Energy Geotechnics SEG 2018

ژئومکانیک و مهندسی ژئوتکنیک هسته اصلی چالش های علمی و فناوری انرژی در قرن حاضر هستند. بیشتر فناوری ‌های جدید و متعارف برای تولید، حمل و نقل، ذخیره سازی و استفاده انرژی نیاز به درک تخصصی از رفتار مکانیکی ژئومتریال دارند. سمپوزیوم بین المللی ژئوتکنیک انرژی 2018 (SEG-2018) با تشخیص نیاز شدید به دانش مشترک در کاربردهای نوآورانه و چالش برانگیز ژئومکانیکی و ژئوتکنیکی مرتبط با انرژی سازماندهی شده است. SEG-2018 در تاریخ 25 تا 28 سپتامبر 2018 در موسسه فناوری فدرال سوئیس در لوزان (EPFL) برگزار شد. این سمپوزیوم تحت نظارت کمیته فنی TC-308 “ژئوتکنیک انرژی” انجمن بین المللی مکانیک خاک و مهندسی ژئوتکنیک سازماندهی شده است.
حدود دویست محقق و متخصصی که روی موضوعات ژئوتکنیک انرژی کار می کنند دعوت شدند تا آخرین پیشرفت های خود را در بیش از سی جلسه فنی ارائه کنند. دوازده سخنرانی اصلی و ویژه از برجسته ترین دانشمندان این رشته برنامه فنی را تکمیل کردند. کتاب ژئوتکنیک انرژی مقالات کاملی را که با حدود شصت ارائه شفاهی ارائه شده در SEG-2018 همراه است، جمع آوری می کند. این مقالات طیف گسترده ‌ای از موضوعات را در ژئوتکنیک انرژی شامل ژئوساختارهای انرژی، ذخیره ‌سازی زمین انرژی، رفتار حرارتی- هیدرو – شیمی ‌مکانیکی مواد ژئومکانیکی، منابع انرژی نو، مدلسازی هیدرولیکی، لرزه‌ خیزی القایی، ذخیره‌ سازی زمین‌ شناسی CO2، دفع زباله ‌های هسته‌ ای و سایر انرژی‌ ها و موضوعات مرتبط مانند برج و پی های دریایی، سازه ها و شمع های حرارتی را پوشش می‌ دهد.

مایلیم از همه نویسندگان برای مشارکت برجسته آنها تشکر کنیم. ما به ویژه از دکتر ملیس سوتمن و دکتر پاتریچا باریلا برای کمک آنها در تهیه کتاب ژئوتکنیک انرژی سپاسگزاریم.

ارزیابی کاربرد تقریب شعاعی برای مبدل های حرارتی شمع

شمع های انرژی جایگزینی برای مبدل های گمانه کلاسیک به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی برای ساختمان های تازه ساخته شده است. مدار تبادل حرارت اولیه در داخل شمع های ساختمان بتنی تعبیه شده است. این امر باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود و این قابلیت را دارد که مبدل حرارتی منبع زمین را نزدیک ساختمان که در آن مورد نیاز است قرار دهد. تضاد بین خواص حرارتی بتن و زمین اطراف به این معنی است که فرضیات معمول مورد استفاده برای طراحی مبدل های حرارتی گمانه ممکن است لزوماً اعمال نشوند. به ویژه انتقال حرارت گذرا به دلیل ذخیره گرما در خود شمع ممکن است باعث شود که مبدل های حرارتی شمع به طور قابل توجهی با گمانه های معمولی متفاوت عمل کنند. ترتیبات مختلفی از لوله های مبدل مهندسی شده است که معمولاً به روش ساخت زیربنایی شمع مربوط می شود. در جایی که شمع ها با استفاده از مارپیچ پیوسته (CFA) ساخته می شوند، لوله های سیال به سمت مرکز شمع قرار می گیرند و برای پایداری بیشتر در اطراف میلگرد تقویتی جایگذاری می­ شوند. در جایی که ساخت شمع به صورت چرخشی انجام می شود، لوله های سیال نزدیک به لبه بیرونی شمع قرار می گیرند. هر دو ترتیب در شکل 1 خلاصه شده است. این تفاوت ها باعث ایجاد ویژگی های مختلف پاسخ حرارتی می شود. مطالعات متعددی در مورد اینکه چگونه می توان ترتیبات مختلف جایگذاری را از نظر پاسخ سیستم به اختلاف دما (یا عملکرد G)، بدون هزینه محاسباتی مدل سازی دقیق هندسه گمانه  بهینه کرد، انجام شده است.

ارزیابی عددی عملکرد حرارتی و ظرفیت ذخیره حرارتی ژئوساختارهای گرما فعال

هدف ژئوساختارهای ترمواکتیو تولید گرمایش در زمستان و سرمایش در تابستان است و شامل سازه های ژئوتکنیکی مختلف با لوله های مبدل حرارتی تعبیه شده است. این فناوری همچنین در پی های عمیق، دیوار های حائل، دال پایه و تونل ها قابل اجرا است. از زمان توسعه آن در سال 1980 (برندل 2006)، پیچیدگی سازه های مجهز به لوله های مبدل حرارتی به طور مداوم افزایش می یابد و در حال حاضر یکی از چالش های فعلی نصب این لوله ها در سازه های پیچیده تر مثل ایستگاه های مترو و تونل ها است. طراحی سازه های ژئوتکنیکی مستلزم در نظر گرفتن تنش و کرنش حرارتی و برهم کنش بین اثرات مکانیکی و حرارتی است. مطالعات زیادی برای مطالعه رفتار حرارتی – مکانیکی زمین و شمع های حرارتی انجام شده است. از دیدگاه حرارتی، دو مقیاس مطالعه را می توان تعریف کرد: مقیاس مبدل حرارتی و مقیاس سازه در محیط آن. در موضوع اول تلاش های تحقیقاتی بسیاری از دهه ها برای توسعه مبدل حرارتی عمودی انجام شده است. موضوع دوم به رفتار بلند مدت ژئو ساختار گرما فعال و زمین از نظر تغییرات دما و تبادل حرارت مربوط می شود.

تأثیر جریان آب زیرزمینی برای ارزیابی توده حرارتی بالقوه و تغذیه حرارتی طبیعی از اهمیت زیادی برخوردار است. در این مقیاس، مبادلات حرارتی توسط عوامل زیر بر جریان آب زیرزمینی تأثیر دارد:

(1) هدایت حرارتی از طریق بتن و زمین

(2) سرعت جریان آب زیرزمینی که بر جریان حرارتی و تبادل گرما تأثیر می‌گذارد

(3) تغییرات دمایی هوای خارجی

(4) شکل سه بعدی سازه

برخی از رویکردها با در نظر گرفتن مقیاس ساختمان برای شبیه ‌سازی آزمون ‌های پاسخ حرارتی توسعه یافته‌ اند و می ‌توانند برای ژئوساختارهای حرارتی اعمال شوند. بر اساس این مطالعات، می توان به سه موضوع اصلی از نظر طراحی پرداخت: اثرات بلند مدت بر روی زمین و آب های زیرزمینی چیست؟ تبادل حرارت واقعی بین زمین و سازه چقدر است؟ سهم جریان تبادل شده از نظر تبادل حرارتی مربوط به جریان آب زیرزمینی چیست؟ در این بخش، یک رویکرد اصلی مبتنی بر مطالعه شارهای حرارتی ناشی از رسانش  و سهم آنها در توان حرارتی برای ارزیابی رفتار بلند مدت چنین ساختاری و به‌ ویژه دیوار های دیافراگمی ترمواکتیو ایجاد شده است. با مثالی از ایستگاه های مترو پاریس نشان داده شده است.

تأثیر چرخه های دما در خاک – رابط بتن برای شمع های انرژی

افزایش تقاضای جهانی انرژی باعث تحریک تحقیقات برای منابع جدید انرژی پایدار و مقرون به صرفه شده است. پایه های شمع انرژی زمین گرمایی چنین راه حل جایگزینی برای نیازهای گرمایش و یا سرمایش هستند. این روش شامل پوشاندن لوله ‌های مبادله حرارتی در شالوده شمع است که به یک پمپ حرارتی منبع زمین متصل می شود تا گرما را از / داخل زمین استخراج / تزریق کند. اگر چه این راه حل برای مدتی در اروپا مورد استفاده قرار گرفته است، اطلاعات مربوط به رفتار حرارتی – مکانیکی طولانی مدت پی و خاک اطراف آن هنوز محدود است.

در حین کارکرد سیستم منبع زمینی، شمع‌ های انرژی تغییرات دما را تجربه می کنند که می تواند بر تغییر شکل شمع (انبساط در حین گرمایش، انقباض در طول سرمایش) و همچنین بر روی سطح مشترک خاک – شمع تأثیر بگذارد. برای درک بهتر رفتار شمع ‌های انرژی در طول عملیات ساختمان، سه شمع (دو شمع حرارتی و یک شمع معمولی) در طول ساخت یک ساختمان در یک تصفیه‌ خانه آب در شمال شرقی پاریس مورد استفاده قرار گرفت. علاوه بر این، دومین کمپین آزمایشی در آزمایشگاه انجام شد تا بر تأثیر تغییرات دما بر سطح مشترک خاک و بتن متمرکز شود. یک دستگاه برش مستقیم رابط سطح مشترک که سازگار برای بارگذاری حرارتی و مکانیکی می باشد، استفاده شد. در مرحله اول، ابزار دقیق تجربی و نتایج اولیه برای مطالعه در محل و در مرحله دوم برای بررسی آزمایشگاهی ارائه می شوند.

کاربرد دیوار ها و دال های حائل به عنوان سازه های انرژی در ایستگاه های قطار زیرزمینی

با افزایش تقاضای انرژی و حرکت لازم به سمت منابع پاکتر انرژی، توجه قابل توجهی به فناوری های زمین گرمایی کم عمق شده است که می تواند به طور بسیار کارآمدی انرژی حرارتی را برای گرمایش و سرمایش ساختمان ها تأمین کند. به طور سنتی، این فناوری ‌ها از گمانه ‌ها یا ترانشه ‌ها استفاده می کنند، که لوله‌ هایی را با یک سیال حامل در گردش ترکیب می کنند تا مبدل های حرارتی زمین (GHEs) را تشکیل دهند که از زمین به عنوان منبع حرارت استفاده می کنند. با این حال، GHE های سنتی با هزینه های سرمایه ای بالا یا به دلیل حفاری یا نیاز به فضای زمین همراه هستند. برای غلبه بر این اشکال، یک رویکرد جایگزین نسبتاً جدید، حلقه ‌های لوله کشی را در سازه‌ های زیرزمینی که عمدتاً برای پایداری طراحی شده اند، مانند پوشش‌ های تونل، پایه ‌های شمع یا دیوار های حائل، ترکیب می‌ کند. این امر تأمین انرژی را به یک عملکرد ثانویه برای این سازه ‌ها (انرژی) تبدیل می‌ کند، اما همچنین محدودیت ‌هایی را برای طراح ایجاد می‌ کند، که باعث می شود تأمین کل انرژی مورد نیاز تضمین نشده باشد و در عوض استفاده از یک سیستم ترکیبی را تشویق می کند که ساختارهای انرژی را با سایر وسایل کمکی مثل سیستم های گرمایشی و سرمایشی (متعارف) ترکیب می‌ کند.

سازه زمین انرژی که به خوبی مورد تحقیق قرار گرفته است، شمع حرارتی بوده است که به احتمال زیاد به دلیل شباهت با گمانه سنتی است. با این حال، تحقیقات کمی در مورد کاربرد و استفاده از دیوار های حائل حرارتی وجود دارد که در مقایسه با شمع های حرارتی، تفاوت مهمی را نشان می دهد، زیرا دیوارها همه توسط خاک احاطه نشده اند، بلکه یک طرف دیوار به سمت داخل ساختمان زیرزمینی است. مانند سکوی ایستگاه قطار زیرزمینی، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. در حال حاضر اطلاعات محدودی در مورد اینکه چگونه دیوارهای نگهدارنده انرژی را می توان به بهترین شکل ممکن استفاده کرد، به خصوص در مورد عملکرد حرارتی طولانی مدت وجود دارد. این مطالعه مناسب بودن دیوارهای حائل دیافراگم حرارتی را برای یک ایستگاه قطار زیرزمینی مستقر در شهر ملبورن، استرالیا بررسی می ‌کند و یک تحلیل جدید با تمرکز بر عملکرد حرارتی برای دو پیکربندی هندسی مختلف در یک دوره عملیاتی 25 ساله ارائه می کند.