Теплообменник , соединенный с землей, — это подземный теплообменник, который может улавливать тепло из земли и/или рассеивать его в земле. Они используют почти постоянную подземную температуру Земли для нагрева или охлаждения воздуха или других жидкостей для жилых, сельскохозяйственных или промышленных целей. Если воздух здания продувается через теплообменник для вентиляции с рекуперацией тепла , их называют земляными трубами (или канадскими скважинами, провансальскими скважинами, солнечными дымоходами , также называемыми трубами охлаждения земли, трубами нагрева земли, теплообменниками земля-воздух (EAHE или EAHX), теплообменниками воздух-грунт, земляными каналами, земляными каналами, системами туннелей земля-воздух, теплообменниками земляных труб, гипокаустами , подпочвенными теплообменниками, тепловыми лабиринтами, подземными воздуховодами и другими).
Земляные трубы часто являются жизнеспособной и экономичной альтернативой или дополнением к традиционным 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 воздуха вентиляции объекта. Их использование может помочь зданиям соответствовать стандартам пассивного дома или сертификации LEED .
Теплообменники земля-воздух использовались в сельскохозяйственных (животноводческих) и садоводческих (тепличных) помещениях в Соединенных Штатах Америки в течение последних нескольких десятилетий и использовались в сочетании с солнечными дымоходами в жарких засушливых районах в течение тысяч лет, 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 систем вентиляции домов стало довольно распространенным с середины 1990-х годов и медленно внедряется в Северной Америке.
Теплообменник, соединенный с землей, может также использовать воду 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 грунтом является распространенной традиционной техникой. Он управляет циркуляцией, используя разницу давления, вызванную ветром, дождем и конвекцией, вызванной плавучестью (из выборочно спроектированных областей солнечного нагрева и испарительного, радиационного или кондуктивного охлаждения).
Теплообменники земля-воздух можно проанализировать на предмет производительности с помощью нескольких программных приложений, использующих данные метеодатчиков. К таким программным приложениям относятся GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM и другие. Однако многочисленные системы теплообменников земля-воздух были спроектированы и построены неправильно и не оправдали ожиданий от проектирования. Теплообменники земля-воздух кажутся лучше всего подходящими для предварительной обработки воздуха, а не для полного нагрева или охлаждения. Предварительная обработка воздуха для воздушного теплового насоса или грунтового теплового насоса часто обеспечивает наилучшую экономическую отдачу от инвестиций , при этом простая окупаемость часто достигается в течение одного года после установки.
Большинство систем обычно строятся диаметром от 100 до 600 мм (от 3,9 до 23,6 дюйма), с гладкими стенками (чтобы они не задерживали конденсационную влагу и плесень), из жесткого или полужесткого пластика, пластикового покрытия металлических труб или пластиковых труб, покрытых внутренними антимикробными слоями, зарытых 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 проживает большинство людей. Температура грунта становится более стабильной с глубиной. Трубы меньшего диаметра требуют больше энергии для перемещения воздуха и имеют меньшую площадь поверхности контакта с землей. Более крупные трубы обеспечивают более медленный поток воздуха, что также обеспечивает более эффективную передачу энергии и позволяет передавать гораздо большие объемы, обеспечивая больший воздухообмен за более короткий промежуток времени, например, когда вы хотите очистить здание от неприятных запахов или дыма, но страдаете от более плохой теплопередачи от стенки трубы к воздуху из-за увеличенных расстояний.
Некоторые считают, что эффективнее протягивать воздух через длинную трубу, чем проталкивать его вентилятором. Солнечный дымоход может использовать естественную конвекцию (поднимающийся теплый воздух) для создания вакуума для протягивания отфильтрованного пассивного охлаждающего воздуха через охлаждающие трубки наибольшего диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее, чем при использовании вентилятора на солнечной энергии. Следует избегать острых углов в 90 градусов при строительстве трубы — два изгиба по 45 градусов создают менее турбулентный, более эффективный поток воздуха. Хотя гладкие стенки труб 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:
Однопроходные земляные воздушные теплообменники предлагают потенциал для улучшения качества воздуха в помещении по сравнению с обычными системами, обеспечивая повышенную подачу наружного воздуха. В некоторых конфигурациях однопроходных систем обеспечивается непрерывная подача наружного воздуха. Этот тип системы обычно включает один или несколько блоков рекуперации вентиляционного тепла.
Общий массив грунтовых теплообменников состоит из соединенных грунтовых теплообменников для использования более чем одним домом. [1] Они могут обеспечивать низкоуглеродное отопление там, где отдельные грунтовые теплообменники нецелесообразны, например, в таунхаусах с небольшим внешним пространством. Они также могут предоставить возможности для декарбонизации отопления для групп домов вдали от густонаселенных городских центров, где традиционное централизованное отопление вряд ли будет экономически выгодным. [1] Другие преимущества включают более высокую эффективность и более низкие капитальные затраты, больший контроль со стороны жителей при выборе собственного поставщика электроэнергии и сокращение количества теплообменников, необходимых из-за разницы во времени пиковой нагрузки между различными домохозяйствами. [1]
Тепловой лабиринт выполняет ту же функцию, что и земляная труба, но они обычно образованы из большего объема прямолинейного пространства, иногда встроенного в подвалы зданий или подземные этажи, и которые в свою очередь разделены многочисленными внутренними стенами, чтобы сформировать лабиринтный воздушный путь. Максимизация длины воздушного пути обеспечивает лучший эффект теплопередачи. Конструкция стен лабиринта, полов и разделительных стен обычно изготавливается из литого бетона с высокой теплопроводностью и бетонных блоков, при этом внешние стены и полы находятся в непосредственном контакте с окружающей землей. [2]
Если влажность и связанная с ней колонизация плесени не учтены при проектировании системы, то жильцы могут столкнуться с рисками для здоровья. На некоторых объектах влажность в земляных трубах можно контролировать просто пассивным дренажем, 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 ( десикант ) системы могут обрабатывать воздушный поток.
Формальные исследования показывают, что теплообменники земля-воздух снижают загрязнение воздуха вентиляционной системой здания. Рабиндра (2004) утверждает: «Обнаружено, что туннель [теплообменник земля-воздух] не способствует росту бактерий и грибков; скорее, он уменьшает количество бактерий и грибков, тем самым делая воздух более безопасным для вдыхания людьми. Поэтому ясно, что использование EAT [земля-воздушного туннеля] не только помогает экономить энергию, но и помогает снизить загрязнение воздуха за счет сокращения 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 заглубленных трубах систем воздухоснабжения, соединенных с землей. Результаты, однако, показывают, что никакого вредного роста не происходит и что концентрация жизнеспособных спор и бактерий в воздухе, за редкими исключениями, даже уменьшается после прохождения через систему трубопроводов», и далее говорится: «На основании этих исследований эксплуатация заземленных теплообменников типа «земля-воздух» приемлема при условии проведения регулярного контроля и наличия соответствующих очистных сооружений» [4] .
Независимо от того, используются ли земляные трубы с антимикробным материалом или без него, крайне важно, чтобы подземные охлаждающие трубы имели отличный слив конденсата и были установлены под уклоном 2-3 градуса, чтобы обеспечить постоянное удаление конденсированной воды из труб. При установке в доме без подвала на ровном участке внешняя конденсационная башня может быть установлена на глубине ниже, чем там, где труба входит в дом, и в точке, близкой к входу в стену. Установка конденсационной башни требует дополнительного использования конденсатного насоса, в котором будет удаляться вода из башни. Для установки в домах с подвалами трубы выравниваются таким образом, чтобы слив конденсата, расположенный внутри дома, находился в самой низкой точке. В любой установке труба должна постоянно иметь уклон либо в сторону конденсационной башни, либо в сторону стока конденсата. Внутренняя поверхность трубы, включая все соединения, должна быть гладкой, чтобы способствовать потоку и удалению конденсата. Гофрированные или ребристые трубы и грубые внутренние соединения не должны использоваться. Стыки, соединяющие трубы, должны быть достаточно плотными, чтобы предотвратить проникновение воды или газа. В определенных географических зонах важно, чтобы стыки предотвращали проникновение газа радона. Пористые материалы, такие как непокрытые бетонные трубы, использовать нельзя. В идеале в установках следует использовать Earth Tubes с антимикробными внутренними слоями для подавления потенциального роста плесени и бактерий внутри труб.
Внедрение теплообменников земля-воздух для частичного или полного охлаждения и/или нагрева воздуха вентиляции 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 обслуживание. Однако это сильно зависит от широты местоположения, высоты, температуры окружающей среды Земли, экстремальных значений климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня грунтовых вод, типа почвы ( теплопроводности ), влажности почвы и эффективности конструкции внешней оболочки здания/изоляции. Как правило, сухая и малоплотная почва с небольшой или отсутствующей тенью от земли даст наименьшую выгоду, в то время как плотная влажная почва со значительной тенью должна работать хорошо. Медленная система капельного полива может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва, контактирующая с охлаждающей трубкой, проводит тепло более эффективно, чем сухая почва.
Трубы 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 она эффективна для охлаждения и осушения. Однако землю можно использовать для частичного охлаждения и осушения заменяющего свежего воздуха для пассивно-солнечной тепловой буферной зоны [5] , таких как прачечная или солярий/теплица, особенно там, где есть джакузи, плавательный спа-салон или крытый бассейн, где теплый влажный воздух выдыхается летом, и желательна подача более прохладного и сухого заменяющего воздуха.
Не все регионы и площадки подходят для теплообменников земля-воздух. Условия, которые могут помешать или исключить надлежащую реализацию, включают в себя неглубокое залегание коренной породы, высокий уровень грунтовых вод и недостаточное пространство, среди прочего. В некоторых районах теплообменники земля-воздух могут обеспечить только охлаждение или отопление. В этих районах необходимо особенно учитывать обеспечение тепловой подзарядки грунта. В системах с двойной функцией (как отопление, так и охлаждение) теплый сезон обеспечивает тепловую подзарядку грунта для прохладного сезона, а прохладный сезон обеспечивает тепловую подзарядку грунта для теплого сезона, хотя перегрузка теплового резервуара должна учитываться даже в системах с двойной функцией.
В контексте сегодняшних сокращающихся запасов ископаемого топлива , растущих расходов на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления , правильно спроектированные трубы охлаждения грунта предлагают устойчивую альтернативу для сокращения или устранения необходимости в обычных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров в нетропическом климате. Они также могут помочь сбалансировать электросеть для поддержки нестабильных поставок из других возобновляемых источников энергии. [1] Они также обеспечивают дополнительное преимущество контролируемого, отфильтрованного, умеренного притока свежего воздуха, что особенно ценно в тесных, хорошо защищенных от непогоды, эффективных оболочках зданий.
Альтернативой теплообменнику земля-воздух является теплообменник «вода-земля». Обычно он похож на трубку геотермального теплового насоса, горизонтально заложенную в почву (или может быть вертикальным зондом) на аналогичную глубину теплообменника земля-воздух. Он использует примерно в два раза большую длину трубы диаметром 35 мм, например, около 80 м по сравнению с EAHX длиной 40 м. Змеевик теплообменника размещается перед воздухозаборником вентилятора рекуперации тепла. Обычно в качестве жидкости теплообменника используется рассол (сильно соленая вода).
Многие европейские установки теперь используют эту установку из-за простоты установки. Не требуется точка падения или дренажа, и это безопасно из-за сниженного риска плесени.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )