عنوان پایان‌نامه
مدلسازی عددی و ارزیابی فنی و اقتصادی پمپ حرارتی زمین گرمایی برای تامین انرژی مورد نیاز گلخانه های کشاورزی
- رشته تحصیلی
- مهندسی انرژیهای جدید پذیر
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی و مرکز اسناد - مخزن6 شماره ثبت: 65567;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 138
- تاریخ دفاع
- ۲۴ تیر ۱۳۹۳
- دانشجو
- پدرام بیگدلو
- استاد راهنما
- یونس نوراللهی, فتح اله پور فیاض
- چکیده
- گلخانه¬های کشور، امروز، در پی راهکاری برای مدیریّت مصرف انرژی خود هستند. با افزایش قیمت حامل¬های انرژی در کشور و واقعی¬تر شدن هزینه¬های انرژی، بسیاری از گلخانه¬ها در تأمین این هزینه¬ها با مشکلاتی اساسی روبه¬رو شده¬اند. رویارویی با چنین مشکلی ارائه¬ی راهکارهایی نوین را برای تأمین انرژی گلخانه¬ها می¬طلبد. یکی از این راهکارها، استفاده از انرژی¬های تجدیدپذیر است. انرژی زمین¬گرمایی به عنوان یکی از کاربردی¬ترین انرژی¬های تجدیدپذیر می¬تواند گزینه¬ای مناسب برای تأمین انرژی گلخانه¬های کشور باشد. یکی از تکنیک¬های رو به رشد در بهره¬گیری از انرژی زمین¬گرمایی استفاده از پمپ¬های حرارتی زمین¬گرمایی است. هدف تحقیق حاضر، بررسی کارکرد پمپ حرارتی زمین¬گرمایی برای تأمین انرژی گلخانه¬ها بوده و قصد دارد مشخّص نماید که آیا استفاده از این تکنولوژی می¬تواند چاره¬ای برای حلّ مشکل گلخانه¬های کشور باشد یا خیر. برای شروع این بررسی، گلخانه¬ای با مساحت 1000 مترمربّع در منطقه¬ی جنوب شهر کرج در نظر گرفته شد. جهت تعیین نیاز انرژی این گلخانه، چگونگی انتقال گرما بین گلخانه و محیط اطراف آن با توجّه به روابط حاکم بر انتقال حرارت مدل¬سازی شد. این مدل¬سازی بر اساس داده¬های دمای هوا و شدّت تابش آفتاب شهر کرج صورت گرفت و در پی آن، بارهای حرارتی و بارهای برودتی گلخانه در طول سال به دست آمد. پس از تعیین این بارها، چگونگی کارکرد پمپ حرارتی زمین¬گرمایی در تأمین انرژی گلخانه مورد ارزیابی قرار گرفت. از آن جا که توانایی این پمپ در غلبه بر بارهای حرارتی و برودتی به ابعاد و اندازه¬ی کویل زمینی آن بستگی دارد، تمرکز محاسبات بر این کویل قرار داده شد. در ابتدا معادله¬های حاکم بر انتقال حرارت، هم در خاک و هم در لوله¬های آب دفن شده در زیر زمین، شناسایی شدند و سپس روش¬های عددی مناسب برای حلّ این معادله¬ها مورد ارزیابی قرار گرفتند. بررسی انجام شده نشان داد که روش کرنک-نیکلسن، که یک روش ضمنی برای حلّ عددی معادلات دیفرانسیل است، می¬تواند برای محاسبات انتقال حرارت در کویل زمینی کارآمد باشد. برای اعمال این روش، بخش¬های مختلف کویل زمینی، شامل آب درون لوله¬ها، خود لوله¬ها و نیز خاک اطراف لوله¬ها، هم در راستای طول لوله و هم در راستای شعاع لوله، به ترتیب با فواصل m 20 و mm 204/1 مش¬بندی شدند و بر اساس این مش¬بندی، معادلات حاکم بر انتقال گرما گسسته¬سازی شده و دستگاه¬هایی از معادلات جبری به دست آمدند. برای حلّ دستگاه¬های حاصل شده، از الگوریتم¬هایی مانند الگوریتم ماتریس سه¬قطری و سایر الگوریتم¬ها کمک گرفته شد و کدنویسی لازم در محیط نرم¬افزار MATLAB انجام شد. با این کدنویسی، داده¬های مربوط به تغییر دمای آب در گذر از لوله¬های کویل زمینی و نیز تغییر دمای خاک اطراف لوله به دست آمد. این کار به صورت مداوم برای تمام روزهای سال به انجام رسید و در این مدّت دمای گلخانه و ظرفیّت گرمایش و سرمایش پمپ-های حرارتی زمین¬گرمایی دائماً تحت کنترل بود تا هم دمای گلخانه از حدّ مطلوب خارج نشود و هم ظرفیّت پمپ¬های حرارتی از بارهای گلخانه کمتر نباشد. با این رویکرد، چگونگی انتقال گرما بین پمپ¬های حرارتی و زمین مشخّص شده و طولی که باید کویل زمینی داشته باشد تا انرژی گرمایی به میزان لازم منتقل شود به دست آمد. با انجام این کار مشخّص شد که زمانی که تعداد پمپ¬های حرارتی در نظر گرفته شده برای تأمین انرژی گلخانه زیاد است طول کویل زمینی باید حدّاقل 1500 متر باشد و زمانی که تعداد این پمپ¬ها کم است، طول کویل زمینی باید حدّاقل 2500 متر در نظر گرفته شود تا انرژی گلخانه تأمین گردد. چنان¬چه طول کویل زمینی کمتر از مقادیر ذکر شده باشد، پمپ¬های حرارتی زمین¬گرمایی قادر نخواهند بود بر بارهای حرارتی و برودتی گلخانه غلبه کنند. پس از این مرحله، برای اعتبارسنجی نتایج به دست آمده از کدنویسی، نرم¬افزار GS2000، که یکی از پرکاربردترین نرم¬افزارهای تجاری طرّاحی کویل زمینی پمپ¬های حرارتی است، مورد استفاده قرار گرفت. پس وارد کردن داده¬های لازم به این نرم¬افزار و به دست آوردن نتایج، مشخّص شد که حدّاکثر 15% بین نتایج کدنویسی و نتایج حاصل از نرم¬افزار GS2000 اختلاف وجود دارد. پس از آن که چگونگی کارکرد سیستم پمپ حرارتی زمین¬گرمایی در تأمین انرژی گلخانه و ملزومات این سیستم مشخّص شد، برای بررسی ابعاد اقتصادی استفاده از این پمپ¬ها، یک سیستم رایج تأمین انرژی گلخانه نیز در نظر گرفته شد. این سیستم که شامل کوره-های هوای گرم گازسوز برای تأمین گرمایش و سیستم خنک¬کننده¬ی پد و فن برای تأمین سرمایش بود، به صورت جداگانه برای گلخانه لحاظ شد. سپس تمامی ملزومات این سیستم رایج نیز بر اساس محاسبات تأسیساتی گلخانه به دست آمد. نهایتاً تمامی هزینه¬های اوّلیّه و هزینه¬های جاری هم برای سیستم پمپ حرارتی و هم برای سیستم رایج محاسبه شد و بر اساس روش ارزش فعلی و با چهار نرخ تورّم 15%، 20%، 25% و 30%، مقدار ارزش فعلی این هزینه¬ها به دست آمد. از آن جا که مقدار ارزش فعلی هزینه¬های سیستم پمپ حرارتی تقریباً 6 برابر بیشتر از مقدار ارزش فعلی هزینه¬های سیستم رایج بود، مشخّص شد که استفاده از پمپ¬های حرارتی زمین¬گرمایی در تأمین انرژی گلخانه¬ در کشور ایران غیر اقتصادی است. علّت عمده¬ی این موضوع، ارزان بودن گاز، گران بودن برق و بالا بودن قیمت دستگاه پمپ حرارتی شناسایی شد. پس از این مرحله، بررسی¬های لازم در مورد اصلاح قیمت گاز انجام گرفت. با در نظر گرفتن قیمت کنونی گاز، که هر متر مکعب آن برای مصارف کشاورزی و دامپروری 100 تومان است، و قیمت جهانی آن، که به ازای هر متر مکعب 1553 تومان می¬باشد، روش ارزش فعلی نشان داد که اگر قیمت گاز مصرف شده در گلخانه برابر با قیمت جهانی آن باشد، استفاده از پمپ حرارتی زمین¬گرمایی در گلخانه مقرون به صرفه است، زیرا ارزش فعلی هزینه¬های سیستم پمپ حرارتی 7% الی 25% کمتر از ارزش فعلی هزینه¬های سیستم رایج تأمین انرژی به ازای نرخ¬های گوناگون تورّم است. کلمات کلیدی: گلخانه، پمپ حرارتی زمین گرمایی، مدل سازی انتقال گرما، روش عددی، تحلیل اقتصادی پروژه
- Abstract
- Today, greenhouses in Iran need a sophisticated management in energy consumption. By increasing the price of energy and dominating the energy costs, many greenhouse owners faced serious problems. Coping these problems needs innovative approaches for supplying greenhouse energy and exploiting renewable energies can be one of the options. Geothermal energy is one of the most practical renewable energy resources which can be an appropriate choice for providing the greenhouses energy demands. The aim of this study is to investigate the utilization of geothermal heat pumps (ground-source heat pumps), as a new technique for extracting energy, for supplying the energy needed for greenhouses in Iran. At the beginning of the investigation, a 1000m2 greenhouse in the southern part of Karaj was considered and for determining its energy needs, the quantity of heat transfer between the greenhouse and its ambient was modeled by means of the governing equations of heat transfer. This modeling was carried out according to the air temperature and solar radiation data of Karaj and heating and cooling loads of the greenhouse were obtained. Because the ability of heat pumps for prevailing over the heating and cooling loads of the greenhouse was depended on the size of the ground heat exchanger (ground loop), the calculations were concentrated on this part. First, the governing equations of heat transfer in buried pipes and surrounding soil were obtained, then, appropriate numerical methods for solving these equations were investigated. The investigation indicated that the Crank-Nicholson method, which was an implicit method for numerical solution of differential equations, could be effective for heat transfer calculations of the ground heat exchanger. For exploiting this method, all different parts of the ground heat exchanger, including water in pipes, body of pipes and surrounding soil, were divided into 2D grids. Then, the differential equations of heat transfer were discretized according to the mesh points obtained due to the division and the discretization presented systems of algebraic equations. For solving the equations, tridiagonal algorithm was utilized and the required codes were written in MATLAB and the temperature change of water passing through ground heat exchanger and temperature change of surrounding soil were achieved. This process were carried out continually for every day of heat pumps performance over a year, and capacity of heat pumps was monitored continuously during the process in order that the capacity could always prevail over the greenhouse loads and the greenhouse temperature would be in the desired range. By this approach, the quantity of heat transfer was determined and the required length of the ground heat exchanger for conveying enough heat between heat pumps and ground was obtained. The process indicated that the length of the ground heat exchanger had to be at least 1500m, when many heat pumps were exploited for supplying greenhouse energy and its length had to be at least 2500m, when few numbers were utilized. If the length was less than mentioned amounts, heat pumps could not prevail over heating and cooling loads of the greenhouse during year. For validating the simulation results of MATLAB codes and modeling, GS2000 as a commercial software for designing ground heat exchanger was used and the results were compared. Obtained output showed the maximum of 15% difference in the estimated ground loop length. In order to evaluate the economic aspects of using geothermal heat pumps, a conventional heating and cooling system of greenhouses in the area was considered. The heating system was mainly gas-burning air furnaces, while the cooling system consisted of pad and fan. Then, according to the calculations of greenhouse facilities, all elements of the conventional system were determined. Finally, all of the initial and operating costs of both heat pump system and conventional system were evaluated and based on the Present Worth Method and by using four different inflation rates of 15%,20%,25% and 30%, the present worth of the systems costs were obtained. The calculation demonstrated that the present worth of the heat pump system costs were about 6 times more than of conventional system costs. Therefore, applying geothermal heat pump system is not cost-effective for supplying greenhouse energy in Iran and this is mainly due to the low fossil fuels price and high price of heat pump unit in this country. An investigation was carried out to evaluate the influence of the gas price on the economic analysis. By considering the present price of gas in Iran, which is 1000 Rials/m3 for agricultural activities, and its international price, which is 15530 Rials/m3, the Present Worth method indicated that utilizing geothermal heat pump system could be economical, if the price of gas consumed in greenhouses was equal to the international price. In this condition, the present worth of heat pump system costs, for different rates of inflation, would be 7% to 25% less than of conventional system costs. Keywords: greenhouse, geothermal heat pump, heat transfer modeling, numerical method, economic analysis of project
