درک سیستم های حلقه بسته: یک بررسی فنی

سیستم های حلقه بسته نشان دهنده یک فن آوری بنیادی در مدیریت حرارتی مدرن و استفاده از انرژی است، بر خلاف سیستم های باز که به طور مداوم از و تخلیه به یک مخزن خارجی، سیستم های حلقه بسته همان مایع کار در یک شبکه مهر و موم شده لوله، مبدل حرارتی و اجزای کنترل را حذف می کند، این طراحی ارتباط مستقیم با محیط، جلوگیری از آلودگی، مصرف آب، و حفظ عملکرد حرارتی ثابت بر روی کاهش می یابد که از طریق تخلیه سوخت های حرارتی منتقل می شود، هرگز از طریق یک منبع ذخیره سازی مایع ذخیره سازی نمی شود:

این سیستم ها در سراسر بخش های مسکونی، تجاری و صنعتی برای گرمایش، خنک سازی، یخچال و کنترل دما پردازش قرار می گیرند. طبیعت مهر و موم شده آنها را برای برنامه هایی که کیفیت آب حیاتی است، مانند تولید دارویی، پردازش مواد غذایی و خنک سازی مرکز داده ایده آل می کند.

چگونه سیستم های حلقه بسته کار می کنند

در هسته هر سیستم حلقه بسته یک پمپ گردشی است که مایع کار را از طریق یک مدار بسته حرکت می کند. سیال معمولا از طریق یک منبع گرما (مانند یک زمین گرمایی، جمع آوری انرژی خورشیدی یا فرآیند صنعتی) عبور می کند که در آن انرژی حرارتی را جذب می کند، سپس به یک سینک گرما (مانند یک ساختمان داخلی، برج خنک کننده یا واحد یخچال) که چرخه انرژی را به طور مداوم باز می کند یا به منبع مایع باز می گردد.

اجزای کلیدی شامل مخازن توسعه برای تنظیم تغییرات حجم مایع به دلیل نوسانات دما، دریچه های تسکین فشار برای ایمنی، متر جریان برای نظارت و کنترل دریچه برای متعادل کردن است.انتخاب مایع کار بستگی به دماهای عملیاتی و ملاحظات زیست محیطی دارد: آب مخلوط با ضد آزاد کردن (propylene گلیکول یا اتیلن گلیکول) برای برنامه های زیر بدون انجماد رایج است، در حالی که مبرد های مصنوعی استفاده می شوند سیستم های جریان انرژی مدرن و بهینه سازی کنترل های جریان پویا.

بهره وری حرارتی در حلقه های بسته توسط اصول انتقال حرارت اداره می شود - از طریق دیواره های لوله، آلودگی در داخل مایع، و تابش در برخی از اجزای در معرض خاص، عایق برای به حداقل رساندن کاهش گرمای انگل یا به دست آوردن، به ویژه در توزیع طولانی، عملکرد کلی سیستم به عنوان ضریب عملکرد (COP) برای پمپ های حرارتی یا کسر خورشیدی برای سیستم های حرارتی بیان می شود.

سیستم های حلقه بسته محبوب در جزئیات

پمپ های حرارتی زمین گرمایی (Ground-Source-Source Heat Pumps)

پمپ های حرارتی از دمای نسبتا ثابت زمین استفاده می کنند - به طور معمول 8 تا 16 درجه سانتیگراد (46-60 درجه فارنهایت) بسته به عرض جغرافیایی و عمق - به عنوان یک منبع گرما در زمستان و یک سینک گرما در تابستان، سیستم شامل یک حلقه دفن شده با مخلوط آب بدون آب است که به طور مداوم رد می شود.

دو پیکربندی حلقه اصلی وجود دارد: حلقه های افقی که در سنگرها حدود 1.2 تا 2 متر عمق و حلقه های عمودی نصب شده اند که 50 تا 150 متر عمق زمین را حفر می کنند. حلقه های افقی برای خواص با مساحت کافی زمین مقرون به صرفه تر هستند، در حالی که حلقه های عمودی در جایی که زمین محدود یا شرایط خاک مانع از حفره سوم، یا آب حساس است، استفاده از آب آب آشامیدنی کافی است.

سیستم های زمین گرمایی بهره وری استثنایی را ارائه می دهند، با ارزش های COP به طور معمول از 3.5 تا 5.0 متغیر است، به این معنی که آنها 3.5 تا 5 واحد گرما را برای هر واحد برق مصرفی تحویل می دهند، آنها به صورت سکوت کار می کنند، هیچ واحد فشرده سازی در فضای باز ندارند و می توانند 25 تا 50 سال طول بکشد تا سیستم های حرارتی و 20 تا 25 سال برای تعمیر و نگهداری سالانه پمپ های حرارتی داخلی، حداقل چک کنند.

سیستم های حرارتی خورشیدی ( Solar Heat Locked Loop Systems)

سیستم های حرارتی خورشیدی اشعه خورشیدی را به گرما یک مایع کاری جذب می کنند که سپس انرژی حرارتی را برای آب گرم داخلی، گرمایش فضا یا فرآیندهای صنعتی انتقال می دهد. رایج ترین پیکربندی برای برنامه های مسکونی سیستم گردش غیر مستقیم است: یک مایع انتقال حرارت (معمولا مخلوط آب سرد) از طریق جمع آوری کنندگان خورشیدی نصب شده بر روی سقف یا زمین گردش می کند، سپس از طریق مبدل حرارتی به گرما خانگی بدون مخلوط کردن آب مسدود می شود.

جمع آوری کنندگان صفحه تخت به طور گسترده ای برای برنامه های دمای متوسط (تا 80 درجه سانتیگراد)، متشکل از یک صفحه جذب شده با مواد سطحی انتخابی، یک شبکه لوله مس و شیشه ای شیشه ای تنظیم شده است که جمع آوری لوله های اوریک شده به دماهای بالاتر (تا 150 درجه سانتیگراد یا بیشتر) با استفاده از لوله های شیشه ای با پوشش های انتخابی، کاهش قابل توجهی برای کاهش دماهای سرد یا نیاز به کار دارند.

این سیستم شامل یک مخزن توسعه، اندازه گیری فشار، پمپ گردش (معمولا با کنترل سرعت) و یک کنترل کننده است که گردش را فعال می کند زمانی که دمای جمع آوری از دمای مخزن ذخیره با یک ویژگی جدا کننده است. A تخلیه اجازه می دهد مایع به تخلیه به یک مخزن پایین تر هنگامی که پمپ متوقف می شود، جلوگیری از بیش از حد گرم شدن یا یخ بدون سیستم های حرارتی خورشیدی می تواند 50 تا 80٪ سالانه انرژی گرم، و بسته به 5 سال، و هزینه های سوخت محلی، 50 - 15 سال، کاهش دهد.

سیستم های گرمایش هیدرونیک

سیستم های هیدرونیک گرما را از طریق آب مایع یا مخلوط ضد آب در حلقه های بسته جاسازی شده در کف، دیوارها، یا متصل به رادیاتورها و واحدهای سیم پیچ فن توزیع می کنند. منبع گرما می تواند یک دیگ بخار (بر اساس سوخت یا برق)، یک پمپ گرما (منابع هوا یا زمین گرمایی)، یا یک آرایه حرارتی خورشیدی باشد.

گرمایش کف رای به ویژه برای راحتی آن محبوب است: طبقات گرم، حتی توزیع دما و عدم پیش نویس های هوایی اجباری. توده حرارتی از طبقه کمک می کند تا دمای داخلی را تثبیت کند، کاهش دوچرخه سواری منبع گرما. Manifolds با کنترل مدار فردی اجازه می دهد، بنابراین مناطق مختلف را می توان در دماهای مختلف برای راحتی و صرفه جویی در سیستم های هیدرونیک مدرن حفظ کرد که شامل تنظیم مجدد آب در شرایط بیشتر، بهبود کارایی بیشتر، تنظیم می شود.

سیستم های هیدرونیک حلقه بسته از مقیاس خوردگی و مشکلات رایج در سیستم های باز اجتناب می کنند زیرا آب به طور مداوم با آب تامین اکسیژن شده تجدید نمی شود.درمان مناسب آب (از جمله مهار کننده ها و تنظیم pH) در نصب برای سلامت سیستم های بلند مدت ضروری است.زندگی در 30 تا 50 سال برای سیستم های وان های لوله ای که به خوبی نگهداری می شوند، قابل دسترس است.

سیستم های خنک کننده حلقه (مرکز صنعتی و داده)

رد حرارت در مقیاس بزرگ در ساختمان های تجاری، گیاهان صنعتی و مراکز داده اغلب بر سیستم های خنک کننده حلقه بسته برای حفظ دما و یا حذف حرارت زباله متکی هستند.در این سیستم ها، یک حلقه خنک کننده اولیه از طریق تجهیزات گرم سازی گرما، انتقال انرژی حرارتی به یک حلقه ثانویه از طریق مبدل های حرارتی صفحه و یا مبدل های حرارتی لوله کش و لوله ای می تواند خنک کننده ثانویه به هوا خشک یا مایع خشک باشد.

مراکز داده، که مقدار زیادی گرما را از سرورهای و تجهیزات شبکه تولید می کنند، به طور فزاینده ای از خنک کننده مایع حلقه بسته برای جایگزینی یا افزایش خنک کننده هوا سنتی استفاده می کنند. واحدهای توزیع خنک کننده (CDU) یک مایع دی الکتریک را پمپ می کنند یا آب را به طور مستقیم به صفحات سرد متصل به پردازنده ها و سایر اجزای گرم تصفیه می کنند. مایع بازگشت گرم از طریق مبدل حرارتی عبور می کند که در آن ساختمان سرد یا یک چرخه آب خنک کننده حرارت را از بین می برد.

کاربردهای صنعتی شامل قالب تزریق، پردازش فلزی، شیمیایی و تولید برق، که در آن کنترل دقیق دما برای کیفیت محصول و حفاظت از تجهیزات حیاتی است، خنک کننده حلقه بسته مجوز تخلیه محیطی مورد نیاز برای سیستم های باز را از بین می برد، مصرف آب را به طور چشمگیری کاهش می دهد و مانع از ایجاد مقیاس می شود که می تواند سطوح انتقال حرارت را خنثی کند.

سیستم های بازیابی حرارتی (انتقال دهنده های انرژی)

انرژی بازیابی کننده (ERVs) و تهویه کننده های حرارتی (HRVs) سیستم های حلقه بسته تخصصی هستند که هوای تازه را با استفاده از هوای خروجی از ساختمان پیش شرط می گذارند.یک هسته مبدل حرارتی - از آلومینیوم، پلاستیک یا کاغذ ساخته شده است - دو جریان هوا را در حالی که اجازه می دهد گرما (و در ERV، رطوبت) انتقال هسته ای بین آنها را به عنوان جریان ثابت یا کانال های متقابل به عنوان گردش ثابت حرکت می دهد.

در زمستان، هوای تازه ورودی هوای گرم را گرم می کند، بار را در کوره یا پمپ گرما کاهش می دهد.در تابستان، روند معکوس می شود: هوای هوای گرم هوای گرم، کاهش تقاضای تهویه مطبوع به عنوان رطوبت اختصاص داده شده، که می تواند به حفظ سطح رطوبت نسبی راحت بدون رطوبت اضافی یا کاهش انرژی یکپارچه کمک کند.

کارایی به عنوان اثربخشی معقول (انتقال حرارت) و اثربخشی دیرین (انتقال حرارت) بیان می شود، با ارزش های از 55٪ به 85٪ بسته به نوع اصلی و نرخ گردش هوا، صرفه جویی در انرژی سالانه می تواند قابل توجه باشد، به ویژه در آب و هوای شدید که تفاوت دما بین هوا و هوای خارج از منزل بزرگ است، نگهداری مناسب شامل تمیز کردن دوره ای از هسته برای جلوگیری از ایجاد یخ زدگی و انتقال گرما مطلوب است.

تحلیل مقایسه ای از ویژگی ها

کارایی و متریک عملکرد

کارایی در سیستم های حلقه بسته به طور متفاوتی با توجه به برنامه هیدروژل حرارتی پمپ های حرارتی از ضریب عملکرد (COP) برای نسبت گرمایش و بهره وری انرژی (EER) برای خنک سازی اندازه گیری می شود، با سیستم های مدرن دستیابی به مقادیر COP 4.0-5.5 آب حرارتی خورشیدی توسط بخش خورشیدی آنها (سن بار حرارت خورشیدی) و بهره وری جمع آوری شده (پر از حرارت حرارتی خورشیدی به بازده حرارتی کم می رسد) بستگی دارد:

سیستم های خنک کننده حلقه بسته با دمای رویکرد اندازه گیری می شوند (تفاوت بین دمای مایع ترک و دمای خشک-بولب یا مرطوب) دمای رویکرد کوچکتر نشان دهنده رد شدن حرارت کارآمد تر است. بهره وری خنک کننده مرکز داده به عنوان اثربخشی استفاده از انرژی (PUE)، با سیستم های خنک کننده مایع حلقه بسته به مقادیر PUE پایین 1.10 در مقایسه با 1.3-1.6 برای خنک سازی هوای سنتی بیان می شود.

به طور کلی، سیستم های حلقه بسته سیستم های باز را در شرایط نیمه وقت از بین می برند، زیرا آنها دمای ثابت را بدون تاخیر استارت آپ یا تاخیر حرارتی حفظ می کنند.این طبیعت مهر و موم شده همچنین از تخریب عملکرد از کثیف شدن یا مقیاس پذیری جلوگیری می کند که می تواند بهره وری سیستم باز را تا 10 تا 30 درصد در طول زمان کاهش دهد.

اثرات زیست محیطی و پایداری

سیستم های حلقه بسته مزایای زیست محیطی قابل توجهی در مقایسه با گزینه های باز ارائه می دهند. پمپ های حرارتی زمین گرمایی احتراق احتراق را در محل حذف می کنند و انتشار گازهای گلخانه ای را 25 تا 50٪ نسبت به حرارت سوخت فسیلی یا بخار حرارتی خورشیدی کاهش می دهند که گاز طبیعی، پروپان یا گرمایش آب مقاومتی برق را از بین می برد، و انتشار کربن را به طور متناسب با سوخت های غیر فعال می کند.

حفاظت از آب یکی دیگر از مزایای اصلی است. برج های خنک کننده باز می توانند 2 تا 5 گالن آب را در هر تن از ساعت خنک کننده های خنک کننده از طریق تبخیر و انفجار مصرف کنند.این مزیت به تنهایی می تواند هزینه های بالاتر سیستم های حلقه بسته را توجیه کند.

انتخاب غیر ضروری یک بررسی مهم زیست محیطی برای پمپ های حرارتی و چیلرهای مدرن بسته تجهیزات حلقه بسته با استفاده از مبردهای کم ظرفیت جهانی (GWP) مانند R-32، R-454B یا R-513A است که از مبردهای با کیفیت بالا مانند R-GWP نشتی مناسب و پروتکل های بازیابی ضروری هستند تا انتشار گازهای گلخانه ای را به حداقل برسانند.

مجتمع نصب و هزینه های اولیه

سیستم های حلقه بسته به طور کلی نیاز به سرمایه گذاری بالاتر از سیستم های باز به دلیل نیاز به مبدل های حرارتی، مخازن توسعه، واحدهای تعمیر و نگهداری فشار و کنترل پیچیده تر دارند. حلقه های زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین زمین گرمایی بیشترین سرمایه را دارند، با هزینه نصب و نصب از $ 15000 دلار به 400،000 دلار برای یک سیستم مسکونی معمولی بسته به پیکربندی حلقه، شرایط خاک، شرایط و نرخ های کار خورشیدی هزینه می شود -1، هزینه نصب و 15،000 دلار برای دوره های نصب و هزینه نصب و هزینه های پرداخت هزینه های پرداخت هزینه های پرداخت هزینه های پرداخت مسکن با هزینه های پرداخت هزینه های پرداخت هزینه های پرداخت مسکن تحت تاثیر قرار دارد.

سیستم های کف تابشی هیدرونیک 6 تا 12 دلار در هر فوت مربع به یک پروژه ساخت و ساز جدید اضافه می کنند، اما می توانند برای جبران گران تر باشند، زیرا مشکل جاسازی واندر در قطعات موجود است. خنک کننده حلقه داده بسته نیاز به تغییرات زیربنایی قابل توجهی دارد اما می تواند در طول ساخت و ساز جدید یا ارتقاء عمده ادغام شود.

تخصص نصب برای موفقیت حیاتی است. سیستم های حلقه بسته باید به درستی با تنظیم صحیح لوله، انتخاب پمپ و شیمی مایع طراحی شده باشد.فاکسر هوا یا کنترل گسترش می تواند منجر به مشکلات مداوم مانند سر و صدا، حفره و کاهش انتقال حرارت شود.

الزامات نگهداری و زندگی

یکی از قوی ترین نقاط فروش سیستم های حلقه بسته، بار نگهداری پایین آنها یک بار به درستی نصب شده است. محیط مهر و موم شده از اجزای داخلی از خوردگی اکسیژن، مقیاس، و عیب یابی بیولوژیکی که سیستم های تعمیر و نگهداری سالانه را مختل می کند، به طور کلی به آزمایش مایع محدود می شود (pH، سطوح مهار کننده، نقطه)، پمپ و بازرسی دریچه، کالیبراسیون و یا جایگزینی تهویه مطبوع.

حلقه های زمین گرمایی نیاز به تعمیر و نگهداری در همه پس از دفن هیدرو، با برآورد طول عمر از 50 سال یا بیشتر برای لوله پلی اتیلن با چگالی بالا، واحد پمپ حرارتی داخلی نیاز به فیلتر تغییرات هر 1 تا 3 ماه و یک بررسی حرفه ای هر 1 تا 2 سال از جمله سیستم های مراقبت حرارتی خورشیدی نیاز به بازرسی دوره ای از آب و موم های شیشه ای، لوله، و عایق مایع، با جایگزینی بدون 5 - 10 بسته به هر نوع توصیه های حرارتی اولیه و یا سیستم های تعمیر و یا سیستم های تعمیر و یا سیستم های مورد نیاز به ندرت نیاز به سیستم های حرارتی.

سیستم های خنک کننده حلقه بسته در تنظیمات صنعتی نیاز به برنامه های تعمیر و نگهداری دقیق تر از جمله تمیز کردن منظم صفحات مبدل حرارتی، بازرسی از مهر و موم پمپ، و نظارت از تفاوت های فشار برای تشخیص خطا. CDUs مرکز داده دارای اجزای اضافی برای دسترسی بالا و در فواصل برنامه ریزی شده برای جلوگیری از خرابی نگهداری می شود.

مقیاس پذیری و محدوده کاربرد

سیستم های حلقه بسته از تاسیسات مسکونی کوچک به شبکه های انرژی منطقه ای عظیم مقیاس می تواند به عنوان پمپ های حرارتی فردی برای خانه های تک نفره یا به عنوان گیاهان متمرکز که در کل محله ها از طریق شبکه های توزیع خدمت می کنند، پیکربندی شود. آرایه های حرارتی خورشیدی می توانند برای آب گرم داخلی در یک خانه تک خانواده یا برای روند صنعتی در 100 پانل جمع آوری کننده اندازه گیری شوند.

هیدرونیک منطقه بندی اجازه می دهد تا کنترل دقیق دما در اتاق های مختلف یا مناطق در یک ساختمان، آنها را ایده آل برای برنامه های سفارشی راحتی سفارشی است.برای ساختمان های تجاری، خنک کننده حلقه بسته می تواند با سیستم های مدیریت ساختمان برای نظارت از راه دور، بهینه سازی و تشخیص خطا ترکیب شده است. مرکز داده بسته لایه خنک کننده مایع از خنک کننده سطح قفسه به سطوح ردیف و معماری سطح اتاق، با CDU ماژولار که رشد و ظرفیت قرمز را فراهم می کند.

انتخاب مایع کاری اغلب محدوده دما و سازگاری مواد را دیکته می کند. مخلوط های آب-به طور متوسط سرد برای 20 درجه سانتیگراد تا 100 درجه سانتیگراد مناسب هستند، در حالی که مایعات انتقال حرارت مصنوعی پوشش -70 درجه سانتیگراد به 400 درجه سانتیگراد برای نیازهای صنعتی تخصصی است. مایعات دی الکتریک مورد استفاده در خنک کننده مرکز داده دارای نقاط بسیار بالا و هدایت عالی برای کاربردهای حرارتی بالا هستند.

انتخاب سیستم حلقه راست بسته

تصمیم در میان انواع سیستم حلقه بسته بستگی به عوامل مختلف دارد: آب و هوا، ویژگی های سایت، منابع انرژی موجود، طراحی ساختمان، بودجه و اهداف عملیاتی طولانی مدت، پمپ های گرمایی مسکونی و خنک کننده، استاندارد طلایی برای بهره وری و طول عمر هستند، اما زمین یا حفاری مورد نیاز می تواند ممنوع باشد.

جفت های گرمایشی هیدرونیک به طور طبیعی با پمپ های حرارتی یا دیگ بخار های حرارتی برای حداکثر بهره وری و راحتی.برای ساخت و ساز جدید تجاری، یک رویکرد ترکیبی با استفاده از حرارتی خورشیدی برای پیش حرارت، زمین گرمایی برای بار پایه و بهبود گرما برای تهویه می تواند به عملکرد نزدیک به صفر انرژی دست یابد.

تصمیم گیرندگان باید تجزیه و تحلیل هزینه های زندگی چرخه از جمله هزینه سرمایه، صرفه جویی در انرژی، هزینه های تعمیر و نگهداری، و انتظار می رود طول عمر مشوق های سودمند، اعتبارات مالیاتی و گواهینامه های انرژی تجدید پذیر می تواند به طور قابل توجهی بهبود اقتصاد از سیستم های حلقه بسته با کارایی بالا در بسیاری از حوزه های قضایی.

روندهای آینده در تکنولوژی حلقه بسته

چندین روند در حال ظهور وعده می دهد که سیستم های حلقه بسته را حتی کارآمد تر، هوشمند و قابل دسترس تر کند.کنترلرهای هوشمند با الگوریتم های یادگیری ماشین سرعت پمپ، دماهای تعیین شده و توزیع جریان بر اساس پروفایل های بار زمان واقعی، پیش بینی آب و هوا و الگوهای اشغالی را با استفاده از تجزیه و تحلیل ارتعاش، نظارت فعلی، و سنسورهای کیفیت کاهش خرابی های غیر قابل پیش بینی و گسترش تجهیزات زندگی.

مواد پیشرفته عملکرد سیستم را بهبود می بخشد: پلیمرهای با ابررسانی برای صفحات مبدل حرارتی، پوشش های نانو متخلخل برای ضدcorrosion و ضدعفونی و آلیاژهای شکل برای دریچه های خود تنظیم کننده خود، در کاربردهای ژئوپلتری، سیستم های ژئوترمال پیشرفته (EGS) از تحریک هیدرولیک برای ایجاد شبکه های شکسته در سنگ خشک گرم، گسترش پتانسیل زمین برای گرم کردن حرارت جغرافیایی استفاده می کنند.

سیستم های ترکیبی که تکنولوژی های چندگانه را ترکیب می کنند – مانند کمک حرارتی خورشیدی برای پمپ های حرارتی زمین گرمایی یا بازیابی گرمای زباله که با شبکه های هیدرونیک یکپارچه شده اند – به عنوان ابزار طراحی و سیستم های کنترلی بالغ تر می شوند. الکتریکی سازی گرمایش و خنک سازی از طریق پمپ های حرارتی با کارایی بالا توسط اختیارات سیاسی و قیمت گذاری کربن هدایت می شود و سرعت استفاده از سیستم های حلقه بسته در ساخت و ساز جدید و سیستم های جدید را به طور یکسان افزایش می دهد.

نتیجه گیری

سیستم های حلقه بسته، کارایی استثنایی، مزایای زیست محیطی و طول عمر عملیاتی را نسبت به گزینه های باز، پمپ های حرارتی، سیستم های حرارتی، گرمایش هیدرونیک، خنک کننده حلقه بسته و تهویه کننده های بازیابی انرژی هر کدام به نیازهای خاص در حالی که به اشتراک گذاری مزیت اصلی یک مهر و موم، اصلاح طراحی بستگی دارد.

از آنجایی که استانداردهای عملکرد ساختمان سخت تر می شود و اهداف کاهش کربن تبدیل به تهاجمی تر می شوند، سیستم های حلقه بسته به طور فزاینده ای نقش مهمی در گرمایش، خنک کننده و مدیریت حرارتی ایفا می کنند.سرمایه گذاری در یک سیستم حلقه بسته به خوبی طراحی شده امروز صرفه جویی فوری انرژی، انتشار گازهای گلخانه ای و عملکرد قابل اعتماد را برای دهه های آینده فراهم می کند.