انرژی ژئو ترمال و بررسی تجارب جهانی آن در معماری و شهرسازی پایدار

مقدمه
بهره گیری از منابع عظیم طبیعی (انرژیهای نو) در جهت تامین نیازهایی از قبیل گرما، سرما، تهویه و آسایش فضاها سالهاست که مورد توجه معماران بوده و مهمترین اصول معماری پایدار نیز بر همین امر استوار است. در حقیقت ساخت و ساز پایدار، خلق محیطی سالم برپایه کارآیی منابع و اصول اقلیمی است و هدف آن کاهش تاثیر ساخت و ساز بر محیط پیرامون است. از میان این نوع منابع تجدید پذیر، میتوان انرژی ژئو ترمال یا زمین گرمایی را عنوان نمود . چشمه های آب گرم جهنده و فواره های بخار ، صور نمایشی این منبع انرژی هستند که در هر زمان مورد استفاده مردمان بوده و امروزه سعی در بهره برداری از این انرژی بصورت مدرن و در اندازه های بیشتر است. در حقیقت آنچه آن را انرژی پاک اعماق خاک نامیده اند، حرارت درون زمین است که در طول عمر زمین در هسته آن، ذخیره شده است. در ایران امکان استفاده از منابع انرژی زمین گرمایی بصورت مستقیم در مناطق دماوند، سبلان، ماکو، خوی و سهند وجود دارد. پیشروان استفاده از انرژی ژئوترمال ایتالیا، زلاندنو، آمریکا، فرانسه، ژاپن، ایسلند و مجارستان هستند. در سال ۱۹۰۴، نخستین بار در ایتالیا از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق استفاده شد و در حال حاضر، میزان تولید برق از انرژی ژئوترمال ۱/۰ درصد کل انرژی جهان است. در سال ۱۹۹۶ کل ظرفیت نصب شده انرژی زمین گرمایی در ۵۲ کشور جهان به ۶۵۰۰ مگاوات برق (Mwe) رسید و جمع برق تولیدی، افزون بر ۳۸ هزار گیگاوات ساعت (GWH) شد. امروزه استفاده از این منبع رو به افزایش و علاوه بر مصارف صنعتی و تولید برق برای گرمایش مکان‌ها و محله‌های مسکونی نیز کاربرد دارد. انرژی ژئوترمال یا زمین گرمایی مانند انرژی خورشید، بی پایان است و شامل:1- مخازن هیدروترمالی یا آب گرم (تقریبا دو برابر انرژی مخازن نفت جهان)2- سنگهای گرم (حدود 6000 برابر انرژی مخازن نفت جهان)3- مخازن ماگمایی (حدود 80 برابر انرژی مخازن نفت جهان) است.هم اکنون میزان ذخایر ژئوترمال کره زمین نزدیک به ۱۵ هزار بار بیش از ذخایر شناخته شده نفت است و استفاده از این منبع به راحتی می‌تواند مشکلات آینده انرژی را بویژه در حیطه معماری تا حدودی مرتفع سازد. کاربردهای انرژی ژئوترمال به دو دسته مستقیم و غیر مستقیم (منطقه ای) تقسیم می گردد:

کاربرد های مستقیم انرژی ژئوترمال (Direct use):
در یک تقسیم بندی کلی استفاده های مستقیم انرژی ژئوترمال شامل موارد ذیل است:1- استفاده از چشمه های آّب گرم برای استحمام در بیش از 35 کشورکه هنوز برای استفاده تجاری نظیر تولید برق و ... توسعه نیافته اند.2- استفاده مستقیم از مخازن هیدروترمالی برای فراهم کردن بیش از 11 هزار مگا وات نیرو در بیش از40 کشور جهان.3- سایراستفاده های مستقیم دیگراز انرژی ژئوترمال نظیر شیلات، گلخانه ها و گرمایش مستقیم ساختمانها در مناطقی که دارای منابع انرژی ژئوترمال (مخازن هیدروترمالی- سنگهای گرم و یا مخازن ماگمایی) است. شواهد بسیاری از گذشته وجود دارد که مردم Pompeii خانه های خود را با آب زمین گرمایی گرم می کردند و پیشینه استفاده از انرژی ژئوترمال در فرانسه به بیش از 600 سال می رسد. استفاده از چشمه های آب گرم توسط قبایل مائوری زلاندنو برای پخت وپز و سایر مقاصد تا زمانهای کنونی نیز ادامه یافته است. یکی از مهمترین موارد استفاده از انرژی ژئوترمال کاربرد توریستی آن در مناطقی است که در آن چشمه های آبگرم وجود دارد. استحمام در استخرهای آب گرم نظیر آنچه در Mammoth Lakes Hot Creek Californiaهمواره در طول تاریخ تجربه شده است. بدون شک ایران نیز به علت قرار گرفتن در کمربند انرژی زمین گرمایی جهان دارای زمینه های بسیار آماده برای استفاده از انرژی حرارتی زمین درایجاد مراکز توریستی آب گرم و آبدرمانی نظیر منطقه سبلان است. استفاده از انرژی زمین گرمایی در شیلات و کشاورزی امری شایان توجه است. در چندین ایالت آمریکا گلخانه های بسیار بزرگی توسط آب گرم زمین یا انرژی ژئوترمال ساخته و گرم شده اند.

در سان برناردنیو (San Bernardina) واقع در جنوب کالیفرنیا، از آب گرم زیرزمینی برای گرم نمودن ساختمان ها در زمستان استفاده می شود. آب گرم از طریق لوله های روکش دار به صدها ساختمان عمومی منتقل می شود. ساختمان شهرداری، پناهگاه حیوانات، خانه سالمندان، آژانسهای املاک، هتل ها و مراکز همایش ، بعضی از ساختمانهایی هستند که نظیر گرمایش انستیتو تکنولوژیOregon توسط گرمای منطقه ای ژئوترمال بدین طریق گرم می شوند. در زندگی کنونی Beppu ژاپن نیز، آب و حرارت ژئوترمال را در ساختمان و کارخانجات استفاده می کنند. این منطقه با داشتن 4000 چشمه آب گرم و تسهیلات استحمام سالانه 12 میلیون توریست جذب می کند. بیشتر ساختمان ها و حتی استخرهای شنا در شهر ریکجاویک به کمک آبهای زمین گرمایی گرم می شوند. در کشور ایسلند حداقل 25 آتشفشان فعال و تعداد زیادی چشمه آب گرم و آبفشان وجود دارد.

در برخی مناطق آب گرم زمین برای گرمایش منفرد خانه ها یا تمام منطقه مسکونی و تجاری استفاده گردیده است. کامیون حفاری را در حال چاه زنی یک چشمه برای استفاده در Klamath Falls Oregn نشان می دهد. لوله های آب گرم زمین می توانند در زیر پیاده روها و جاده ها برای محافظت از آنها در برابر یخبندان زمستانی نصب گردد نظیر پیاده رو نشان داده شده درKlamath Falls Oregon.

یکی از نمو نه های بسیار موفق شهر Reykjavik ایسلند امروزه 95 درصد از اهالی این شهر صد هزار نفری، انرژی حرارتی و آبگرم منازل خود را از 110 چاه حفر شده به دست می آورند. Reykjaviتصاویر زیر به ترتیب از ایسلند در سال 1932 گرفته شده است زمانی که گرمایش ساختمان ها همگی توسط سوخت های فسیلی تامین می شده است و Reykjavik را به عنوان یکی از پاک ترین شهرهای جهان نشان می دهد. برای مردمانی نظیر ایسلندی های قطب شمال که به مخازن نفت دسترسی ندارند استفاده از نیروی حرارتی ژئوترمال مانند قطرات خونشان مهم بوده و آسایش و گرمایش آنها را تامین می کند.

استفاده های غیر مستقیم و منطقه ای انرژی ژئوترمال (District use)
استفاده های غیر مستقیم و منطقه ای انرژی ژئوترمال پمپاژ گرمای حاصل از گرمای زمین است که امروزه کاربردهای فراوانی یافته است. هر قدر بیشتر به اعماق زمین برویم به میزان گرما افزوده می شود. تقریباً در سرتاسر سیاره ما، میزان گرما تا عمق 10 فوت یکسان است (بین 50 تا 60 درجه فارنهایت یا 10 تا 16 درجه سانتیگراد). سیستم پمپ منبع زمین گرمایی ، گرمای حاصل از لایه های فوقانی زمین (10 تا 16 درجه سانتیگراد) را از طریق لوله هایی به ساختمان منتقل کرده و داخل آنرا گرم یا سرد می کنند. این پمپ های گرمایش (سیستم های تبدیل حرارتی) تقریبا در هر نقطه از دنیا می توانند مورد استفاده قرار گیرند بدون این که به منبع زمین گرمایی مستقیم نیاز باشد. در زمستان، گرمای حاصل از منابع زمین گرمایی از مبدل گرمایی عبور کرده و هوای گرم را به مراکز اداری و تجاری، و خانه ها منتقل می کند . در تابستان، این فرآیند برعکس است. بدین ترتیب که هوای گرم داخل ساختمان از مبدل گرمایی عبور نموده و به داخل زمین نسبتا ً سردتر منتقل می شود. در خلال تابستان از این گرما می توان برای گرم نمودن آب نیز استفاده کرد.

در ادامه دو نمونه کاربردی از استفاده های غیر مستقیم و منطقه ای انرژی ژئوترمال توسط پمپاژ گرمای حاصل از منابع زیرزمینی عنوان می گردد.

سیستم های خانه سازی Enertia ، اسكاندیناوی
شرکت Enertia سیستمی از ساخت و ساز را ارائه می کند که در آن جداره ها از جنس دیواره های چوبی قاب بندی شده می باشند. محفظه ای نیز دور تا دور ساختمان را فرا گرفته است. هوای گرم شده توسط انرژی حرارتی زمین از سطح زیرین به گردش درآمده و در دیواره های حجیم چوبی ذخیره می شود. این سبک ساختمان سازی بیشتر در کشورهای اسکاندیناوی رایج است و شایان ذکر است که این گونه بناها پایداری بسیاری دارند.عمل استخراج گرمای مفید در این گونه بناها از طریق ذخایر حرارت زمینی یا هوای بیرونی توسط پمپ گرمایی برقی انجام می شود.( نکته قابل ملاحظه در مورد کف حرارتی این ساختمان ها است، چرا که وقتی پای ما گرم می شود تمام نقاط بدن ما احساس گرما می کند).Hummingen، دانمارک، معمار: کن کیو
با توجه به اینکه این خانه در اقلیم سرد دانمارک ساخته شده است برای استفاده از انرژی گرمایی عمق زمین در زیر زمین ساخته شده است و بخشی از حرارت لازم جهت گرمایش فضای داخلی از آن تامین می گردد. بخش دیگر حرارت لازم جهت گرمایش بنا توسط نور خورشید و گرمای ناشی از آن به ساختمان هدایت می شود. سازه این ساختمان بسیار مقاوم است و از سقف آن استفاده های مختلف می شود.