سيستم سرمایشی- گرمایشی GHP تهویه مطبوع با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر، صرفه جوئی انرژی بين ۵٠ تا ٧٠ درصد در مقایسه با کولرگازی و بخاری برقی ایجاد می کند.
   کولرهای گازی که از جمله وسایل برقی پرمصرف هستند، در مناطق جنوب و شمال کشور بدليل بالا بودن دما و رطوبت  جهت تامين سرمایش ساختمانها استفاده می شود. همچنين در بعضی ساختمانها در کشور، از چيلرها، بخاری گازی، بخاری های برقی و ... که هر کدام ضمن مصرف بالای انرژی، دارای راندمان پائينی هستند، جهت تامين نمودن گرمای مورد نياز استفاده می شود. در واقع سيستم های رایج وسایل سرمایشی و گرمایشی در کشور از جمله وسایل پرمصرف بشمار می آیند. برای صرفه جویی در مصرف انرژی می توان از پمپ حرارتی زمين گرمائی که قابليت تامين گرمایش و سرمایش محيط ساختمانها را با کاهش مصرف برق ۵٠ % تا ٧٠ % دارد استفاده نمود که باعث کاهش قابل توجه هزینه های انرژی می شود. عملکرد مطلوب پمپ های حرارتی زمين گرمائی بگونه ای است که باعث توسعه روز افزون و استقبال زیاد مردم از این سيستمها در دنيا شده است. بطوری که ميزان ظرفيت نصب شده پمپ حرارتی زمين گرمائی در جهان تا سال ١٩٩۵ ميلادی برابر با ١٨۵۴ مگاوات، تا سال ٢٠٠٠ ميلادی برابر با ۵٢٧۵ مگاوات، تا سال ٢٠٠۵ ميلادی ١۵٧٢٣ مگاوات و تا سال ٢٠١٠ ميلادی ٣۵٢٣۶ مگاوات حرارتی بوده است و پيش بينی می شود این ميزان ظرفيت ( نصب شده تا سال ٢٠۵٠ ميلادی به ٧۴۴٠٠٠ مگاوات افزایش یابد.

شکل ١: نمودار رشد ظرفيت نصب شده و برنامه توسعه پمپ حرارتی زمين گرمائی تا سال ٢٠۵٠ ميلادی

   کشورهائی که بيشترین ظرفيت نصب شده این سيستمها در آنها انجام شده است عبارتند از:
آمریکا با ١٢٠٠٠ مگاوات، آلمان با ٢٢٣٠ مگاوات، کانادا ١١٠٠ مگاوات، سوئد با ۴۴۶٠ مگاوات، اتریش با ۶٠٠ مگاوات، دانمارک با ٨٠٠ مگاوات، چين ۵٢١٠ مگاوات، سوئيس ۵٣٠ مگاوات، نروژ ٣٣٠٠ مگاوات، فنلاند ٨۵٨ مگاوات، مجارستان ۵١٨ مگاوات، هلند ١٣٩۴ مگاوات.
   با رسم منحنی تغييرات دمای هوا و دمای زمين در اعماق در طول یک سال، مشاهده می شود که با افزایش عمق زمين، میزان تغييرات دمای زمين در طول سال دارای تغييرات کمتری خواهد بود. همانگونه که در شکل شماره ٢ مشاهده می شود از حدود عمق ٣ الی ۴ متری از سطح زمين تغييرات دما و نوسانات آن در طول یک سال بسيار ناچيز می باشد. این در حالی است که ميزان تغييرات دمای هوا دارای نوسانات بسيار زیادی می باشد.

شکل شماره ٢: شماتيک ميزان نوسانات دمای هوا و خاک در یک سال
  

    زمين منبع خوبی برای تامين گرمایش در ماههای سرد سال است و می توان از حرارت زمين برای تامين گرمایش ساختمان ها استفاده نمود و همچنين از آن می توان برای تامين سرمایش در ماههای سرد سال استفاده بهينه نمود.
   فرآیند مکانيکی دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی به این صورت است که در فاز سرمایش هوای گرم داخل اطاق از طریق مکنده دستگاه وارد دستگاه شده و پس از سرد شدن به داخل اطاق دميده می شود. در داخل دستگاه حرارت به مبرد منتقل شده و پس از عبور مبرد از سيکل مربوطه، حرارت موجود در مبرد توسط یک مبدل دو لوله ای به آب داخل کویل زمينی که در داخل لوله های پلی اتيلنی نصب شده در داخل زمين است منتقل می شود.

(شکل شماره ٣). بالعکس در فاز گرمایش با استفاده از حرارت موجود در زمين، گرمای مورد نياز ساختمان تامين می شود (شکل شماره ۴). طراحی آرایش و چيدمان بهينه لولهای پلی اتيلن در داخل زمين مهم ترین عامل در کاهش هزینه نصب پمپ حرارت زمين گرمائی دارد.

               شکل ٣: فرایند سرمایشی پمپ حرارتی زمين گرمائی                      شکل ۴: فرایند گرمایشی پمپ حرارتی زمين گرمائی

   تبادل حرارتی بين دستگاه و زمين از طریق کویل زمينی انجام می شود که انواع کویل زمينی سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی عبارت است از: سيکل بسته افقی (شکل ۵)، سيکل بسته عمودی (شکل ۶) و  سيکل باز (شکل ٧)

شکل ۵: سيکل بسته افقی

شکل ۶: سيکل بسته عمودی

شکل ٧: سيکل باز

 مزیت های استفاده از سيستمGHP

١- قابليت تامين همزمان گرمایش و سرمایش با صرفه جوئی انرژی به ميزان ۵٠ الی ٧٠ درصد در تمامی مناطق و تمامی اقليم ها

٢- امکان نصب سيستمGHP

٣- کاهش دهنده ميزان رطوبت و تامين کننده سرمایش بطور همزمان در مناطق دارای رطوبت زیاد

۴- توليد کمتر آلاینده های محيط زیستی در مقایسه با سایر سيستم های گرمایشی- سرمایشی

۵- کاهش توليد آلودگی صوتی

6- امکان استفاده از سيستم برای مناطق دور از شبکه خط لوله انتقال گاز 

٧- امکان استفاده از سيستم GHP برای تامين آب گرم و سرد (تهویه مطبوع با فن کویل) GHP

٨- امکان انتقال هوای گرم و سرد با استفاده از کانال

٩- امکان استفاده از سيستم GHP در ظرفيت های متفاوت (نيم تن تبرید تا هزار تن تبرید)

١٠ - قابليت تامين آب گرم مورد نياز ساختمان و استخرهای شنا

١١ - امکان استفاده از GHP در مراکز پرورش دام، تيور، آبزیان گرمابی، ذوب برف معابر و فرودگاهها و صنایع مختلف

١٢ - امکان نصب سيستم GHP بصورت متمرکز یا مجزا در ساختمان ها

فعاليت های انجام شده در کشور
١- پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت مشکين شهر
در ایران مطالعه گسترده بر روی پمپ حرارتی زمين گرمائی از سال ١٣٨٠ آغاز گردید که این مطالعات منجر به تغيير یک کولر گازی به پمپ حرارتی زمين گرمائی گردید. این دستگاه در سایت زمين گرمائی مشکين شهر نصب و راه اندازی شده است و کویل زمينی آن که بصورت افقی است، باعث شده تا ميزان مصرف برق دستگاه مذکور با اندازه ٣٠ % کاهش یابد.

شکل شماره ٨: پمپ حرارتی زمين گرمائی مشکين شهر

جهت تکميل نمودن این مطالعات سازمان انرژيهاي نو ايران به کمك شرکت آساد صنعت چهار دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی (شکل شماره ٩) و یک دستگاه آب گرمکن تهيه و در آزمایشگاه کولر گازی آزمایشگاه صرفه جوئی ملی انرژی در سازمان بهره وری انرژی (سابا) مورد آزمایش قرار گرفت (شکل شماره ١٠ ) که منتج به محاسبه راندمان (COP) برابر 4/5 و مصرف برق 750 وات گردید که در مقایسه با بهترین کولر گازی موجود در ایران که دارای راندمان کمتر از 2/5 با مصرف برق ٢٨٠٠ وات می باشد، از ميزان قابل توجه کاهش مصرف برق برخوردار می باشد.
شکل شماره ٩: نمائی از پمپ حرارتی زمين گرمائی

شکل شماره ١٠ : آب گرمکن و پمپ حرارتی زمين گرمائی در آزمایشگاه سابا

٢- پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت طالقان:
جهت نمایش واقعی عملکرد و کاهش مصرف برق واقعی یک دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت طالقان نصب گردید (شکل شماره ١١ ) و بمنظور مطالعه دقيق و برداشت اطلاعات سنسورها و وسایل اندازه گيری جهت ثبت ميزان کاهش مصرف برق، دما و رطوبت هوا و خاک مورد استفاده قرار گرفت. برای این منظور مدارهای مختلف لوله پلی اتيلن ٢ اینچ کویل زمينی طراحی و در داخل ٩ حلقه چاه به عمق ١۵ متر و به قطر ٨٠ سانتی متر نصب شد. هدف از حفاری این تعداد چاه مطالعه و تحقيق بر روی اثرات چيدمانهای مختلف و سيکلهای مختلف کویل زمينی می باشد. همچنين جهت مطالعه بهتر بر روی انتقال حرارت داخل زمين تعداد ١٢ سنسور اندازه گيری دما در چاهها نصب شده است تا همزمان با برداشت اطلاعات ميزان مصرف برق، دما و رطوبت هوای آزاد، دما و رطوبت داخل اطاق، بتوان دمای زمين و ميزان حرارت تبادل شده بين سيال داخل کویل زمينی و خاک را نيز اندازه گيری نمود. نتيجه مطالعات بيانگر عملكرد مناسب سيستم در فصل گرما و سرما بوده و در مقايسه با يك کولر گازي معمولي مشابه ۶۵ درصد آاهش مصرف برق نشان مي دهد.

شکل شماره ١١ : دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت طالقان به همراه تجهيزات برداشت اطلاعات

در شرایطی که دمای محيط در سایت طالقان بين ٣ تا ٩ درجه سانتيگراد بوده است توسط پمپ حرارتی زمين گرمائی و با مصرف برق ٩۵٠ وات دمای داخل اتاق تا ٢٢ درجه سانتيگراد و در شرایط آسایش بدن انسان ثابت نگه داشته شده است.

منحنی شماره ١٢ : نمودارهای پارامترهای مهم سایت طالقان در حالت گرمایش در اسفند ٨۵

٣- پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت رشت:
   به منظور بررسي عملكرد دستگاه در شرايط شمالي کشور، ساختمان شبکه انتقال واقع در پست شهيد سيادتی در شهر رشت به عنوان نمونه انتخاب و سومين پمپ حرارتي در آن نصب و راه اندازي شد. (شکل شماره ١٣ ) به دليل بالا بودن سطح آب در شهر رشت و مشكلات حفر چاه، از کويل عمودي-افقي استفاده شد. به همين منظور در پست شهيد سيادتي دو کانال به عمق ۵ متر حفاري و در آنها لوله هاي پلي اتيلني با١ متري نصب گرديده است.علاوه بر / قطر ٢ اينچ به طول ١٠٠ به صورت عمودي و افقي با فاصله ٣ متري و ۵ کويل عمودي افقي به منظور مطالعه کويلهاي مختلف از دو آرايش افقي ديگر نيزاستفاده شده است که قابل انتخاب است. در اين سايت براي اولين بار از يك آبگرمكن ٣٠٠ ليتري به صورت سري با کويل زميني استفاده و مورد تست قرار گرفت. نتيجه تست عملكرد مناسبي را براي سيستم ارائه داد به گونه اي که به کمك سيستم نصب شده ضمن خنك کاري فضاي اداري به وسعت ۴۵ متر مربع با ارتفاع ۴.۵ متر، با مصرف برقي در حدود ٨۵٠ وات قادر به تامين آب گرم مورد نياز مجموعه با دماي ۴٠ درجه سانتيگراد و با حجم ٣٠٠ ليتر گرديد.

شکل شماره ١٣ : محل احداث سيستم پمپ حرارتی در پست برق شهيد سيادتی رشت

   در سایت رشت در حالت گرمایش و در شرایطی که دمای محيط ٣ تا ٩ درجه سانتيگراد بوده است دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی با مصرف ٨٠٠ وات برق توانسته دمای دمنده را تا ٣٠ درجه سانتيگراد برساند.(منحنی شماره ١۴ ) این در حالی است که در حالت سرمایش نيز در محيطی با دمای بين ٢٣ تا ۴۵ درجه سانتيگراد، با مصرف ٩٠٠ وات برق، توسط دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی، دمای اتاق بين ١٣ تا ١۶ درجه سانتيگراد رسيده است. (منحنی شماره١۵ )

منحنی شماره ١۴ : نمودار گرمایش سایت رشت در بهمن ماه

منحنی شماره ١۵ : نمودار سرمایش سایت رشت در مرداد ماه

۴- پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت اهواز:
   استان خوزستان از جمله مناطقی از کشور است که در ماههای گرم بدليل داشتن رطوبت و دمای بالا از کولر گازی بسيار استفاده می شود. در شهر اهواز و در نزدیکی هتل ساب واقع محله بوستان یک دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی نصب گردید (شکل شماره ١۶ ) و کویل زمينی این سيستم از نوع مارپيچ با طول ٢٠٠ متر در کانالی به طول هفت متر نصب گردید. در زمستان ١٣٨۶ این سيستم در حالت گرمایشی راه اندازی شده و با مصرف برق ٨۵٠ وات گرمای مورد نياز اطاقی به مساحت ٣۵ متر مربع را تامين نموده است. با شروع فصل گرما سيستم در حالت سرمایش با مصرف برق ٩٠٠ وات در حال کار می باشد و توسط دستگاههای اندازه گيری تمامی پارامترهای مهم اندازه گيری می شود و اطلاعات بدست آمده نشان از موفقيت این سيستم دارد.

شکل شماره ١۶ : نمائی از محل احداث سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در شهر اهواز

   نمودار شکل ١٧ نشان می دهد که دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی با مصرف برق ١٢٠٠ وات در شرایطی که دمای محيط بين ٣۵ تا ۴۵ درجه سانتيگراد بوده توانسته با دميدن هوائی با دمای ١٧ تا ٢٠ درجه سانتيگراد هوای مطبوعی را در اتاق فراهم نماید.

نمودار شکل ١٧ : :منحنی دمای محيط، دمای دمنده و ميزان توان مصرفی پمپ حرارتی زمين گرمائی در خرداد ماه اهواز

۵- پمپ حرارتی زمين گرمائی در سایت بندرعباس:
   پنجمين پمپ حرارتی زمين گرمائی در ایران در شهر بندرعباس و در کتابخانه اداره جهاد کشاورزی استان هرمزگان نصب شده است. (شکل شماره ١٨ ) شهر بندر عباس بدليل گرما و رطوبت بالا و نيز نزدیکی به دریا انتخاب گردید تا تاثير این ویژگيهای مهم بر عملکرد پمپ حرارتی زمين گرمائی نيز بررسی و مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. کویل این سيستم بصورت افقی مارپيچ است. منحنی شماره ١٩ نشان دهنده این است که در شرایطی که دمای محيط بين ٣٠ تا ٣۵ درجه سانتيگراد بوده، دستگاه پمپ حرارتی زمين گرمائی با مصرف ١٣٠٠ وات توانسته هوائی با دمای ١٧ تا ٢٠ درجه سانتيگراد را تامين نماید.

شکل شماره ١٨ : نمائی از محل احداث سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در کتابخانه جهاد کشاورزی استان هرمزگان

نمودار شکل ١٩ : منحنی دمای محيط، دمای دمنده و ميزان توان مصرفی پمپ حرارتی زمين گرمائی بندرعباس خرداد ماه

۶- احداث GHP بصورت سيکل باز در پست برق سيادتی شهر رشت:
   در مناطقی که سطح آب های زیر زمينی نزدیک به سطح زمين است می توان برای کاهش هزینه های احداث کویل زمينی با حفاری یک حلقه چاه جهت برداشت آب و حفاری یک حلقه چاه برای تزریق آب می توان از آب های زیر زمينی برای تبادل حرارت استفاده نمود. برای جمع آوری و تکميل اطلاعات این نوع کویل زمينی، در پست برق شهيد سيادتی رشت دو حلقه چاه حفاری گردید (شکل شماره ٢٠ ) و با توجه به پائين بودن دمای آب چاه به نسبت دمای هوا در تابستان و نيز بالا بودن دمای آب چاه به نسبت دمای هوا در زمستان، استفاده از این نوع کویل با صرفه جوئی انرژی مطلوبی همراه بوده و سيستم با مصرف برق ٧۵٠ وات کارائی یک کولر اسپيليت را داشته و کاهش مصرف برق در حدود ١۵٠٠ وات GHP اندازه گيری شده است.

شکل شماره ٢٠ : احداث سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در پست برق شهيد سيادتی بصورت کویل زمينی سيکل باز

٧- احداث GHP بصورت سيکل باز در کتابخانه جهاد کشاورزی بندرعباس 
   همچنين در بندرعباس نيز دو حقله چاه به عمق ۵ متر حفاری شده و در کتابخانه جهاد کشاورزی استان راه اندازی شد و با استفاده از کویل سيکل باز ميزان مصرف GHP هرمزگان (شکل شماره ٢١ ) سيستم But/hr کمتر از ٨٠٠ وات بوده که این امر با توجه به نصب دو دستگاه کولر گازی GHP انرژی سيستم ٣۶٠٠٠ که در مجموع در حدود ۶٠٠٠ وات مصرف داشته است، نشان از کاهش مصرف برق قابل توجهی در این کتابخانه داشته است.

شکل ٢١ : احداث سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در کتابخانه جهاد کشاورزی هرمزگان بصورت کویل زمينی سيکل باز

٨- احداث GHP در خانه خورشيدی  
   با هدف نمایش عملکرد سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در مناطق دور از شبکه برق و ساختمان در خانه GHP هائی که برق مورد نياز خود را از انرژی خورشيدی تامين می نمایند، یک دستگاه سيستم خورشيدی سایت طالقان (شکل شماره ٢٢ ) نصب گردید. این سيستم نيز از ميزان صرفه جوئی انرژی در حدود ۶٠ درصد در حالتهای گرمایشی و سرمایشی برخوردار است.

شکل شماره ٢٢ : احداث سيستم پمپ حرارتی زمين گرمائی در خانه خورشيدی طالقان برای منازل مستقل از شبکه

جمع بندی و نتيجه گيری:
   پمپ حرارتی زمين گرمائی از جمله وسایل گرمایشی و سرمایشی که در مقایسه با کولرهای گازی و بخاری برقی بترتيب ۵٠ و ٧٠ درصد کمتر برق مصرف می نماید که در صورت تدوین استراتژی صحيح بمنظور نمایش عملکرد و نيز توسعه استفاده از آن و همچنين تدوین قوانين و مقررات همایتی لازم تا مرحله توليد انبوه آن در کشور می تواند روش مناسبی جهت کاهش مصرف برق و بخصوص کمتر کردن مشکلات صنعت برق کشور باشد.
   با در نظر گرفتن افزایش قيمت های انرژی بویژه برق و گاز که متداول ترین روش تامين سرمایش و گرمایش در کشور هستند و نيز مشکلات کمبود انرژی در کشور شامل استحصال، انتقال، مصرف و ... سوخت فسيلی، توليد آلاینده های محيط زیست، از بين رفتن برق توليد شده در شبکه و افزایش روز افزون نياز به برق و همچنين استقبال زیاد مردم از وسایل سرمایشی و گرمایشی پرمصرف همانند کولرهای گازی و بخاری برقی که بدليل کاهش فشار گاز در زمستان در خطوط انتقال گاز رخ می دهد و همچنين قانون هدفمند سازی یارانه که سعی در واقعی نمودن ارزش انرژی دارد، اهميت استفاده از پمپ حرارتی زمين گرمائی در کشور بيشتر مشخص می شود.