التبادل الحراري المزدوج تحت الارض (ground-coupled heat exchanger )هو تبادل حراري تحت الأرض التي يمكن من خلاله تجميع الحرارة أو تبديدها تحت الارض. يقومون باستخدام هذه العملية من خلال تسخين أو تبريد الهواء أو أي سوائل أخرى تحت الارض بالاستفادة من درجة حرارة الارض الجوفية الثابتة نسبيا وملائمة سواء في فصل الشتاء أو فصل الصيف على اعماق لا تتجاوز 3م إذا ما كان استخدام هذا النظام للتدفئة والتبريد معا وعلى اعماق أكبر إذا ما استخدم النظام في عمليات الدفئة فقط. وفي حالة تدفئة أو تبريد السوائل كالماء مثلا يتم استخدامها في في الاستخدامات السكنية أو الصناعية أو الزراعية . إذا كان هواء المبنى يمر من خلال مبادل حراري لعمليات التهوية ولكن مع الاحتفاظ بالطاقة الحرارية لهذا الهواء عندئذ يطلق عليه اسم أنبوب الأرض ( ويسمى أيضا انابيب التبريد أو التدفئة الأرضية) في أوروبا أو يسمى المبادلات الحرارية للهواء من خلال الارض ( earth-air heat exchangers (EAHE or EAHX)) هذه الأنظمة تعرف بأكثر من اسم مثل : air-to-soil heat exchanger, earth channels, earth canals, earth-air tunnel systems, ground tube heat exchanger, hypocausts, subsoil heat exchangers, underground air pipes, and others.
هذا النظام عادة ما يستخدم كتطبيق بديل أو داعم لأنظمة التدفئة المركزية أو تكييف الهواء بما أنه ليس هناك حاجة لوجود ضاغط للهواء، مواد كيميائية أو عمليات احتراق فقط يكون هناك حاجة لوجود مضخة تقوم بتحريك الهواء . هذه الأنظمة تيتخدم لعليات التبريد أو التدفئة الكلية أو الجزئية أو لأغراض التهوية للمبنى . استخدام هذا النظام من الممكن ان يجعل المبنى يحقق شروط ومعايير المباني المستدامة وهذا يجعل إمكانية اخذ شهادة LEED ممكنا.
وقد تم استخدام المبادلات الحرارية تحت الارض في بيوت الحيوانات وأيضا في البيوت البلاستيكية منذ عدة عقود وقد استخدمت إلى جانب نظام المدخنة الشمسية في المناطق الحارة والصحراوية قبل آلاف السنين. نظام التبادل الحراري الأرضي المزدوج أيضا يستخدام المياه أوالسائل المقاوم للتجمد antifreeze) ) بالإضافة إلى استخدام المضخة الحرارية الأرضية (geothermal heat pump) ( لمزيد من المعلومات انظر إلى downhole heat exchangers.[1]) هذه المقالة تتحدث عن المبادئ الرئيسية لنظام التبادل الحراري المزدوج تحت الارض.
التصميم
معظم الأنظمة تصمم على قطر 100-600مم (4-24 انش) , جدران ملساء ( وهذا يجعل ليس من السهل ان تحصل عليها عمليات التكاثف أو ان تتأثر بالرطوبة) . بلاستيك جامد أو شبه جامد، انبوب بلاستيكي أو معدني مغلف من الداخل بمادة مضادة للميكروبات، ويدفن على عمق 1.5-3 م (5-10قدم) تحت الارض حيث تكون درجة حرارة الارض المحيطة بالانابيب 10-23 درجة مئوية (50-73 فهرنهايت ) طوال السنة حيث درجة حرارة الارضة ثابتة على هذا العمق.
استخدام انابيب ذات قطر اصغر يحتاج إلى كمية أكبر من الطاقة لتحريك الهواء بالإضافة إلى أنه عملبت تلامسه مع الارض تكون اقل . بينما استخدام انابيب ذات قطر أكبر يؤدي إلى ابطاء سرعة الهواء مما يؤدي إلى زيادة كفاءة انتقال الحرارة بالإضافة إلى أنه يزيد من حجم الهواء المنتقل خلاله. وهذا يسمح بزيادة كفاءة التبادل الحراري خلال فترة زمنية اقل عندماعلى على سبيل المثال تريد ان تتخلص من الروائح الكريهة والدخان سريع في المبنى.في حالة تمرير الهواء داخل انبوب طويل تكون كفائتها أعلى من دفع الهواء بواسطة المراوح . في المدخنة الشمسية يمكن أن نستخدم عملية انتقال الحرارة الطبيعية بواسطة الحمل لتكوين فراغ حتى يتم سحب انبوب الهواء المستخدم في عملية فلترة وتبريد الهواء داخل انبوب تبريد ذو قطر أكبر . تيارات الحمل عادة تكون أبطأ من المراوح التي تشغل على الطاقة الشمسية . عند إنشاء هذه الانابيت تترك زاوية مقدراها 90 درجة انحنائين كل واحد منهم بزاوية 45 يجعل حركة الهواء اقل اضطرابا وأكثر كفاءة في الانتقال بينما الجدران الملساء للانابيب تجعلها أكثر كفاءة لمرور الهواء ولكنها اقل كفاءة في انتقال الطاقة.
هناك ثلاثة أنواع من هذا النظام، الدائرة المغلقة ونظام "الهواء النقي" المفتوح أو دمج النوعين معا :
نظام الدائرة المغلقة
الهواء من داخل المنزل نفسه يضخ داخل دائرة على شكل U قطر الانبوب فبها 30-50م(100-500 قدم) من الانابيب بحيث تكون خاضعة لاختبارات درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الارض . ثم نقوم بتوزيعها بواسطة قناة (duct work ) خلال المنزل أو المنشأة نفسها. هذا النظام من الممكن ان يكون الأكثر كفاءة (عندما تكون درجات الحرارة أكبر ما يمكن) من النظام المفتوح .لانه يقوم بتبريد ثم إعادة تبريد لنفس الهواء
النظام المفتوح
الهواء الخارجي يتم سحبه من خلال من خلال انبوب يقوم بفلترة الهواء . الانبوب الذي يقوم بالتبريد يكون طوله عادة 30م (100 قدم) ويكون على شكل انبوب طويل مستقيم في المنزل عادة هذا النظام يكون مرتبط نظام التهوية المحافظ للطاقة (energy recovery ventilation) تقريبا يكون فعال بنسبة 80-95% كالنظام المغلق بالإضافة إلى أنه يضمن ادخال هواء نقي ومعتدل في درجة حرارته.
نظام الجمع
يمكن إنشاء هذا النظام مع استخدام صمامات منظمة بحيث أنها تسمح بفتح أو اغلاق النظام أثناء عمليات التشغيل . وهذا يعتمد على كميات التهوية المطلوبة
المبادلات الحرارية ذات المدخل الواحد توفر إمكانية تحسين الهواء في البيئة الداخلية أكثر من الأنظمة التقليدية عن طريق زيادة كميات الهواء الخارجي الداخل إلى الفراغ وهذا النظام عادة يستخدم واحدة أو أكثر من الصناديق التي يتم خلالها انتقال الحرارة بحيث يتم الحفاظ على درجات الحرارة الداخلية للمنزل بدلا من فقدها بالكامل.
التأثيرات البيئية
في هذه الأيام الكثير من الناس تتوجه اهتماماتهم إلى المحافظة على الوقود الاحفوري من الاندثار، زيادة تكلفة استهلاك الكهرباء، تلوث الهواء والاحتباس الحراري . التصميم الصحيح والملائم لانابيب التدفئة والتبريد يوفر بديل ملائم ومناسب ومستدام للانظمة التقليدية القديمة التي تعتمد على استهلاك الوقود الاحفوري حيث أنه يقلل أو على الأقل يحد من الاحتياج للانظمة التقليدية المستخدمة لتدفئة وتبريد الهواء في المناطق الغير مدارية. بالإضافة إلى أنه يدعم إضافة فوائد من ناحية التحكم، الفلترة تسخين الهواء الداخل .
استخدام الماء بدلا من الهواء
بدلا من استخادم الهواء في المبادلات الحرارية عن طريق الارض من الممكن استخدام الماء أيضا في هذه المبادلات وهذا النظام مشابه تماما لنظام a geothermal heat pump tubing الذي يوضع في التربة بشكل افقي أو عمودي أحيانا لنفس العمق الذي يوضع عليه المبادل الحراري المزدوج في الارض. هذا النظام يستخدم تقريبا ضعف الطول من الانابيب بقطر مقداره 35 مم . عادة يكون السائل المستخدم عبارة عن محلول ملحي . وهذا النظام لا يحتاج إلى نقطة لتصريف المياه وهو نظام امن لانه يقلل من الاخطاؤ الناتجة عن تكون العفن.
المراجع
1.^ https://web.archive.org/web/20120426032503/http://www.archiv.solarbau.de/monitor/doku/proj02/dokuproj/Wagner_Euro00.pdf 2.^ "Two Small Delta Ts Are Better Than One Large Delta T". U.S. DOE / ORNL Zero Energy Design Workshop. Retrieved 2007-12-23.
International Energy Agency, Air Infiltration and Ventilation Center, Ventilation Information Paper No. 11, 2006, "Use of Earth to Air Heat Exchangers for Cooling"