Теплообменник с заземлением - Ground-coupled heat exchanger

Эта статья о земных трубках. Относительно контура заземления теплового насоса см. геотермальный тепловой насос.

А заземленный теплообменник представляет собой подземный теплообменник, который может улавливать тепло от земли и / или отводить тепло. Они используют почти постоянную температуру земли под землей для нагрева или охлаждения воздуха или других жидкостей для жилых помещений, сельскохозяйственный или промышленного использования. Если воздух в здании продувается через теплообменник на вентиляция с рекуперацией тепла, они называются заземляющие трубы (также называемые трубами охлаждения земли, трубами нагревания земли, теплообменниками земля-воздух (EAHE или EAHX), теплообменником воздух-почва, земляными каналами, каналами земли, системами туннелей земля-воздух, теплообменником с трубой заземления, гипокаусты, подпочвенные теплообменники, тепловые лабиринты, подземные воздуховоды и др.).

Земляные трубы часто являются жизнеспособной и экономичной альтернативой или дополнением к обычным центральное отопление или же кондиционер системы, так как нет компрессоров, химикатов или горелок, и для перемещения воздуха требуются только нагнетатели. Они используются для частичного или полного охлаждения и / или нагрева вентиляционного воздуха в помещении. Их использование может помочь зданиям встретиться Пассивный дом стандарты или LEED сертификация.

Теплообменники земля-воздух использовались на сельскохозяйственных объектах (животноводческих помещениях) и садоводческих хозяйствах (теплицах) в Соединенных Штатах Америки в течение последних нескольких десятилетий и использовались вместе с солнечные трубы в жарких засушливых районах в течение тысяч лет, вероятно, начиная с Персидской империи. Внедрение этих систем в Индии, а также в более прохладных климатических условиях Австрии, Дании и Германии для предварительного нагрева воздуха для домашних систем вентиляции стало довольно распространенным с середины 1990-х годов и постепенно внедряется в Северной Америке.

В теплообменнике с заземлением можно также использовать воду или антифриз в качестве теплоносителя, часто в сочетании с геотермальный тепловой насос. См. Например скважинные теплообменники. Остальная часть этой статьи посвящена в основном теплообменникам земля-воздух или земляным трубам.

Дизайн

Вентиляция с рекуперацией тепла, часто включающая теплообменник земля-воздух, необходима для достижения немецкой пассивный дом стандарт
Земляная труба перед засыпкой почвой

Эффективность теплообменников "земля-воздух" можно анализировать с помощью нескольких программных приложений, используя данные погодных датчиков. Эти программные приложения включают GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM и другие. Однако многие системы теплообменников земля-воздух были спроектированы и сконструированы неправильно и не соответствовали проектным требованиям. Теплообменники земля-воздух больше подходят для предварительной обработки воздуха, чем для полного нагрева или охлаждения. Предварительная обработка воздуха для тепловой насос с воздушным источником или же грунтовый тепловой насос часто обеспечивает лучший экономический прибыль на инвестиции, с простой окупаемостью, часто достигаемой в течение одного года после установки.

Большинство систем обычно строятся от 100 до 600 мм (от 3,9 до 23,6 дюйма) в диаметре, имеют гладкие стенки (поэтому они не легко задерживают конденсационную влагу и плесень), жесткие или полужесткие пластмассовые, металлические трубы с пластиковым покрытием или пластиковые трубы с покрытием. с внутренними антимикробными слоями, погребенными на глубине 1,5–3 м (4,9–9,8 футов) под землей, где температура окружающей среды обычно составляет от 10 до 23 ° C (от 50 до 73 ° F) круглый год в умеренных широтах, где проживает большинство людей. Температура грунта с глубиной становится более стабильной. Трубы меньшего диаметра требуют больше энергии для движения воздуха и имеют меньшую площадь поверхности контакта с землей. Трубы большего размера обеспечивают более медленный воздушный поток, что также обеспечивает более эффективную передачу энергии и позволяет передавать гораздо большие объемы, обеспечивая больший обмен воздуха за более короткий период времени, когда, например, вы хотите очистить здание от неприятных запахов или дыма, но страдают от плохой передачи тепла от стенки трубы к воздуху из-за увеличения расстояния.

Некоторые считают, что вытягивать воздух через длинную трубку эффективнее, чем проталкивать его вентилятором. А солнечный дымоход может использовать естественную конвекцию (поднимающийся теплый воздух) для создания вакуума для втягивания фильтрованного воздуха через пассивные охлаждающие трубки через охлаждающие трубки самого большого диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее, чем при использовании вентилятора на солнечной энергии. При конструкции трубы следует избегать резких углов 90 градусов - два изгиба под 45 градусов создают менее турбулентный и более эффективный воздушный поток. Хотя трубы с гладкими стенками более эффективны в перемещении воздуха, они менее эффективны в передаче энергии.

Существует три конфигурации: конструкция с замкнутым контуром, открытая система «свежего воздуха» или их комбинация:

  • Система с замкнутым контуром: воздух из дома или конструкции продувается через U-образную петлю длиной от 30 до 150 м (от 98 до 492 футов) трубы (ей), где он снижается до температуры, близкой к температуре земли, прежде чем вернуться для распределения через воздуховоды по всему дому или строению. Система с замкнутым контуром может быть более эффективным охлаждением воздуха (при экстремальных температурах воздуха), чем открытая система, поскольку она охлаждает и повторно охлаждает тот же воздух.
  • Открытая система: наружный воздух забирается из забора фильтрованного воздуха (Минимальная ценность отчета об эффективности Рекомендуется использовать воздушный фильтр MERV 8+) для охлаждения или предварительного нагрева воздуха. Обычно это прямые трубы длиной 30 м (98 футов), идущие в дом. Открытая система в сочетании с вентиляция с рекуперацией энергии может быть почти таким же эффективным (80-95%), что и замкнутый контур, и обеспечивает фильтрацию и темперирование поступающего свежего воздуха.
  • Комбинированная система: она может быть сконструирована с заслонками, которые позволяют работать как в закрытом, так и в открытом состоянии, в зависимости от требований вентиляции свежего воздуха. Такая конструкция, даже в режиме замкнутого контура, могла бы потреблять некоторое количество свежего воздуха, когда падение давления воздуха создается за счет солнечный дымоход, сушилка для белья, камин, вытяжные отверстия на кухне или в ванной. Лучше втягивать фильтрованный воздух из пассивной охлаждающей трубки, чем не кондиционированный наружный воздух.

Однопроходные теплообменники с грунтовым воздухом обладают потенциалом для улучшения качества воздуха в помещении по сравнению с обычными системами за счет увеличения притока наружного воздуха. В некоторых конфигурациях однопроходных систем предусмотрена постоянная подача наружного воздуха. Этот тип системы обычно включает один или несколько вентиляционных блоков рекуперации тепла.

Термальные лабиринты

Тепловой лабиринт выполняет ту же функцию, что и земляная труба, но обычно они образуются из прямолинейного пространства большего объема, иногда включаемого в подвалы зданий или под цокольными этажами, и которые, в свою очередь, разделены многочисленными внутренними стенами, образуя лабиринтный воздушный тракт. . Увеличение длины воздушного пути обеспечивает лучший эффект теплопередачи. Конструкция стен, полов и разделительных стен лабиринта обычно выполняется из литого бетона с высокой термальной массой и бетонных блоков, при этом внешние стены и полы находятся в непосредственном контакте с окружающей землей.[1]

Безопасность

Если влажность и связанная с ней колонизация плесени не учтены при проектировании системы, пассажиры могут столкнуться с риском для здоровья. На некоторых участках влажность в земляных трубах можно регулировать просто путем пассивного дренажа, если уровень грунтовых вод достаточно глубок, а почва имеет относительно высокую проницаемость. В ситуациях, когда пассивный дренаж невозможен или его необходимо усилить для дальнейшего снижения влажности, активные (осушитель) или пассивные (осушитель) системы могут обрабатывать воздушный поток.

Официальные исследования показывают, что теплообменники земля-воздух уменьшают загрязнение воздуха вентиляцией зданий. Рабиндра (2004) утверждает: «Установлено, что туннель [теплообменник земля-воздух] не поддерживает рост бактерий и грибков; скорее, он снижает количество бактерий и грибков, делая воздух более безопасным для вдыхания людьми. Таким образом, очевидно, что использование EAT [Earth Air Tunnel] не только помогает экономить энергию, но также помогает уменьшить загрязнение воздуха за счет уменьшения количества бактерий и грибков ».[2] Аналогичным образом, Флюкигер (1999) в исследовании двенадцати теплообменников земля-воздух, различающихся по конструкции, материалу труб, размеру и возрасту, заявил: «Это исследование было выполнено из-за опасений по поводу потенциального роста микробов в подземных трубах с воздухом, связанным с землей. системы. Однако результаты показывают, что никакого вредного роста не происходит и что концентрации в воздухе жизнеспособных спор и бактерий, за некоторыми исключениями, даже снижаются после прохождения через систему трубопроводов », и далее заявили:« На основе этих исследований работа наземных сопряженные теплообменники земля-воздух приемлемы при условии проведения регулярных проверок и наличия соответствующих средств очистки ».[3]

Независимо от того, используются ли заземляющие трубы с антимикробным материалом или без него, чрезвычайно важно, чтобы подземные охлаждающие трубы имели отличный отвод конденсата и были установлены с уклоном на 2-3 градуса, чтобы обеспечить постоянный отвод конденсата из труб. При реализации в доме без подвала на плоском участке внешняя конденсационная башня может быть установлена ​​на глубине ниже, чем точка входа трубы в дом, и в точке, близкой к входу в стену. Установка конденсационной башни требует дополнительного использования конденсатного насоса для удаления воды из градирни. Для установки в домах с подвалом трубы расположены таким образом, чтобы отвод конденсата в доме находился в самой низкой точке. При любой установке труба должна иметь постоянный наклон в сторону конденсационной колонны или отвода конденсата. Внутренняя поверхность трубы, включая все соединения, должна быть гладкой, чтобы способствовать течению и удалению конденсата. Гофрированные или оребренные трубы и грубые внутренние соединения использовать нельзя. Стыки, соединяющие трубки вместе, должны быть достаточно плотными, чтобы предотвратить проникновение воды или газа. В определенных географических регионах важно, чтобы суставы предотвращали проникновение газа радона. Пористые материалы, такие как бетонные трубы без покрытия, использовать нельзя. В идеале, заземляющие трубки с антимикробным внутренним слоем должны использоваться в установках для подавления потенциального роста плесени и бактерий внутри трубок.

Эффективность

Внедрение теплообменников земля-воздух для частичного или полного охлаждения и / или нагрева вентиляционного воздуха на предприятии имело переменный успех. К сожалению, в литературе много чрезмерных обобщений относительно применимости этих систем - как в пользу, так и против. Ключевым аспектом теплообменников земля-воздух является пассивный характер работы и учет широкого разнообразия условий в природных системах.

Теплообменники земля-воздух могут быть очень рентабельными как с точки зрения предварительных / капитальных затрат, так и с точки зрения затрат на долгосрочную эксплуатацию и техническое обслуживание. Однако это значение широко варьируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, температуры окружающей среды Земли, экстремальных значений климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня грунтовых вод, типа почвы (теплопроводность ), влажности почвы и эффективности конструкции / изоляции внешней оболочки здания. Как правило, сухая почва с низкой плотностью и небольшим затенением или без нее принесет наименьшую пользу, тогда как плотная влажная почва со значительным затенением должна работать лучше. Система медленного капельного полива может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва, соприкасающаяся с охлаждающей трубкой, отводит тепло более эффективно, чем сухая почва.

Трубки для охлаждения Земли гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (например, во Флориде), где температура окружающей среды на Земле приближается к температуре комфорта для человека. Чем выше температура окружающей среды земли, тем меньше она эффективна для охлаждения и осушения. Тем не менее, землю можно использовать для частичного охлаждения и осушения заменяющего воздухозаборника на пассивно-солнечную. термобуферная зона[4] такие помещения, как прачечная или солярий / теплицы, особенно с гидромассажной ванной, плавательным спа или крытым бассейном, где летом выходит теплый влажный воздух и желательно подавать более прохладный и сухой замещающий воздух.

Не все регионы и участки подходят для теплообменников земля-воздух. Условия, которые могут препятствовать или препятствовать надлежащему осуществлению, включают, среди прочего, неглубокую коренную породу, высокий уровень грунтовых вод и недостаточное пространство. В некоторых районах теплообменники земля-воздух обеспечивают только охлаждение или обогрев. В этих областях следует особенно учитывать условия для тепловой подпитки земли. В системах с двойным функционалом (как обогрев, так и охлаждение) теплое время года обеспечивает тепловую подпитку грунта для прохладного сезона, а прохладное время года обеспечивает тепловую подпитку грунта для теплого времени года, хотя даже в системах с двойным функционалом необходимо учитывать чрезмерную нагрузку на резервуар тепла.

Renata Limited, известная фармацевтическая компания в Бангладеш, опробовали пилотный проект, пытаясь выяснить, могут ли они использовать технологию Earth Air Tunnel в качестве дополнения к традиционной системе кондиционирования воздуха. Бетонные трубы общей длиной 60 футов (~ 18 м), внутренним диаметром 9 дюймов (~ 23 см), внешним диаметром 11 дюймов (~ 28 см) были размещены на глубине 9 футов (~ 2 м) под землей и нагнетателем 1,5 м. использовалась номинальная мощность в кВт. Подземная температура на этой глубине составила около 28 ° C. Средняя скорость воздуха в туннеле составляла около 5 м / с. В коэффициент производительности (COP) спроектированного таким образом подземного теплообменника был плохим в пределах 1,5–3. Результаты убедили власти в том, что в жарком и влажном климате неразумно реализовывать концепцию теплообменника Земля-Воздух. Охлаждающая среда (сама земля), имеющая температуру, приближающуюся к температуре окружающей среды, оказывается основной причиной нарушения таких принципов в жарких и влажных районах (части Юго-Восточная Азия, Флорида в США и т. д.). Однако исследователи из таких мест, как Великобритания и Турция сообщили об очень обнадеживающих значениях COP - значительно выше 20. Температура под землей, кажется, имеет первостепенное значение при планировании теплообменника Земля-воздух.

Воздействие на окружающую среду

В контексте сегодняшнего уменьшения ископаемое топливо резервы, увеличивающие затраты на электроэнергию, загрязнение воздуха и глобальное потепление Правильно спроектированные трубы для охлаждения грунта представляют собой экологичную альтернативу сокращению или устранению необходимости в обычных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров в нетропическом климате. Они также обеспечивают дополнительное преимущество контролируемого, отфильтрованного поступления свежего воздуха умеренной температуры, что особенно ценно в плотных, хорошо утепленных и эффективных ограждающих конструкциях зданий.

Вода на землю

Альтернативой теплообменнику земля-воздух является теплообменник «вода-земля». Обычно это похоже на трубку геотермального теплового насоса, горизонтально встроенную в почву (или может быть вертикальный зонд ) на аналогичную глубину теплообменника земля-воздух. Он использует примерно вдвое большую длину трубы диаметром 35 мм, например, около 80 м по сравнению с EAHX 40 м. Змеевик теплообменника расположен перед входом воздуха в вентилятор с рекуперацией тепла. Обычно в качестве теплоносителя используется рассол (сильно подсоленная вода).

Многие европейские установки сейчас используют эту установку из-за простоты установки. Не требуется места падения или дренажа, и это безопасно из-за снижения риска образования плесени.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Интеграция активных стратегий тепловых масс в адаптивных зданиях» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 3 июля 2011 г.. Получено 21 декабря 2012.
  2. ^ Бхаттараи, Рабиндра Натх; Мишра, Шайлендра Кумар; Баснят, Паван. «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОВКВ С ЗЕМЛЯНЫМ ТУННЕЛЕМ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  3. ^ Измерение, моделирование и моделирование теплообменника Земля-воздух в Марбурге (Германия) В архиве 2012-04-26 в Wayback Machine, Райнер Вагнер, Стефан Байзель, Астрид Шпилер, Клаус Вайен Филипс-университет Марбурга, факультет физики (2000)
  4. ^ «Две маленькие дельты Т лучше, чем одна большая дельта Т». Семинар Министерства энергетики США / ORNL по проектированию нулевой энергии. Получено 2007-12-23.
  • Международное энергетическое агентство, Центр инфильтрации и вентиляции воздуха, Информационный документ по вентиляции № 11, 2006 г. «Использование теплообменников Земля-воздух для охлаждения»

внешняя ссылка