دانلود مقاله پمپ هاب حرارتی - سیستم های حرارتی سازگار با محیط زیست

مقدمه

گرمایش و سرمایش ساختمانها در ایران در پنجاه سال گذشته سیر تکاملی قابل توجهی را طی کرده است . این سیر شامل گرمایش از طریق کرسی با استفاده از خاکه ذغال ، بخاری یا گرم کننده های نفت سوز با دودکش و بخاری های گاز سوز با دودکش برای هر یک از اتاقهای مورد استفاده ساختمان و گرمایش مرکزی با استفادهاز نفت گاز یا گاز طبیعی و بالاخره آب گرم در یک مرکز و گرمایش اتاقهای مورد استفاده به کمک رادیاتور یا فن کویل بوده است .

سیر سرمایش ساختمانها نیز شامل مراحل زیر بوده است . باز گرداندن در و پنجره های ساختمان و اجازه بر قراری جریان هوا در مواقعی که دمای هوای بیرون کمتر از دمای هوای اتاقهاست و یا جریان هوا می تواند به خنک کردن بدن ساکنان ساختمان کمک کند ، استراحت در سایه درختان حیاط در روز ، گذراندن روزهای بسیار گرم در زیر زمین ها و شبها در بالای بامها ، استفاده از بادبزنهای دستی ، استفاده از بادبزنهای برق رومیزی یا سقفی در اتاقها ، استفاده از کولر های آبی ، استفاده از کولرهای گازی نوع تراکمی برای هر یک از اتاقهای مورد استفاده ،استفاده از سرمایش مرکزی به کمک چیلر های تراکمی و جذبی وتولید آب سرد در یکمرکز و خنک کردن یا سرمایش اتقاهای مورد استفاده به کمک فن کویل .

امروزه تقریباً تمامی ساختمانها گرمایش خود را با استفاده از سوختهای فسیلی و آب یا هوای گرم در اتاقها و سرمایش خود را کمک کولرهای آب و تولید هوای خنک ولی مرطوب تامین می کنند . در ساعاتی از شبانه روز در تابستان که دما و رطوبت نسبی هوا بالاست (و تعداد این ساعات با تغییرات اقلیمی کره زمین در حال افزایش است ) کولرهای آبی قادر به تامین آسایش برودتی ساکنان بسیاری از شهرهای ایران نیستند .از این نظر بسیاری از ساختمانها ، بویژه برجها ، از دستگاههای تبرید تراکمی و یا جذبی برای تولید برودت در تابستان استفاده می کنند .

بسیاری از شرکتهای تاسیساتی اقدام به ساخت دستگاههای تبرید جذبی - با استفاده از گاز طبیعی موجود در شهرها - در ظرفیتهای پایین برای آپارتمانها کرده اند . این اقدام که سوزاندن گاز را در طول سال در شهرها افزایش میدهد باعث افزایش آلودگی محیط زیست می شود . به علاوه دستگاههای تبرید جذبی در مقایسه با انواع تراکمی ، دارای ضریب کارایی بسیار پایین تری هستند و برای تولید مقدار معینی برودت ، ارنژی بیشتری نسبت به سیستم ها یتبرید تراکمی مصرف می کنند و چنانچه کندانسور آنها با آب خنک می شود نیاز به آب بیشتری در برج خنک کن دارند که در کشور کم آبی مانند ایران این موضوع مسائل مربوط به مصرف زیاد آب را به همراه دارد .

استفاده از پمپ های حرارتی برای سرمایش و گرمایش ساختمانها

با استفاده از پمپ های حرارتی نوع تراکمی می توان برودت مورد نیاز را در زمستان تامین و از آلوده تر شدن محیط زیست نیز جلوگیری کرد . استفاده از پمپ های  حرارتی را می توان مدرت ترین و از نظر حفاظت محیط زیست بهترین روش برای تامین نیاز برودتی و حرارتی ساختمانها دانست . در ارتباط با اثرات زیست محیطی استفاده از پمپ های حرارتی می توان گفت که با جایگزین سوختهای فسیلی با برق ، مصرف سوختهای فسیلی در شهرها و آلودگی هوا (که به خصوص در زمستانها به دلیل وارانگی هوا به حد بحرانی خود می رسد )کاهش می یابد.

بررسی مختصر کارایی پمپ های حرارتی از نوع تراکمی

پمپ حرارتی یک دستگاه تبرید است که از حرارت دفع شده در کندانسور برای گرمایش ساختمان استفاده می کند و این عمل ازمنبع دمای پایین و انتقال حرارت به منبع دمای بالا انجام می شود . طرح پمپ حرارتی دفع شده در کندانسور را برای گرمایش ساختمان امکان پذیر کند و این در حالی است که همین سیستم از برودت تولید شده در اوپراتور برای خنک کردن ساختمان در تابستان استفاده می کند . لازم است اضافه شود که در بعضی از کاربردهای خاص ، پمپ حرارتی ممکن است بتواند به طور همزمان سرمایش و گرمایش مورد نیاز قسمتهای مختلف یک ساختمان را تامین کند.

منابع انرژی در پمپ های حرارتی ، منابع حرارتی ای هستند که پمپ حرارتی می تواند انرژی حرارتی مورد نیاز اوپراتور خود را از انها بگیرد. پمپ های حرارتی می تواند از منابع حرارتی مختلف مانند هوا ، آبهای جاری ، انرژی خورشیدی و حتی آب دور ریخته شده در هنگام استحمام و سایر شستشوها استفاده کند . لذا پمپ های حرارتی را می توان علاوه بر حسب سیکل ترمودینامیکی آنها ، بر حسب منابع حرارتی نیز تقسیم بندی کرد .

شکل 1 یک پمپ حرارتی را نشان می دهد که از هوای محیط به عنوان منبع انرژی استفاده می کند . اجزا اصلی این سیستم شامل کمپرسور ،‌کندانسور ،‌اوپراتور ، شیر انبساط یا لوله های مویی و شر چهار راهه است .

هنگام کار به عنوان پمپ حرارتی ،شیر چهار راهه به گونه ای تنظیم می شود که که بخار فوق اشباع که از کمپرسور خارج می شود که بخار فوق اشباع که از کمرسور خارج می شود . ابتدا وارد مبدل حرارتی داخل ساختمان        می شود و در طی فرایند تقطیر ، حرارت انتقال یافته را به داخل ساختمان اراسال می کند و سپس مایع مبرد به طرف لوله مویی جریان می یابد. در این حالت شیر یک طرفه در خط بالایی ، مانع از جریان یافتن مبرد از طریق این خط شده و مایع مبرد از طریق خط پایینی جریان می یابد . سپس مبرد فشار پایین و سرد وارد مبدل حرارتی بیرون از ساختمان شده و در حین فرایند تبخیر ، انرژی حرارتی مورد نیاز خود را از هوای بیرون جذب کرده و سپس به طرف قسمت مکش کمپرسور هدایت می شود .

در فصل تابستان به منظور معکوس کردن جهت سیکل ، شیر چهار راهه به گونه ای تنظیم می شود که ابتدا بخار داغ خروجی از کمرسور وارد مبدل حرارتی خارج از ساختمان می شود و در حین فرایند تقطیر ، انرژی حرارتی خود را به هوای محیط منتقل می کند . در این مرحله شیر یک طرفه در خط پایینی مانع از جریان یافتن مبرد از طریق خط بالایی جریان می یابد . سپس مبرد فشار پایین و سرد وارد می یابد . سپس مبرد فشار پایین و سرد وارد مبدل حرارتی داخل ساختمان می شود و حرارت را از محیط داخل جذب می کند . وجود دو شیر انبساط یا لوله مویی در پمپ حرارتی ضروری است زیرا با توجه به انکه اختلاف فشار بین دو مبدل حرارتی در فصل زمستان بیشتر از فصل تابستان است بنابراین لوله موی ای که برای فصل زمستان طراحی شده است نمی تواند عملکرد مناسبی در فصل تابستانه داشته باشد .

انتخاب ساختمان های نمونه

برای بررسی عملکرد پمپ های حرارتی لازم است بار حرارتی و برودتی ساختمان مورد نظر معلوم باشد . دو نوع ساختمان را به شرح زیر در نظر  می گیریم :

یک مجتمع مسکونی چهار طبقه چهار واحدی با سطح زیر بنای کل 800 متر مربع در هر طبقه با پارکینگ در زیر طبقه اول برای شهرهای بزرگ نظیر تهران ، اصفهان ، تبریز ،‌مشهد و شیراز .

 یک ساختمان ویلایی یک طبقه با مساحت مفید 200 متر مربع برای شهرهای اهواز ،‌بندرعباس ، رشت ، کرمان و همدان .

شکلهای 2و3 با رحرارتی و برودتی طبقات مختلف مجتمع مسکونی در تهران را به ترتیب در ماه دی برابر یک روز ابری بسیار سرد و در ماه تیر برای یک روز آفتابی بسیار گرم نشان می دهند . این منحنی ها با استفاده از نرم افزار انرژی شریف به دست آمده اند .

جدول (1) : بار حرارتی مجتمع مسکونی در تهران برای یک روز بسیار سرد ابری و یک روز متوسط در دی ماه ، نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدی با سطح زیر بنای 800 متر مربع در هر طبقه (BTU/hr 3413= KW1 و تن برودتی 284/0 = KW1 )

جدول (2) : بار برودتی مجتمع مسکونی در تهران برای یک روز بسیار گرم و آفتابی و یک روز متوسط در تیرماه ،نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدی با زیربنای 800 متر مربع در هر طبقه

جدول (3): نیازهای انرژی یک آپارتمان متوسط در تهران با سطح زیر بنای 200 متر مربع

جدول (4) : انرژی حرارتی و برودتی مورد نیاز مجتمع مسکونی برای پنج شهر بزرگ ایران . نوع ساختمان :چهار طبقه – چهار واحدی با سطح زیربنای 800 متر مربع در هر طبقه (J1012 = TJ1)

جدول (5): انرژی حرارتی و برودتی مورد نیاز ساختمان ویلایی با مساحت 200 متر مربع برای شهرهای اهواز ، بندرعباس ،رشت ، کرمان و همدان .

می توان با استفاده از این نرم افزار بار حرارتی و برودتی مجتمع را در تمام ماههای سال تعیین کرد. شکل های 4 و5 به ترتیب نیاز حرارتی و برودتی مجتمع را در ماههای مختلف سال برای تهران نشان می دهند.

جدول شماره (1) بار حرارتی مجتمع مسکونی را برای یک روز بسیار سرد وابری و بار حرارتی مجتمع را برای یک روز متوسط در دی ماه برای شرایط اقلیمی تهران نشان می دهد. جدول (2) بار برودتی این مجتمع را برا ییک روز آفتابی وبسیار گرم و بار برودتی را برای یک روز متوسط در تیرماه در شرایط اقلیمی تهران نشان می دهد.

چنانچه از جدول های (1)و(2) برمی آید بار حرارتی و برودتی طبقات مختلف این مجتمع متفاوت هستند. ازاین نظر آپارتمان متوسطی را در این مجتمع 16 آپارتمانی در نظر می گیریم که بار حرارتی  و برودتی و نیاز آن به انرژی های حرارتی وبرودتی 16/1 کل مقادیر مجتمع باشد. جدول (3) مقادیر فوق را برای این آپارتمان متوسط نشان می دهد.

میزان انرژی لازم برای گرمایش و سرمایش مجتمع مسکونی برای روزهای متوسط در ماههای سال در شرایط اقلیمی تهران ،اصفهان ،تبریز ، مشهد ، شیراز با استفاده از نرم افزار انرژی شریف تعیین شدند .جدول (4) این مقادیر را برای ساختمان مورد نظر با 3200 متر مربع زیر بنا نشان می دهد . این جدول شامل انرژی مورد نیاز در سال برای هر متر مربع نیز می شود.

جدول(5) انرژی حرارتی و برودتی موردنیاز را برای شهرهای اهواز ، بندرعباس ، رشت ، کرمان و همدان نشان می دهد. 

اثرات تمهیدات مختلف برای کاهش انرژی حرارتی مورد نیاز ساختمانها

می توان با تمهیدات مختلف بار حرارتی و نیاز انرژی حرارتی ساختمانها را کاهش داد. این تمهیدات بار برودتی و نیاز انرژی برودتی ساختمان را نیز کاهش می دهند ولی اثر آنها روی بار حرارتی بیشتر است . جدول(6) اثر بعضی از این تمهیدات را روی انرژی های حرارتی و برودتی مورد نیاز مجتمع مسکونی چهارطبقه چهار واحدی در تهران نشان می دهد .

جدول (6) :مقایسه انرژی های حرارتی و برودتی مورد نیاز مجتمع مسکونی در شرایط اقلیمی تهران و صرفه جویی انرژی با تمهیدات مختلف . نوع ساختمان :چهار طبقه چهار واحدی با سطح زیر بنای 800 متر مربع در هر طبقه .

شکل (2) : بار حرارتی طبقات مختلف ساختمان مسکونی در تهران در دی ماه برای یک روز بسیار سرد و کاملاً ابری با حداکثر سرعت باد ممکن

نوع ساختمان : چهار طبقه – چهار واحدی با سطح زیربنای 800 متر مربع در هر طبقه ،TXو Tn به ترتیب حداکثر و حداقل دمای هوای بیرون . KT ،ضریب صافی هوا در روز و Vwسرعت باد بر حسب متر بر ثانیه است .

تن برودتی                         284/0 = BTU/hr 3413=kw1