بازیابی گرمای مترو؛ راهکار شهرها برای گرمایش کم‌کربن

متروها در تمام ساعات فعالیت خود گرما تولید می‌کنند. موتور و تجهیزات الکتریکی قطارها، اصطکاک چرخ و ریل، ترمزگیری، روشنایی ایستگاه‌ها و تجهیزات تهویه، دمای هوای داخل تونل را بالا می‌برند. در خطوط عمیق این گرما در دیواره‌ها و فضای تونل حبس می‌شود و اگر تهویه مناسب نباشد، دمای محیط زیرزمینی افزایش می‌یابد.

شهرهای پیشرو از همین گرما برای گرم کردن ساختمان‌های اطراف استفاده می‌کنند. روش رایج، نصب مبدل حرارتی در مسیر خروج هوای گرم از تونل یا ایستگاه است. هوای گرم مستقیم وارد ساختمان نمی‌شود؛ گرمای آن به یک مدار آب یا سیال واسط منتقل می‌شود، سپس پمپ حرارتی دمای این انرژی را بالا می‌برد و آن را برای گرمایش ساختمان یا آب گرم مصرفی آماده می‌کند. در تابستان همین سامانه می‌تواند برای سرمایش به کار رود.

مزیت اصلی این فناوری، استفاده از انرژی‌ای است که پیش‌تر هدر می‌رفت. اگر ساختمان‌های اطراف مترو در فاصله کوتاهی از ایستگاه باشند، امکان ایجاد شبکه گرمایش محلی فراهم می‌شود. این شبکه می‌تواند خانه‌های مسکونی، مدرسه‌ها، استخرها، مراکز فرهنگی یا ساختمان‌های اداری را پوشش دهد. در نتیجه نیاز به دیگ‌های گازسوز کاهش می‌یابد و انتشار کربن پایین می‌آید.

چرا شهرهای سرد پیشتازند؟

در شهرهای سرد همچون استکهلم و هلسینکی، تقاضا برای گرمایش در بیشتر روزهای سال وجود دارد. همین موضوع باعث می‌شود انرژی بازیابی‌شده از مترو مشتری و مصرف‌کننده بیشتری داشته باشد. اگر گرمای مترو در طول فصل سرد تولید شود، می‌توان آن را به آب گرم شبکه شهری منتقل کرد و برای گرمایش آپارتمان‌ها یا ساختمان‌های عمومی به کار برد.

استکهلم یکی از پیشروترین شهرهای اروپا در گرمایش منطقه‌ای است. بخش بزرگی از ساختمان‌های این شهر از طریق شبکه‌های متمرکز گرمایش تامین انرژی می‌شوند و همین زیرساخت، امکان استفاده از منابع گرمایی جدید را فراهم کرده است. طی سال‌های اخیر بازیابی انرژی از تونل‌ها، ایستگاه‌ها و تاسیسات حمل‌ونقل ریلی کنار منابعی مانند گرمای فاضلاب، مراکز داده و صنایع بررسی شده است. سیستم نمی‌تواند فقط بر گرمای مترو تکیه کند، زیرا مقدار گرمای قابل بازیابی در طول روز و فصل تغییر می‌کند؛ به همین دلیل گرمای مترو به‌عنوان منبع مکمل کنار دیگر منابع انرژی شبکه به‌کار می‌رود.

این فناوری نمی‌تواند جایگزین کامل نیروگاه یا شبکه گرمایش شود. مقدار انرژی قابل‌بازیابی به عمق تونل، تعداد قطارها، دمای هوا، فاصله ساختمان‌ها و ظرفیت شبکه بستگی دارد. موفق‌ترین پروژه‌ها در مناطقی اجرا می‌شوند که ساختمان‌های مسکونی یا عمومی نزدیک ایستگاه قرار دارند و زیرساخت گرمایش منطقه‌ای از قبل وجود دارد.

لندن؛ گرمایی که از تونل خط شمالی به خانه‌ها می‌رسد

لندن یکی از موفق‌ترین نمونه‌های استفاده از گرمای مترو در ساختمان‌های شهری را در منطقه ایزلینگتون اجرا کرده است. پروژه مرکز انرژی بان‌هیل ۲ نزدیک یک سیستم تهویه مترو در خط شمالی قرار دارد. این سیستم برای خارج‌کردن هوای گرم تونل استفاده می‌شد، اما در پروژه جدید بخشی از این گرما پیش از خروج از زیرزمین بازیابی می‌شود.

هوای داخل تونل در اثر حرکت قطارها، ترمزگیری و فعالیت تجهیزات گرم می‌شود. این هوا به‌وسیله سامانه تهویه به سمت سیستم حرکت می‌کند. در مرکز انرژی بان‌هیل ۲ مبدل حرارتی این انرژی را به مدار آب منتقل می‌کند، سپس پمپ‌های حرارتی دمای آب را برای ورود به شبکه گرمایش منطقه‌ای افزایش می‌دهند.

این پروژه در سال ۲۰۲۱ به بهره‌برداری رسید و ادامه‌ای بر شبکه گرمایش منطقه‌ای بان‌هیل بود که پیش‌تر با منابع انرژی دیگری فعالیت می‌کرد. هدف اصلی، تامین گرمای کم‌کربن برای ساختمان‌های اطراف و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی بود. اجرای پروژه با همکاری شورای منطقه ایزلینگتون، شرکت انرژی متروپولیتن و نهادهای مسئول حمل‌ونقل لندن انجام شد.

شبکه بان‌هیل برای تامین گرمایش خانه‌های اجتماعی، ساختمان‌های عمومی و مجموعه‌های ورزشی استفاده شده است. در گزارش‌های رسمی شورای ایزلینگتون، ظرفیت پروژه برای گرمایش حدود ۱۳۵۰ واحد مسکونی و یک مرکز تفریحی و ورزشی اعلام شده است. همچنین گفته شده این طرح می‌تواند سالانه چندصد تن از انتشار دی‌اکسیدکربن را کاهش دهد.

یکی از ویژگی‌های مهم پروژه بان‌هیل، اتصال آن به زیرساختی است که پیش‌تر برای تهویه مترو وجود داشت؛ به همین دلیل شهر مجبور نبود تونل جدیدی برای تولید انرژی بسازد. در واقع سامانه‌ای که پیش‌تر فقط نقش تهویه و ایمنی داشت، به بخشی از زیرساخت گرمایش شهری تبدیل شد. مرکز انرژی بان‌هیل ۲ از نظر شهری نیز اهمیت دارد. بخش‌هایی از ایزلینگتون با تراکم بالای مسکن و هزینه‌های بالای انرژی روبه‌رو هستند. استفاده از شبکه گرمایش محلی می‌تواند هزینه سوخت را در برابر نوسان قیمت گاز کاهش دهد.

بان‌هیل ۲ به‌عنوان یک پروژه عملی ثابت کرده است که گرمای مترو می‌تواند از سطح آزمایشگاهی فراتر برود و وارد شبکه واقعی ساختمان‌های شهری شود. تجربه لندن طی سال‌های اخیر در مطالعات توسعه انرژی محلی و برنامه‌های کربن‌زدایی شهر مورد توجه قرار گرفته است.

پاریس؛ گرمای تونل مترو برای ساختمان‌های مسکونی

پاریس یکی از نخستین شهرهایی بود که بازیابی گرمای تونل‌های مترو را در مقیاس ساختمان‌های مسکونی آزمایش کرد. یکی از نمونه‌های شناخته‌شده نزدیک ایستگاه رامبوتو و منطقه مرکزی پاریس اجرا شد. در این طرح گرمای موجود در تونل مترو برای کمک به تامین گرمایش یک مجموعه مسکونی استفاده شده است.

این پروژه با همکاری نهادهای حمل‌ونقل پاریس، شرکت‌های انرژی و سازمان‌های مسکن شهری توسعه یافت. ایده اصلی آن بود که گرمایی که از طریق سامانه تهویه مترو خارج می‌شود، به‌جای رهاشدن در محیط، به یک سامانه پمپ حرارتی منتقل شود. این پمپ انرژی کم‌دما را برای گرمایش فضای داخلی و آب گرم مصرفی قابل استفاده می‌کند. این پروژه در ساختمان‌هایی اجرا شده است که مستقیم بالای تونل یا در مجاورت ایستگاه قرار دارند.

گرمای مترو دمای بسیار بالایی ندارد و به همین علت نمی‌توان آن را همچون آب داغ یک نیروگاه مستقیم وارد رادیاتورها کرد. سامانه پمپ حرارتی با دریافت انرژی از هوای گرم و دیواره تونل، دمای سیال را افزایش می‌دهد. در این فرایند برق برای راه‌اندازی کمپرسور مصرف می‌شود، اما مقدار انرژی گرمایی تولیدشده بیشتر از برق مصرفی است. در بعضی ساختمان‌ها مدار پمپ حرارتی می‌تواند در فصل گرم برای کمک به سرمایش نیز استفاده شود.

پاریس کنار بازیابی گرمای مترو، از شبکه‌های گرمایش شهری و منابعی همچون زمین‌گرمایی کم‌عمق، حرارت فاضلاب و انرژی حاصل از زباله نیز استفاده می‌کند و گرمای مترو بخشی از یک سبد بزرگ‌تر انرژی شهری است. با وجود مقیاس کوچک، ارزش پروژه در اثبات امکان فنی استفاده از زیرساخت مترو در بافت متراکم تاریخی است. کمبود زمین و محدودیت ساخت تاسیسات جدید در پاریس موجب شده استفاده از زیرساخت‌های موجود اهمیت زیادی داشته باشد. تونل مترو، شفت‌های تهویه و فضاهای فنی ایستگاه‌ها می‌توانند به منابع انرژی تبدیل شوند، بدون آنکه به ساخت نیروگاه یا تاسیسات بزرگ در سطح خیابان نیاز باشد.

مادرید؛ پروژه‌ای کوچک در قلب شهر

مادرید یکی از نمونه‌های آزمایشی بازیابی گرمای مترو را در چارچوب پروژه پژوهشی استفاده دوباره از گرما (ReUseHeat) با پشتیبانی برنامه Horizon ۲۰۲۰ اتحادیه اروپا اجرا کرد. در این پروژه گرما از جریان هوای خروجی بازیابی و از طریق مبدل حرارتی به یک مدار واسط منتقل می‌شود، سپس پمپ حرارتی دمای انرژی منتقل‌شده را برای استفاده در ساختمان‌ها بالا می‌برد. اهمیت این پروژه کوچک در آزمودن زنجیره فنی بازیابی گرما از تهویه مترو، انتقال انرژی با مدار واسط و ارتقای دما با پمپ حرارتی است.

محل پروژه در ایستگاه پاسیفیکو و مصرف‌کننده گرما، مرکز ورزشی شهری دائوئیز و ولارده است که به‌دلیل فعالیت استخر و تاسیسات ورزشی، به گرمایش و آب گرم نیاز دارد. هوای تونل و فضاهای زیرزمینی مترو از مسیر خروجی‌ها به بیرون هدایت می‌شود. بخشی از گرمای هوای خروجی در مبدل حرارتی گرفته و به یک مدار واسط منتقل می‌شود. این جداسازی موجب می‌شود هوای مترو مستقیم وارد ساختمان نشود. گرمای تولیدشده برای نیازهای حرارتی مرکز ورزشی به‌کار می‌رود. استخرها و دوش‌ها از مصرف‌کنندگان پیوسته گرما و آب گرم هستند و مصرف‌کننده مناسبی برای انرژی بازیافتی به‌شمار می‌روند. کوتاه‌بودن مسیر انتقال، اتصال شفت مترو به ساختمان مجاور را عملی‌تر کرده و نیاز به ساخت منبع گرمایی مستقل را کاهش داده است.