چکیده

این مطالعه طول مبدل‌های حرارتی گمانه (BHEs) را در سیستم‌های پمپ حرارتی منبع زمینی برای گرمایش/سرمایش ساختمان (با 300 متر مربع) تعیین کرد .سطح زمین) در سراسر چهار جزیره اصلی ژاپن از طریق یک رویکرد شبیه سازی. بارهای حرارتی ساعتی در سلول های شبکه ای 10 کیلومتری بر اساس دما و رطوبت بیرون برآورد شد. برآوردهای سه بعدی هدایت حرارتی زمین از مطالعه قبلی ما در اعماق BHEs استفاده شد. یک عملیات سیستم 5 ساله در مجموع 4059 سلول با 81 ترکیب از طول های فردی و تعداد کل BHE ها برای تعیین کوتاه ترین طول کل مورد نیاز برای دستیابی به استفاده پایدار و عملکرد هدف شبیه سازی شد. ترکیب بهینه طول فردی و تعداد کل به صورت منطقه ای به دلیل شرایط آب و هوایی و به صورت محلی در میان سلول های مجاور به دلیل شرایط زمین شناسی متفاوت بود. طول کل مورد نیاز به طور گسترده از 78 تا 1782 متر متغیر بود. با این حال، طول کمتر از 400 متر در 85٪ از سلول ها بود. علاوه بر این، مقرون به صرفه بودن در 69 درصد از سلول ها با کاهش طول کل به نصف یا کمتر از آن در روش عملی نشان داده شد. این کاهش به طور بالقوه می تواند امکان استفاده از سیستم پمپ حرارتی در ژاپن را افزایش دهد. طول کل به بارهای گرمایش / سرمایش تقریباً به عنوان توابع چند جمله ای ثانویه وابسته بود، اما روابط با هدایت حرارتی زمین مشخص نبود.

کلید واژه ها:

سیستم پمپ حرارتی منبع زمینی ؛ مبدل حرارتی گمانه ; شبیه سازی چرخه هدایت حرارتی زمین ؛ امکان سنجی در سراسر کشور

1. مقدمه

آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) اخیراً گزارش داده است که انتظار می‌رود فناوری پمپ حرارتی و تجهیزات انرژی تجدیدپذیر برای گرمایش/سرمایش در یک ساختمان به منظور دستیابی به اهداف توسعه پایدار (SDGs) بیشتر افزایش یابد [ 1 ]. سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی (GSHP) برای مصارف حرارتی مختلف از جمله گرمایش/سرمایش در ساختمان ها با استفاده از منبع گرمای زیرزمینی به عنوان نوعی انرژی تجدیدپذیر استفاده شده است [ 2 ، 3 ، 4 ]. راندمان عملکرد بر اساس پایداری دمای زیرزمینی می‌تواند به صرفه‌جویی در انرژی در ساختمان‌ها در مقایسه با انرژی مصرف‌شده توسط سیستم‌های معمولی کمک کند [ 5 ]]. به طور معمول، در این دهه، کارایی سیستم های GSHP تمرکز مطالعات زیست محیطی با هدف کاهش انتشار گازهای مرتبط با گرمایش جهانی بوده است [ 6 ]. بررسی جهانی دیگری [ 7 ] نشان داد که بازار در سراسر جهان در حال رشد بوده است، اما سرعت این رشد در بین کشورها متفاوت است. رشد معمولاً در کشورهای پیشرفته اقتصادی، مانند ایالات متحده آمریکا و چین، و در کشورهای اروپایی که به طور سنتی GSHP را ترویج می‌کنند، از جمله آلمان، سوئیس و سوئد مشاهده شد. با این حال، رشد در بسیاری از کشورهای دیگر مانند ژاپن محدود بود، جایی که تعداد کل سیستم های GSHP در سال 2017 هنوز 2700 بود و افزایش سالانه سیستم های GSHP کمتر از 200 بود [ 8 ].
یکی از معایب اصلی سیستم‌های GSHP در مقایسه با سیستم‌های رقابتی مانند سیستم‌های پمپ حرارتی منبع هوا، هزینه سرمایه مربوط به نصب مبدل‌های حرارتی زمینی است. در حال حاضر، در میان انواع مبدل‌های حرارتی زمینی، مبدل‌های حرارتی گمانه (BHEs) محبوب‌ترین مبدل‌ها شده‌اند [ 9 ] و از لوله‌های U شکل منفرد یا دوتایی تشکیل شده‌اند که در یک گمانه با عمق تقریباً چند ده تا 100 متر یا بیشتر نصب شده‌اند. ; چنین سیستم هایی به عنوان سیستم های حلقه بسته طبقه بندی می شوند. BHEها از این جهت انعطاف‌پذیر هستند که می‌توانند در فضای محدود در مناطق شهری نصب شوند و می‌توانند برای تامین نیازهای حرارتی دلخواه با تنظیم طول کل ( TL ) اصلاح شوند.). نقطه ضعف BHE های عمیق هزینه های سرمایه ای بالای آنها نسبت به مبدل های حرارتی زمین کم عمق تر است. با این حال، روش‌های عملی در هر کشور، مانند ایالات متحده [ 10 ]، بریتانیا [ 11 ]، آلمان [ 12 ] و ژاپن [ 13 ]، به طور مشابه تنها حداکثر پالس را در تقاضاهای حرارتی متغیر اعمال می‌کنند، که اغلب منجر به برآورد بیش از حد TL می‌شود ، زیرا حداکثر پالس معمولاً بسیار بزرگتر و کمتر از سایر پالس های معمولی است. بنابراین، روش‌های عملی برای ساختمان‌های نسبتاً کوچک، مانند ساختمان‌هایی با پالس حرارتی کمتر از 30 کیلو وات توصیه می‌شود.
یکی دیگر از محدودیت‌های روش‌های عملی برای تعیین TL BHEs این است که استخراج حرارت ویژه – برای مثال 30-70 Wm -1 [ 13 ] – در هر عمقی ثابت فرض می‌شود. نرخ استخراج حرارتی به خواص حرارتی BHEs و خاک های اطراف آن بستگی دارد. برای اولی، مقاومت حرارتی گمانه نیز در طراحی BHE ها اهمیت دارد. این خاصیت به گمانه (قطر)، لوله U (مواد و آرایش)، مواد دوغاب و سیالات در گردش وابسته است [ 14 ]. با افزایش مقاومت، هزینه های سرمایه افزایش می یابد [ 15]، اما برآورد مقاومت برای طرح هایی با پیکربندی های اختصاص داده شده در بالا در دسترس است. از سوی دیگر، هدایت حرارتی زمین، مهم ترین عامل خواص زمین گرمایی، اغلب به دلیل اطلاعات محدود در مناطق عمیق برای نصب BHEs نامشخص است. به طور کلی، مواد زمین شناسی از خاک های نرم در مناطق کم عمق به سنگ های جامد در مناطق عمیق تغییر می کند. از این رو، هدایت حرارتی زمین، که نشان دهنده میانگین کلی هدایت حرارتی موثر در سازند زیرزمینی است، نیز با عمق افزایش می یابد. علاوه بر این، دمای زمین با افزایش عمق به دلیل شارهای حرارتی به سمت بالا از هسته زمین افزایش می یابد. با توجه به تغییرات عمودی در شرایط زمین شناسی، تعیین طول فردی L مورد نظر استو تعداد کل نصب N از BHE به طور جداگانه به جای TL مستقیم. برای مثال، با فرض ثابت ماندن TL (= L × N )، L هر BHE باید طولانی‌تر باشد، اما N باید برای گرم کردن کوچک‌تر باشد، زیرا هدایت حرارتی زمین و دمای زمین با افزایش عمق افزایش می‌یابد. با این حال، N ممکن است بزرگتر باشد، و اگر خنک کننده مورد نظر باشد و رسانایی حرارتی زمین تقریباً در محل ثابت باشد، L ممکن است کوتاهتر باشد. بنابراین لازم است ترکیبی بهینه از L* و N* به عنوان کمترین TL* (=T* × N* ) قادر به برآوردن نیازهای حرارتی مورد نیاز تحت شرایط آب و هوایی معین و تغییرات عمودی در هدایت حرارتی زمین است.
یک رویکرد شبیه‌سازی به عنوان جایگزینی برای روش مرسوم برای ارزیابی عملکرد سیستم‌های GSHP با برآوردهای واقعی‌تر از شرایط اقلیمی و زمین‌شناسی در هر سایت توسعه داده شده است. این رویکرد معمولاً مبتنی بر محاسبه چرخه‌ای دمای زمین در اطراف BHEs، دمای سیال در لوله U، و راندمان پمپ حرارتی (مصرف برق) در هر مرحله زمانی با توجه به بارهای گرمایش / سرمایش برنامه‌ریزی شده است. تغییرات دمای زیرزمینی از طریق ابزارهای مبتنی بر حل تحلیلی [ 16 ، 17 ] یا با استفاده از نرم افزار شبیه سازی عددی [ 18 ، 19 ] محاسبه می شود. محاسبات تحلیلی در صرفه جویی در زمان محاسباتی به ویژه برای چندین BHE موثر است [ 20]. مطالعات قبلی اثربخشی رویکرد شبیه‌سازی را برای ارزیابی حساسیت پارامتر و بهینه‌سازی عملکرد سیستم در ساختمان‌های هدف نشان داده‌اند [ 21 ، 22 ]. رویکرد شبیه سازی نه تنها از نظر بهره وری انرژی بلکه از نظر مزیت اقتصادی نیز مفید بود [ 23 ]. در مطالعات قبلی با استفاده از شبیه‌سازی، مقادیر L و N چندین BHE از قبل در نظر گرفته شده بود. با توجه به دانش ما، ترکیب بهینه L و N به ندرت مورد بحث قرار گرفته است، احتمالاً به این دلیل که اطلاعات زمین شناسی مانند داده های گمانه محدود است، به ویژه در مناطق عمیق، که باعث مقایسه نتایج شبیه سازی BHEs با موارد مختلف می شود.مقادیر L دشوار است. علاوه بر مطالعات محلی برای هر سیستم، مطالعات منطقه‌ای از رویکرد شبیه‌سازی برای ارزیابی پتانسیل‌های استخراج گرما و عملکرد سیستم بر روی تمام سلول‌های پوشش‌دهنده هر شهر و حوضه در مقیاس 10 تا 100 کیلومتری استفاده کرده‌اند [ 24 ، 25 ، 26 ، 27 ، 28]. نتایج معمولاً نقشه‌های امکان‌سنجی را بر اساس روش‌های سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) نشان می‌دهند، بنابراین به نصب سیستم‌های GSHP در منطقه مورد نظر، از جمله مناطقی که استفاده از انرژی زمین گرمایی کم‌عمق ناآشنا باقی مانده است، کمک می‌کند. با این حال، این مطالعات منطقه ای معمولاً فقط تغییرات افقی در شرایط آب و هوایی و زمین شناسی را در نظر می گیرند، اما تغییرات عمودی زیر زمین را در نظر نمی گیرند. طراحی سیستم های GSHP برای به دست آوردن اطلاعات عمیق، از جمله تغییرات عمودی در هدایت حرارتی زمین، مدت ها مورد بحث قرار گرفته است [ 29 ].
هدف از این مطالعه استفاده از روش شبیه سازی برای تعیین کمترین TL برای یک سیستم GSHP شامل چندین BHE برای گرمایش/خنک کردن یک ساختمان (300 متر مربع) است .در سطح زمین)، هنگام در نظر گرفتن تنوع در آب و هوا و شرایط زمین شناسی در میان چهار جزیره اصلی ژاپن. این چهار جزیره به عنوان یک مجمع الجزایر گسترده در جهت شمال به جنوب در فاصله بیش از 1500 کیلومتر در چهار جزیره توزیع شده اند، آب و هوای متنوعی بین آب و هوای نیمه قطبی و نیمه گرمسیری در جهت شمال به جنوب به طول بیش از 1500 کیلومتر وجود دارد. . یکی دیگر از شرایط زمین شناسی نیز نه تنها به صورت افقی بلکه به صورت عمودی بین خاک های کواترنر تحکیم نشده و سنگ های جامد سوم یا قدیمی تر در کوه ها متغیر است که ناشی از فعالیت های زمین ساختی از طریق تکتونیک صفحه در سمت شرقی آسیا است. علاوه بر این، فرآیندهای رسوبی و ژئومورفولوژیکی یک ساختار چند لایه را در سازند زیرزمینی ترویج کردند.
این مطالعه رویکرد شبیه‌سازی را برای مجموع 4059 سلول شبکه‌ای 10 کیلومتری روی زمین در مقیاس بزرگ‌تری نسبت به مطالعات منطقه‌ای قبلی که در بالا مورد بحث قرار گرفت، نشان داد. علاوه بر این، موارد شبیه‌سازی مختلف L و N بر روی هر مش اختصاص داده می‌شود تا طول کل مورد نیاز چندین BHE، نه یک BHE منفرد، تعیین شود. الگوریتم شبیه سازی برای محاسبه سریع دمای زمین در اطراف چندین BHE با توجه به بارهای ساعتی توسعه داده شده است [ 30 ، 31 ]. بارهای گرمایش / سرمایش ساعتی با در نظر گرفتن تغییرات دما و رطوبت فضای باز اختصاص داده می شود. به عنوان یکی دیگر از منابع بالقوه عدم قطعیت برای تجزیه و تحلیل، برآوردهای سه بعدی هدایت حرارتی زمین از مطالعه قبلی ارائه شده است [ 32 ]] برای تعیین هدایت حرارتی زمین در تمام اعماق برای نصب BHEs. در این مطالعه، عملکرد 5 ساله یک سیستم GSHP در ساختمان در هر سلول تحت 81 ترکیب مختلف از L و N مورد ارزیابی قرار گرفت . نتایج برای تعیین کمترین TL* ( L * × N *) درون یابی شدند. قادر به ارضای یک شرط لازم دما برای استفاده پایدار و شرایط دیگر مربوط به عملکرد سیستم GSHP است. توزیع‌های سراسری L* ، N * و TL * در یک برنامه نرم‌افزاری GIS مشاهده می‌شوند و تنوع فضایی آن‌ها به صورت آماری مورد بحث قرار می‌گیرد. TL شبیه سازی شده* مقادیر با مقادیر TL تخمین زده شده با روش عملی در ژاپن مقایسه می شوند تا مقرون به صرفه بودن رویکرد شبیه سازی را نشان دهند. نقشه‌های نتایج TL معقول‌تر از نظر اقتصادی امکان‌سنجی سیستم‌های GSHP را در مقیاس ملی نشان می‌دهد. در نهایت، این مطالعه حساسیت TL* به بارهای گرمایشی/خنکشی و هدایت حرارتی زمین را مورد بحث قرار می‌دهد.

2. مواد و روشها

2.1. رویکرد شبیه‌سازی برای تعیین طول کل مبدل‌های حرارتی گمانه‌ای چندگانه (BHEs)

روش شبیه سازی مورد استفاده برای ارزیابی کارایی عملکرد سیستم های GSHP در ادبیات [ 30 ، 31 ] توسعه یافته است. این شامل محاسبات چرخه ای دمای (1) خاک اطراف BHEs است. (2) سیالات انتقال حرارت در لوله های U. و (3) سیالات ورودی و خروجی از پمپ حرارتی. محاسبه با توجه به بارهای حرارتی ساعتی انجام شد که منجر به واقعی ترین راه حل ها به عنوان بالاترین سطح در متن شد [ 14 ]. ابتدا، تمام پیکربندی‌های نیازهای حرارتی، زمین‌شناسی و امکانات سیستم به هر سلول در مکان‌های مختلف اختصاص داده شد. به طور خاص، هدایت حرارتی زمین در همان عمق با طول L وارد شداز BHEها مانند برآوردهای قبلی [ 32 ]، همانطور که در زیر نشان داده شده است. در هر مرحله زمانی، تغییرات دمای خاک در اطراف هر BHE به عنوان برهم نهی تغییرات دما با توجه به تمام پالس‌های حرارتی ساعتی نه تنها در خود BHE مورد نظر بلکه همچنین از سایر BHEs برآورد شد. این الگوریتم تئوری انتقال حرارت یک منبع استوانه ای نامتناهی را برای خود BHE مورد نظر و تئوری یک منبع خط نامتناهی را برای سایر BHE ها برای محاسبه سریع با دقت کافی اعمال کرد. محاسبات مبتنی بر تئوری منبع نامتناهی توسط ضرایب تصحیح برای منابع حرارتی محدود مانند BHEs در واقعیت اصلاح شد. BHE هدف به ترتیب تغییر کرد و در نتیجه تغییرات دمای خاک در اطراف همه BHEs محاسبه شد.
در مرحله بعد، نرخ انتقال حرارت بین سیالات و خاک از تفاوت در دمای آنها با توجه به مقاومت حرارتی گمانه محاسبه شد. محاسبه مقاومت حرارتی گمانه به حل های تحلیلی و شبیه سازی عددی 2 بعدی/3 بعدی [ 33 ، 34 ، 35 ] تقسیم می شود. در این مطالعه، مقاومت حرارتی گمانه با استفاده از روش المان مرزی دو بعدی برای اختلاف دمای ثابت بین سیالات و سطوح گمانه، با در نظر گرفتن خواص سیال در گردش، مواد لوله U و هندسه آن و همچنین مواد دوغاب محاسبه شد [ 30 ].]. دمای سیالات در ساقه لوله U خروجی از دمای سیالات در ساقه لوله U ورودی با در نظر گرفتن نرخ انتقال حرارت بین سیالات و خاک های اطراف و ظرفیت حرارتی در BHE محاسبه شد. . مصرف برق GSHP در هر مرحله زمانی با استفاده از رابطه بین ضریب عملکرد COP پمپ حرارتی و دمای سیال جریان یافته به پمپ حرارتی محاسبه شد. دمای سیالات خارج شده از پمپ حرارتی پس از استخراج گرما برای گرم کردن یا تزریق برای خنک کردن تغییر می کند.
محاسبه چرخه در هر مرحله زمانی انجام شد. سپس مصرف برق پمپ های حرارتی و پمپ های گردش سیال بر اساس عملکرد فصلی سیستم های GSHP برای گرمایش و سرمایش، یعنی به ترتیب SPF h و SPF c جمع بندی شدند. شبیه سازی با فرض عملیات طولانی مدت برای همگرایی در دمای خاک در بین شرایط مختلف L و N انجام شد. درون یابی نتایج در سال شبیه سازی نهایی از ترکیب بهینه L * و N * پیروی کرد و کمترین TL *(= L * × N را به دست آورد.*) برای ارضای معیارهای تعیین شده. تعیین TL * برای تمام سلول های منطقه مورد مطالعه انجام شد. شکل 1 یک جریان شماتیک از تعیین طول کل مورد نیاز چندین BHE را در این مطالعه نشان می دهد.

2.2. اطلاعات جغرافیایی برای تجزیه و تحلیل

2.2.1. آب و هوا و بارهای حرارتی

این مطالعه برای تعیین TL * در چهار جزیره اصلی ژاپن – یعنی هوکایدو، هونشو، کیوشو و شیکوکو – از طریق رویکرد شبیه‌سازی انجام شد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.آ. نقشه برداری توسط ArcGIS 10.7.1 انجام شد. این چهار جزیره در امتداد یک محور شمالی-جنوبی با طول بیش از 1500 کیلومتر از عرض جغرافیایی 27.0-45.3 درجه شمالی و طول جغرافیایی 128.1-146.3 درجه شرقی واقع شده اند. بنابراین، شرایط آب و هوایی متغیر است. آب و هوا از نیمه قطبی در جزیره هوکایدو تا فرا گرمسیری در جزیره کیوشو متغیر است. آب و هوا حتی در همان عرض جغرافیایی به دلیل تفاوت در توپوگرافی متفاوت است، از مناطق هموار نزدیک ساحل تا مناطق کوهستانی در داخل. تقریباً 70 درصد از جزایر به دلیل فعالیت های زمین ساختی و آتشفشانی در دوره کواترنر، که مربوط به موقعیت ژاپن به عنوان بخشی از حلقه آتش است، دارای نقش برجسته شیب دار هستند.
شکل 2 a ارتفاعات زمین را در مجموع 4156 سلول شبکه ای 10 کیلومتری نشان می دهد که با میانگین گیری نقشه رقومی ارتفاع [ 36 ] تعیین شده است. ارتفاعات زمین به سمت وسط هر جزیره افزایش می یابد و بالاترین ارتفاع آن 2353 متر در مرکز جزیره هونشو است. شکل 2 b,c میانگین دمای بیرون را در طول گرمایش و سرمایش نشان می دهد. تیساعت¯و تیج¯. سیستم های GSHP برای گرمایش در دمای بیرون روزانه کمتر از 16 درجه سانتیگراد و برای سرمایش در دمای بالاتر از 26 درجه سانتیگراد کار می کردند. دماهای اولیه برای میانگین گیری از پایگاه داده هواشناسی منتشر شده [ 37 ] برای دوره 2000 و 2010، در نزدیکترین ایستگاه هواشناسی هواشناسی برای هر سلول به دست آمد. این مطالعه دمای بیرون را برای هر سلول، با در نظر گرفتن گرادیان دما -0.006 کیلومتر -1 تصحیح کرد . شکل 2 ب نشان می دهد که تیساعت¯بین <0 درجه سانتیگراد در بیشتر جزیره هوکایدو و> 8 درجه سانتیگراد در مناطق گرم و کم ارتفاع در نواحی غربی جزایر هونشو، شیکوکو و کیوشو متغیر بود. شکل 2 ج محدوده کوچکی را نشان می دهد تیج¯بین 26 تا 30 درجه سانتی گراد، نسبت به تیساعت¯. شکل 2 d همچنین میانگین رطوبت را در طول خنک شدن نشان می دهد. آراچج¯، از همین پایگاه داده آب و هوا. آراچج¯در مناطق جنوبی بیشتر از مناطق شمالی می شود. علاوه بر این، آب و هوا در نزدیکی سواحل مرطوب تر بود. بنابراین، شرایط آب و هوایی ژاپن نه تنها به صورت منطقه ای در امتداد جهت شمال-جنوب، بلکه به صورت محلی با توجه به ارتفاعات و همچنین در جهت غرب-شرق متغیر است.
شکل 2 e و f بارهای گرمایشی و سرمایشی سالانه Qh و Qc یک ساختمان اداری دو طبقه را با مساحت کل یکسان 300 متر مربع در هر مش نشان می دهد. این مساحت طبقات حداقل معیار قانونی برای ارائه مجوز ساخت و ساز به دولت در ژاپن است. این بارها در توکیو از راهنمای عملی ژاپن [ 38 ] برای دمای اتاق 22 درجه سانتیگراد برای گرمایش و 27 درجه سانتیگراد برای سرمایش با رطوبت 50 درصد محاسبه شد. عوامل اصلاح Qh و Q cهمچنین برای 27 شهر دیگر برای پوشش زمین در ژاپن خلاصه شد. این مطالعه روابط فاکتورهای اصلاح را با میانگین سالانه دما و رطوبت نسبی به دست آورد که منجر به Qh و Qc برای هر سلول می شود، همانطور که در شکل 2 e و f نشان داده شده است. Q h از 12 GJy -1 در جزیره کیوشو جنوبی به 127 GJy -1 در شمال جزیره هوکایدو افزایش یافت. این افزایش همچنین از ارتفاعات کم ساحلی به ارتفاعات داخلی بالاتر در هر جزیره نشان داده شده است. روند در Qc تقریباً مخالف Qh بود که بین 1 GJy – 1 متغیر بوددر جزیره هوکایدو و 82 GJy – 1 در جزیره کیوشو، Qc نیز در امتداد مناطق غربی با ارتفاعات کم به دلیل بادهای ضد طوفان به سمت غرب در تابستان بالا بود. این مطالعه Qh و Qc را به مراحل حرارتی ساعتی به عنوان برنامه های استاندارد برای استفاده حرارتی ترجمه کرد ، همانطور که در مطالعه قبلی [ 39 ]. شکل 3 دو نمونه از مراحل حرارتی ساعتی روی مش‌ها را برای ساپورو شمالی (43.062 درجه شمالی، 141.354 درجه شرقی) و مرکزی توکیو (35.683 درجه شمالی، 139.753 درجه شرقی) نشان می‌دهد. تقاضای گرمایش در ساپورو غالب بود در حالی که تقاضای سرمایش در توکیو غالب بود. شکل 2 و شکل 3نشان می دهد که توازن بارهای گرمایش / سرمایش در ساختمان در بین جزایر ژاپن متفاوت است.
2.2.2. خواص حرارتی زیرزمینی
شبیه سازی نیاز به اختصاص سه ویژگی زمین شناسی دارد: هدایت حرارتی زمین، ظرفیت حرارتی حجمی و دمای اولیه خاک. هدایت حرارتی زمین λس¯میانگین کلی هدایت حرارتی موثر موجود در خاک در سازند در امتداد BHEs است. یک مطالعه قبلی [ 32 ] برآوردهایی از λس¯، با یک فاصله عمودی 5 متری در شبکه های منظم 0.5 کیلومتری بر روی چهار جزیره اصلی با استفاده از روش کریجینگ نشانگر با 46515 نقطه داده گمانه. تخمین‌ها در همان مکان‌ها در آزمایش‌های محل اعتبارسنجی شدند، که نشان‌دهنده میانگین خطای تخمین کمتر از 0.25 Wm – 1K- 1 است . این مطالعه تخمین‌ها را برای هر سلول شبکه‌ای 10 کیلومتری به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی با میانگین 0.5 متر تخمین‌های شبکه‌بندی شده در هر سلول تبدیل کرد و میانگین‌ها از طریق روش وزن‌دهی معکوس فاصله (IDW) با استفاده از الگوریتم ArcGIS 10.7.1 برای پوشش درون‌یابی شدند. همه سلول ها، از جمله مواردی که در آن هیچ داده گمانه در دسترس نبود.
شکل 4 a,b دو نقشه نمونه از λس¯بر روی مش های شبکه ای 10 کیلومتری در عمق 50 متری و 150 متری به ترتیب. می توانستیم نقشه را نشان دهیم λس¯در هر عمق از 5 تا 200 متر. λس¯در این دو عمق در اکثر سلول ها از 2.5 Wm -1 K- 1 فراتر رفت. این به این دلیل بود که رسوبات نرم کمتر از 5 متر ضخامت بر روی نقش برجسته ای بود که بیشتر قسمت های جزایر را پوشش می داد. با این حال، در سلول ها در دشت های هموار نزدیک سواحل و در حوضه های میان کوه ها، λس¯نسبتاً کم بود (<2.0 Wm – 1K- 1 ) زیرا سازندها عمدتاً از خاک‌های تثبیت نشده تشکیل شده‌اند. مقایسه از λس¯در اعماق 50 و 150 متری نشان می دهد که λس¯با افزایش عمق افزایش می یابد زیرا محیط اصلی از خاک به سنگ تغییر می کند. این افزایش در مناطق مرتفع که در آن سنگ بستر با افزایش عمق رایج تر می شود، آشکار بود. از سوی دیگر، λس¯در دشت‌های همواری که شهرها توسعه یافته‌اند، به وضوح متفاوت نبود، زیرا نهشته‌های تثبیت نشده چند صد متر ضخامت در حوضه و دشت‌ها به دلیل رسوب کواترنر در ژاپن دارند [ 40 ].
ظرفیت گرمایی حجمی به دلیل کاهش حساسیت نتایج شبیه‌سازی به این ویژگی، در 2.5 MJm- 3 K- 1 ، به عنوان یک مقدار میانی برای خاک‌ها و سنگ‌ها ثابت فرض شد [ 41 ]. تغییرات دما در نهشته‌های تجمیع‌نشده بسیار کمتر از این ویژگی متاثر شد λس¯. علاوه بر این، دمای اولیه خاک به همان اندازه مهم است λس¯، به ویژه از نظر تأثیرگذاری بر افزایش L یا N. پروفیل ها روابط خطی درجه اول درجه حرارت اولیه با عمق در نظر گرفته شد [ 42 ]. عملکرد حرارتی BHEs ممکن است تحت تأثیر جریان آب زیرزمینی قرار گیرد، همانطور که در مطالعات قبلی نشان داده شده است [ 25 ، 43 ]. با این حال، در این مطالعه، تأثیر آب زیرزمینی ناچیز فرض شد، زیرا مطالعه شبیه‌سازی قبلی نشان داد که میانگین سرعت دارسی آب زیرزمینی کمتر از 10 1 متر در سال در مقیاس 10 کیلومتر است [ 44 ]. سرعت به عنوان آستانه ای برای اثرات واقعی آب های زیرزمینی در یک محل سکونت یا در ساختمان های کوچک با بارهای حرارتی محدود ارزیابی شد [ 45 ]]. وقفه رابطه خطی دما با عمق 1 K بزرگتر از میانگین سالانه دمای بیرون برای هر سلول تعیین شد. شیب به سمت عمق نیز به صورت محلی برای هر سلول، بسته به شار حرارتی از داخل، متغیر بود. با این حال، این مطالعه منطقه ای مقدار ثابت 0.03 Km -1 را در تمام سلول ها به عنوان میانگین در سراسر ژاپن در نظر گرفت [ 46 ].

2.3. پیکربندی سیستم و هدف عملکرد

در این مطالعه فرض شد که سیستم GSHP مجهز به پمپ حرارتی آب به آب با توان خروجی 64 کیلووات برای گرمایش و 75 کیلووات برای سرمایش است. این مطالعه بر استخراج گرما توسط یک پمپ حرارتی متمرکز شد و عملکرد انرژی برای گرمایش / سرمایش در هر اتاق اداری را نادیده گرفت. در مش هایی که حداکثر پالس گرمایش یا سرمایش از توان خروجی بیشتر بود، پمپ حرارتی دیگری نیز نصب شد. رابطه COP پمپ حرارتی به سادگی یک تابع خطی از دمای ساعتی سیالات ورودی به پمپ حرارتی در نظر گرفته شد. پارامترهای روابط، به عنوان مثال، شیب ها و قطع، با توجه به گرمایش و سرمایش متفاوت است. فاصله سرمایش و گرمایش به ترتیب 3.7 و 9.0 بود. گرادیان برای سرمایش و گرمایش 0.10 درجه سانتیگراد -1 بودو -0.16 درجه سانتیگراد -1 ، به ترتیب. این مقادیر از داده های آزمایش آزمایشگاهی یک محصول تجاری GSHP در کاتالوگ شرکت محصول به دست آمد. به عنوان مثال، هنگامی که دمای ورودی 5- درجه سانتیگراد در یک مرحله زمان گرمایش و 38 درجه سانتیگراد در یک مرحله زمانی خنک کننده بود، COP های پمپ حرارتی به ترتیب در 3.2 و 2.9 محاسبه شد. مصرف برق پمپ حرارتی با تقسیم بارهای حرارتی بر COP در هر مرحله زمانی محاسبه شد. کل مصرف برق توسط پمپ ها برای سیالات در گردش با سرعت جریان 15 لیتر در دقیقه در هر BHE در 1 کیلو وات ثابت در نظر گرفته شد. فاکتورهای عملکرد فصلی، یعنی SPF h برای گرمایش و SPF cبرای سرمایش، به ترتیب با تقسیم بار کل بر کل برق مصرفی در هنگام گرمایش و سرمایش محاسبه شد.
پیکربندی BHE (به جز L و N از BHEs) یکسان فرض شده است، همانطور که در تمرین ژاپن معمول است. هر BHE از یک لوله U پلی اتیلن با چگالی بالا 32A تشکیل شده است که در یک گمانه با قطر 147 میلی متر مدفون شده است. مواد دوغاب نیز طبق معمول در ژاپن، ماسه سیلیسی در نظر گرفته شد. هدایت حرارتی موثر در 1.5 Wm -1 K- 1 به عنوان مقدار نسبت ماسه سیلیس به وزن سیمان 50٪ [ 47 ] اختصاص داده شد. چندین BHE در شبکه های منظم 3 متری با فرض یک سایت ساختمانی مربع با ابعاد 15 × 15 متر مربع مرتب شدند .. لوله های سیالات در گردش به طور موازی بین چندین BHE متصل شده بودند، بنابراین پالس حرارتی در هر BHE یکسان بود، با نسبت کل پالس حرارتی به عدد BHE N . این مطالعه فرض کرد که L بین 40 تا 200 متر با فاصله 20 متر (نه مورد) و N در محدوده یک تا نه (نه مورد) قرار دارد که در مجموع 81 ترکیب از L و N ایجاد می شود. شبیه‌سازی عملیات 5 ساله سیستم برای هر ترکیب با تکرار بارهای حرارتی گرمایش/سرمایش برای دستیابی به همگرایی کافی حداکثر و حداقل دمای خاک انجام شد. اگرچه پس از محاسبه 5 ساله، دماها همچنان به تغییر خود ادامه دادند، همانطور که در مطالعه قبلی نشان داده شد [ 48 ]]، این مطالعه همگرایی کافی را در 1K فرض کرد، مطابق با وضعیتی که تغییر COP به 0.2 محدود شد (5٪ برای SPF هدف 0 = 4.0). این مطالعه SPF h و SPF c را از مقادیر مصرف برق پمپ‌های حرارتی و پمپ‌های گردشی در سال آخر محاسبه کرد.
کمترین TL * در هر سلول نیاز به یک شرط ضروری برای برآورده شدن داشت و شرایط عملکرد دیگری تعیین شد. شرط لازم این بود که دمای سیالات باید بالاتر از نقطه انجماد Tb ,f آب لوله کشی در دمای 0 درجه سانتیگراد در مناطق گرم باشد. تیساعت¯> 8 درجه سانتیگراد در شکل 2 ب) و بالاتر از نقطه انجماد ضد یخ متشکل از 20٪ اتیلن گلیکول در مناطق سرد ( تیساعت¯≤ 8 درجه سانتیگراد). شرایط عملکرد هدفمند تصریح کرد که هر دو SPF h و SPF c باید بالاتر از مقدار SPF 0 هدف 4.0 باشند، با توجه به اینکه SPF h حداقل 4.0 برای ساختمان های جدید در استاندارد اروپایی EN15450 توصیه شده است. نتایج حداقل دمای سیال Tb ، min ، SPF h و SPF c برای تعیین ترکیب بهینه L * و N * به عنوان کمترین طول کل TL * برای استفاده پایدار و عملکرد هدف درونیابی شدند.

2.4. مقایسه روش های شبیه سازی شده و متعارف

این مطالعه TL * شبیه سازی شده را با TL تعیین شده از طریق روش مرسوم ژاپن [ 13 ] مقایسه کرد. TL 0 معمولی با تقسیم حداکثر پالس حرارتی q max بر استخراج حرارت ویژه و COP اصلاح شده تعیین شد. نرخ استخراج حرارت ویژه یک مقدار از 50 تا 80 Wm -1 با توجه به λس¯و کل زمان عملیات سیستم [ 12 ، 13 ]. COP اصلاح شده در COP h / ( COP h – COP c ) برای COP h = 3.5 در گرمایش یا در COP c / ( COP c + 1) برای COP c = 4.0 در سرمایش محاسبه شد. در این مطالعه، نسبت TL */ TL 0 برای هر سلول محاسبه شد و نتایج نشان‌دهنده مقرون‌به‌صرفه بودن تعیین TL * با رویکرد شبیه‌سازی زمانی است که TL */ TL 0< 1.
شکل 5 دو نمونه از خطوط درونیابی شده برای Tb،min، SPF h و SPFc شبیه سازی شده را برای تمام 81 مورد L و N برای بارهای حرارتی شهرهای ساپورو و توکیو در شکل 3 نشان می دهد. جدول 1 شرایط آب و هوایی و نتایج بهینه سازی را خلاصه می کند. همه خطوط بر اساس L و N به آرامی توزیع شدند . Tb ,min باید بالاتر از Tb ,f 15- درجه سانتیگراد در ساپورو و 0 درجه سانتیگراد در توکیو باشد. شرط لازم برای تعیین L کمتر بحرانی بود* و N * نسبت به SPF h و SPF c . در ساپورو، L * و N * به ترتیب 134 متر و 2 برای کمترین TL * 268 متر به منظور برآورده کردن SPF h با عملکرد هدف (4.0) بودند. با این حال، در توکیو، L * و N * به ترتیب 90 متر و 3 بودند که منجر به TL * = 270 m برای مقدار SPF c بیشتر از 4.0 شد. مقایسه نتایج برای دو شهر نشان می دهد که TL * تقریبا یکسان است، اما ترکیب بهینه L * و N* متفاوت بود هر دو شهر در دشت های مسطح هستند و رسانایی حرارتی زمین رسوبات تثبیت نشده کمتر از 2 W -1 mK -1 بود. در شهر ساپورو، جایی که تقاضای گرمایش غالب بود، L* هر BHE برای افزایش استخراج گرما در مناطق عمیق با دمای زمین بالاتر، طولانی‌تر بود. از سوی دیگر، در توکیو، جایی که تقاضای خنک کننده غالب بود، چندین BHE مورد نیاز بود. بنابراین، L هر BHE کوتاهتر بود، اما N بزرگتر از شهر ساپورو بود. TL 0 معمولی به ترتیب 634 و 559 متر محاسبه شد. نسبت TL * / TL 0در هر دو شهر کمتر از 0.5 بود که نشان‌دهنده کاهش بالقوه هزینه‌های سرمایه در مقابل هزینه‌های طراحی معمولی است.

3. نتایج و بحث

شکل 6 نتایج شبیه سازی را برای مجموع 4059 سلول شبکه ای 10 کیلومتری در چهار جزیره ژاپن نشان می دهد: (الف) L *، (ب) N *، (ج) TL *، و (د) TL */ TL 0 . 97 مش بدون رنگ در شمال و شرق جزیره هوکایدو وجود دارد که تقاضای گرمایش برای سیستم‌ها برای برآورده کردن عملکرد هدف با حداکثر TL 1800 متر ( L = 200 متر و N = 9) در این مطالعه بسیار زیاد بود. شکل 7 هیستوگرام های (a) L *، (b) N * و (c) TL را نشان می دهد.* به همراه مقادیر آماری آنها (حداکثر، حداقل و میانگین).
در شکل 6 a، L * در درجه اول بین 60 تا 190 متر است و به طور متوسط ​​128 متر را نشان می دهد. L * شبیه سازی شده به سمت شمال و داخل جزایر افزایش می یابد، مشابه Qh ، همانطور که در شکل 2 e نشان داده شده است. با توجه به افزایش دما با افزایش عمق، L * باید برای کارایی سیستم ها در مناطق سردسیری که نیازهای گرمایشی غالب است افزایش یابد. با این حال، در اکثر سلول ها، L * برابر با حداکثر (200 متر در این مطالعه) نبود، زیرا N به مقادیر صحیح محدود شده بود. شکل 7 الف نشان می دهد که L* تقریباً به طور یکنواخت توزیع شد، به ویژه بین 60 تا 190 متر، که نشان دهنده گستره وسیع L * در سراسر سرزمین ژاپن است.
در شکل 6 ب و شکل 7 ب، N * بین یک تا نه بود، اما اکثر سیستم ها به مقداری بیشتر از سه نیاز داشتند. این نشان داد که تقاضاهای خنک کننده برای تعیین متغیر N برای ساختمان های نسبتا کوچک برای این مطالعه کافی نبود. به طور خاص، یک BHE ( N * = 1) در ناحیه شمالی جزیره هونشو از 35 درجه شمالی تا 40 درجه شمالی در عرض جغرافیایی کافی بود. چندین BHE در مناطق دیگر مورد نیاز بود، و N * در نواحی جنوبی افزایش یافت تا به افزایش تقاضای سرمایش رسیدگی شود. ن* همچنین در منطقه شمالی جزیره هوکایدو به منظور رسیدگی به تقاضای گرمایش زیاد افزایش یافت. این نتایج نشان می دهد که روند منطقه ای ترکیبی از L * و N * وابسته به شرایط آب و هوایی در ژاپن بود. سلول هایی با N *بیشتر از چهار نه تنها در شمال هوکایدو و جزایر جنوبی کیوشو، بلکه به صورت محلی در دشت های هموار نزدیک سواحل شرقی جزیره هونشو – به عنوان مثال، در اطراف شهر توکیو – به دلیل شرایط آب و هوایی و زمین شناسی، سرمایش نسبتاً زیاد مشاهده شدند. تقاضا در سواحل شرقی، و افزایش ملایم در هدایت حرارتی زمین در سازند نرم. در مقیاس محلی (به عنوان مثال، در میان سلول های مجاور)، L * و N* همچنین به دلیل تفاوت در هدایت حرارتی زمین متغیر بودند. در سلول‌های معمولی که مواد اصلی سازندها از خاک‌های نرم در دشت‌های هموار به سنگ‌های جامد در کوه‌ها تغییر می‌کردند، L * و N * به طور ناگهانی تغییر کردند. بنابراین، ترکیب بهینه L* و N* نه تنها به آب و هوای منطقه بلکه به زمین‌شناسی محلی نیز وابسته بود.
در شکل 6 c، در نتیجه L * × N *، TL * به طور گسترده بین 78 و 1782 متر، با میانگین 273 متر، در محدوده وسیعی قرار گرفت، اما در بیشتر سلول ها به جز در سراسر جزیره هوکایدو (که دارای تقاضای گرمایش زیاد) و در برخی از نقاط جزیره کیوشو (که نیازهای سرمایش زیادی دارد). شکل 7 c همچنین نشان می دهد که TL * تقریباً به عنوان یک توزیع استاندارد log توزیع شده است. مطالعه شبیه سازی نشان داد که مقادیر TL * بیش از 100 متر مورد نیاز است، اما مقادیر TL * کمتر از 400 متر در 3453 سلول بود، به عنوان مثال، 85٪ از سلول ها در سراسر چهار جزیره ژاپن، با وجود تغییر در L * وN * بسته به شرایط اقلیمی و زمین شناسی. TL محدود * در سراسر زمین نیز نشان دهنده امکان سنجی سیستم های GSHP در این کشور است.
شکل 6 d و شکل 7 d TL */ TL 0 را به عنوان مقایسه ای از مقادیر TL تعیین شده از طریق شبیه سازی و روش های مرسوم نشان می دهد. نسبت TL */ TL 0 در 69٪ سلول ها (2817 سلول) 0.5 یا کمتر بود، به طور عمده به جز سلول های شمال جزیره هوکایدو، برای ساختمان فرضی. این بدان معنی است که طول کل چندین BHE می تواند به نصف یا بیشتر در بیشتر مناطق ژاپن کاهش یابد، که نشان دهنده مقرون به صرفه بودن بالقوه رویکرد شبیه سازی در مقایسه با رویکرد معمولی است. انتظار می رود که روش طراحی مبتنی بر شبیه سازی باعث رشد بازار سیستم ها شود و به کاهش CO 2 کمک کند.انتشار گازهای گلخانه ای در ساختمان های ژاپن از سوی دیگر، در جزیره هوکایدو، نسبت TL */ TL 0 بیشتر از 0.5 بود، به خصوص در بخش غربی، که تقریباً 1.0 یا بیشتر بود. در چنین مناطق سردی با تقاضای گرمایش زیاد، TL ​​* بیشتر از TL 0 شد تا عملکرد هدف را برآورده کند ( SPF h > 4). این همچنین به این معنی است که روش مرسوم محدود بود و رویکرد شبیه‌سازی برای طراحی یک سیستم GSHP برای به دست آوردن چنین عملکرد هدف تحت نیازهای حرارتی زیاد مورد نیاز بود.
شکل 8 نمودارهای TL* شبیه سازی شده را با پارامترهای شبیه سازی Qh , Q c و λس¯. داده ها در این سه نمودار پراکنده هستند، که نشان می دهد که TL * نه به یک پارامتر بلکه به هر سه وابسته است. مقایسه سه پارامتر در نمودارها نشان داد که TL * یک رابطه نسبتاً واضح با Qh در شکل 8 a نشان می دهد. این رابطه یک تابع چند جمله‌ای مرتبه دوم در نظر گرفته شد، با کران پایین‌تر تقریباً 150 متر برای Qh ​​بین 40 و 70 GJy – 1 . TL * تقریباً به صورت خطی با Qh افزایش یافت که Qh بیش از 70 GJy – 1 بود و در 1782 متر به حداکثر رسید. TL * نیز افزایش یافته استQh در محدوده Qh کمتر از 40 GJy – 1 کاهش یافت زیرا Qc دیگر در مناطق جنوبی افزایش یافت. رابطه Qc در شکل 8 b نیز سهمی بود، مشابه Qh ، اما کمتر واضح بود . به طور خاص، TL * در مقادیر پایین Qc بیشتر از مقادیر Qh پایین پراکنده شد . TL * همچنین با افزایش Qc هنگامی که Qc از 50 GJy-1 تجاوز کرد افزایش یافت، اما افزایش به کمتر از 500 متر در مقدار Qc 80 GJy – 1 محدود شد . در مقایسه با Q h و Q c ، λس¯به وضوح با TL * مرتبط نبود، زیرا نمودارهای شکل 8 c شبیه یک ابر هستند. حساسیت کمتر از λس¯در مقابل نتایج Qh و Qc به دلیل λس¯فقط در نواحی کوهستانی که سنگ بستر در نواحی عمیق شایع تر بود، در کوهستان ها افزایش یافت. λس¯همانطور که در شکل 4 الف نشان داده شده است ، هنوز در حدود 2.5 Wm -1 K- 1 حتی در اعماق کم بزرگ بود . در دشت با کم λس¯، افزایش در λس¯به دلیل ضخامت قابل توجهی از رسوبات نرم خاک مشاهده نشد. این نشان می دهد که TL * بیشتر تحت تأثیر تغییرپذیری افقی Qh و Qc در مش های مختلف قرار گرفتλس¯. با این حال، هنگامی که مقیاس هدف کوچکتر از 10 کیلومتر است، برای مثال، 500 متر [ 49 ] در شبیه سازی قبلی اندازه های BHE در یک محل سکونت، رابطه TL * با λس¯واضح تر به دست می آید.
در نهایت، عدم قطعیت در این مطالعه شبیه‌سازی مورد بحث قرار می‌گیرد. ابتدا، این مطالعه تجزیه و تحلیل مقیاس ملی را در همان ساختمان و تأسیسات سیستم نشان داد که از اقلیم و زمین شناسی اهمیت کمتری ندارند. به خصوص در ساختمان های بزرگتر، دوره های شبیه سازی بیشتری برای به دست آوردن همگرایی محاسبات دما مورد نیاز بود [ 48 ]. تجزیه و تحلیل حساسیت در شکل 8 نشان می دهد که هدایت حرارتی زمین نقش کمتری در TL * نسبت به نیازهای گرمایش/سرمایش در مقیاس شبکه های 10 کیلومتری ایفا می کند. با این حال، حساسیت در مقیاس های کوچکتر، مانند شبکه های 1 کیلومتری یا کوچکتر افزایش می یابد. علاوه بر این، اثر جریان آب زیرزمینی می تواند عملکرد را از طریق اثر فرارفت افزایش دهد [ 25 ,44 ]. ما فرض کردیم که اثر در مقیاس 10 کیلومتر ناچیز است. با این حال، این اثر باید در مقیاس های کوچکتر در شبیه سازی با استفاده از الگوریتم های توسعه یافته [ 50 ] یا سایر رویکردهای شبیه سازی عددی در نظر گرفته شود. این مطالعه همچنین فرض کرد که گرادیان دمای اولیه زمین در میانگین ژاپن ثابت است. با این حال، نتایج شبیه‌سازی نشان داد که گرادیان در تعیین ترکیب بهینه L * و N نیز بسیار مهم است.* در حالی که تعادل تقاضای گرمایش / سرمایش را در نظر می گیریم. در مطالعه آینده ما لازم است که شیب دمای زمین را در مقیاس ملی تخمین بزنیم – برای مثال، با استخراج روابط سایر پارامترها، از جمله شارهای حرارتی رو به بالا از داخل، ساختارهای رسوبی، و سرعت جریان آب زیرزمینی. TL * مورد نیاز با توجه به مفروضات مشخصات ساختمان مانند مساحت طبقه، پیکربندی سیستم GSHP، آرایش مدار BHEs و هدف برای تعیین BHEs تغییر می کند. به عنوان مثال، شبیه سازی برای انواع اندازه های ساختمان نه تنها 300 متر مربع بلکه 500، 2000 و 10000 متر مربعدر یک سطح طبقه، برای ارزیابی سهم مقیاس ملی سیستم‌های GSHP برای حفظ انرژی و کاهش انتشار CO 2 مورد نیاز است. با این حال، شبیه سازی برای مساحت های بیشتر از 300 متر مربعبه یک چرخه شبیه سازی بیش از پنج سال نیاز دارد. علاوه بر این، آرایش مدار BHEs باید بهینه شود تا از نظر دما در سیالات در گردش بیشترین کارایی را داشته باشد. مطالعه تحلیل حساسیت پیکربندی‌های مختلف نیز در آینده مورد نیاز است. اگرچه محدودیت‌ها و مفروضات متعددی در این مطالعه باقی مانده است، به این نتیجه رسیدیم که رویکرد شبیه‌سازی از نظر اقتصادی در تعیین طول کل چندین BHE در ساختمان‌ها موثر است. رویکرد شبیه‌سازی این پتانسیل را دارد که به گسترش بازار سیستم‌های GSHP و کاهش انتشار CO2 ناشی از استفاده‌های حرارتی در ساختمان‌ها با تخمین هزینه‌های سرمایه معقول اقتصادی از طریق کمترین طول کل و در نظر گرفتن شرایط واقعی آب و هوا و زمین‌شناسی کمک کند.

4. نتیجه گیری

این مطالعه یک شبیه‌سازی عددی طول کل TL * برای چندین BHE در مقیاس ملی در ژاپن انجام داد. شبیه‌سازی برای یک ساختمان استاندارد با مساحت کل 300 متر مربع در 4059 شبکه شبکه‌ای 10 کیلومتری با بارهای گرمایشی/سرمایشی ساعتی و مقادیر هدایت حرارتی زمین انجام شد. شبیه‌سازی عملکرد 5 ساله سیستم‌های GSHP برای هر مش با 81 شرایط مختلف با طول L و تعداد N BHEs انجام شد. نتایج حداقل دمای سیالات در لوله‌های U T f، حداقل و فاکتورهای عملکرد فصلی SPF h و SPF cبرای گرمایش / سرمایش با جفت کردن طول فردی و تعداد کل مورد نیاز، L * × N *، در تمام سلول‌ها برای برآورده کردن معیارهای آنها درون یابی و بهینه‌سازی شدند. مقادیر TL * شبیه سازی شده با مقادیر TL * تعیین شده با روش معمول مقایسه شد. حساسیت TL * به نیازهای گرمایش/سرمایش و هدایت حرارتی زمین نشان داده شده است. نتایج در زیر خلاصه شده است.
(1) L * تعیین شده توسط شبیه سازی عمدتاً بین 60 و 190 متر در بازه زمانی قرار داشت و میانگین 128 متر را نشان داد. با افزایش بارهای گرمایشی به دلیل افزایش دمای زمین با عمق، طول به سمت شمال و داخل جزیره افزایش یافت. N * برای ساختمان کوچک فرضی به مقادیر بیش از سه نرسید. L * و N * بسته به آب و هوا از نظر منطقه متغیر بودند و به دلیل تفاوت های زمین شناسی به طور محلی در بین سلول های مجاور متفاوت بودند.
(2) در نتیجه L * × N *، TL * به طور گسترده بین 78 و 1782 متر (با میانگین 273 متر) متغیر بود، اما در بیشتر سلول های شبکه، به جز جزیره هوکایدو در منطقه، کمتر از 400 متر بود. شمال و جنوب جزیره کیوشو. TL * با وجود تغییرات آب و هوایی و زمین شناسی تغییری نکرد. این مطالعه اثربخشی رویکرد شبیه‌سازی را برای تعیین چندین BHE برجسته کرد زیرا TL * شبیه‌سازی‌شده نصف یا کمتر از TL 0 به‌دست‌آمده با روش مرسوم در تقریباً 80 درصد سلول‌ها به‌جز جزیره شمالی هوکایدو بود که نشان‌دهنده امکان‌سنجی است. سیستم های ژاپن و سهم بالقوه در کاهش CO2 انتشار توسط استفاده های حرارتی در چنین ساختمان هایی. با این حال، در مناطق شمالی با بارهای حرارتی بالا، TL * بیشتر از TL 0 به دست آمده با روش مرسوم برای برآورده کردن عملکرد هدف بود. این همچنین اهمیت رویکرد شبیه سازی را برای طراحی سیستم های GSHP برای دستیابی به عملکرد هدف برجسته می کند.
(3) TL * یک رابطه چند جمله ای مرتبه دوم را با تقاضاهای گرمایش و سرمایش نشان می دهد. این رابطه برای گرمایش بیشتر از سرمایش برای ساختمان فرضی نشان داده شده است. نمودارهای TL * با توجه به هدایت حرارتی زمین در یک ابر پراکنده شدند، که نشان دهنده یک رابطه نامشخص است. این به این دلیل بود که افزایش ویژگی‌های زمین‌شناسی عمدتاً در مناطق کوهستانی مشاهده شد که مقادیر به طور کلی بالا بود، نه در دشت‌های هموار با رسوبات ضخیم و نرم.

منابع

  1. IEA Tracking Buildings 2020 Heating and Cooling. 2020. در دسترس آنلاین: https://www.iea.org/reports/tracking-buildings-2020/ (در 10 اکتبر 2019 قابل دسترسی است).
  2. کاوانا، اس. Rafferty, K. گرمایش و سرمایش زمین گرمایی ; ASHRAE: آتلانتا، GA، ایالات متحده آمریکا، 2014; صص 1-15. [ Google Scholar ]
  3. خود، SJ; Reddy، BV; Rosen, MA سیستم های پمپ حرارتی زمین گرمایی: بررسی وضعیت و مقایسه با سایر گزینه های گرمایش. Appl. انرژی 2013 ، 101 ، 341-348. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  4. ساروبو، آی. Sebarchievici, C. بررسی کلی سیستم های پمپ حرارتی منبع زمین برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها. انرژی ساخت. 2014 ، 70 ، 441-454. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  5. دی سوارت، کالیفرنیا؛ Meyer, JP مقایسه عملکرد بین یک پمپ حرارتی برگشت پذیر منبع هوا و منبع زمین. بین المللی J. Energy Res. 2001 ، 25 ، 899-910. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  6. شیل، ک. باوم، او. کاروسو، جی. لئوپولد، مدل سازی مبتنی بر GIS از پتانسیل انرژی زمین گرمایی کم عمق برای کاهش انتشار CO 2 در مناطق شهری. تمدید کنید. انرژی 2016 ، 86 ، 1023-1036. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  7. لوند، جی دبلیو. Boyd, TL استفاده مستقیم از انرژی زمین گرمایی 2015 بررسی جهانی. Geothermics 2016 ، 60 ، 66-93. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  8. گزارش سال مالی 2018 استفاده از انرژی زمین گرمایی کم عمق در ژاپن. در دسترس آنلاین: https://www.env.go.jp/press/files/jp/111221.pdf (در 10 مارس 2020 قابل دسترسی است).
  9. سنر، بی. کاریتساس، سی. مندرینوس، دی. Rybachc, L. وضعیت فعلی پمپ های حرارتی منبع زمینی و ذخیره سازی انرژی حرارتی زیرزمینی در اروپا. Geothermics 2003 ، 32 ، 579-588. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  10. ASHRAE. فصل 35 انرژی زمین گرمایی. در کتاب راهنمای ASHRAE 2019 ؛ ASHRAE: آتلانتا، GA، ایالات متحده آمریکا، 2019؛ صص 35.1-35.51. [ Google Scholar ]
  11. استانداردهای طراحی، نصب و مواد چاه عمودی حلقه بسته. در دسترس آنلاین: https://www.gshp.org.uk/ (دسترسی در 20 سپتامبر 2019).
  12. VDI قسمت 2 استفاده حرارتی از زمین. سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی در VDI Richtlinien 4640 ; VDI: برلین، آلمان، 2000; صص 15-28. [ Google Scholar ]
  13. تاکاسوگی، اس. تاکشیما، جی. اوچیدا، ی. Nakagawa, S. برنامه ریزی و طراحی سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی In Construction Guide of Ground Source Heat Pump Systems ; Ohm-sha: توکیو، ژاپن، 2014; صص 16-37. [ Google Scholar ]
  14. اسپیتلر، جی. برنیر، ام. روش های طراحی مبدل حرارتی زمین چاه عمودی در پیشرفت در سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی . الزویر: داکسفورد، بریتانیا، 2016; ص 29-61. [ Google Scholar ]
  15. لو، جی. رون، جی. بایر، ام. Priess، A. عملکرد حرارتی و ارزیابی اقتصادی مبدل حرارتی گمانه دو لوله U با سه قطر گمانه متفاوت. انرژی ساخت. 2013 ، 42 ، 69-75. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  16. GLHEPro 5.0. 2016. در دسترس آنلاین: https://igshpa.org/software/ (دسترسی در 10 مارس 2020).
  17. طراح انرژی زمین (EED) نسخه 3.2. 2015. در دسترس آنلاین: https://www.buildingphysics.com/manuals/EED3.pdf (در 10 مارس 2020 قابل دسترسی است).
  18. Diersch، HJG; بائر، دی. هایدمن، دبلیو. Rühaak، W. Schätzl, P. مدل سازی المان محدود سیستم های مبدل حرارتی گمانه. بخش 1. مبانی. محاسبه کنید. Geosci. 2010 ، 37 ، 1122-1135. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  19. Śliwa، T. گولاس، آ. ولوزین، جی. Gonet, A. مدل عددی مبدل حرارتی گمانه در نرم افزار Ansys CFX. قوس. حداقل علمی 2012 ، 57 ، 375-390. [ Google Scholar ]
  20. رتکوفسکی، دبلیو. زیفل، جی. Thöming, J. ارزیابی استراتژی های مختلف استخراج حرارت برای سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی عمودی کم عمق. Appl. انرژی 2015 ، 149 ، 259-271. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  21. مونتاگد، سی. کوربران، جی.ام. مونترو، Á. روش بهینه سازی درجا برای فرکانس پمپ های گردش آب سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی انرژی ساخت. 2014 ، 68 ، 42-53. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  22. وو، دبلیو. تو، تی. وانگ، بی. شی، دبلیو. Li, W. شبیه سازی سیستم گرمایش، سرمایش و آب گرم خانگی ترکیبی بر اساس پمپ حرارتی جذبی منبع زمینی. Appl. انرژی 2014 ، 126 ، 113-122. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  23. رتکوفسکی، دبلیو. Thöming, J. بهینه سازی حرارتی سیستم های پمپ حرارتی منبع زمین عمودی از طریق برنامه ریزی اعداد صحیح غیر خطی. Appl. انرژی 2014 ، 114 ، 492-503. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  24. کاساسو، آ. Sethi، R. ارزیابی و نقشه برداری از پتانسیل زمین گرمایی کم عمق در استان Cuneo (Piedmont، NW ایتالیا). تمدید کنید. انرژی 2017 ، 102 ، 306-315. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  25. اوندرکا، جی. Rüsgen، MI; استوبر، آی. Czurda، K. نقشه برداری با پشتیبانی GIS از پتانسیل زمین گرمایی کم عمق مناطق نماینده در جنوب غربی آلمان. تمدید کنید. انرژی 2007 ، 32 ، 2186-2200. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  26. نام، ی. Ooka, R. شبیه‌سازی عددی گرمای زمین و انتقال آب برای سیستم پمپ حرارتی آب زیرزمینی بر اساس آزمایش در مقیاس واقعی. انرژی ساخت. 2010 ، 42 ، 69-75. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  27. ایوریو، م. کاروتنوتو، ا. کورنیلو، آ. دی فرایا، اس. ماساروتی، ن. مائورو، آ. سوما، ر. وانولی، L. سیستم های زمین گرمایی آنتالپی کم در مناطق کنترل شده ساختاری: تجزیه و تحلیل پایداری منابع زمین گرمایی برای نیروگاه گرمایشی (مورد موندراگون در آپنین جنوبی، ایتالیا). Energies 2020 , 13 , 1237. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ نسخه سبز ]
  28. والچا، ا. مهاجر، ن. گودموندسون، آ. Scartezzini، JL کمی کردن پتانسیل زمین گرمایی فنی از مبدل های حرارتی کم عمق گمانه در مقیاس منطقه ای. تمدید کنید. انرژی 2021 ، 67 ، 217-224. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  29. اسپیتلر، جی. برنیر، ام. تحریریه سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی: قرن اول و پس از آن. J. HVAC Res. 2011 ، 17 ، 891-894. [ Google Scholar ]
  30. ناگانو، ک. کاتسورا، تی. تاکدا، اس. توسعه طراحی و پیش‌بینی عملکرد برای سیستم پمپ حرارتی منبع زمین. Appl. حرارت مهندس 2006 ، 26 ، 1578-1592. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  31. کاتسورا، تی. ناگانو، ک. Takeda, S. روش محاسبه دمای زمین برای مبدل های حرارتی زمینی متعدد. Appl. حرارت مهندس 2008 ، 28 ، 1995-2004. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  32. ساکاتا، ی. کاتسورا، تی. ناگانو، ک. برآورد هدایت حرارتی زمین از طریق کریجینگ شاخص: کاربرد در مقیاس ملی و تجزیه و تحلیل نمایه عمودی در ژاپن. Geothermics 2020 , 88 , 101881. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  33. لامارچه، ال. کجل، س. Beauchamp، B. مروری بر روش‌های ارزیابی مقاومت‌های حرارتی گمانه در سیستم‌های پمپ حرارتی زمین گرمایی. Geothermics 2010 ، 39 ، 187-200. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  34. زنچینی، ای. جهانبین، ع. تأثیر توزیع دما بر مقاومت حرارتی مبدلهای حرارتی گمانه دو لوله U. Geothermics 2018 ، 71 ، 46-54. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  35. جاوید، س. Spitler, J. دقت روش‌های محاسبه مقاومت حرارتی گمانه برای مبدل‌های حرارتی زمینی تک لوله‌ای U. Appl. انرژی 2017 ، 187 ، 790-806. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
  36. مش دیجیتالی ارتفاع. 2008. در دسترس آنلاین: https://fgd.gsi.go.jp/download/mapGis.php?tab=dem (دسترسی در 10 ژوئن 2019).
  37. داده های آب و هوای AMeDAS گسترش یافته: فایل استاندارد سال 2001–2010. 2019. در دسترس آنلاین: https://www.metds.co.jp/product/ea/ (در 8 آوریل 2020 قابل دسترسی است).
  38. SHASE. روش های محاسبه ساده بارهای سرمایشی و گرمایشی ; SHASE: توکیو، ژاپن، 2010; صص 1-26. [ Google Scholar ]
  39. TES-FS. 2015. در دسترس آنلاین: https://www.hptcj.or.jp/Portals/0/data0/technology/manual/ (در 12 ژوئن 2015 قابل دسترسی است).
  40. ایتو، م. کامئو، ی. ساتوگوچی، اف. ماسودا، ف. هیروکی، ی. تاکانو، او. ناکاجیما، تی. سوزوکی، N. توالی رسوبی نئوژن-کواترنر. در زمین شناسی ژاپن ؛ انجمن زمین شناسی لندن: لندن، انگلستان، 2016; صص 309-338. [ Google Scholar ]
  41. Chiasson، سیستم‌های پمپ حرارتی زمین گرمایی و موتورهای حرارتی AD ; پسران جان و وایلی: وست ساسکس، بریتانیا، 2016؛ ص 185-186. [ Google Scholar ]
  42. دومنیکو، PA; شوارتز، FW Physical and Chemical Hydrogeology ، 2nd ed.; جان وایلی و پسران: نیویورک، نیویورک، ایالات متحده آمریکا، 1998; صص 191-214. [ Google Scholar ]
  43. Chiasson، AD; ری، اس. اسپیتلر، JD ارزیابی اولیه از اثرات جریان آب زیرزمینی بر روی سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی حلقه بسته. ASHRAE Trans. 2000 ، 106 ، 380-393. [ Google Scholar ]
  44. ساکاتا، ی. کاتسورا، تی. ناگانو، ک. Marui، A. ارزیابی مقیاس ملی مبدلهای حرارتی مورد نیاز گمانه با در نظر گرفتن اثرات فرارفتی جریان آب زیرزمینی در ژاپن . کنگره IAH: مالاگا، اسپانیا، 2019. [ Google Scholar ]
  45. ساکاتا، ی. کاتسورا، تی. ناگانو، ک. اهمیت جریان آب زیرزمینی بر هزینه های چرخه زندگی یک سیستم پمپ حرارتی زمینی خانگی در ژاپن. Jour JSRAE 2018 , 35 , 313–324. [ Google Scholar ]
  46. آرای، تی. هیدرولوژی برای تجزیه و تحلیل منطقه ای ; Kokon-shoin: توکیو، ژاپن، 2004; صص 140-161. [ Google Scholar ]
  47. فوجی، اچ. ایشیکامی، تی. Ohshima، K. بهبود خواص حرارتی در تزریق مواد چاه های تبادل حرارتی در سیستم های پمپ حرارتی متصل به زمین. Shigen-to-Sozai 2003 ، 119 ، 403-409. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ نسخه سبز ]
  48. لام، ی. قانون، ای. Dworkin، SB مشخصه اثرات پیکربندی گمانه و تداخل با مدل سازی طولانی مدت دمای زمین پمپ های حرارتی منبع زمینی. Appl. انرژی 2016 ، 179 ، 1032-1047. [ Google Scholar ]
  49. ساکاتا، ی. کاتسورا، تی. ناگانو، K. برآورد شبکه‌ای 500 متری طول‌های مورد نیاز برای مبدل‌های حرارتی گمانه بسته در سیستم‌های پمپ حرارتی منبع زمینی. Jour JSCE 2019 , 75 , I_177–I_183. [ Google Scholar ]
  50. کاتسورا، تی. شوجی، ی. ساکاتا، ی. Nagano, K. روش برای محاسبه دمای زمین در سناریویی شامل مبدلهای حرارتی زمینی متعدد با در نظر گرفتن فرارفت آب زیرزمینی. انرژی ساخت. 2020 ، 220 ، 110000. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
Ijgi 10 00205 g001 550
شکل 1. جریان شماتیک تعیین طول کل مورد نیاز مبدلهای حرارتی چند گمانه (BHEs) در این مطالعه.
Ijgi 10 00205 g002 550
شکل 2. نقشه های توپوگرافی و آب و هوای ژاپن: ارتفاعات زمین [ 36 ] ( a )، میانگین دمای بیرون [ 37 ] در طول گرمایش ( b ) و سرمایش ( c )، میانگین رطوبت بیرون ( d )، و بارهای حرارتی سالانه برای گرمایش ( ه ) و سرمایش ( و ) در ساختمان 300 متر مربع . اندازه هر سلول 10 × 10 کیلومتر مربع است . بارهای حرارتی با روش انجمن مهندسین گرمایش، تهویه مطبوع و بهداشتی ژاپن (SHASE) برآورد شد [ 38 ].
Ijgi 10 00205 g003 550
شکل 3. بارهای حرارتی ساعتی برای شبیه سازی سلول های ساپورو و توکیو. مقادیر مثبت و منفی به ترتیب بیانگر گرمایش و سرمایش هستند.
Ijgi 10 00205 g004 550
شکل 4. تخمین سلول شبکه ای 10 کیلومتری هدایت حرارتی زمین در اعماق 50 متر ( a ) و 150 متر ( b ).
Ijgi 10 00205 g005 550
شکل 5. نتایج شبیه سازی عملیات 5 ساله پمپ حرارتی منبع زمینی (GSHP) در ساپورو و توکیو.
Ijgi 10 00205 g006 550
شکل 6. نتایج شبیه سازی طول مورد نیاز هر BHE L * ( a )، تعداد کل BHEs N * ( b )، طول کل TL * ( c )، و نسبت کاهش در مقایسه با طول کل معمولی TL */ TL 0 ( د ).
Ijgi 10 00205 g007 550
شکل 7. هیستوگرام نتایج تجزیه و تحلیل: L * ( a )، N * ( b )، TL * ( c ) و TL */ TL 0 ( d ) برای مجموع 4059 مش (همه 4156 مش به جز 97 مش بدون نتیجه) .
Ijgi 10 00205 g008 550
شکل 8. نمودارهای طول کل مورد نیاز شبیه سازی شده BHE ها با بارهای گرمایش ( a )، خنک کننده ( b ) و هدایت حرارتی زمین ( c ).

مقالات داخلی و بین المللی

مطالب مرتبط ...

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید