أنظمة التدفئة والتبريد في الطاقة الحرارية الأرضية

ما هي الطاقة الحرارية الأرضية؟

هي عبارة عن نوع من أنواع الطاقة المتجددة التي تأتي من تحت الأرض، حيث إنها تأتي عادةً من درجة الحرارة المتولدة أثناء عمليات التكوين الأصلي للكوكب والتحلل الإشعاعي للمعادن، كما يتم تخزين هذه الطاقة الحرارية في الصخور والسوائل في مركز الأرض، ويمكن أن تصل درجة حرارة الصخور والمياه في القشرة الأرضية إلى حوالي 370 درجة مئوية.

فهم نظام التدفئة والتبريد الحراري الأرضي

عادةً تمتص الأرض وتخزن حوالي نصف الطاقة من الشمس، وبسبب هذا الامتصاص الهائل تحافظ الأرض على درجة حرارة ثابتة إلى حد ما وهو (من 45 إلى 70 درجة فهرنهايت على عمق 6 أقدام)، ومع ذلك تتقلب درجات حرارة الهواء من الشتاء إلى الصيف، مما يجعل أنظمة التدفئة والتبريد التقليدية غير فعالة وقت الحاجة، وهذا هو المكان الذي يأتي فيه التدفئة والتبريد الحراري الأرضي.

وفي الأساس تعمل أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية بشكل مختلف كثيراً عن الأنظمة التقليدية، حيث تتضمن الأنظمة التقليدية شكلاً من أشكال الاحتراق (عادةً الغاز الطبيعي أو البروبان والزيت لإنتاج الحرارة)، ولا تتضمن أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية؛ أي شكل من أشكال الاحتراق بل بدلاً من ذلك يستغلون الحرارة تحت الأرض من خلال سلسلة من أنابيب البولي إيثيلين المدفونة عالية الكثافة والمعروفة باسم نظام حلقة الأرض وإعادة توزيعها في جميع أنحاء المبنى.

وبعد ذلك يتم دمج الوصلات الموجودة في نظام الحلقة الأرضية بالحرارة لإنشاء رابط واحد مستمر من الأنابيب، حيث لا تحتاج عملية الانصهار الحراري إلى تطبيق الغراء، وهذا يزيد من متانة نظام الحلقة، كما يعتبر نظام الحلقة الأرضية مفيداً إلى حد كبير نظراً لأن جميع الأنابيب الحلقية تأتي بضمان رائع لمدة 50 عاماً.

واخيراً تستخدم المضخات الحرارية الطاقة الحرارية الأرضية لتسخير هذه الطاقة من باطن الأرض إلى منازلنا أو لاستخدام تلك الحرارة للأغراض الصناعية، كما أن مضخات الحرارة الأرضية مبنية على نفس الفرضية الأساسية لمضخات الحرارة العادية، ولكن الفرق هو أن نوع الطاقة الحرارية الأرضية يسحب الحرارة من الأرض بدلاً من الهواء الخارجي، وتعتبر حرارة الأرض مستقرة، وبالإضافة إلى توفير التدفئة للمنازل فإن هذا النوع من الطاقة يمكن أن يوفر أيضاً تكييفاً للهواء في معظم الحالات الساخنة.

كيف تعمل أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية؟

بشكل عام لا ينبغي الخلط بين نظام التدفئة والتبريد الحراري الأرضي ومحطة توليد الطاقة الحرارية الأرضية، حيث تستخرج محطة الطاقة الحرارية الأرضية الماء الساخن من خزان الماء الموجود تحت سطح الأرض، ومن ثم تحول الماء الساخن إلى بخار، وتوجه البخار لتحويل التوربينات، كما أن التوربين متصل بمولد من خلال عمود، ويؤدي دوران هذا التوربين إلى تشغيل المولد لإنتاج الكهرباء.

وحتى يتم التشغيل الكامل لأي نظام تدفئة وتبريد للطاقة الحرارية الأرضية يجب أن تكون هناك مضخة حرارية أرضية مثبتة في حلقات المبنى والأرض، حيث أن مضخة الحرارة الأرضية هي مضخة مصدرة للحرارة، حيث تمنح هذه الحرارة نظام التدفئة المركزية ونظام التبريد المثبتة في المباني الطاقة، ولكن قد تختلف عمل هذه الأنظمة في فصلين الشتاء والصيف.

كيف تعمل أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية خلال فصل الشتاء؟

تقوم الأنابيب الموجودة تحت الأرض أو الحلقات الأرضية بتدوير المياه في جميع أنحاء الأنابيب المدفونة تحت الأرض، حيث يمتص الماء الحرارة من الأرض عبر تلك الأنابيب، وبعد تسخين المياه يتم ضخها مرة أخرى إلى المضخة الحرارية في المبنى، وتقوم المضخة الحرارية الأرضية بعد ذلك بتسخير الحرارة من الماء الساخن وتوزيعها في جميع أنحاء المنازل في شكل هواء دافئ، وبعد استخراج الحرارة من الماء يُسمح لها بالتدفق مرة أخرى إلى الحلقات الموجودة تحت الأرض لتسخن مرة أخرى وتستمر الدورة.

كيف تعمل أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية خلال فصل الصيف؟

خلال فصل الصيف تعمل المضخة الحرارية الأرضية عكس الشتاء تماماً، حيث يقوم بإخراج الهواء الساخن من المنازل والتخلص من الحرارة تاركاً وراءه هواءاً بارداً يتم تداوله عبر فتحات التهوية، كما يتم دفع الحرارة المستخرجة من الهواء إلى الأرض عبر الحلقات الأرضية، وهذا يعني أنه عندما تغادر المياه المبنى سيكون دافئاً أكثر مما كان عليه عندما يتم ضخه مرة أخرى لأن الحرارة قد تم استخلاصها منه.

قد تبدو هذه العملية معقدة ولكنها ليست كذلك، ففي الواقع في معظم دول العالم يعد التسخين والتبريد الحراري الأرضي ممارسة قياسية، فعلى سبيل المثال في دول مثل سويسرا والسويد قام أكثر من 75٪ من المنازل بتركيب أنظمة التدفئة والتبريد الحرارية الأرضية.