مضخة حرارية جيوثيرمية

تعد المضخة الحرارية الجيوثيرمية بالتبادل المباشر (دي إكس) أقدم أنواع تكنولوجيا المضخات الحرارية الجيوثيرمية. يتحقق الوصل مع باطن الأرض عبر دارة واحدة، تدير وسيط التبريد، بتماس حراري مباشر مع باطن الأرض (عوضًا عن وجود دارة وسيط تبريد ودارة مائية). يغادر وسيط التبريد حجرة المضخة الحرارية، ويدور عبر دارة أنبوبية نحاسية مدفونة تحت الأرض، ويتبادل الحرارة مع باطن الأرض قبل أن يعود إلى المضخة. يشير اسم «التبادل المباشر» إلى التبادل الحراري بين دارة وسيط التبريد وباطن الأرض دون استخدام مائع وسيط. لا يوجد تفاعل مباشر بين المائع والأرض؛ فقط تبادل حراري عبر جدار الأنبوب. لا يجب الخلط بين المضخات الحرارية بالتبادل المباشر و«المضخات الحرارية ذات المصادر المائية» أو «المضخات الحرارية العاملة على دارة مائية» لعدم وجود مياه في الدارة الجوفية. تعرف الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (آشري) مصطلح المضخة الحرارية المقترنة بالأرض لتشمل أنظمة الدارة المغلقة وأنظمة التبادل المباشر، مع إقصاء أنظمة الدارة المفتوحة من هذا التعريف.

أنظمة التبادل المباشر أكثر فعالية وذات تكاليف تأسيسية أقل من أنظمة الدارة المغلقة المائية. تساهم الناقلية الحرارية العالية للنحاس في تحسين مردود النظام، لكن التدفق الحراري تحده بشكل كبير الناقلية الحرارية للأرض نفسها، وليس الأنبوب. الأسباب الرئيسية في ارتفاع المردود هي التخلص من المضخة المائية (التي تستخدم الكهرباء)، والتخلص من المبادل الحراري بين وسيط التبريد والماء (وهو من مصادر الضياعات الحرارية)، والأهم من ذلك كله، الحرارة الكامنة للتحول الطوري لوسيط التبريد في الأرض نفسها.

نظام تبادل جيوحراري مباشر

على كلًّ، في حال حدوث التسرب لا يوجد تقريبًا أية خطر تلوث لباطن الأرض أو المياه الجوفية. على عكس الأنظمة الجيوثيرمية ذات المصادر المائية، لا تحتوي أنظمة التبادل المباشر مانع تجمد. وبالتالي، في حال حدوث تسرب، سيتبخر وسيط التبريد المستعمل حاليًّا في معظم الأنظمة –آر-410إيه- مباشرةً نحو الغلاف الجوي. مرجوع هذا إلى درجة الغليان المنخفضة لوسيط التبريد آر-410إيه: -51 درجة مئوية سيليسيوس (-60 درجة فهرنهايت). يستبدل وسيط التبريد آر-410إيه الأحجام الكبيرة التي تشغلها خلائط مانع التجمد المستخدمة في الأنظمة الجيوثيرمية ذات المصادر المائية ولا يشكل أي تهديد للمياه الجوفية ولا للأرض نفسها.

مع أنها تحتاج كميات أكبر من وسيط التبريد وكلفة الأنابيب أعلى لواحدة الطول؛ فإن دارة التبادل المباشر أقصر من دارة الماء المغلقة لنفس السعة الحرارية. يتطلب نظام التبادل المباشر فقط 15% إلى 40% من طول الأنابيب ونصف القطر الذي تحتاجه الثقوب المحفورة، وبالتالي فإن تكلفة الحفر أقل. دارات وسيط التبريد أقل سماحية للتسريب من دارات الماء لأن الغاز يمكن أن يتسرب من خلال عيوب أو ثقوب أصغر. هذا يستوجب استعمال الأنابيب النحاسية الملحّمة، رغم أن قيم الضغط مشابهة في دارات الماء. يجب حماية الدارة النحاسية من الاهتراء في التربة الحامضية (الأسيدية) باستخدام المصعد (القطب الموجب أو الأنود) الغلفاني أو طريقة حماية مهبطية أخرى.

أجرت وكالة حماية البيئة الأمريكية مراقبة ميدانية لنظام تسخين مياه بمضخة حرارة تعمل على التبادل الأرضي المباشر في تطبيق تجاري. صرحت الوكالة بأن النظام وفر 75% من الطاقة الكهربائية الني كانت ستتطلبها وحدة تسخين مياه بالمقاومة الكهربائية. وفقًا للوكالة، إذا شُغّل النظام بقدرته الكاملة، يمكنه تفادي انبعاثات تصل إلى 7100 باوندًا من ثاني أكسيد الكربون و15 باوندًا من أكاسيد الآزوت (النتروجين) كل سنة لكل طن من قدرة الضاغط (أو 42600 باوندًا من ثاني أكسيد الكربون و90 باوندًا من أكاسيد النتروجين لنظام تقليدي بست أطنان تبريد (~21.5 كيلوواط).[11]

في المناخات الشمالية، ورغم أن درجة حرارة الأرض أبرد، كذلك درجة حرارة المياه الواردة، ما يسمح باستبدال الأنظمة عالية المردود لمقدار طاقة أكبر من ذلك الذي كانت ستتطلبه الأنظمة المشغلة بالكهرباء أو الوقود الأحفوري. أي درجة حرارة فوق -40 درجة مئوية سيليسيوس تكفي لتبخير وسيط التبريد، ويمكن لأنظمة التبادل المباشر حصد الطاقة من الجليد؟

في المناخات الحارة جدًّا ذات التربة الجافة، تزيد إضافة جهاز تبريد مساعد كمكثف ثانٍ بين الضاغط والدارات الأرضية من المردود ويمكن أن تقلص حجم الدارة الأرضية التي يجب تركيبها.

معظم الأنظمة المركبة لها دارتان من جهة باطن الأرض: دارة التبريد الرئيسية محتواة في حجرة الخدمات حيث تتبادل الحرارة مع دارة مائية ثانوية مدفونة تحت الأرض. الدارة الثانية تصنع عادةً من أنبوب بولي إيثيلين وتحتوي مزيجًا من الماء ومانع التجمد (بروبلين غليكول أو كحول منزوع الطعم أو ميثانول). للمونوبروبيلين غليكول أقل احتمال لإحداث الضرر عند تسربه إلى جوف الأرض، ولذلك فهو مانع التجمد الوحيد المسموح به في عدد من الدول الأوروبية.

بعد خروج الماء من المبادل الحراري الداخلي، يتدفق عبر الدارة الثانوية خارج المبنى لتبادل الحرارة مع الأرض قبل العودة. توضع الدارة الثانوية أسفل خط التجمد، حيث تكون الحرارة أكثر ثباتًا، ومن المفضل غمسها في جسم مائي إذا كان ذلك متاحًا. تكون الأنظمة داخل الأرض الرطبة أو الماء أكثر فعالية بشكل عام من الدارات الأرضية الجافة، لأن الماء يصرف ويخزن الحرارة أفضل من الأرض أو الرمال الصلبة. إذا كانت الأرض جافة بشكل طبيعي، بالإمكان دفن خراطيم نقع داخل الدارة الأرضية لإبقائها رطبة.

تحتاج أنظمة الدارة المغلقة إلى مبادل حراري بين الدارة المبردة والدارة المائية، وتحتاج أيضًا إلى مضخات في كلتا الدارتين. تصنع بعض الشركات دارة أرضية منفصلة مزودة بمضخة سائلة، بينما تميل بعض الشركات إلى دمج المضخات والصمامات داخل المضخة الحرارية. بالإمكان أيضًا تركيب خزانات أو صمامات تنفيس الضغط على جانب السائل المُسخن. لأنظمة الدارة المغلقة فعالية أقل مقارنة بأنظمة التبادل المباشر، لذا تتطلب أنابيب أطول وأكبر لوضعها في الأرض، ما يؤدي إلى زيادة تكاليف أعمال الحفر.

بالإمكان أيضًا تركيب شبكة أنابيب الدارة المغلقة أفقيًا على شكل حقل من الدارات داخل خنادق، أو عموديًا على شكل سلسلة من الأنابيب ذات الشكل U داخل آبار. يعتمد حجم حقل الدارة على نوعية التربة ومحتواها من الرطوبة، وعلى متوسط درجة حرارة الأرض وسمات فقدان أو كسب الحرارة الخاصة بالمبنى. بالإمكان تقدير درجة حرارة التربة الداخلية، والتي تبلغ تقريبًا متوسط درجة الحرارة يوميًا في المنطقة.

يتألف حقل الدارة المغلقة العمودي من أنابيب تُركب بشكل عمودي داخل الأرض. تُحفر حفرة في التربة، ويكون عمقها في العادة 15 إلى 122 مترًا، وبالإمكان استخدام أساسات بناء المبنى، إذ تمتص (أو تفرّغ) السوائل الجارية الحرارة التي تحملها من الأرض (أو إلى الأرض في حالة التفريغ). تُرفق أزواج الأنابيب في الحفرة بموصل متصالب على شكل حرف U في أسفل الحفرة أو تُحاط بأنبوبين صغيرين في العرض يحويان البولي إثيلين عالي الكثافة HDPE، تُدمج تلك الأنابيب مع بعضها حراريًا لتشكل انحناءً على شكل حرف U في الأسفل. يُحشى الفراغ بين ثقب السبر والأنابيب ذات الشكل U كُليًا بمادة للحشو، وفي بعض الأحيان، يُملأ الفراغ بالمياه الجوفية. [17][18][19][20]