المضخات الحرارية الأرضية أو مضخات الحرارة الجوفية أو مضخات التبادل الحراري الأرضية هي تقنية طاقة متجددة عالية الكفاءة تحظى بقبول واسع خصوصاً في شرق آسيا وغرب أوروبا و أمريكا الشمالية ، و تستخدم لتدفئة و تبريد كلاً من المباني السكنية والتجارية.
تستخدم مضخات الحرارة الجوفية لأغراض تدفئة و تبريد المساحات، وكذلك تسخين المياه. الفائدة من المضخات الحرارية أرضية المصدر هي أنها تركز على الحرارة الموجودة طبيعياً ، بدلاً من إنتاج الحرارة من خلال حرق الوقود الأحفوري المدمر للبيئة.
دراسة : مزارع الطاقة الشمسية والرياح قد تحول الصحراء لمروج خضراء !
المضخات الحرارية التي تعمل بالحرارة الأرضية لها شعبية كبيرة باعتبارها تقنية طاقة متجددة نظيفة وفعالة تستخدم لتدفئة المنزل وتبريده صيفاً و شتاءاً وبحسب الإستخدام المطلوب.
في الحقيقة لديك بالفعل مضخة حرارية في منزلك و هي الثلاجة أو البراد. إذا وضعت يدك خلفها ستشعر بالحرارة التي تم ضخها من داخل الثلاجة لخارجها.
فكرة عملها
تحت سطح الأرض ، تكون درجة الحرارة ثابتة من 10 إلى 16 درجة مئوية ، وهو مصدر طبيعي و أبدي للحرارة . تستفيد المضخة الحرارية الأرضية من مصدر الحرارة الثابت هذا عن طريق نقل وتركيز الحرارة لتوفيرها من أجل عدة استخدامات منزلية مثل:
- مصدر طاقة حرارية للتدفئة في فصل الشتاء
- مبدد حراري للتبريد في الصيف
- مصدر للحرارة لتسخين المياه المنزلية
نظام المضخات الحرارية الأرضية
يتكون النظام النموذجي من نظام مواسير أرضية مملوءة بمحلول مائي ، ومبادل حراري ، بالإضافة إلى مجري الهواء في المبنى.
خلال فصل الشتاء ، يتم امتصاص الحرارة من الأرض بواسطة محلول الماء أثناء دورانها عبر الأنابيب في الأرض. يتم نقل الماء الدافئ إلى المنزل حيث تقوم مضخة بنقل حرارة الماء إلى الهواء بتركيز الطاقة الحرارية وتحويلها إلى الهواء في نظام التهوية التقليدي ، والذي يتم تعميمه لتدفئة المنزل.
في فصل الصيف ، يتم عكس هذه العملية ويتم ضخ الحرارة الزائدة من المنزل إما في الأرض أو إعادة توجيهها لتسخين المياه الساخنة المنزلية من أجل تبريد المنزل.
بالإضافة إلى تدفئة المساحات ، يمكن أن تكون أنظمة التبادل الحراري الأرضي مزودة بجهاز يسمى desuperheater ، والذي يعيد تدوير الحرارة المفقودة من ضاغط المضخات الحرارية ويستخدمها لتسخين المياه. يمكن لهذه الأجهزة توفير المياه الساخنة المنزلية بالإضافة إلى سخان المياه بالطاقة الشمسية أو نظام تسخين المياه التقليدي.
اصنع بنفسك سخان شمسي بسيط للماء
يتميز هذا بالكفاءة بشكل خاص في أشهر الصيف الساخنة لأن الحرارة الزائدة التي يتم إزالتها من المنزل تتم إعادة توجيهها إلى خزان الماء الساخن بدلاً من العودة إلى الأرض ، هذا يعني الحصول على مياه ساخنة مجانية. و كذلك خلال فصل الشتاء ، يمكن استخدام الحرارة من الأرض لتسخين المياه وكذلك المنزل ، مما يقلل أحيانًا من نسبة الطاقة المستهلكة لتسخين المياه في فصل الشتاء بنسبة 50٪.
الكفاءة والمزايا البيئية
وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية ، تعتبر أنظمة المضخات الحرارية الجوفية ذات المصدر الأرضي واحدة من أكثر أنظمة تكييف الهواء كفاءة في استخدام الطاقة ونظافة بيئياً وفعالة من حيث التكلفة.
70 في المئة من الطاقة المستخدمة في نظام المضخات الحرارية الأرضية تأتي على شكل طاقة متجددة من الأرض.
تعتبر أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية عالية الكفاءة في المتوسط أكثر كفاءة بنسبة 48 بالمائة من أفران الغاز ، وأكثر كفاءة بنسبة 75 بالمائة من أفران الوقود البترولي، وأكثر كفاءة بنسبة 43 بالمائة عندما تكون في وضع التبريد .
بما أن نظام المضخات الحرارية الأرضية لا يحرق أي وقود أحفوري في الموقع لإنتاج الحرارة ، فإنه يولد انبعاثات غازات دفيئة أقل بكثير من الأفران التقليدية ، ويقضي تمامًا على مصدر محتمل لأول أكسيد الكربون السام داخل المنزل أو المبنى.
حتى مع أخذ حصتها في الانبعاثات من محطة توليد الكهرباء التي تنتج الكهرباء لتشغيل نظام المضخة الحرارية الجوفية ، فإن إجمالي الانبعاثات أقل بكثير من الأنظمة التقليدية.
أنظمة الأنابيب الأرضية
هي عبارة عن سلسلة من أنابيب البولي إيثيلين المدفونة تحت الأرض التي تحتوي على مزيج من الإيثانول المائي لمنع التجمد. هناك عدة أنواع أساسية من أنظمة الأنابيب الأرضية التي يمكن استخدامها للمباني التجارية والسكنية. تعد الأنظمة الأفقية والرأسية والبحيرات أنظمة مغلقة الحلقات ، في حين أن النوع الرابع من النظام هو نظام الحلقة المفتوحة. تستخدم الأنظمة المغلقة حلقة مستمرة حيث يتم تداول سائل نقل الحرارة / الماء باستمرار.
الأنابيب أو المواسير الأرضية الأكثر شيوعًا الموجودة في الأنظمة السكنية هي الأنابيب الأفقية والعمودية. الموقع الجغرافي والمناخ والتربة والأرض المتاحة كلها عوامل تحدد أفضل أنواع النظام لمنزل معين. تحتاج المنازل الأكبر التي تحتاج إلى مزيد من التدفئة أو تكييف الهواء والمنازل في المناخات ذات درجات الحرارة القصوى عمومًا إلى حلقات أكبر.
الأنابيب الأرضية الأفقية
الحلقات الأرضية الأفقية هي النظام الأكثر فعالية من حيث التكلفة والشائع للمنازل السكنية ، عندما تتوفر مساحة كافية لوضع نظام ، ومن السهل حفر الخنادق. يتم وضع الأنابيب في الخنادق التي تتراوح بين 30.5 إلى 122 متر في الطول. تتطلب الحلقات الأفقية عادة 30.5 – 91.4 م من الخندق مع 183 – 365.8 م من الأنبوب لكل طن.
image source: Waterfurnace
نظام الأنابيب الرأسية
الأنابيب الرأسية تستخدم أكثر في المناطق الحضرية نتيجة قلة الأراضي المتاحة الأفقية. كما يتم استخدامه أيضًا إذا كانت التربة يصعب حفرها . تستخدم معدات الحفر في حفر ثقوب بقطر صغير يتراوح عمقها بين 30.5 و 122 متر ، بحيث تكون المسافة بينهم 9 أمتار.
يتم وضع المواسير في هذه الثقوب مع منعطف على شكل حرف u في الجزء السفلي لتشكيل حلقة. ثم يتم توصيل كل أنبوب عمودي بأنبوب تحت الأرض أفقي ينقل السوائل من وإلى مضخة التبادل الحراري الداخلية.
عادة ما تكون التركيبات الرأسية أكثر تكلفة ، ولكنها تتطلب أنابيب أقل من الحلقات الأفقية لأن درجة حرارة الأرض تكون أكثر دفئًا وأكثر استقرارًا من السطح .
image source: Waterfurnace
نظﺎم البركة أو البحيرة
هو نظام المضخات الحرارية الأرضية الأقل كلفة إلا أنه يتطلب وجود مسطح مائي ذا جودة و عمق مناسب ، يتم تشغيل الأنبوب تحت الأرض من المبنى إلى الماء ويتم لفه في دوائر عميقة بدرجة كافية تحت سطح الماء لمنع التجمد. يدور السائل تحت الماء من خلال الأنبوب في نظام مغلق ، تمامًا كما يحدث من خلال الحلقات الرأسية والأفقية. وبما أنه نظام مغلق ، فلا توجد آثار ضارة على النظام المائي.
التكلفة
تصميم وتركيب أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية لا تقوم بذلك بنفسك ، وبالتالي تتطلب خدمات مهنية. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب تكامل أنظمة تبادل الطاقة الحرارية الأرضية مع أنظمة أخرى في المنزل خبرة خاصة.
يختلف سعر نظام التسخين الحراري الأرضي اعتمادًا على نوع نظام الأنابيب المستخدم ، عادةً ما يكون عموديًا أو أفقيًا. في المتوسط ، فإن المنزل النموذجي الذي تبلغ مساحته 232.3 متر مربع ، مع حمولة تسخين تبلغ 63300 كيلو جول ، وتبريد حمولة يبلغ 63300 كيلو جول ، سيكلف ما بين 20.000 إلى 25.000 دولارًا ليتم تثبيته. وهذا يعادل ضعف تكلفة تأسيس نظام التدفئة والتبريد والمياه الساخنة التقليدي، ولكن أنظمة التدفئة / التبريد الحرارية الأرضية يمكن أن تقلل فواتير الخدمات بنسبة 40٪ إلى 60٪.
الزمن اللازم لاسترداد التكلفة يتراوح ما من 2 إلى 10 سنوات ، في حين أن عمر النظام يمكن أن يتراوح بين 18 و 23 عامًا ، أي ما يقارب ضعف النظام التقليدي. بالإضافة إلى ذلك ، فأنت تضيف قيمة أنظمة الطاقة المتجددة قيمة إلى منزلك.
بعض الحكومات تقدم حوافز لمن يقوم بتركيب مثل تلك الأنظمة الموفرة للطاقة و المفيدة للبيئة من خلال تقديم دعم أو نظام تقسيط لتشجيع الناس على استخدامها.
مصادر للاستزادة
https://www.energy.gov/eere/geothermal/geothermal-heat-pumps
https://www.energyhomes.org/renewable-technology/geoefficiency.html
On Google News