Заземленный теплообменник — это подземный теплообменник, который может улавливать тепло из земли и/или рассеивать его в землю. Они используют почти постоянную подземную температуру Земли для нагрева или охлаждения воздуха или других жидкостей для жилых, сельскохозяйственных или промышленных целей. Если воздух в здании продувается через теплообменник для вентиляции с рекуперацией тепла , их называют земляными трубами (или канадским колодцем, провансальским колодцем, солнечным дымоходом , также называемыми трубами охлаждения земли, трубками для обогрева земли, теплообменниками земля-воздух (EAHE или EAHX). , теплообменник «воздух-почва», земляные каналы, земляные каналы, системы туннелей «земля-воздух», теплообменник наземных труб, гипокаусты , подземные теплообменники, тепловые лабиринты, подземные воздушные трубы и другие).
Земляные трубы часто являются жизнеспособной и экономичной альтернативой или дополнением к обычным системам центрального отопления или кондиционирования воздуха, поскольку в них нет компрессоров, химикатов или горелок, а для перемещения воздуха требуются только воздуходувки. Они используются для частичного или полного охлаждения и/или нагрева вентиляционного воздуха объекта. Их использование может помочь зданиям соответствовать стандартам пассивного дома или сертификации LEED .
Теплообменники земля-воздух использовались на сельскохозяйственных объектах (зданиях для животных) и садоводческих объектах (теплицах) в Соединенных Штатах Америки в течение последних нескольких десятилетий и использовались в сочетании с солнечными дымоходами в жарких засушливых районах на протяжении тысячелетий. вероятно, начиная с Персидской империи. Внедрение этих систем в Индии, а также в более прохладном климате Австрии, Дании и Германии для предварительного нагрева воздуха для домашних вентиляционных систем стало довольно распространенным явлением с середины 1990-х годов и постепенно распространяется в Северной Америке.
В заземленном теплообменнике также может использоваться вода или антифриз в качестве теплоносителя, часто в сочетании с геотермальным тепловым насосом . См., например, скважинные теплообменники . Остальная часть этой статьи посвящена в основном теплообменникам земля-воздух или земляным трубам.
Пассивный теплообмен с заземлением является распространенным традиционным методом. Он стимулирует циркуляцию, используя разницу давления, вызванную ветром, дождем и конвекцией, вызванной плавучестью (из выборочно инженерных областей солнечного нагрева и испарительного, радиационного или кондуктивного охлаждения).
Рабочие характеристики теплообменников «земля-воздух» можно проанализировать с помощью нескольких программных приложений, используя данные метеодатчиков. К числу таких программных приложений относятся GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM и другие. Однако многочисленные системы теплообменников земля-воздух были спроектированы и построены неправильно и не оправдали проектных ожиданий. Теплообменники «земля-воздух» лучше всего подходят для предварительной обработки воздуха, а не для полного нагрева или охлаждения. Предварительная обработка воздуха для воздушного теплового насоса или геотермального теплового насоса часто обеспечивает наилучшую экономическую отдачу от инвестиций , при этом простая окупаемость часто достигается в течение одного года после установки.
Большинство систем обычно изготавливаются диаметром от 100 до 600 мм (от 3,9 до 23,6 дюйма), с гладкими стенками (поэтому они не задерживают легко конденсат и плесень), из жесткого или полужесткого пластика, металлических труб с пластиковым покрытием или труб с пластиковым покрытием. с внутренними противомикробными слоями, закопанными на глубине от 1,5 до 3 м (от 4,9 до 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 живет большинство людей. Температура грунта становится более стабильной с глубиной. Трубки меньшего диаметра требуют больше энергии для перемещения воздуха и имеют меньшую площадь поверхности контакта с землей. Трубки большего размера обеспечивают более медленный поток воздуха, что также обеспечивает более эффективную передачу энергии и позволяет передавать гораздо большие объемы, обеспечивая больший воздухообмен 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 расстояний.
Некоторые считают, что эффективнее тянуть воздух через длинную трубку, чем проталкивать его вентилятором. Солнечный дымоход может использовать естественную конвекцию (поднимающийся теплый воздух) для создания вакуума и протягивания отфильтрованного воздуха из пассивных охлаждающих трубок через охлаждающие трубки самого большого диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее, чем при использовании вентилятора на солнечной энергии. При конструкции трубки следует избегать острых углов в 90 градусов — два изгиба по 45 градусов создают менее турбулентный и более эффективный поток воздуха. 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:
Одноходовые воздухо-земляные теплообменники предлагают потенциал для улучшения качества воздуха в помещении по сравнению с обычными системами, обеспечивая увеличенную подачу наружного воздуха. В некоторых конфигурациях одноходовых систем предусмотрена непрерывная подача наружного воздуха. Этот тип системы обычно включает в себя одну или несколько вентиляционных установок рекуперации тепла.
Общий наземный массив состоит из соединенных между собой наземных теплообменников для использования более чем в одном доме. [1] Они могут обеспечить низкоуглеродное отопление там, где отдельные заземленные теплообменники нецелесообразны, например, в многоквартирных домах с небольшим внешним пространством. Они также могут предоставить возможности по декарбонизации отопления групп домов вдали от густонаселенных городских центров, где традиционное централизованное отопление вряд ли будет экономически жизнеспособным. [1] Другие преимущества включают более высокую эффективность и более низкие капитальные затраты, больший контроль жильцов при выборе собственного поставщика электроэнергии, а также сокращение количества необходимых теплообменников из-за различий во времени пиковой нагрузки между разными домохозяйствами. [1]
Тепловой лабиринт выполняет ту же функцию, что и земляная труба, но обычно он образован из более объемного прямолинейного пространства, иногда встроенного в подвалы зданий или под цокольными этажами и которое, в свою очередь, разделено многочисленными внутренними стенками, образующими лабиринтный воздушный путь. . Увеличение длины воздушного пути обеспечивает лучший эффект теплопередачи. Стены, полы и перегородки лабиринта обычно изготавливаются из литого бетона и бетонных блоков с высокой термической массой, при этом наружные стены и полы находятся в непосредственном контакте с окружающей землей. [2]
Если влажность и связанная с ней колонизация плесени не учтены при проектировании системы, жильцы могут столкнуться с риском для здоровья. На некоторых участках влажность в земляных трубах можно контролировать просто с помощью пассивного дренажа, если уровень грунтовых вод достаточно глубокий и почва имеет относительно высокую проницаемость. В ситуациях, когда пассивный дренаж невозможен или его необходимо усилить для дальнейшего снижения влажности, поток воздуха можно обрабатывать активными ( осушитель ) или пассивными ( осушитель ) системами.
Официальные исследования показывают, что теплообменники «земля-воздух» снижают загрязнение воздуха при вентиляции зданий. Рабиндра (2004) утверждает: «Обнаружено, что туннель [теплообменник земля-воздух] не поддерживает рост бактерий и грибков; скорее обнаружено, что он уменьшает количество бактерий и грибков, что делает воздух более безопасным для вдыхания человеком. 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». [3] Аналогичным образом, Флюкигер (1999) в исследовании двенадцати теплообменников «земля-воздух», различающихся по конструкции, материалу труб, размеру и возрасту, заявил: «Это исследование было проведено из-за опасений потенциального роста микробов в подземных трубах под землей. -связанные воздушные системы. Результаты, однако, показывают, что вредного роста не происходит и что концентрации жизнеспособных спор и бактерий в воздухе, за некоторыми исключениями, даже уменьшаются после прохождения через систему труб», и далее заявил: «На основании этих исследований работа наземных совмещенные теплообменники «земля-воздух» приемлемы при условии проведения регулярного контроля и наличия соответствующих средств очистки». [4]
Независимо от того, используются ли земляные трубы с антимикробным материалом или без него, чрезвычайно важно, чтобы подземные охлаждающие трубы имели отличный отвод конденсата и были установлены с уклоном 2–3 градуса, чтобы обеспечить постоянное удаление конденсата из труб. При реализации в доме без подвала на ровном участке внешнюю конденсационную башню можно установить на глубине ниже места входа трубы в дом и в точке, близкой к входу в стену. Установка конденсационной башни требует дополнительного использования конденсатного насоса для удаления воды из башни. При установке в домах с подвалами трубы сортируются таким образом, чтобы отвод конденсата, расположенный внутри дома, находился в самой нижней точке. При любой установке труба должна иметь постоянный уклон либо в сторону конденсационной колонны, либо в сторону отвода конденсата. Внутренняя поверхность трубки, включая все соединения, должна быть гладкой для облегчения стекания и удаления конденсата. Запрещается использовать гофрированные или ребристые трубы, а также шероховатые внутренние соединения. Соединения трубок между собой должны быть достаточно плотными, чтобы предотвратить проникновение воды или газа. В некоторых географических регионах важно, чтобы швы предотвращали проникновение газа радона. Пористые материалы, такие как бетонные трубы без покрытия, использовать нельзя. В идеале в установках следует использовать земляные трубы с антимикробными внутренними слоями для предотвращения потенциального роста плесени и бактерий внутри труб.
Внедрение теплообменников земля-воздух для частичного или полного охлаждения и/или нагрева вентиляционного воздуха объекта имело неоднозначный успех. К сожалению, литература изобилует чрезмерными обобщениями о применимости этих систем – как в пользу, так и против. Ключевым аспектом теплообменников земля-воздух является пассивный характер работы и учет широкой изменчивости условий в природных системах.
Теплообменники «земля-воздух» могут быть очень экономически эффективными как с точки зрения первоначальных/капитальных затрат, так и с точки зрения долгосрочных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание. Однако это широко варьируется в зависимости от широты, высоты, температуры окружающей среды, климатических экстремальных значений температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня грунтовых вод, типа почвы ( теплопроводность ), влажности почвы и эффективности внешней отделки здания. конструкция конверта/утепление. Как правило, сухая почва низкой плотности с небольшой тенью или без нее принесет наименьшую пользу, в то время как плотная влажная почва со значительной тенью должна работать хорошо. Система медленного капельного полива может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва, контактирующая с охлаждающей трубкой, проводит тепло более эффективно, чем сухая почва.
Трубки охлаждения земли гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (например, во Флориде), где температура окружающей среды земли приближается к температуре комфорта человека. Чем выше температура окружающей среды земли, тем менее эффективна она для охлаждения и осушения. Тем не менее, землю можно использовать для частичного охлаждения и осушения запасного воздухозаборника для зон пассивной солнечной тепловой буферной зоны [5], таких как прачечная, солярий / теплица, особенно там, где есть гидромассажная ванна, спа-центр для плавания или крытый бассейн, из которого летом выбрасывается теплый влажный воздух и требуется подача более прохладного и сухого воздуха.
Не все регионы и площадки подходят для установки теплообменников земля-воздух. К условиям, которые могут препятствовать или препятствовать надлежащей реализации, относятся, среди прочего, неглубокая коренная порода, высокий уровень грунтовых вод и недостаточное пространство. В некоторых районах теплообменники «земля-воздух» могут обеспечить только охлаждение или обогрев. В этих районах необходимо особенно учитывать возможность термической подпитки грунта. В системах с двойной функцией (как отопление, так и охлаждение) теплый сезон обеспечивает тепловую подпитку грунта в прохладный сезон, а прохладный сезон обеспечивает тепловую подпитку грунта в теплый сезон, хотя необходимо учитывать перегрузку теплового резервуара даже в системах с двойной функцией.
В условиях сегодняшнего сокращения запасов ископаемого топлива , увеличения затрат на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления правильно спроектированные трубы охлаждения земли предлагают устойчивую альтернативу, позволяющую уменьшить или устранить необходимость в традиционных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров в нетропическом климате. Они также могут помочь сбалансировать электросеть для поддержки колебаний поставок из других возобновляемых источников энергии. [1] Они также обеспечивают дополнительное преимущество контролируемого, фильтрованного и умеренного притока свежего воздуха, что особенно ценно в тесных, хорошо выветриваемых и эффективных ограждающих конструкциях зданий.
Альтернативой теплообменнику «земля-воздух» является теплообменник «вода-земля». Обычно это похоже на трубку геотермального теплового насоса, встроенную горизонтально в почву (или может быть вертикальным зондом) на аналогичную глубину теплообменника земля-воздух. Он использует примерно вдвое большую длину трубы диаметром 35 мм, например, около 80 м по сравнению с EAHX длиной 40 м. Змеевик теплообменника расположен перед воздухозаборником вентилятора с рекуперацией тепла. Обычно в качестве жидкости теплообменника используется рассол (сильно соленая вода).
Многие европейские установки сейчас используют эту установку из-за простоты установки. Никакой точки падения или дренажа не требуется, и это безопасно из-за снижения риска возникновения плесени.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )