Zemnící výměník tepla - Ground-coupled heat exchanger

Tento článek je o zemních trubkách. Uzemňovací smyčka tepelného čerpadla viz geotermální tepelné čerpadlo.

A uzemněný výměník tepla je podzemní výměník tepla, který může zachytávat teplo z / a odvádět teplo do země. Používají téměř konstantní podzemní teplotu Země k ohřívání nebo chlazení vzduchu nebo jiných tekutin pro bydlení, zemědělský nebo průmyslové použití. Pokud je vzduch vháněn do výměníku tepla pro větrání s rekuperací tepla, se nazývají zemní trubky (označované také jako chladicí trubky na zem, trubky na oteplování země, tepelné výměníky země-vzduch (EAHE nebo EAHX), tepelné výměníky vzduch-země, zemní kanály, zemní kanály, tunelové systémy země-vzduch, zemní trubkové tepelné výměníky, hypocausty, podzemní tepelné výměníky, termální labyrinty, podzemní vzduchové potrubí a další).

Zemní trubky jsou často životaschopnou a ekonomickou alternativou nebo doplňkem konvenčních ústřední topení nebo klimatizace systémy, protože neexistují žádné kompresory, chemikálie nebo hořáky a pro pohyb vzduchu jsou zapotřebí pouze dmychadla. Používají se k částečnému nebo úplnému chlazení a / nebo ohřevu ventilačního vzduchu zařízení. Jejich použití může budovám pomoci setkat se Pasivní dům standardy nebo LEED osvědčení.

Výměníky tepla země-vzduch se v USA používaly v zemědělských zařízeních (budovy pro zvířata) a zahradnických zařízeních (skleníky) v posledních několika desetiletích a byly použity ve spojení s solární komíny v horkých suchých oblastech po tisíce let, pravděpodobně začínající v Perské říši. Implementace těchto systémů v Indii i v chladnějším podnebí Rakouska, Dánska a Německa za účelem předehřátí vzduchu pro domácí ventilační systémy je od poloviny 90. let poměrně běžná a v Severní Americe se pomalu přijímá.

Uzemněný tepelný výměník může také používat vodu nebo nemrznoucí kapalinu jako teplonosnou kapalinu, často ve spojení s geotermální tepelné čerpadlo. Viz například vrtné výměníky tepla. Zbytek tohoto článku se zabývá především tepelnými výměníky země-vzduch nebo zemními trubkami.

Design

Větrání s rekuperací tepla, často zahrnující tepelný výměník země-vzduch, je pro dosažení německého jazyka zásadní pasivhaus Standard
Zemní potrubí před pokrytím zeminou

Výkon tepelných výměníků Země-vzduch lze analyzovat pomocí několika softwarových aplikací využívajících údaje o počasí. Mezi tyto softwarové aplikace patří GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM a další. Četné systémy tepelných výměníků země-vzduch však byly navrženy a konstruovány nesprávně a nesplnily konstrukční očekávání. Tepelné výměníky země-vzduch se jeví jako nejvhodnější pro předúpravu vzduchu než pro úplné vytápění nebo chlazení. Předúprava vzduchu pro vzduchové tepelné čerpadlo nebo zemní tepelné čerpadlo často poskytuje nejlepší ekonomický návratnost investic, s jednoduchou návratností často dosaženou do jednoho roku po instalaci.

Většina systémů je obvykle konstruována od průměru 100 do 600 mm (3,9 až 23,6 palce), s hladkými stěnami (takže snadno nezachytí kondenzovanou vlhkost a plísně), z tuhého nebo polotuhého plastu, potažené plastovými trubkami nebo potažené plastovými trubkami s vnitřními antimikrobiálními vrstvami, pohřbené 1,5 až 3 m (4,9 až 9,8 ft) pod zemí, kde je okolní teplota Země obvykle 10 až 23 ° C (50 až 73 ° F) po celý rok v mírných zeměpisných šířkách, kde žije většina lidí. Teplota půdy se s hloubkou stává stabilnější. Trubky s menším průměrem vyžadují více energie k pohybu vzduchu a mají menší kontaktní plochu se zemí. Větší trubice umožňují pomalejší proudění vzduchu, což také vede k účinnějšímu přenosu energie a umožňuje přenos mnohem vyšších objemů, což umožňuje více výměn vzduchu v kratším časovém období, když například chcete odstranit nežádoucí zápach nebo kouř, ale trpí horším přenosem tepla ze stěny potrubí do vzduchu v důsledku zvětšených vzdáleností.

Někteří se domnívají, že je účinnější tahat vzduch dlouhou trubkou, než tlačit ventilátorem. A solární komín může používat přirozenou konvekci (stoupání teplého vzduchu) k vytvoření vakua k nasávání filtrovaného pasivního chladicího vzduchu vzduchem přes chladicí trubice s největším průměrem. Přirozená konvekce může být pomalejší než při použití solárního ventilátoru. Při konstrukci trubice je třeba se vyhnout ostrým úhlům 90 stupňů - dva ohyby 45 stupňů vytvářejí méně turbulentní a účinnější proudění vzduchu. I když jsou trubice s hladkými stěnami účinnější při pohybu vzduchu, jsou méně účinné při přenosu energie.

Existují tři konfigurace, uzavřená smyčka, otevřený systém „čerstvého vzduchu“ nebo kombinace:

  • Systém uzavřené smyčky: Vzduch zevnitř domu nebo konstrukce je vyfukován smyčkou ve tvaru písmene U o délce 30 až 150 m (98 až 492 stop) trubek, kde je před návratem distribuován potrubí v celém domě nebo konstrukci. Systém uzavřené smyčky může být účinnější chlazení vzduchu (při extrémních teplotách vzduchu) než otevřený systém, protože ochlazuje a znovu ochladí stejný vzduch.
  • Otevřený systém: Venkovní vzduch je nasáván z filtrovaného sání vzduchu (Hodnota hlášení o minimální účinnosti Doporučuje se vzduchový filtr MERV 8+) k ochlazení nebo předehřátí vzduchu. Trubky jsou obvykle 30 m (98 stop) dlouhé přímé trubky do domácnosti. Otevřený systém v kombinaci s větrání s rekuperací energie může být téměř stejně účinný (80-95%) jako uzavřená smyčka a zajišťuje, že vstup čerstvého vzduchu je filtrován a temperován.
  • Kombinovaný systém: Lze jej zkonstruovat s tlumiči, které umožňují buď uzavřený nebo otevřený provoz, v závislosti na požadavcích na ventilaci čerstvého vzduchu. Taková konstrukce, dokonce i v režimu uzavřené smyčky, by mohla čerpat množství čerstvého vzduchu, když pokles tlaku vzduchu vytvoří a solární komín, sušička prádla, krb, kuchyňské nebo koupelnové odvětrávací otvory. Je lepší nasávat filtrovaný pasivní chladicí vzduch než nepodmíněný venkovní vzduch.

Jednoprůchodové zemní vzduchové tepelné výměníky nabízejí potenciál pro zlepšení kvality vnitřního vzduchu oproti konvenčním systémům zajištěním zvýšeného přívodu venkovního vzduchu. V některých konfiguracích jednoprůchodových systémů je zajištěn nepřetržitý přívod venkovního vzduchu. Tento typ systému obvykle zahrnuje jednu nebo více větracích rekuperačních jednotek.

Termální labyrinty

Termální labyrint plní stejnou funkci jako zemská trubice, ale obvykle jsou tvořeny z většího objemu přímočarého prostoru, někdy zabudovaného do suterénů budov nebo pod přízemí, a které jsou zase rozděleny četnými vnitřními stěnami, aby vytvořily labyrintovou vzduchovou cestu . Maximalizace délky dráhy vzduchu zajišťuje lepší účinek přenosu tepla. Konstrukce labyrintových stěn, podlah a dělících stěn je obvykle z litého betonu a betonového bloku s vysokou tepelnou hmotou, přičemž vnější stěny a podlahy jsou v přímém kontaktu s okolní zemí.[1]

Bezpečnost

Pokud se v návrhu systému nezabývá vlhkostí a související kolonizací plísní, mohou obyvatelé čelit zdravotním rizikům. V některých lokalitách lze vlhkost v zemních trubkách regulovat jednoduše pasivním odvodněním, pokud je hladina podzemní vody dostatečně hluboká a půda má relativně vysokou propustnost. V situacích, kdy není možné provést pasivní odvodnění nebo je nutné ji pro další snížení vlhkosti rozšířit, mohou proud vzduchu upravovat aktivní (odvlhčovač) nebo pasivní (vysoušedlo) systémy.

Formální výzkum naznačuje, že tepelné výměníky země-vzduch snižují znečištění vzduchu z ventilace budov. Rabindra (2004) uvádí: „Bylo zjištěno, že tunel [tepelný výměník země-vzduch] nepodporuje růst bakterií a hub; spíše se zjistilo, že snižuje množství bakterií a plísní, čímž je pro člověka bezpečnější vdechování vzduchu. Je tedy jasné, že použití EAT [Earth Air Tunnel] nejen pomáhá šetřit energii, ale také pomáhá snižovat znečištění ovzduší redukcí bakterií a plísní. “[2] Stejně tak Flueckiger (1999) ve studii dvanácti tepelných výměníků země-vzduch s různou konstrukcí, materiálem potrubí, velikostí a věkem uvedl: „Tato studie byla provedena kvůli obavám z možného mikrobiálního růstu v zakopaných trubkách zemně vázaného vzduchu systémy. Výsledky však ukazují, že nedochází k žádnému škodlivému růstu a že vzdušné koncentrace životaschopných spor a bakterií, až na několik výjimek, po průchodu potrubním systémem dokonce klesají “, a dále uvádí:„ Na základě těchto výzkumů je provoz pozemních spojené výměníky tepla země-vzduch jsou přijatelné, pokud jsou prováděny pravidelné kontroly a jsou-li k dispozici vhodná čisticí zařízení “.[3]

Ať už používáte zemní trubice s nebo bez antimikrobiálního materiálu, je nesmírně důležité, aby podzemní chladicí trubky měly vynikající odtok kondenzátu a byly instalovány ve stupni 2–3 stupně, aby bylo zajištěno stálé odvádění kondenzované vody z trubek. Při realizaci v domě bez suterénu na plochém pozemku lze instalovat vnější kondenzační věž v hloubce nižší, než kde trubice vstupuje do domu, a v místě blízko vstupu do zdi. Instalace kondenzační věže vyžaduje další použití čerpadla kondenzátu, které slouží k odvádění vody z věže. U instalací v domech se suterény jsou potrubí tříděna tak, aby odtok kondenzátu umístěný v domě byl v nejnižším bodě. U obou instalací musí být trubka neustále skloněna buď směrem ke kondenzační věži, nebo k odtoku kondenzátu. Vnitřní povrch trubky, včetně všech spojů, musí být hladký, aby napomáhal toku a odvádění kondenzátu. Nesmí se používat vlnité nebo žebrované trubky a drsné vnitřní spoje. Klouby spojující trubky dohromady musí být dostatečně pevné, aby se zabránilo infiltraci vody nebo plynu. V určitých zeměpisných oblastech je důležité, aby klouby zabránily infiltraci radonového plynu. Porézní materiály, jako jsou nepotažené betonové trubky, nelze použít. V ideálním případě by se v instalacích měly používat zemní trubice s antimikrobiálními vnitřními vrstvami, aby se zabránilo potenciálnímu růstu plísní a bakterií v trubkách.

Účinnost

Implementace tepelných výměníků země-vzduch pro částečné nebo úplné chlazení a / nebo ohřev ventilačního vzduchu zařízení měla smíšený úspěch. Literatura je bohužel dobře naplněna přehnanými zevšeobecněním použitelnosti těchto systémů - ve prospěch pro i proti. Klíčovým aspektem výměníků tepla země-vzduch je pasivní povaha provozu a zohlednění široké variability podmínek v přírodních systémech.

Tepelné výměníky země-vzduch mohou být velmi nákladově efektivní jak v počátečních / kapitálových nákladech, tak v nákladech na dlouhodobý provoz a údržbu. To se však značně liší v závislosti na zeměpisné šířce, nadmořské výšce, okolní teplotě Země, extrémech klimatické teploty a relativní vlhkosti, slunečním záření, hladině podzemní vody, typu půdy (tepelná vodivost ), obsah půdní vlhkosti a účinnost návrhu / izolace vnějšího pláště budovy. Obecně bude suchá a nízkohustá půda s malým nebo žádným přízemním stínem přinést nejméně výhod, zatímco hustá vlhká půda se značným stínem by měla fungovat dobře. Systém s pomalým kapáním může zlepšit tepelný výkon. Vlhká půda v kontaktu s chladicí trubicí vede teplo účinněji než suchá půda.

Zemní chladicí trubice jsou mnohem méně účinné v horkém vlhkém podnebí (jako je Florida), kde se okolní teplota Země blíží lidské komfortní teplotě. Čím vyšší je okolní teplota Země, tím méně účinná je pro chlazení a odvlhčování. Země však může být použita k částečnému ochlazení a odvlhčení náhradního přívodu čerstvého vzduchu pro pasivní solární energii tepelná nárazníková zóna[4] oblasti jako prádelna nebo solárium / skleník, zejména ty s vířivkou, plaveckými lázněmi nebo krytým bazénem, ​​kde je v létě odsáván teplý vlhký vzduch a je požadován přísun chladnějšího vzduchu pro výměnu sušičky.

Ne všechny regiony a lokality jsou vhodné pro tepelné výměníky země-vzduch. Podmínky, které mohou bránit nebo znemožňovat správné provedení, zahrnují mimo jiné mělké podloží, vysokou hladinu vody a nedostatečný prostor. V některých oblastech mohou zemní vzduchové výměníky tepla poskytovat pouze chlazení nebo topení. V těchto oblastech je třeba zvláště zohlednit opatření pro tepelné dobití země. V systémech s dvojí funkcí (topení i chlazení) poskytuje teplé období pozemní tepelné dobití pro chladné období a chladné období zajišťuje pozemní tepelné dobíjení pro teplé období, i když u systémů s dvojí funkcí je třeba uvažovat o přetížení tepelného zásobníku.

Renata Limited, přední farmaceutická společnost v Bangladéš, vyzkoušeli pilotní projekt, který se snažil zjistit, zda mohou k doplnění konvenčního klimatizačního systému použít technologii Earth Air Tunnel. Betonové trubky o celkové délce 18 stop (60 stop) (~ 18¼m), vnitřním průměrem 9 palců (~ 23 cm), vnějším průměru 11 palců (~ 28 cm) byly umístěny v hloubce 9 stop (~ 2¾m) pod zemí a dmychadlem 1,5 Byl použit jmenovitý výkon kW. Bylo zjištěno, že podzemní teplota v této hloubce byla kolem 28 ° C. Průměrná rychlost vzduchu v tunelu byla asi 5 m / s. The Koeficient výkonu (COP) takto navrženého podzemního výměníku tepla byl špatný v rozmezí 1,5–3. Výsledky přesvědčily úřady, že v horkém a vlhkém podnebí je nerozumné zavést koncept tepelného výměníku Země-vzduch. Chladicí médium (samotná země), které má teplotu blížící se okolnímu prostředí, je hlavní příčinou selhání těchto principů v horkých a vlhkých oblastech (části Jihovýchodní Asie, Florida v USA atd.). Vyšetřovatelé z míst jako Británie a Turecko však hlásili velmi povzbudivé COP - výrazně nad 20. Zdá se, že při plánování tepelného výměníku Země-vzduch má zásadní význam podzemní teplota.

Zásah do životního prostředí

V kontextu dnešního úbytku fosilní palivo rezervy, zvyšující se náklady na elektřinu, znečištění ovzduší a globální oteplování, řádně navržené zemní chladicí trubky nabízejí udržitelnou alternativu ke snížení nebo eliminaci potřeby konvenčních kompresorových klimatizačních systémů v netropickém podnebí. Poskytují také další výhodu kontrolovaného, ​​filtrovaného a mírného přívodu čerstvého vzduchu, což je zvláště cenné v těsných, dobře povětrnostních podmínkách a účinných obvodových pláštích budov.

Voda na Zemi

Alternativou k tepelnému výměníku země-vzduch je tepelný výměník „voda“ na zemi. To je obvykle podobné geotermálním tepelným čerpadlům uloženým vodorovně v půdě (nebo to může být a vertikální sonda ) do podobné hloubky tepelného výměníku země-vzduch. Využívá přibližně dvojnásobnou délku potrubí o průměru 35 mm, např. Přibližně 80 m ve srovnání s EAHX o délce 40 m. Cívka výměníku tepla je umístěna před vstupem vzduchu do ventilátoru s rekuperací tepla. Jako kapalina tepelného výměníku se obvykle používá slaná kapalina (silně solená voda).

Mnoho evropských instalací nyní používá toto nastavení kvůli snadné instalaci. Není nutný žádný pád ani odvodňovací bod a je bezpečný z důvodu sníženého rizika plísní.

Viz také

Reference

  1. ^ „Integrace strategií aktivní tepelné masy do responzivních budov“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 3. července 2011. Citováno 21. prosince 2012.
  2. ^ Bhattarai, Rabindra Nath; Mishra, Shailendra Kumar; Basnyat, Pawan. „POUŽITÍ SYSTÉMU ZEMĚDĚLSKÉHO VZDUCHOVÝCH TUNELŮ V MINIMALIZACI ZNEČIŠTĚNÍ VNITŘNÍHO VZDUCHU“. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  3. ^ Měření, modelování a simulace tepelného výměníku země-vzduch v Marburgu (Německo) Archivováno 26. 04. 2012 na Wayback Machine Rainer Wagner, Stefan Beisel, Astrid Spieler, Klaus Vajen, Philipps-Universität Marburg, Katedra fyziky (2000)
  4. ^ „Dvě malé Delta T jsou lepší než jedna velká Delta T“. Workshop designu nulové energie v USA DOE / ORNL. Citováno 2007-12-23.
  • Mezinárodní energetická agentura, Centrum pro infiltraci a ventilaci vzduchu, Informační dokument o ventilaci č. 11, 2006, „Využití tepelných výměníků Země k chlazení vzduchem“

externí odkazy