Войти
A Теплообменник с заземлением - это подземный теплообменник, который может улавливать тепло от и / или рассеивать тепло земля. Они используют почти постоянную температуру земли под землей для нагрева или охлаждения воздуха или других жидкостей в жилых, сельскохозяйственных или промышленных целях. Если воздух здания проходит через теплообменник для вентиляции с рекуперацией тепла, они называются заземляющими трубами (также называемыми трубами охлаждения земли, трубами нагрева земли, теплообменниками земля-воздух (EAHE или EAHX), теплообменник воздух-грунт, земляные каналы, земляные каналы, системы туннелей земля-воздух, теплообменник с грунтовыми трубами, гипокаусты, подпочвенные теплообменники, тепловые лабиринты, подземные воздуховоды и др.).
Заземляющие 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 используются только воздуходувки. требуется для перемещения воздуха. Они используются для частичного или полного охлаждения и / или нагрева вентиляционного воздуха в помещении. Их использование может помочь зданиям соответствовать стандартам пассивного дома или сертификату LEED.
Теплообменники земля-воздух использовались в сельскохозяйственных объектах (животноводческих помещениях) и садоводческих хозяйствах (теплицах) в Соединенных Штатах Америки в течение последних нескольких десятилетий и использовались вместе 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 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.
Наземный теплообменник также может 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.
Вентиляция с рекуперацией тепла, часто включающая теплообменник земля-воздух, необходима для достижения немецкого стандарта passivhaus 
Земляная труба перед тем, как покрыть ее почва Теплообменники Земля-воздух могут быть проанализированы на предмет производительности с помощью нескольких программных приложений с использованием данных 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 лучше всего подходят для предварительной обработки воздуха, а не для полного нагрева или охлаждения. Предварительная обработка воздуха для теплового насоса с воздушным источником или наземного теплового насоса часто обеспечивает наилучшую экономическую рентабельность инвестиций с простой окупаемостью, которая часто достигается в течение одного года после установки.
Большинство систем обычно имеют диаметр от 100 до 600 мм (от 3,9 до 23,6 дюйма), с гладкими стенками (поэтому они не задерживают конденсат и плесень), из жесткого или полужесткого пластика, с пластиковым покрытием металлические трубы или пластиковые трубы, покрытые внутренним антимикробным слоем, заглубленные на глубину 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 большинство людей живут. С увеличением глубины температура грунта 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 увеличенных расстояний.
Некоторые считают, что вытягивать воздух через длинную трубку эффективнее, чем проталкивать ее вентилятором. солнечный дымоход может использовать естественную конвекцию (поднимающийся теплый воздух) для создания вакуума для втягивания отфильтрованного воздуха через пассивную охлаждающую трубку 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:
Однопроходные теплообменники с грунтовым воздухом обладают потенциалом для улучшения качества воздуха в помещении по сравнению с обычными системами за счет увеличения подачи наружного воздуха. В некоторых конфигурациях однопроходных систем предусмотрена постоянная подача наружного воздуха. Этот тип системы обычно включает один или несколько вентиляционных блоков рекуперации тепла.
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 стенками, 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.
Если влажность и связанная с ней колонизация плесени не учтены в конструкции 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 обнаружено, что он уменьшает 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 ». 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 ».
Независимо от того, используются ли заземляющие трубы с антимикробным материалом или без него, чрезвычайно важно, чтобы подземное охлаждение Трубки имеют отличный отвод конденсата и могут устанавливаться с уклоном в 2-3 градуса, чтобы обеспечить постоянный отвод конденсата из трубок. При реализации в доме без подвала на ровном 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. При установке 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 трубы 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.
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, температуры окружающей среды Земли, экстремальных значений климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня грунтовых вод, типа почвы (теплопроводность ), влажности почвы и эффективность проектирования / 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, контактирующая с охлаждающей трубкой, проводит 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 комфортной для человека температуре. Чем выше температура окружающей среды земли, тем меньше она эффективна для охлаждения и осушения. Однако земля может быть использована для частичного охлаждения и осушения заменяющего воздухозаборника для пассивно-солнечной термобуферной зоны в таких областях, как прачечная или солярий / теплица, особенно те с джакузи, спа-салоном или крытым бассейном, куда летом выходит теплый влажный воздух, и желательна подача более прохладного и сухого замещающего воздуха.
Не все регионы и участки подходят для установки 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 могут обеспечивать только охлаждение или обогрев. В этих областях необходимо 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, опробовала 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. Коэффициент полезного действия (COP) подземного теплообменника, спроектированного таким образом, был плохим и составлял 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 этих принципов в жарких и влажных районах (части Юго-Восточной Азии, 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.
В контексте сегодняшнего сокращения запасов ископаемого топлива, увеличения затрат на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления правильно спроектированные трубы для охлаждения грунта представляют собой экологичную альтернативу сокращению или устранению необходимости в традиционных системах кондиционирования воздуха на базе 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.
Альтернативой теплообменнику земля-воздух является теплообменник «вода-земля». Это обычно похоже на трубку геотермального теплового насоса, горизонтально встроенную в почву (или может быть) 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, это безопасно из-за меньшего риска образования плесени.
Портал возобновляемой энергии 