تتيح المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي المزودة بمبادلات حرارية عميقة في الآبار الاستفادة الكاملة من الطاقة الحرارية الجوفية العميقة، بما يقلل فعليًا من استهلاك الطاقة غير المتجددة في تكييف المباني وتدفئتها، ويحقق أهداف ترشيد الطاقة وخفض الانبعاثات وبناء مبان منخفضة الكربون، غير أن تطوير المبادلات الحرارية المحورية في الآبار متوسطة العمق ما يزال غير كاف، وما تزال الإرشادات القاطعة للتصميم الأمثل لهذه الأنظمة وتشغيلها غير متوافرة حتى الآن، وتتناول هذه الدراسة هذا النقص باحثة في الأداء الحراري لهذه الأنظمة، وفي العوامل الأكثر تأثيرًا في أدائها، وفي أنماط تشغيلها الأكثر كفاءة من حيث استهلاك الطاقة واستقرار حرارة الأرض المحيطة بالآبار على المدى الطويل
أولًا: أهداف الدراسة ومنهجيتها
هدفت الدراسة إلى تحليل الأداء الحراري لنظام المبادل الحراري المحوري في الآبار متوسطة العمق المستخدم في تدفئة المباني منخفضة الكربون، وتحسينه عبر عوامل متعددة، ولتحقيق ذلك أنشأت الدراسة أولًا نموذجًا فعالًا وكفؤًا للنظام، ثم فحصت تسعة عوامل مهمة مرتبطة بتصميم هذه المبادلات وتشغيلها باستخدام تحليل العامل الواحد، وبعد ذلك قارنت أثر العوامل المختلفة وحللت أهميتها النسبية باستخدام أسلوب التجريب المتعامد، كما أجرت الدراسة تحليلًا مقارنًا لتشغيل النظام بين نمط التدفق المتغير ونمط التدفق الثابت للوقوف على مزايا كل نمط من حيث استهلاك الطاقة وحرارة الأرض المحيطة بالبئر
ثانيًا: أبرز النتائج
1- أظهرت النتائج أن العوامل الثلاثة الأكثر أهمية في أداء النظام هي عمق البئر ودرجة حرارة الدخول ومعدل التدفق الكتلي، وذلك بترتيب تنازلي للأهمية يبدأ بعمق البئر ثم درجة حرارة الدخول ثم معدل التدفق الكتلي
2- أظهرت المقارنة بين نمطي التشغيل أن متوسط استهلاك المضخة للطاقة في نمط التدفق المتغير انخفض بنسبة 9,6 في المئة مقارنة بنمط التدفق الثابت، بما يدل على كفاءة أعلى لهذا النمط في تشغيل النظام وترشيد استهلاكه من الطاقة
3- أظهرت النتائج كذلك أن حرارة الأرض المحيطة بالبئر في نمط التدفق المتغير استعادت مستوياتها بمعدل أسرع من نمط التدفق الثابت، وهو ما يدعم استدامة الاستخراج الحراري من الأرض على المدى الطويل ويحافظ على كفاءة النظام عبر مواسم التشغيل المتعاقبة
ثالثًا: دلالات الدراسة وتطبيقاتها
تقدم نتائج الدراسة إرشادات عملية لمهندسي أنظمة التدفئة الحرارية الجوفية ومصمميها، إذ تحدد ترتيب أولويات العوامل الواجب مراعاتها عند تصميم المبادلات الحرارية المحورية متوسطة العمق، وفي مقدمتها عمق البئر ودرجة حرارة الدخول ومعدل التدفق الكتلي، بما يساعد على تركيز جهود التحسين حيث تحقق أكبر أثر، كما ترجح النتائج كفة نمط التدفق المتغير في التشغيل لما يوفره من خفض ملموس في استهلاك المضخة للطاقة وتسريع في استعادة حرارة الأرض المحيطة، وهي معطيات تدعم الانتقال نحو تدفئة مبان منخفضة الكربون أكثر كفاءة واستدامة، وتسد جزءًا من النقص القائم في إرشادات التصميم والتشغيل الأمثل لهذه الأنظمة الواعدة
وتكتسب هذه النتائج أهميتها التطبيقية من الحاجة المتزايدة إلى حلول تدفئة نظيفة ومنخفضة الكربون للمباني، إذ تمثل الطاقة الحرارية الجوفية موردًا متجددًا مستقرًا لا يتأثر بتقلبات الطقس السطحي، غير أن كلفة حفر الآبار متوسطة العمق وتركيب مبادلاتها تجعل التصميم الدقيق شرطًا لجدواها الاقتصادية، ومن هنا يقدم ترتيب العوامل التسعة بحسب أهميتها، وتحديد العوامل الثلاثة الأولى منها، دليلًا عمليًا يختصر على المصممين مساحة التجريب ويوجه الاستثمار نحو المتغيرات الأعلى أثرًا في الأداء الحراري، كما أن تفضيل نمط التدفق المتغير لا يقتصر أثره على خفض استهلاك المضخة للطاقة بنسبة ملموسة، بل يمتد إلى حماية المورد الحراري الجوفي ذاته عبر استعادة أسرع لحرارة الأرض المحيطة، بما يحفظ كفاءة النظام عبر مواسم متعاقبة ويدعم تعميم هذه التقنية في مشروعات التدفئة منخفضة الكربون
وخلاصة القول إن الدراسة أنشأت نموذجًا فعالًا لنظام المبادل الحراري المحوري متوسط العمق، وحللت أثر تسعة عوامل في أدائه الحراري ورتبت أهميتها، وقارنت بين نمطي التشغيل بالتدفق المتغير والثابت، بما يقدم أساسًا علميًا وتطبيقيًا لتطوير تدفئة المباني منخفضة الكربون بالطاقة الحرارية الجوفية
