شمع انرژی (انرژی پایل) (Energy Pile)

امروزه توجه به بحث انرژی و به دست آوردن کم هزینه آن، بحث روز می باشد. یکی از این منابع انرژی، گرمای درون زمین است که می توان با استفاده از شمع های دو منظوره که در پی ساختمان ها استفاده می شود، به استخراج آن پرداخت. بحث انرژی پایل یکی از موضوعات جالب توجه می باشد که در ایران کمتر بدان پرداخته شده است و به عنوان موضوع سمینار و پایان نامه به دانشجویان عزیز توصیه می شود. در ادامه به معرفی و کاربرد انرژی پایل (شمع انرژی) پرداخته شده است.
شمع انرژی که “شمع مبدل حرارتی” نیز نامیده می شود، شمع های مجهز به مدارهای مجزا یا چند لوله است تا تبادل گرما با خاک اطراف را امکان پذیر کند. عملکرد شمع های انرژی دوگانه است. اولین عملکرد شامل انتقال بار از یک سازه به لایه باربر است. عملکرد ثانویه استفاده به عنوان مبدل حرارتی با خاک است. شمع های انرژی (انرژی پایل) با استفاده از روش های جابجایی خاک یا سیستم های حفاری خاک نصب می شوند.

عملکرد نصب در یک چرخه سالانه انجام می شود.

در زمستان، با کمک پمپ حرارتی، زمانی که آب سردتر از خاک است، گرما از سیال در گردش خارج می شود (و به طور غیرمستقیم از خاک استخراج می شود) و دمای بالاتری را به سیستم گرمایش می دهد. در تابستان، برعکس، زمانی که آب گرم تر از خاک است، گرما برای خنک شدن در خاک پخش می شود. در شکل زیر می توان مراحل اجرا و نصب شمع های انرژی را مشاهده نمود.

مرحله ابتدایی شامل حفاری خاک می باشد که به وسیله انتهای پیچ مانند حفار صورت می پذیرد. این مرحله بسیار مهم است که شمع در راستای قائم به نحوی مناسب و در محل مناسب از پیش تعیین شده در خاک وارد شود. این مرحله اصطلاحاً پیچ کردن شمع یا Screwing Phase نامیده می شود. در طول مرحله پیچ کردن، بتن از طریق لوله مرکزی توخالی مارپیچ به داخل گمانه پمپ می شود.

در ادامه آرماتور مجهز به مبدل های حرارتی یکپارچه در HDPE (لوله های جمع آوری کننده (Collector Pipes)) در شمع بتن ریزی شده قرار می گیرد. یک سیال تبادل گرما، معمولاً به سادگی آب شفاف، در یک مدار لوله U شکل واقع بین شمع ها و یک پمپ حرارتی (HP) در گردش است و توسط خاک اطراف گرم یا خنک می شود.

کاربردها

• در ساختمان با انرژی تقریباً صفر
• راه حلی ایده آل برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها (مسکن، ادارات و …)
• برای استفاده در ترکیب با پمپ حرارتی زمین گرمایی

اثرات زیست محیطی انرژی پایل (شمع انرژی)

• ادغام با اجزای موجود، تعمیر و نگهداری کم
• سیستم زیست محیطی، مشمول رویه های صدور مجوز نیست.
• مفهوم پایدار. کاهش احتمالی انتشار C02 تا حدود 40٪
• صرفه جویی در انرژی تا حدود 45٪ ممکن است.

الزامات فنی

• قرار دادن قفس تقویت کننده در سطحی که باید تبادل دما (گرمایش/سرمایش) صورت گیرد، الزامی است.
• شمع انرژی مجهز به مدارهای مجزا یا چند لوله ای است که از پلاستیک (پلی اتیلن) ساخته شده اند تا گرما را با خاک اطراف مبادله کنند.
• یک سیال مبدل حرارتی، معمولاً به سادگی آب شفاف، در مدار و چرخه شکل گرفته در حال چرخش است و حیات این جریان به یک سیستم جمع آوری کننده که یک (یا چند) پمپ حرارتی را تأمین می کند وابسته است.

ادغام لوله های مبدل حرارتی با پی های سازه ای در یک سازه، راه حلی جدید در زمینه استفاده از انرژی تجدیدپذیر گرمایش زمین برای تامین انرژی است. این موضوع از جدیدترین موضوعات مطرح شده در مهندسی عمران به ویژه گرایش های ژئوتکنیک و سازه است. تعامل بین بارهای حرارتی و ژئوتکنیکی، یکی از مواردی است که طراحی شمع های انرژی را پیچیده تر و چالش برانگیزتر می کند. بازده حرارتی با افزایش تعداد لوله ها در داخل شمع ها و با افزودن مواد رسانای حرارتی به بتن در محدوده های قابل قبول، به طور قابل توجهی بهبود می یابد. علاوه بر این، توابع هدف، متغیرهای تصمیم گیری، محدودیت های طراحی و روش های بهینه سازی از جمله مواردی است که هنوز بحث و بررسی های بیشتر و انجام مدلسازی های مختلف ژئوتکنیکی چه در زمینه عددی و چه در زمینه آزمایش های مدلسازی فیزیکی می تواند به بهبود پیشرفت های صورت گرفته در زمینه شمع انرژی (انرژی پایل) کمک نماید. در مجموع مقصود این است که یک بهینه سازی چند هدفه برای افزایش عملکرد دوگانه یک سیستم شمع انرژی همراه با یک پمپ حرارتی با استفاده از معیارهای ارزیابی 4E (انرژی، اگزرژی، اقتصاد و محیط زیست) به شدت توصیه می شود و در عین حال ایمنی پی تحت شرایط بارهای چرخه ای حرارتی را تضمین می کند.

بیان این نکته حائز اهمیت است که در ترمودینامیک، اگزرژی یک سیستم حداکثر کار مفید ممکن در طول فرآیندی است که سیستم را با یک مخزن حرارتی به تعادل می رساند و به حداکثر آنتروپی می رسد.

به طور کلی مصرف انرژی ساختمان ها به یک موضوع بین المللی مرتبط تبدیل شده است و استراتژی های طراحی مختلفی برای افزایش صرفه جویی در انرژی در بسیاری از کشورها ایجاد شده است. امروزه، مسئولیت ساختمان ها برای تقریباً 40٪ از کل مصرف انرژی و بیش از 30٪ از انتشار گازهای گلخانه ای، توجه جهانی را به سمت ساختمان های موسوم به “ساختمان های با انرژی تقریباً صفر” (NZEB) سوق داده است. هدف از طراحی NZEB، ساخت ساختمان هایی با مصرف انرژی کمتر و انتشار کربن کم است. توسعه ژئوسازه های انرژی پایدار به این هدف کمک می کند، زیرا از انرژی زمین گرمایی کم عمق در ژئوسازه ها برای سرمایش و گرمایش فضا استفاده می شود. این فناوری سازگار با محیط زیست را می توان برای انواع سازه های خاکی مانند دیوارهای دیافراگمی، تونل ها، پی های کم عمق و شمع ها به کار برد. در سال های گذشته نمونه های موفقی از ژئوسازه های اجرا شده با این طرح سبب شده است تا نه تنها صرفه جویی قابل توجهی در میزان کربن دی اکسید تولیدی در آن نواحی صورت پذیرد بلکه از نظر سازه ای و ژئوتکنیکی، این سازه ها توانسته اند رضایت پیمانکاران و کارفرمایان را جلب نمایند. از نمونه های موفق در این زمینه می توان به تونل Laizer در وین (اتریش)، کالج Keble در آکسفورد (بریتانیا)، ترمینال Dock Midfield در فرودگاه زوریخ سوئیس، و برج Wuxi Guolian در چین اشاره نمود.

در طراحی این سازه ها و به ویژه شمع انرژی ها (انرژی پایل) از مدل های تحلیلی استفاده می شود. مدل های تحلیلی اغلب از روش هایی استفاده می‌کنند که برای مبدل های حرارتی گمانه (BHE) طراحی شده اند، در حالی که انتقال حرارت در انرژی شمع ها تفاوت های مهمی را در مقایسه با BHE، به‌ویژه برای شمع های با قطر بزرگ، نشان می دهد.

جنبه های طراحی پی های انرژی (Energy Foundations)

برنامه ریزی اولیه انرژی زیست محیطی برای ساختمان اغلب می تواند از نوسازی پر هزینه در آینده جلوگیری کند. طراحی انرژی با کیفیت بالا نه تنها شامل گرمایش و سرمایش (اتاق، آب) بلکه روشنایی نیز می شود و به یک بهینه سازی چند هدفه نیاز دارد.

یک طراحی انرژی – حرارتی بهینه باید اتلاف گرمای فصلی از کف های دال عایق شده یا دیوارهای زیرزمین را نیز در نظر بگیرد. انرژی و هزینه های بسیار بیشتری برای اجرای یک ساختمان با چیدمان ناکارآمد نسبت به ساخت یک ساختمان کارآمد صرف می شود. یک طراحی مناسب باید کارایی فرآیند کلی ساختمان، از جمله پایداری همه عناصر را در نظر بگیرد.

برای مطالعات امکان سنجی عمومی و پیش طراحی پی های انرژی، مفروضات زیر را می توان در رابطه با حجم انرژی قابل استخراج از پی های انرژی انجام داد:

• پی های شمعی با شمع های قطر 0.3 تا 0.5 متر: 40 تا 60 وات بر متر مربع
• پی های شمعی با شمعی با قطر بیش از 0.6 متر: 35 وات بر متر مربع
• دیوارهای دیافراگمی، 30 وات بر متر مربع
• دال ها: 10 تا 30 وات بر متر مربع

خاک خشک، شمع های عمیق تر و مساحت بزرگ تری از مبدل حرارتی را نیاز دارد. علاوه بر این، تعادل انرژی فصلی نیز مورد نیاز است. گرمایی که می توان از زمین استخراج کرد یا در داخل زمین ذخیره کرد به حداکثر چگالی شار حرارتی ممکن در سیستم لوله جاذب بستگی دارد. در آنجا، انتقال حرارت با جابجایی اجباری سیال (معمولاً مخلوط ضد یخ و آب) انجام می شود. برای بهینه سازی سیستم لوله جاذب متغیرهای زیر باید در نظر گرفته شوند:

• قطر و طول لوله ها
• خواص دیواره لوله (زبری)

در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید : 

• تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
• ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
• پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
• تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
• ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
• شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)

در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :

• مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
• مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
• ژئوفیزیک (Geophysics)
• آزمایش سه محوری خاک (Triaxial Compression Test)
• روانگرایی خاک (Soil Liquefaction)
• روش های مقابله با روانگرایی خاک (Soil Liquefaction Mitigation)
• آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Test)
• آزمايش بارگذاری صفحه ای (Plate Loading Test or Plate Bearing Test)
• آزمایش برش مستقیم برجا In Situ Direct Shear) Test)
• پدیده فروچاله چیست؟ (?What is The Phenomenon of Sinkhole)
• نشست غیر یکنواخت (Differential Settlement)
• خاک ‌های رمبنده (Collapsible Soil)
• آزمایش دیلاتومتری (DMT: Dilatometer Test)
• مدل سازی فیزیکی در مهندسی ژئوتکنیک (Physical Modeling in Geotechnical Engineering)
• میکرو مکانیک خاک (Soil micro-mechanics)
• پی های حلقه ای، صندوقه ای و پوسته ای (ring, shell & caisson foundation)
• مشخصه های دینامیکی در خاک ها و مسائل ژئوتکنیکی (Dynamic characteristics of soil)

در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
• نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
• انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
• مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
• سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
• خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
• سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
• دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
• دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
• زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
• نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
• پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)

در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید : 

• معرفی نرم‌ افزار ETABS
• معرفی نرم افزار SAFE
• معرفی نرم افزار SAP2000
• معرفی نرم افزار AutoCAD
• معرفی نرم افزار Plaxis
• معرفی نرم افزار ABAQUS

در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید : 

• مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
• خاکبرداری چیست؟ (Excavation)

در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید : 

• ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
• قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
• نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
• مشاوره ساختمانی (Construction consulting)
• مدیریت پیمان (Management Contracting)
• مدیریت طرح (Construction Management)
• انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
• مدیریت پروژه های عمرانی (Project Management)
• آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
• سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
• سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)

مطالب مرتبط :

• sciencedirect , A review on energy piles design, evaluation, and optimization
• ukdiss , Dissertation on Energy Piles for Geothermal Energy