تحسين أداء مستدام لنظام مضخة حرارية أرضية مع استرداد الحرارة باستخدام بيانات ميدانية وتعلم الآلة

لماذا يهم الاستفادة الأفضل من الحرارة المدفونة

مع سعي المدن لطرق أنظف للحفاظ على راحة المباني، تزداد أهمية الأنظمة التي تستغل درجة الحرارة الثابتة تحت الأرض. يمكن لهذه الأنظمة القائمة على المضخات الحرارية الأرضية تقليل استهلاك الطاقة مقارنةً بمكيفات الهواء والمراجل التقليدية، لكن في المناطق ذات الصيف الحار تواجه مشكلة خفيّة: مع مرور الوقت، ترمي الأنظمة حرارة مهدرة أكثر فأكثر في التربة، ما يؤدي إلى ارتفاعها تدريجيًا وتقليل الكفاءة. تستعرض هذه الدراسة تصميمًا جديدًا لا يقتصر على الحد من تراكم الحرارة تحت الأرض فحسب، بل يحول أيضًا حرارة الصيف المهدرة إلى مياه ساخنة مفيدة، مسترشدة ببيانات ميدانية وأدوات تعلم آلة حديثة.

طريقة أذكى لتبريد المباني وتسخين المياه

اختبر الباحثون نظام مضخة حرارية أرضية مع استرداد الحرارة (HRGSHP) في مبنى صناعي كبير في مدينة صينية ذات صيف حار وشتاء بارد. مثل النظام الأرضي العادي، يدوّر مياهًا عبر أنابيب عمودية عميقة في الأرض لامتصاص أو طرد الحرارة. الاختلاف هو أن كل وحدة مضخة حرارية تحتوي على مكثفين مرتبين على التوازي. بواسطة مجموعة صمامات، يمكن للنظام إما أن يرسل الحرارة غير المرغوب فيها إلى الأرض أو يلتقطها لإنتاج مياه ساخنة لاستخدامات مثل تدفئة الفراغات، إعادة تسخين إزالة الرطوبة، أو الماء الساخن المنزلي. في الصيف، عندما تكون حاجة التبريد عالية والمياه الساخنة مفيدة، يتيح هذا التصميم أن يبرد الجهاز نفسه المساحات الداخلية ويوفر ماءً بدرجة 50 °م في الوقت ذاته.

كيف يعمل النظام على مدار الفصول

على مدى ما يقرب من ثلاث سنوات من التشغيل، تنقّل النظام بين أربعة أوضاع أساسية. في وضع التبريد الخالص، عمل مثل مبرد أرضي تقليدي، مرسلاً الحرارة إلى الحلقة الأرضية بينما يزود المبنى بمياه مبردة. في وضع التبريد مع الماء الساخن المشترك، ذهب جزء من الحرارة إلى الأرض وجزء إلى خزان مياه ساخنة. كان هناك أيضًا وضع للماء الساخن فقط خلال الفصول المعتدلة ووضع للتدفئة في الشتاء، عندما عملت الحلقة الأرضية كمصدر حرارة وسلّم النظام ماءً ساخنًا لتدفئة الفراغات. من خلال ضبط مواضع الصمامات، ومعدلات تدفق المياه، وسعة الضاغط، طابق النظام ظروف الطقس الخارجية والطلبات الداخلية المتغيرة دون الحاجة إلى مراجل أو أبراج تبريد منفصلة.

ماذا كشفت سنوات البيانات الميدانية

سجل الفريق درجات الحرارة، ومعدلات التدفق، واستهلاك الطاقة، وظروف التربة، والطقس بشكل مستمر، جامعًا أكثر من مئتي ألف نقطة بيانات. أظهرت هذه القياسات أنه حتى تحت تبريد مكثف، ارتفعت درجة حرارة التربة المتوسطة عند عمق 150 م بنحو 0.45 °م فقط على مدى ثلاث سنوات، وهو أقل بكثير من الزيادات المبلغ عنها لأنظمة أرضية قياسية في مناخات مماثلة. مع ذلك، كانت كفاءة التركيب الفعلي أقل من قيم المعمل المصنّفة، جزئيًا لأن المضخات دفعت غالبًا مياهًا أكثر مما هو مطلوب، محدثة فروقًا صغيرة في درجات الحرارة عبر النظام ومهدرة كهرباء. كما ظهرت اتجاهات موسمية: ارتفاع الأرض التدريجي قلل قليلًا من كفاءة التبريد لكنه ساعد التدفئة في الشتاء بزيادة درجة حرارة مصدر الحرارة تحت الأرض.

ترك الخوارزميات تضبط المقابض

لاستخراج مزيد من الأداء من الأجهزة القائمة، بنى المؤلفون إطارًا أمثل قائمًا على البيانات. استخدموا نوعًا من الشبكات العصبية لتعلّم كيف تستجيب مؤشرات كفاءة النظام لظروف مثل درجة الحرارة الخارجية، ودرجات حرارة المياه، ومعدلات التدفق. ثم بحثت خوارزمية جينية عن أفضل الإعدادات الداخلية، وطريقة قرار معروفة باسم TOPSIS وازنت بين أهداف متعددة في آن واحد، بما في ذلك مقاييس منفصلة للمضخة الحرارية نفسها وللمجمّع بأكمله. سمح لهم هذا الاختبار الافتراضي باستكشاف العديد من تراكيب التشغيل التي يصعب تجربتها يدويًا مع احترام حدود واقعية للدرجات ومعدلات التدفق.

توفير الطاقة وما يعنيه على أرض الواقع

عند تطبيق الإعدادات المحسّنة في نموذجهم، كانت النتائج لافتة. في المتوسط، تحسّنت مقاييس أداء التدفئة في الشتاء حتى 27 بالمئة للمجمّع الكلي، في حين تحسّن أداء التبريد في الصيف بنحو 21 بالمئة. في الوقت نفسه، أشار التحليل إلى أن استهلاك الكهرباء قد ينخفض بنحو خمس، مما يؤدي إلى تقدير خفض التكاليف التشغيلية بنسبة 19 بالمئة مقارنة بالطريقة الحالية لتشغيل المحطة. والأهم أن هذه المكاسب لم تتطلّب معدات جديدة، بل مجرد خيارات مختلفة لدرجات حرارة المياه وسرعات المضخات موجهة بمنهجية مدفوعة بالبيانات.

ما يعنيه هذا للمباني المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة أن أنظمة المضخات الحرارية الأرضية يمكن أن تصبح أنظف وأكثر اقتصادية من خلال إعادة استخدام حرارتها المهدرة وتشغيلها بذكاء أكبر. يحافظ التصميم المختبر على الأرض من السخونة الزائدة، ويقلل الاعتماد على أجهزة تسخين وتبريد منفصلة، ويُظهِر أن تعلم الآلة يمكن أن يساعد المشغلين في العثور على نقاط تشغيل مثلى قد يغفلها التجريب والخطأ البشري. بينما هناك حاجة لمزيد من العمل لتضمين تكاليف دورة الحياة التفصيلية ولتجربة أنواع مبانٍ أخرى، تقدم الدراسة مسارًا عمليًا لتحويل الأنابيب المدفونة والنماذج الرقمية إلى وفورات طاقية حقيقية.

الاستشهاد: Cui, Y., Chong, W.T., Varman, M. et al. Sustainable performance enhancement of a heat recovery ground source heat pump system using field data and machine learning. Sci Rep 16, 15271 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45353-z

الكلمات المفتاحية: مضخة حرارية أرضية, استرداد الحرارة, طاقة المباني, تعلم الآلة, تحسين HVAC