به منظور کاهش مصرف انرژی در سیستمهای تهویه مطبوع و برودتی، در این پژوهش یک سیستم مبتنی بر سیکل تبرید تراکمی بخار و استفاده از انرژی زمین، پیشنهاد شده است. این سیستم، انرژی مورد نیاز برای واحدهای تهویه مطبوع، یخچال و فریزر یک ساختمان را به صورت مرکزی تامین میکند. واحد تقطیر این سیستم با استفاده از هوای خارج ساختمان و همچنین انرژی زمین، توسط دو مبدل حرارتی به صورت جداگانه و پشت سر هم خنک میشود. میزان مصرف انرژی شبیه سازی شده است. نتایج محاسبات که شامل ضریب و ترنسیس برای یک ساختمان نمونه با محاسبات تحلیلی و همچنین استفاده از نرم افزارهای‌هاسیس عملکرد سیستم، توان مصرفی کمپرسورها، کیفیت مبرد و دبی جرمی آن میشود با مقادیر سیستم متداول مقایسه گردیده است. نتایج نشان میدهد که با استفاده از واحد تقطیر آب خنک، دمای مبرد ورودی به شیر فشار شکن به طور قابل توجهی کمتر از دمای هوای خارج ساختمان میگردد. این موضوع افزایش قابل توجه ضریب عملکرد سیستم پیشنهادی و کاهش قابل توجه دبی جرمی مبرد را به همراه دارد. همچنین تأثیر کاهش دمای مبرد خروجی از واحد تقطیر بر اگزرژی مبرد، مورد بررسی قرار گرفته است.
چرا به بهینه سازی مصرف نیاز داریم؟
افزایش استانداردهای زندگی همراه با کاهش منابع سوخت فسیلی، محققان را بر آن داشته که روی موضوع مصرف انرژی ساختمانها تمرکز کنند. چرا که از یک طرف جمعیت جهان رو به افزایش است و از طرف دیگر تقاضا برای راحتی و آسایش نیز در سطح بالایی قرار دارد. یکی از راهکارهای افزایش راندمان و ضریب عملکرد یک سیکل تبرید، کاهش هرچه بیشتر دما در واحد تقطیر (کندانسور) میباشد. در حالت کلی و به شکل تئوری با استفاده از یک واحد تقطیر هوا خنک میتوان دمای مبرد را تا دمای هوای خارج ساختمان کاهش داد. اما با استفاده از راهکارهایی همچون واحد تقطیر آب خنک و یا ریزش آب بر روی واحد تقطیر، میتوان دمای آن را تا کمتر از دمای هوای خارج نیز کاهش داد. در سال 2010 حاجی داوالو و اقتداری در سیستم ارائه شده خود پژوهشی را به منظور کاهش دمای واحد تقطیر در یک سیکل تراکمی با استفاده از نازلهای آبپاش انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که مقدار ضریب عملکرد 50 درصد افزایش یافته و میتوان تا 20 درصد در مصرف انرژی صرفهجویی کرد. مشکل و ایراد استفاده از واحد تقطیر آب خنک، مصرف و هدر رفت آب میباشد که با توجه به مشکل کمبود آب، برای مناطق خشک و نیمه خشک نمیتواند راهکاری عملیاتی باشد. از طرفی دمای اعماق خاک، در تابستان کمتر از هوای خارج ساختمان میباشد، بنابراین یک راهکار بهینهسازی مصرف انرژی، استفاده از انرژی تجدیدپذیر برای کاهش دمای واحد تقطیر به کمتر از دمای هوای محیط خارج ساختمان میباشد.
برای شرکت در دوره تخصصی آموزش تاسیسات موسسه آموزش عالی نوین پارسیان کلیک کنید
استفاده از انرژی گرمایی اعماق زمین
جهت انتقال انرژی اعماق زمین میتوان از هوا و یا آب به عنوان سیال عامل استفاده کرد. در هر دو حالت، آب و یا هوا وارد لوله و یا کانالهایی شده که با خاک در ارتباط بوده و انتقال حرارت بین سیال عامل و خاک اعماق زمین رخ میدهد. در شکل 1 یک مبدل زمینی که سیال عامل آن هوا میباشد نشان داده شده است. هوا میتواند به صورت طبیعی و یا اجباری وارد کانالهای زمینی شده و پس از تبادل حرارت به سطح زمین برسد. لازم به ذکر است که آب نسبت به هوا حامل بهتری برای انتقال انرژی میباشد.
برای یک ساختمان در شانگهای طراحی 1 یک سیستم پمپ حرارتی زمینی و ساخته شد. این سیستم شامل دو پمپ حرارتی است که هر یک دارای ظرفیت سرمایشی 500 کیلو وات به همراه 280 حفره به عمق 80 متر میباشند. در حالت سرمایشی، حرارت کندانسور تقسیم شده و بخشی از آن به خاک منتقل شده و بخشی دیگر برای گرم کردن مجدد هوا در هواسازها مورد استفاده قرار میگیرد. در مقایسه این سیستم با سیستمهای هوا خنک متداول که به طور گستردهایی مورد استفاده قرار میگیرند، این سیستم مصرف انرژی کمتری در حدود 8.55 درصد داشته که در دوره زمانی دو ساله هزینه اولیه جبران میشود.
اهداف بهینه سازی مصرف سیستم های تهویه مطبوع
با توجه به موارد مطرح شده در بالا، هدف از پژوهش حاضر، متمرکز نمودن تجهیزات مختلف یک ساختمان است که نیاز به بار برودتی و سرمایشی دارند. با متمرکز نمودن تجهیزات میتوان با استفاده از یک سیکل جامع، از انرژی اعماق زمین نیز بهره مند شد. با انجام این پژوهش میتوان به موارد ذیل دست یافت:
- کاهش مصرف انرژی ساختمان
- استفاده از انرژیهای تجدید پذیر در دسترس
- تامین دمای آسایش ساکنان، در زمان اوج گرما
- یکپارچه نمودن تمام تجهیزات برودتی در یک سیکل متمرکز
بارهای برودتی و حرارتی
برای تامین بارهای حرارتی و برودتی مورد نیاز به انرژی در دماهای مختلفی نیاز میباشد که این مصارف (به جز بار سیستم تهویه مطبوع که با توجه به دمای خارج ساختمان ممکن است نیاز به حرارت یا برودت داشته باشد) همواره و در طول سال به طور ثابت در حالت بار حرارتی و یا بار برودتی میباشند. لذا بار حرارتی و برودتی در طول سال و فصلهای مختلف، عددی متفاوت خواهد بود. اما باید توجه داشت که در هر صورت در تمام طول سال، همواره و تواما به منبع انرژی گرمازا و گرماگیر جهت تامین بارهای حرارتی و برودتی نیاز میباشد. بنابراین سیستم مورد نظر بایستی بر اساس دو مدار مجزا و دو منبع حرارتی مجزا که یکی حرارتی و دیگری برودتی است طراحی شود. برای استفاده از سرمای خاک در طول فصول گرم سال و همچنین گرمای خاک در طول فصول سرد سال، طراحی سیستم پیشنهادی در دو فصل مطابق اصول ذیل خواهد بود.
برای شرکت در دوره تاسیسات مکانیکی نوین پارسیان کلیک کنید
انواع سیکل‌های برودتی و حرارتی در فصول مختلف سال
در فصول گرم، مدار برودت به شکلی خواهد ب ود که مبدل حرارتی و واحد تبخیر در تجهیزات مورد نظر داخل ساختمان خواهد بود و واحد تقطیر آن به وسیله هوای خارج و آبی که به اعماق زمین رفته و به دمای تعادل خاک رسیده است، خنک میگردد. در مدار گرمایش نیز، واحد تقطیر در داخل ساختمان و تجهیزات مورد نظر قرار خواهد گرفت و واحد تبخیر در بیرون از ساختمان و در تماس با هوای آزاد خواهد بود. در فصول سرد، در مدار برودت واحد تبخیر در داخل ساختمان و تجهیزات مورد نظر قرار داشته و واحد تقطیر در تماس با هوای آزاد میباشد. در مدار گرمایش نیز، واحد تقطیر در داخل ساختمان و در تجهیزات مورد نظر قرار داشته و واحد تبخیر در تماس با آبی خواهد بود که به اعماق زمین فرستاده شده و به دمای تعادل خاک رسیده است. همانطور که پیشتر گفته شد برای تعریف سیستم، ابتدا کل سیستم مورد نظر به دو سیستم حرارتی و برودتی تقسیم میگردد که هر سیکل شامل دو فصل سرد و گرم میباشد. در نتیجه در طول یک سال و برای یک ساختمان مسکونی دو سیکل گرمایی و سرمایی در فصول گرم و دو سیکل گرمایی و سرمایی در فصول سرد وجود خواهد داشت. با توجه اهمیت و پر استفاده بودن سیکل برودتی در فصول گرم، در ادامه این پژوهش صرفا به تشریح این سیکل پرداخته خواهد شد. 3 -سیستم پیشنهادی سیکل برودتی در فصول گرم سال سیکل برودتی در فصول گرم، شامل بارهای برودتی تهویه مطبوع، یخچال و فریزر میباشد. در این سیکل پایینترین دما در فریزر، سپس در یخچال و در آخر در سیستم تهویه مطبوع مورد نیاز خواهد بود. شکلهای 3 و 4 به ترتیب مدار شماتیک تجهیزات و نمودار s-T مبرد را طی این سیکل نشان میدهد.
همانطور که در مدار شماتیک و نمودار s-T مشخص شده است، مبرد توسط سه کمپرسور که به صورت سری در مدار قرار گرفتهاند، فشرده خواهد شد. ابتدا و در نقطه شماره 1،مبرد وارد کمپرسور شماره 1 شده و دما و فشار آن افزایش مییابد، سپس در نقطه 2،بخشی دیگر از مبرد که از واحد تبخیر یخچال خارج میشود، به مبرد اولیه اضافه شده و وارد کمپرسور شماره 2 میشوند. در این کمپرسور نیز، فشار و دمای مبرد باز هم افزایش مییابد و در نقطه شماره 3، مبرد خروجی از واحد تبخیر تهویه مطبوع به مبرد قبلی اضافه شده و سپس وارد کمپرسور شماره 3 میشوند. کمپرسور شماره 3 نیز دما و فشار مبرد را تا بالاترین فشار و دمای کاری سیکل افزایش میدهد. در نقطه شماره 4،مبرد در حالت گاز و با دما و فشار بالا وارد واحد تقطیر هوا خنک شده و طی یک فرآیند فشار ثابت تا دمای محیط خارج که به عنوان سینک حرارتی اولیه پیشبینی شده است، دمای آن کاهش مییابد. سپس برای آنکه بتوان دمای مبرد را بیشتر کاهش داد در نقطه شماره 5 از یک مبدل حرارتی دیگر که سیال عامل آن آب میباشد، استفاده میگردد و به این طریق دمای مبرد تا دمای تعادل خاک کاهش خواهد یافت. بنابراین طی این فرآیندها ضمن تغییر فاز مبرد از گاز به مایع، میتوان دمای مبرد را تا پایینتر از دمای هوای خارج کاهش داد. فرآیند کلیدی و موثر در این سیکل، فرآیند 5 به 6 میباشد که علاوه بر آن که گرمای مبرد از سیکل به زمین منتقل میگردد، باعث میشود که دمای مبنا یا تعادل سیکل، دمای اعماق زمین در نظر گرفته شود. این موضوع باعث میشود میزان دسترسپذیری انرژی در این سیکل افزایش یابد و انرژی تجدیدپذیر بیشتری در دسترس قرار گیرد.
شاید به مطلب “بررسی انواع سیستم های اعلام و اطفاء حریق و نقش آنها” علاقمند باشید
بررسی امکانپذیری کاهش دمای مبرد تا 22 درجه سانتیگراد
پیش از این مزایای کاهش دمای مبرد در واحد تقطیر بررسی شد. حال در این بخش، امکانپذیری دسترسی به دمای مورد نظر با مکانیزم استفاده از دمای خاک و شرایط حاکم بر پروژه بررسی خواهد شد. برای این امر، از نرمافزار ترنسیس استفاده میگردد. در شکل 14 نتایج شبیه سازی مبدل دفنی در نرمافزار ترنسیس، نشان داده شده است. در این شبیه سازی، یک مبدل دفنی با عمق 50 متر که متشکل از 500 عدد لوله U شکل میباشد، شبیه سازی شده است. این مبدل که می- توان د با استفاده از لولههای مقاوم نسبت به خوردگی خاک ساخته شوند، بایستی ضریب انتقال حرارت بالایی نیز داشته باشد. لولههای پنج لایه تلفیقی که از انعطاف بالایی برخوردار بوده و به صورت رولهای 200 متری تولید میگردند، میتوانند به عنوان لولههای انتقال حرارت مبدل مورد استفاده قرار گیرند. اطلاعات آب و هوا و همچنین شرایط خاک برای شهر تهران به عنوان ورودی وارد نرمافزار شده است. شبیه سازی در نرمافزار ترنسیس به صورت گذرا بوده و برای شش ماه ابتدای سال شمسی انجام شده است. دمای مبرد خروجی از واحد تقطیر هوا خنک نیز به صورت شناور بوده و برابر با 3 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای هوای خارج ساختمان است و به همین علت دارای نوسان میباشد. همانطور که در شکل 14 نشان داده شده است، کاهش دمای مبرد تا 22 درجه سانتیگراد، توسط مبدلهای دفنی امکان پذیر بوده و دمای آب خروجی از مبدل نیز در ابتدا روند صعودی داشته و سپس این روند نزولی شده است.
برای ثبت نام و شرکت در دوره آموزش HVAC نوین پارسیان کلیک کنید
جمع بندی و نتیجه گیری نهایی
در این پژوهش، محاسبات انرژی مورد نیاز یک سیکل برودتی در فصول گرم سال برای یک ساختمان نمونه در شهر تهران با محاسبات تحلیلی و استفاده از نرمافزارهای مهندسی انجام و نتایج آن با سیستمهای متداول مقایسه گردیده است. تمایز سیستم پیشنهادی نسبت به سیستم متداول تبرید تراکمی بخار، استفاده مجزا از انرژی زمین توسط یک مبدل دفنی به منظور کاهش دمای خروجی از واحد تقطیر به دماهای پایینتر از دمای هوای خارج میباشد. همچنین نیازهای برودتی سیستم تهویه مطبوع، یخچال و فریز ب وسیله سه مدار مجزا و به صورت مرکزی تامین میشود. هدف از ارائه این سیستم، کاهش مصرف انرژی در سیستمهای تهویه مطبوع و برودتی میباشد. از مهمترین نتایج حاصل از این پژوهش میتوان به موارد زیر اشاره کرد. ۱ -استفاده از واحد تقطیر آب خنک به واسطه انرژی زمین، امکان کاهش دمای ورودی به شیر فشار شکن را از 42 درجه به 22 درجه سانتیگراد ایجاد میکند. در اثر این اتفاق، ضریب عملکرد سیستم پیشنهادی در سیستم برودتی ساختمان در فصول گرم 29 درصد بالاتر از ضریب عملکرد سیستمهای متداول در شرایط یکسان بدست آمد. ۲ -استفاده از واحد تقطیر آب خنک باعث کاهش دبی جرمی مبرد به اندازه 3/20 درصد و کاهش توان مصرفی کمپرسورها به اندازه 25 درصد می- گردد. ۳ -تأثیر کاهش دمای خروجی از واحد تقطیر و شیر فشارشکن بر اگزرژی مبرد مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که کاهش دمای مبرد از 46 درجه به 22 درجه سانتیگراد باعث میشود اگزرژی مبرد حدود 40 درصد کاهش یابد. همچنین در نقاطی که فشار مبرد بالاتر است، کاهش دما، تاثیر بیشتری بر کاهش اگزرژی مبرد خواهد داشت. ۴ -بررسی تاثیر کاهش دمای مبرد ورودی به شیرهای انبساط بخش تهویه مطبوع، یخچال و فریزر در اثر واحد تقطیر آب خنک نشان داد، کیفیت مبرد خروجی از شیر انبساط مدار تهویه حدود 60 درصد، مدار یخچال 50 درصد و مدار فریزر 40 درصد کاهش مییابد. این کاهش کیفیت مبرد منجر به افزایش ظرفیت واحد تبخیر در سه جزء مورد بررسی می- گردد.
