Gruntowy wymiennik ciepła

Ten artykuł dotyczy rur uziemiających. Aby zapoznać się z pętlą uziemienia pompy ciepła, patrz gruntowa pompa ciepła .
Kanat i łapacz wiatru używany jako kanał uziemiający, zarówno do łączenia uziemienia, jak i chłodzenia wyparnego . Nie jest potrzebny żaden wentylator; ssanie po zawietrznej wieży wiatrowej wciąga powietrze w górę i na zewnątrz.

Gruntowy wymiennik ciepła to podziemny wymiennik ciepła, który może wychwytywać ciepło z gruntu i/lub odprowadzać je do gruntu. Wykorzystują prawie stałą temperaturę podziemną Ziemi do ogrzewania lub chłodzenia powietrza lub innych płynów do zastosowań mieszkaniowych, rolniczych lub przemysłowych. Jeśli powietrze z budynku jest wdmuchiwane przez wymiennik ciepła w celu wentylacji z odzyskiem ciepła , nazywane są one rurami uziemiającymi (lub studnią kanadyjską, studnią prowansalską, kominem słonecznym , zwane również ziemnymi rurami chłodzącymi, rurami do ogrzewania ziemi, gruntowo-powietrznymi wymiennikami ciepła (EAHE lub EAHX), wymiennikami ciepła powietrze-grunt, kanałami ziemnymi, kanałami ziemnymi, systemami tuneli ziemia-powietrze, wymiennikami ciepła z rurami gruntowymi, hypokaustami , podłożem wymienniki ciepła, labirynty termiczne, podziemne przewody powietrza i inne).

Rury uziemiające są często realną i ekonomiczną alternatywą lub uzupełnieniem konwencjonalnych systemów centralnego ogrzewania lub klimatyzacji, ponieważ nie ma w nich sprężarek, chemikaliów ani palników, a do przemieszczania powietrza potrzebne są tylko dmuchawy. Służą one do częściowego lub całkowitego chłodzenia i/lub ogrzewania powietrza wentylacyjnego obiektu. Ich zastosowanie może pomóc budynkom spełnić domów pasywnych lub certyfikację LEED .

Wymienniki ciepła ziemia-powietrze były używane w obiektach rolniczych (budynki dla zwierząt) i obiektach ogrodniczych (szklarnie) w Stanach Zjednoczonych Ameryki w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat i były używane w połączeniu z kominami słonecznymi na gorących, suchych obszarach przez tysiące lat , prawdopodobnie zaczyna się w imperium perskim. Wdrażanie tych systemów w Indiach, a także w chłodniejszych klimatach Austrii, Danii i Niemiec w celu wstępnego podgrzewania powietrza do domowych systemów wentylacyjnych stało się dość powszechne od połowy lat 90. XX wieku i powoli przyjmuje się je w Ameryce Północnej.

Gruntowy wymiennik ciepła może również wykorzystywać wodę lub środek przeciw zamarzaniu jako płyn przenoszący ciepło, często w połączeniu z geotermalną pompą ciepła . Zobacz na przykład otworowe wymienniki ciepła . Pozostała część tego artykułu dotyczy głównie gruntowo-powietrznych wymienników ciepła lub rur uziemiających.

Projekty pasywne

Pasywna wymiana ciepła z gruntem jest powszechną tradycyjną techniką. Napędza cyrkulację, wykorzystując różnice ciśnień spowodowane wiatrem, deszczem i konwekcją napędzaną wyporem (z selektywnej inżynierii obszarów ogrzewania słonecznego i chłodzenia wyparnego, radiacyjnego lub przewodzącego).

Projekt

Wentylacja z odzyskiem ciepła, często z gruntowo-powietrznym wymiennikiem ciepła, jest niezbędna do osiągnięcia niemieckiego standardu domów pasywnych
Rura uziemiająca przed zasypaniem ziemią

Wymienniki ciepła ziemia-powietrze można analizować pod kątem wydajności za pomocą kilku aplikacji wykorzystujących dane z miernika pogody. Te aplikacje obejmują GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM i inne. Jednak wiele systemów gruntowo-powietrznych wymienników ciepła zostało zaprojektowanych i wykonanych niewłaściwie i nie spełniło oczekiwań projektowych. Gruntowo-powietrzne wymienniki ciepła wydają się być bardziej odpowiednie do wstępnej obróbki powietrza niż do pełnego ogrzewania lub chłodzenia. Wstępna obróbka powietrza dla powietrznej pompy ciepła lub gruntowej pompy ciepła często zapewnia najlepszy ekonomiczny zwrot z inwestycji , z prostym zwrotem kosztów często osiąganym w ciągu jednego roku po instalacji.

Większość systemów ma zwykle średnicę od 100 do 600 mm (3,9 do 23,6 cala), gładkościenne (dzięki czemu nie zatrzymują łatwo wilgoci kondensacyjnej i pleśni), sztywne lub półsztywne plastikowe, metalowe rury powlekane tworzywem sztucznym lub rury z tworzywa sztucznego powlekane z wewnętrznymi warstwami przeciwdrobnoustrojowymi, zakopane 1,5 do 3 m (4,9 do 9,8 stopy) pod ziemią, gdzie temperatura otoczenia na ziemi wynosi zwykle od 10 do 23 ° C (50 do 73 ° F) przez cały rok na umiarkowanych szerokościach geograficznych, na których żyje większość ludzi. Temperatura gruntu staje się bardziej stabilna wraz z głębokością. Rury o mniejszej średnicy wymagają więcej energii do przemieszczania powietrza i mają mniejszą powierzchnię styku z ziemią. Większe rury pozwalają na wolniejszy przepływ powietrza, co również zapewnia bardziej efektywny transfer energii i pozwala na przesyłanie znacznie większych objętości, umożliwiając większą wymianę powietrza w krótszym czasie, gdy na przykład chcesz oczyścić budynek z niepożądanych zapachów lub dymu, ale cierpią z powodu gorszej wymiany ciepła ze ścianki rury do powietrza z powodu zwiększonych odległości.

Niektórzy uważają, że bardziej wydajne jest wciąganie powietrza przez długą rurkę niż przepychanie go za pomocą wentylatora. Komin słoneczny może wykorzystywać naturalną konwekcję (wznoszenie się ciepłego powietrza) do wytworzenia próżni w celu zasysania przefiltrowanego pasywnego powietrza z rur chłodzących przez rury chłodzące o największej średnicy. Naturalna konwekcja może być wolniejsza niż przy użyciu wentylatora zasilanego energią słoneczną. W konstrukcji rury należy unikać ostrych kątów 90 stopni – dwa 45-stopniowe zagięcia zapewniają mniej turbulentny, bardziej wydajny przepływ powietrza. Podczas gdy rury o gładkich ściankach są bardziej wydajne w przemieszczaniu powietrza, są mniej wydajne w przenoszeniu energii.

Istnieją trzy konfiguracje, konstrukcja z zamkniętą pętlą, system otwartego „świeżego powietrza” lub kombinacja:

  • System z obiegiem zamkniętym: Powietrze z wnętrza domu lub konstrukcji jest wdmuchiwane przez pętlę w kształcie litery U, zwykle o długości od 30 do 150 m (98 do 492 stóp) rury (rur), gdzie jest utrzymywane do temperatury zbliżonej do temperatury ziemi przed powrotem do dystrybucji przez przewody w całym domu lub budynku. System z zamkniętą pętlą może skuteczniej chłodzić powietrze (podczas ekstremalnych temperatur powietrza) niż system otwarty, ponieważ chłodzi i ponownie schładza to samo powietrze.
  • System otwarty: Powietrze zewnętrzne jest pobierane z przefiltrowanego wlotu powietrza ( zaleca się filtr powietrza o minimalnej raportowanej wartości sprawności MERV 8+) w celu schłodzenia lub wstępnego ogrzania powietrza. Rury to zazwyczaj proste rury o długości 30 m (98 stóp) do domu. Otwarty system w połączeniu z wentylacją z odzyskiem energii może być prawie tak samo wydajny (80-95%) jak obieg zamknięty i zapewnia filtrowanie i temperowanie wchodzącego świeżego powietrza.
  • System kombinowany: Można go zbudować z przepustnicami, które umożliwiają pracę zamkniętą lub otwartą, w zależności od wymagań dotyczących wentylacji świeżym powietrzem. Taka konstrukcja, nawet w trybie pętli zamkniętej, mogłaby pobierać pewną ilość świeżego powietrza, gdy spadek ciśnienia powietrza jest wytwarzany przez komin słoneczny , suszarkę do ubrań, kominek, otwory wentylacyjne w kuchni lub łazience. Lepiej jest zasysać przefiltrowane pasywne powietrze z rurki chłodzącej niż nieklimatyzowane powietrze z zewnątrz.

Jednoprzebiegowe gruntowe wymienniki ciepła oferują potencjał poprawy jakości powietrza w pomieszczeniach w porównaniu z systemami konwencjonalnymi, zapewniając zwiększony dopływ powietrza zewnętrznego. W niektórych konfiguracjach systemów jednoprzebiegowych zapewniony jest ciągły dopływ powietrza zewnętrznego. Ten typ systemu zwykle obejmuje jeden lub więcej rekuperatorów wentylacyjnych.

Wspólne tablice naziemne

Wspólny układ gruntowy obejmuje połączone gruntowe wymienniki ciepła do użytku przez więcej niż jeden dom. Mogą dostarczać niskoemisyjne ogrzewanie tam, gdzie indywidualne gruntowe wymienniki ciepła nie są opłacalne, na przykład w domach szeregowych z niewielką przestrzenią zewnętrzną. Mogą również zapewnić możliwości dekarbonizacji ogrzewania dla grup domów z dala od gęsto zaludnionych ośrodków miejskich, w których jest mało prawdopodobne, aby tradycyjne ciepłownictwo było ekonomicznie opłacalne.

Labirynty termiczne

Labirynt termiczny spełnia tę samą funkcję co rura uziemiająca, ale zwykle jest utworzony z prostoliniowej przestrzeni o większej objętości, czasami wbudowanej w piwnice budynków lub pod parterem, które z kolei są podzielone licznymi ścianami wewnętrznymi, tworząc labiryntową ścieżkę powietrza . Maksymalizacja długości drogi powietrza zapewnia lepszy efekt wymiany ciepła. Konstrukcja ścian labiryntu, podłóg i ścian działowych jest zwykle wykonana z odlewanego betonu i bloków betonowych o dużej masie termicznej, przy czym ściany zewnętrzne i podłogi mają bezpośredni kontakt z otaczającą ziemią.

Bezpieczeństwo

Jeśli wilgoć i związana z nią kolonizacja pleśni nie zostaną uwzględnione w projekcie systemu, mieszkańcy mogą być narażeni na zagrożenie dla zdrowia. W niektórych miejscach wilgotność w rurach ziemnych może być kontrolowana po prostu przez drenaż pasywny, jeśli poziom wód gruntowych jest wystarczająco głęboki, a gleba ma stosunkowo wysoką przepuszczalność. W sytuacjach, w których pasywny drenaż nie jest możliwy lub musi zostać wzmocniony w celu dalszej redukcji wilgoci, systemy aktywne ( osuszacze ) lub pasywne ( osuszacze ) mogą uzdatniać strumień powietrza.

Badania formalne wskazują, że gruntowo-powietrzne wymienniki ciepła zmniejszają zanieczyszczenie powietrza wentylacyjnego w budynkach. Rabindra (2004) stwierdza: „Stwierdzono, że tunel [wymiennik ciepła ziemia-powietrze] nie sprzyja rozwojowi bakterii i grzybów; stwierdzono raczej, że zmniejsza ilość bakterii i grzybów, dzięki czemu powietrze jest bezpieczniejsze do wdychania przez ludzi. Jest zatem jasne, że korzystanie z EAT [Earth Air Tunnel] nie tylko pomaga oszczędzać energię, ale także pomaga zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza poprzez redukcję bakterii i grzybów”. Podobnie Flueckiger (1999) w badaniu dwunastu gruntowo-powietrznych wymienników ciepła różniących się konstrukcją, materiałem rur, rozmiarem i wiekiem stwierdził: systemy. Wyniki pokazują jednak, że nie występuje żaden szkodliwy wzrost i że unoszące się w powietrzu stężenia żywotnych zarodników i bakterii, z nielicznymi wyjątkami, nawet spadają po przejściu przez system rur”, a ponadto stwierdzono: „Na podstawie tych badań działanie naziemnego sprzężone gruntowo-powietrzne wymienniki ciepła są dopuszczalne, o ile przeprowadzane są regularne kontrole i dostępne są odpowiednie urządzenia czyszczące”.

Niezależnie od tego, czy używane są rury uziemiające z materiałem antybakteryjnym, czy bez, niezwykle ważne jest, aby podziemne rury chłodzące miały doskonały odpływ skroplin i były zainstalowane pod kątem 2-3 stopni, aby zapewnić ciągłe usuwanie skroplonej wody z rur. W przypadku instalacji w domu bez podpiwniczenia na płaskiej działce, zewnętrzna wieża kondensacyjna może być zainstalowana na głębokości mniejszej niż wejście rurki do domu oraz w pobliżu wejścia do ściany. Instalacja wieży kondensacyjnej wymaga dodatkowego zastosowania pompy kondensatu do usuwania wody z wieży. W przypadku instalacji w domach podpiwniczonych rury są stopniowane w taki sposób, aby odpływ skroplin znajdujący się w domu znajdował się w najniższym punkcie. W obu instalacjach rura musi być stale nachylona w kierunku wieży kondensacyjnej lub odpływu kondensatu. Wewnętrzna powierzchnia rury, w tym wszystkie połączenia, musi być gładka, aby ułatwić przepływ i usuwanie kondensatu. Nie wolno stosować rur karbowanych lub żebrowanych oraz szorstkich połączeń wewnętrznych. Połączenia łączące rury ze sobą muszą być na tyle szczelne, aby uniemożliwić przenikanie wody lub gazu. W niektórych obszarach geograficznych ważne jest, aby spoiny zapobiegały infiltracji gazu radonowego. Nie można stosować materiałów porowatych, takich jak niepowlekane rury betonowe. W idealnym przypadku w instalacjach należy stosować rury uziemiające z przeciwdrobnoustrojowymi warstwami wewnętrznymi, aby zahamować potencjalny wzrost pleśni i bakterii w rurach.

Skuteczność

Wdrożenia gruntowo-powietrznych wymienników ciepła do częściowego lub całkowitego chłodzenia i/lub ogrzewania powietrza wentylacyjnego w obiektach odniosły mieszany sukces. Literatura jest niestety pełna nadmiernych uogólnień na temat możliwości zastosowania tych systemów – zarówno za, jak i przeciw. Kluczowym aspektem gruntowo-powietrznych wymienników ciepła jest pasywny charakter pracy oraz uwzględnienie dużej zmienności warunków w układach naturalnych.

Wymienniki ciepła ziemia-powietrze mogą być bardzo opłacalne zarówno pod względem kosztów początkowych/kapitałowych, jak i długoterminowych kosztów eksploatacji i konserwacji. Różni się to jednak znacznie w zależności od szerokości geograficznej, wysokości nad poziomem morza, temperatury otoczenia na Ziemi, ekstremalnych temperatur klimatycznych i wilgotności względnej, promieniowania słonecznego, poziomu wód gruntowych, rodzaju gleby (przewodność cieplna ), zawartość wilgoci w glebie i efektywność konstrukcji/izolacji zewnętrznej powłoki budynku. Ogólnie rzecz biorąc, sucha gleba o małej gęstości z niewielkim lub zerowym cieniem przyniesie najmniejsze korzyści, podczas gdy gęsta, wilgotna gleba ze znacznym cieniem powinna działać dobrze. Powolny system nawadniania kropelkowego może poprawić wydajność termiczną. Wilgotna gleba w kontakcie z rurą chłodzącą przewodzi ciepło wydajniej niż sucha gleba.

Rury chłodzące ziemię są znacznie mniej skuteczne w gorącym i wilgotnym klimacie (takim jak Floryda), gdzie temperatura otoczenia na ziemi zbliża się do temperatury komfortu dla ludzi. Im wyższa temperatura otoczenia na ziemi, tym mniej skuteczne jest chłodzenie i osuszanie. Ziemię można jednak wykorzystać do częściowego schłodzenia i osuszenia zastępczego wlotu świeżego powietrza w strefach pasywnej słonecznej strefy buforowej , takich jak pralnia lub solarium /szklarnia, zwłaszcza tych z wanną z hydromasażem, swim spa lub krytym basenem , gdzie ciepłe, wilgotne powietrze jest usuwane latem i pożądane jest dostarczanie chłodniejszego, osuszanego powietrza zastępczego.

Nie wszystkie regiony i miejsca nadają się do zastosowania gruntowo-powietrznych wymienników ciepła. Warunki, które mogą utrudniać lub uniemożliwiać prawidłową realizację, to między innymi płytkie podłoże skalne, wysoki poziom wód gruntowych i niewystarczająca przestrzeń. Na niektórych obszarach wymienniki ciepła ziemia-powietrze mogą zapewniać tylko chłodzenie lub ogrzewanie. Na tych obszarach należy szczególnie rozważyć zapewnienie termicznego doładowania gruntu. W systemach dwufunkcyjnych (zarówno grzewczych, jak i chłodzących) ciepła pora roku zapewnia doładowanie termiczne gruntu w porze chłodnej, a pora chłodna zapewnia doładowanie termiczne gruntu w porze ciepłej, chociaż należy wziąć pod uwagę przeciążenie zbiornika termicznego nawet w przypadku systemów dwufunkcyjnych.

Wpływ środowiska

W kontekście zmniejszających się obecnie rezerw paliw kopalnych , rosnących kosztów energii elektrycznej, zanieczyszczenia powietrza i globalnego ocieplenia , odpowiednio zaprojektowane rury do chłodzenia gruntu stanowią zrównoważoną alternatywę dla zmniejszenia lub wyeliminowania konieczności stosowania konwencjonalnych systemów klimatyzacji opartych na sprężarkach w klimatach nietropikalnych. Zapewniają również dodatkową korzyść w postaci kontrolowanego, filtrowanego wlotu świeżego powietrza o umiarkowanej temperaturze, co jest szczególnie cenne w ciasnych, dobrze zwietrzałych i wydajnych przegrodach budynków.

Woda do ziemi

Alternatywą dla gruntowego wymiennika ciepła jest gruntowy wymiennik ciepła „woda”. Jest to zazwyczaj podobne do rur geotermalnych pomp ciepła osadzonych poziomo w glebie (lub może to być sonda pionowa) na podobnej głębokości gruntowo-powietrznego wymiennika ciepła. Wykorzystuje w przybliżeniu podwójną długość rury o średnicy 35 mm, np. około 80 m w porównaniu z EAHX o długości 40 m. Wężownica wymiennika ciepła umieszczona jest przed wlotem powietrza do rekuperatora. Zwykle jako płyn w wymienniku ciepła używana jest solanka (mocno osolona woda).

Wiele europejskich instalacji korzysta obecnie z tej konfiguracji ze względu na łatwość instalacji. Nie jest wymagany żaden punkt upadku ani odpływu, a ponadto jest bezpieczny ze względu na zmniejszone ryzyko pleśni.

Zobacz też

  • Międzynarodowa Agencja Energii, Centrum Infiltracji i Wentylacji Powietrza, Dokument Informacyjny o Wentylacji nr 11, 2006, „Wykorzystanie wymienników ciepła ziemia-powietrze do chłodzenia”

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ground-coupled_heat_exchanger&oldid=1136453018 ”