، در حالی که هزینه نگهداری فعلی 0.0064 دلار/کیلووات ساعت است. علاوه بر این ، در سال 2001 قیمت گاز طبیعی 3.876 دلار برای هر فوت مکعب استاندارد بود ، در حالی که قیمت فعلی 3.947 دلار است. بنابراین ، هزینه سوخت فعلی توربین گازسوز در قطر 0.046 دلار/کیلووات ساعت است. با دنبال کردن رویکرد مشابه موردی (2001) ، اما با نرخ تخفیف اسمی (d) = 4.5٪ (تخفیف واقعی 2.5٪ و تورم است)

می توان هزینه واقعی فعلی تولید برق از توربین گازی در قطر را 0.0684 دلار/کیلووات ساعت دانست. با احتساب هزینه انتشار دی اکسید کربن ، که 0.024 دلار در کیلووات ساعت است (رامادهان و همکاران ، 2013) ، هزینه واقعی فعلی برق در قطر به شرح زیر است:

در نتیجه ، ارزش فعلی درآمد سال اول فعالیت (به دلار) (یعنی ارزش فعلی جریان نقدینگی سال اول (Cp) به دلیل جایگزینی سیستم ASHP معمولی با GSHP):

که در آن نرخ تشدید قیمت برق است. بنابراین ، ارزش فعلی ورودی های نقدی حاصل از پروژه GSHP در طول عمر سیستم به شرح زیر است:

جایی که ‘N’ طول عمر سیستم GSHP است. در امور مالی ، ارزش فعلی خالص (NPV) یک پروژه برای کمک به تصمیم گیرنده برای تمایز بین فرصت های مختلف سرمایه گذاری استفاده می شود. همیشه بهتر است در پروژه با NPV بالاتر سرمایه گذاری کنید. NPV به عنوان مجموع هزینه های سرمایه گذاری (منفی) و ارزش جاری جریانهای نقدی (مثبت) در طول عمر پروژه تعریف می شود:

جایی که ‘d’ نرخ تخفیف اسمی است. بدیهی است ، NPV کل سود خالص به روز شده را به لحظه اولیه ارائه می دهد.

به منظور اولویت بندی پروژه های مختلف ، می توان از نرخ بازگشت داخلی (IRR) استفاده کرد. دومی نرخ تنزیل است که ارزش فعلی خالص (معادل (10)) را برابر صفر می کند. هرچه داخلی پروژه بالاتر باشد نرخ بازگشت ، انجام پروژه مطلوب تر است.

در نهایت ، زنده ماندن یک پروژه انرژی تجدیدپذیر معمولاً با برآورد زمان بازپرداخت (PBT) نصب در سال ها ارزیابی می شود. PBT به عنوان دوره لازم برای بازیابی هزینه پروژه سرمایه گذاری و در عین حال محاسبه ارزش زمانی پول تعریف می شود. به عبارت دیگر ، PBT زمان لازم برای ایجاد ارزش فعلی انباشته از جریانهای نقدی اولیه است .

هزینه سرمایه گذاری (یارد ، 2000). در کار فعلی ، بیان ریاضی زمان بازپرداخت با حل معادله بدست می آید. (16) توسط Esen و همکاران گزارش شده است. (2006). بنابراین ، زمان بازپرداخت می شود:

جایی که C_inv  کل هزینه مبدل حرارتی زمین است: ‘d’ نرخ تخفیف اسمی است. er, ,نرخ افزایش قیمت برق است: C_Pارزش فعلی درآمد سال اول بهره برداری است.

4. نتایج و بحث

بار خنک کننده و سهم خنک کننده ماهانه (نسبت بار ماهانه به بار سالانه) مطالعه موردی با استفاده از نرم افزار HAP شبیه سازی شد. نتایج در جدول 5 و شکل 3 نشان داده شده است.

شبیه سازی نشان می دهد که مبدل حرارتی زمینی از چهار سوراخ در پیکربندی خط 1 * 2 با طول چاه کل 250 متر کافی است تا مورد نیاز با سرمایش را ارائه دهد. به عبارت دیگر ، طول گمانه مورد نیاز در هر مگاوات ساعت بار خنک کننده 6.9 متر یا 1.7 متر در متر مربع از مساحت ساختمان است.

میانگین دمای سیال زمین حاصل از گمانه در شکل 4 نشان داده شده است. شایان ذکر است که بهینه سازی اقتصادی برای انتخاب بهینه عمق کل گمانه انجام شده است. عمق و تنظیمات گودال مورد بررسی در جدول 6 نشان داده شده است.

با توجه به اینکه دمای متراکم 20 درجه سانتیگراد بیشتر از دمای هوای بیرون (شکل 1) در سیستم های ASHP و 7.5 درجه سانتی گراد بالاتر از میانگین دمای ژئوسیال (شکل 4) در سیستم GSHP است. بنابراین ، دمای متراکم ماهانه سیستم های ASHP و GSHP برای هر ماه قابل محاسبه است. شکل 5 دمای متراکم (دمای کار) سیستم ASHP معمولی و سیستم GSHP پیشنهادی را نشان می دهد.

با ترکیب نتایج شکل 5 در شکل 2 ، متوسط ​​COPA ماهانه سیستم ASHP و متوسط ​​COP ماهانه سیستم GSHP قابل ارزیابی است و نتایج در شکل 6 ارائه شده است.

بهبود COP ناشی از استفاده از GSHP ها در ماه های تابستان که بار خنک کننده زیاد است ، بیشترین افزایش را دارد.

به این ترتیب می توان انرژی محرک ماهانه سیستم های ASHP و GSHP را با استفاده از معیارهای (1) و (3) ارزیابی کرد. انرژی رانندگی ماهانه سیستم های ASHP و GSHP و کاهش نسبی انرژی رانندگی در شکل 7 نشان داده شده است.

با قیمت محلی فعلی حفاری و لوله های پلاستیکی ، تجزیه و تحلیل اقتصادی نشان می دهد که سرمایه گذاری اضافی GSHP بیش از آن است .

سیستم ASHP معمولی 2275 دلار (معادل (6)) است. به طور خاص ، هزینه ساخت سیستم GSHP در قطر 15.8 دلار برای هر متر مربع از مساحت ساختمان یا 62.7 دلار برای هر مگاوات ساعت بار خنک کننده است. برای مدت 30 سال عمر پروژه با نرخ تورم 1.9 and و نرخ تنزیل 2.5، ، ارزش فعلی خالص پروژه 3705 دلار است ، در حالی که نرخ بازده داخلی معادل 14.3 است. شکل 8 جریان نقدینگی تجمعی سیستم پیشنهادی را نشان می دهد. با استفاده از شکل 8 می توان دریافت که زمان بازپرداخت (PBT) سیستم GSHP کمی بیش از 9 سال (9.1 سال با استفاده از معادله (11)) است.

4-نتیجه گیری

این مطالعه به بررسی گزینه جایگزین انرژی تجدیدپذیر برای کاهش مصرف انرژی سیستم های تهویه مطبوع ساختمان ها در محیط های تحت سرمایش مانند قطر می پردازد. گزینه پیشنهادی پمپ حرارتی منبع زمین است. شایان ذکر است که علیرغم این که مطالعه حاضر محدود به شرایط آب و هوایی دوحه است ، انتظار می رود که این رویکرد بتواند به تمام کشورهای خلیج عربی که نیازهای گرمایش آنها بسیار کم است ، گسترش یابد. تجزیه و تحلیل ارائه شده در مقاله نشان می دهد که:

• بار خنک کننده سالانه یک ساختمان مسکونی بسیار زیاد است و به ترتیب 251 کیلووات ساعت بر متر
• طول مورد نیاز گمانه 6.9 متر در هر مگاوات ساعت سرمایش است

بار ، 21.4 متر در کیلووات ظرفیت سرمایش ، یا 1.7 متر در متر مربع از مساحت ساختمان.

• هزینه ساخت افزایشی سیستم GSHP در قطر است

62.7 دلار به ازای هر مگاوات ساعت بار خنک کننده ، 194.4 دلار به ازای هر کیلووات ظرفیت سرمایش یا 15.8 دلار به ازای هر متر مربع از مساحت ساختمان.

• پیاده سازی سیستم های GSHP منجر به کاهش انرژی می شود

میزان مصرف و در نتیجه انتشار گازهای گلخانه ای سیستم های تهویه مطبوع در قطر تا 19 درصد.

• نرخ بازگشت داخلی سیستم GSHP برای ساخت مسکونی اینک در قطر 14.3 درصد است.

• زمان بازپرداخت سیستم های پیشنهادی 9 سال است.

در کارهای آینده امکان بهبود قابلیت زنده ماندن سیستم GSHP در شرایط قطر با بهبود عملکرد حرارتی پوسته خارجی ساختمان یا استفاده از پی های عمیق زمین گرمایی (شمع های انرژی) مورد بررسی قرار می گیرد.

تقدیر و تشکر :

این کار با کمک NPRP 7-725-2-270 با کمک مالی صندوق تحقیقات ملی قطر (عضو بنیاد قطر) امکان پذیر شد. مسئولیت اظهارات ذکر شده در اینجا فقط بر عهده نویسندگان است.