تخمین خصوصیات حرارتی خاک اطراف شمع حرارتی به روش غیر مستقیم با استفاده از داده های دماسنجی مدل فیزیکی ۱g

ساختمان ها یکی از پر مصرف ترین بخش ها در مصرف انرژی هستند که عمده این انرژی نیز صرف گرمایش و سرمایش فضای داخلی ساختمان ها و تولید آب گرم در آن ها می شود. لذا یکی از راهکارهای موثر در کاهش میزان تولید گازهای گلخانه ای حاصل از احتراق سوخت های فسیلی که موجب پدیده گرمایش جهانی می شود، استفاده از انرژی های نو و تجدیدپذیر مثل انرژی زمین گرمایی سطحی در بخش ساختمانی و بهره برداری از آن ها در محل هر ساختمان به واسطه پمپ های حرارتی منبع زمینی و سازه های ژئوتکنیکی فعال حرارتی مثل شمع های حرارتی، به منظور توسعه ساختمان هایی با انرژی خالص صفر می باشد. از آنجایی که از مهم ترین عوامل موثر در تحلیل و طراحی بهینه عملکرد حرارتی این نوع سیستم ها، تخمین مناسب و ساده پارامترهای حرارتی خاک مثل ضریب هدایت حرارتی (k)، ضریب انشار حرارتی (α) و ظرفیت گرمایی ویژه (c_p) خاک می باشد تا بتوان ظرفیت مخزن حرارتی زمین و مدت زمان لازم برای تزریق و تخلیه انرژی گرمایی به و از آن را محاسبه نمود؛ در پژوهش حاضر به تخمین خصوصیات حرارتی خاک اطراف شمع حرارتی به روش غیر مستقیم سیم داغ در حالت گذرا با استفاده از مدل فیزیکی ساخته و توسعه داده شده در شرایط شتاب ثقل (۱g)، پرداخته می شود. که در این روش، شمع حرارتی به عنوان یک منبع حرارتی خطی با طول بینهایت فرض شده که به صورت شعاعی شار حرارتی از آن به سمت خاک اطراف گسیل شده و موجب ایجاد گرادیان حرارتی شعاعی در هر لحظه از وضعیت گذرای این پدیده می گردد که در نهایت، به افزایش دمای کل توده خاک اطراف شمع و هم دمایی آن منجر می شود. گفتنی است که مدل فیزیکی استفاده شده در این تحقیق، متشکل از ۴ لوله آلومینیومی با انتهای بسته به طول ۶۰ سانتی متر، قطر بیرونی ۲۰ میلی متر و ضخامت جداره ی ۳/۱ میلی متر به عنوان شمع مدل بوده که یکی از آن ها به عنوان شمع حرارتی (EP) با استفاده از دستگاه حمام آب و مبدل حرارتی فولادی U شکل تحت چرخه های حرارتی با دامنه ۶± درجه سانتی گراد و دوره تناوب ۴۸ ساعت قرار گرفته است که داخل آن با آب پر می شد تا با ایجاد تبادل حرارتی مناسب بین شمع و لوله ی فولادی U شکل، پروفیل دمایی یکنواختی در طول شمع ایجاد شود. همچنین، برای مدل سازی زمین نیز از خاک ماسه سیلتدار شماره ۱۰۰ فیروزکوه در حالت غیراشباع با درجه اشباع ۷۰% استفاده شده است که لایه لایه داخل مخرن فولادی مکعبی شکلی به ابعاد ۱۰۰×۱۰۰×۸۰ سانتی متر ریخته شده و به روش کوبش تر به تراکم نسبی۷۰% رسانده شده است. در این مدل فیزیکی، اطراف شمع حرارتی (EP) در چهار تراز، ۱۰- ، ۳۰- ، ۴۰- و ۵۵- سانتی متری و در سه فاصله شعاعی، ۵، ۱۰، ۲۴ سانتی متری از مرکز شمع دماسنج هایی برای پایش دمای خاک اطراف نیز تعبیه شده بود که به کمک داده های ثبت شده آن ها و انجام رگرسیون خطی و تحلیل کمترین مربعات بر روی آن ها، مقادیری برای خصوصیات حرارتی مذکور خاک محاسبه شده است که در مقایسه با نتایج محاسبه شده برای همین خاک در حالت خشک، مقدار ضریب هدایت حرارتی (k) و ضریب انتشار حرارتی (α) افزایش یافته، اما ظرفیت گرمایی ویژه (c_p) خاک مرطوب کمتر از خاک خشک برآورد شده است که خارج از انتظار بوده و می تواند به علت رشد نشر خطاهای موجود در اندازه گیری های آزمایشگاهی در محاسبات صورت گرفته برای به دست آوردن این پارامترها باشد.

Keywords:

شمع حرارتی , مدل فیزیکی , خصوصیات حرارتی خاک , خاک غیراشباع , ماسه سیلت دار فیروزکوه