تستخلص المضخات الحرارية الأرضية (GSHP) الحرارة أو الطاقة الحرارية التي تكتسبها الأرض من خلال الإشعاع الشمسي. إنها واحدة من أكثر التقنيات كفاءة في استخلاص ونقل الحرارة. نظرًا لأن الأرض في هذه التقنية تعتبر المصدر الرئيسي للطاقة، فإن ذلك يجعل هذه التكنولوجيا أكثر اكتفاءً ذاتيًا ورخيصة وبالتالي قابلة للتطبيق. (Cui، Man، & Fang، 2015)
يمكن لمضخة حرارية جوفية واحدة نقل الحرارة المخزنة في الأرض إلى مبنى خلال فصل الشتاء وتستخدم للتدفئة، ونقل الحرارة خارج المبنى خلال فصل الصيف من أجل تلطيف الجو الداخلي.
ما هي المضخة الحرارية الأرضية (GSHP)؟
تعمل المضخة الحرارية الأرضية (GSHP) على استخلاص الحرارة من الأرض باستخدام الأنابيب المدفونة تحت الأرض. ويمكن بعد ذلك استخدام هذه الحرارة لتسخين المياه، وتدفئة الأرضيات وكذلك توفير الماء الساخن. " (Energy Saving Trust ، 2007).
نظرًا لأن درجة حرارة باطن الأرض ثابتة بعد عمق معين، تتغير درجة الحرارة الخارجية بشكل متكرر مع تغير الظروف الجوية. تقوم GSHP بعملها عن طريق تدوير سائل عبر حلقة مغلقة من الأنابيب تحت الأرض. يمتص هذا السائل الحرارة من الأرض وينقلها إلى المضخة الحرارية المتصلة بالمبنى لتدفئة المبنى.
في الصيف، يقوم هذا السائل المتناقل بنقل الحرارة من المبنى إلى الأرض من خلال نفس أنابيب المياه الموجودة بالفعل تحت الأرض.
كيف تعمل المضخات الحرارية الأرضية؟
في فصل الشتاء، يتم ضخ المياه من داخل المبنى والذي يدور في حلقة الأنابيب المدفونة في الأرض. ارتفاع درجة حرارة الأرض من الداخل سيؤدي إلى تسخين الماء. ثم يتم تدوير الماء الدافئ في الأنابيب إلى المبنى حيث يتم استخدام الحرارة في تدفئة المناطق المحيطة، ثم يصبح الماء باردًا ويعود إلى الأرض لتدفئته بالحرارة المخزنة داخل الأرض مرة أخرى.
يمكن لمضخة حرارية جوفية واحدة أن تستخدم طوال العام من أجل التدفئة في فصل الشتاء والتبريد في فصل الصيف.
لا تحتاج المضخات الحرارية الأرضية (GSHPs) أيضًا إلى أي ظروف جيولوجية محددة مثل مصادر المياه (الينابيع) الساخنة وما إلى ذلك لتشغيلها بنجاح.
إلى جانب الكفاءة العالية، توفر أنظمة GSHP مزايا جذابة على عكس الأساليب التقليدية مثل:
- صديقة للبيئة
- تكاليف صيانة منخفضة
- جماليات البناء
- استرداد المبلغ المستثمر في فترة قصيرة.
تم الكشف عن طريقة استخدام GSHP في براءة اختراع سويسرية قديمة تعود إلى عام 1912. (Cui، Man، & Fang، 2015)
أهمية وتطبيقات المضخة الحرارية الأرضية (GSHP)
تتمتع المضخات الحرارية الأرضية (GSHPs) بكفاءة عالية وهذه واحدة من أكبر فوائدها. ويرجع ذلك إلى أن نظام GSHP الرخيص التكلفة أكثر قابلية للتطبيق.
إذا كان نظام GSHP معزولًا جيدًا، فيمكنه توفير ٣ - ٤.٥ أضعاف كمية الطاقة الكهربائية التي يتم إنفاقها لتدفئة المنازل. يمكن تحقيق كفاءة عالية في الأداء (COP) تصل إلى 4.5 فقط لأن المضخات الحرارية الأرضية تنقل الحرارة فقط من مكان إلى آخر، بدلاً من حرق الوقود أو توليد الطاقة.
على سبيل المثال، يمكن أن تكون أفضل الأفران التي تعمل بالوقود الزيتي فعالة وتعمل بكفاءة بنسبة ١٠٠٪ فقط من حيث الطاقة المستهلكة لتوفير الطاقة الحرارية بينما (COP 4.5) تعني أن الكفاءة تبلغ ٤٥٠٪.
تعتبر الدراسة مهمة في مجال مصادر الطاقة المتجددة والبديلة لأنها ستزيد من الوعي بشأن تكلفة التركيب وسعر GSHP. كما ستمكن القراء من معرفة النطاق السعري لهذا النظام وبالتالي إعدادهم بشكل أفضل لاتخاذ قرارات أكثر استنارة في ترشيد استخدام الطاقة والبحث عن وسائل بديلة / طاقة متجددة.
توفر المضخات الحرارية الأرضية (GSHPs) بديلاً أكثر كفاءة ومسؤولية بيئيًا لأنظمة التدفئة والتبريد التقليدية. باستخدام درجات حرارة الأرض تحت السطحية الثابتة لتوليد التدفئة والتبريد، ولذلك تسمح GSHP بالآتي:
- تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.
- تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
- تكون أكثر قابلية للتطبيق اقتصاديًا لأغراض التدفئة والتبريد.
ميزة أخرى لـ GSHPs هي أنه يمكن تحويلها بشكل فعال إلى الاتجاه المعاكس، بحيث يمكنها العمل في كلا الاتجاهين، أي في تسخين المبنى وكذلك تبريده.
وحدات المكيفات القياسية هي مضخات حرارية من الهواء إلى الهواء تعمل بكفاءة في الأيام الحارة لأنه يتعين عليها العمل بقوة لطرد الحرارة إلى المشتت الحراري، والذي يكون بالفعل في درجة حرارة أعلى. أما بالنسبة بالنسبة لنظام المضخات الحرارية الأرضية GSHPs، ستعمل المضخة الحرارية بشكل أكثر كفاءة لأنها تطرد الحرارة إلى مكان أكثر برودة نسبيًا (الأرض). يمكن استخدام نفس الحرارة المطرودة في الطقس البارد لتدفئة المبنى أيضًا.
تكلفة المضخات الحرارية الأرضية
تكلفة نظام المضخات الحرارية الأرضية أكبر من تكلفة النظام التقليدي (Imal، Yılmaz، & Pınarbaşı، 2015) ولكن GSHPs لديها معامل أداء أفضل (COPH) من وحدات تكييف الهواء التقليدية. معظم GSHPs لديها COPH على الأقل ٣ ، ويمكن أن تصل إلى ٤ في ظل ظروف تشغيلية جيدة.
تعد المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي من أكثر الأنظمة كفاءة، وبالتالي الأقل تلويثًا عن أنظمة التدفئة والتبريد وتسخين المياه المتاحة. لذلك ، يمكن أن تسدد GSHPs التكلفة الكاملة لاستثماراتها من خلال دمج التوفيرات الشهرية التي تحققت في شكل تخفيض في فواتير الكهرباء / الغاز.
إذا طبق المرء نفس مفهوم الاسترداد النقدي على نظام HVAC قياسي / تقليدي، فلن يكون هناك مردود مالي لأنه لا يوجد توفير. يتم دفع تكاليف الوقود / الكهرباء على أساس متكرر.
يعد استخدام الطاقة الحرارية الأرضية للتدفئة والتبريد أمرًا ذا قيمة نظرًا للتأثيرات البيئية والاقتصادية والاجتماعية التي تحدثها في نطاق استخدامها. (سنيلينج ، هاريس ، وويلسون ، 2017).
مع زيادة الاهتمام باستخدام مصادر الطاقة المتجددة / البديلة، هناك حاجة لتحديد الجدوى التجريبية والأداء وكذلك الاقتصادية لهذه الأنظمة في منطقتنا. سيؤدي ذلك إلى تحليل كفاءة الطاقة لآليات التدفئة / التبريد المختلفة، والحفاظ على الطاقة، وتوفير التكاليف، والحد من التلوث وما إلى ذلك.