Jordkopplad värmeväxlare - Ground-coupled heat exchanger

Den här artikeln handlar om jordrör. För jordslingan för en värmepump, se markvärmepumpen .
En qanat och vindfångare som används som jordledning för både jordkoppling och förångningskylning. Ingen fläkt behövs; sugningen i vindtornet drar luften upp och ut.

En jordkopplad värmeväxlare är en underjordisk värmeväxlare som kan fånga värme från och / eller sprida värme till marken. De använder jordens nästan konstanta underjordiska temperatur för att värma eller kyla luft eller andra vätskor för bostads-, jordbruks- eller industriellt bruk. Om byggluft blåses genom värmeväxlaren för ventilering av värmeåtervinning kallas de jordrör (kallas även jordkylrör, jordvärmningsrör, jord-luftvärmeväxlare (EAHE eller EAHX), luft-till-jord-värmeväxlare, jord kanaler, jordkanaler, jord-lufttunnelsystem, jordrörsvärmeväxlare, hypokauser , underjordiska värmeväxlare, termiska labyrinter, underjordiska luftrör och andra).

Jordrör är ofta ett livskraftigt och ekonomiskt alternativ eller komplement till konventionella centralvärme- eller luftkonditioneringssystem eftersom det inte finns några kompressorer, kemikalier eller brännare och endast fläktar krävs för att flytta luften. Dessa används för antingen partiell eller fullständig kylning och / eller uppvärmning av anläggningens ventilationsluft. Deras användning kan hjälpa byggnader att uppfylla Passive House- standarder eller LEED- certifiering.

Jord- och luftvärmeväxlare har använts i jordbruksanläggningar (djurbyggnader) och trädgårdsanläggningar (växthus) i USA under de senaste decennierna och har använts tillsammans med solskorstenar i heta och torra områden i tusentals år, förmodligen början i persiska imperiet. Implementering av dessa system i Indien såväl som i de svalare klimaten i Österrike, Danmark och Tyskland för att förvärma luften för hemventilationssystem har blivit ganska vanligt sedan mitten av 1990-talet och antas långsamt i Nordamerika.

Jordkopplad värmeväxlare kan också använda vatten eller frostskyddsmedel som värmeöverföringsvätska, ofta i kombination med en geotermisk värmepump . Se till exempel värmeväxlare i borrhålet . Resten av denna artikel handlar främst om jord-luft värmeväxlare eller jordrör.

Passiva mönster

Passiv markkopplad värmeväxling är en vanlig traditionell teknik. Den driver cirkulationen med hjälp av tryckdifferenser orsakade av vind-, regn- och flytkraft-driven konvektion (från selektivt konstruerade områden för solvärme och avdunstning, strålning eller ledande kylning).

Design

Värmeåtervinningsventilation, ofta inklusive en jord-till-luft-värmeväxlare, är avgörande för att uppnå den tyska passivhaus- standarden
Jordrör innan det täcks med jord

Jord- och luftvärmeväxlare kan analyseras med avseende på prestanda med flera programvaror med hjälp av vädermålsdata. Dessa programvaror inkluderar GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM och andra. Flera jord-luft-värmeväxlaresystem har emellertid konstruerats och konstruerats felaktigt och har inte uppfyllt designförväntningarna. Jord-luft värmeväxlare verkar bäst lämpade för luftförbehandling snarare än för full uppvärmning eller kylning. Förbehandling av luft för en luftvärmepump eller markvärmepump ger ofta den bästa ekonomiska avkastningen , med enkel återbetalning som ofta uppnås inom ett år efter installationen.

De flesta system är vanligtvis konstruerade från 100 till 600 mm (3,9 till 23,6 tum) i diameter, släta väggar (så att de inte lätt fångar upp kondensfukt och mögel), styv eller halvstyv plast, plastbelagda metallrör eller plaströr belagda med inre antimikrobiella skikt, begravda 1,5 till 3 m (4,9 till 9,8 fot) under jord där den omgivande jordtemperaturen vanligtvis är 10 till 23 ° C (50 till 73 ° F) året runt på de tempererade breddgrader där de flesta människor bor. Marktemperaturen blir mer stabil med djupet. Rör med mindre diameter kräver mer energi för att flytta luften och har mindre jordkontaktyta. Större rör möjliggör ett långsammare luftflöde, vilket också ger mer effektiv energiöverföring och tillåter att mycket högre volymer överförs, vilket möjliggör mer luftutbyte under en kortare tidsperiod, när du till exempel vill rensa byggnaden från stötande lukt eller rök men lider av sämre värmeöverföring från rörväggen till luften på grund av ökade avstånd.

Vissa anser att det är mer effektivt att dra luft genom ett långt rör än att trycka på det med en fläkt. En solskorsten kan använda naturlig konvektion (varm luft stiger) för att skapa ett vakuum för att dra filtrerad passiv kylrörsluft genom kylrören med största diameter. Naturlig konvektion kan gå långsammare än att använda en soldriven fläkt. Skarpa 90 graders vinklar bör undvikas vid rörets konstruktion - två 45 graders böjningar ger mindre turbulent, effektivare luftflöde. Medan släta väggrör är mer effektiva för att flytta luften, är de mindre effektiva när det gäller att överföra energi.

Det finns tre konfigurationer, en sluten slinga design, ett öppet "frisk luft" -system eller en kombination:

  • System med sluten slinga: Luft inifrån hemmet eller strukturen blåses genom en U-formad slinga på typiskt 30 till 150 m (98 till 492 ft) rör där den modereras till nära jordtemperatur innan den återvänder för att distribueras via kanalarbete i hela hemmet eller strukturen. Systemet med sluten slinga kan vara mer effektivt för att kyla luften (under extrema lufttemperaturer) än ett öppet system, eftersom det kyler och kyler tillbaka samma luft.
  • Öppet system: Uteluft sugs från ett filtrerat luftintag ( Lägsta effektivitetsrapporteringsvärde MERV 8+ luftfilter rekommenderas) för att kyla eller förvärma luften. Rören är vanligtvis 30 m (98 fot) långa raka rör in i hemmet. Ett öppet system i kombination med energiåtervinningsventilation kan vara nästan lika effektivt (80-95%) som en sluten slinga och säkerställer att in i frisk luft filtreras och tempereras.
  • Kombinationssystem: Detta kan konstrueras med spjäll som möjliggör antingen stängd eller öppen drift, beroende på kraven på friskluftventilation. En sådan design, även i stängt läge, kan dra en mängd frisk luft när ett lufttryckfall skapas av en solskorsten , torktumlare, öppen spis, kök eller badrumsutsug. Det är bättre att dra in filtrerad passiv kylrörsluft än okonditionerad utomhusluft.

Enkelpassad jordluftvärmeväxlare erbjuder potentialen för förbättring av inomhusluftens kvalitet jämfört med konventionella system genom att tillhandahålla ett ökat utbud av utomhusluft. I vissa konfigurationer av enkelpassningssystem tillhandahålls en kontinuerlig tillförsel av utomhusluft. Denna typ av system innefattar vanligtvis en eller flera ventilationsenheter för värmeåtervinning.

Termiska labyrinter

En termisk labyrint utför samma funktion som ett jordrör, men de bildas vanligtvis från ett större volym rätlinjigt utrymme, ibland införlivat i byggkällare eller under bottenvåningar, och som i sin tur delas av många invändiga väggar för att bilda en labyrintisk luftväg . Maximering av luftvägens längd garanterar en bättre värmeöverföringseffekt. Konstruktionen av labyrintväggar, golv och skiljeväggar är normalt av gjuten betong och betongblock med hög termisk massa, med ytterväggar och golv i direkt kontakt med den omgivande jorden.

Säkerhet

Om luftfuktighet och tillhörande mögelkolonisering inte behandlas i systemdesignen kan personerna drabbas av hälsorisker. På vissa platser kan luftfuktigheten i jordrören kontrolleras helt enkelt genom passiv dränering om vattnet är tillräckligt djupt och jorden har relativt hög permeabilitet. I situationer där passiv dränering inte är möjlig eller behöver kompletteras för ytterligare fuktreduktion kan aktiva (avfuktare) eller passiva (torkmedel) system behandla luftströmmen.

Formell forskning tyder på att jord-luft-värmeväxlare minskar luftföroreningar i byggnadsventilation. Rabindra (2004) säger, ”Tunneln [jord-luft-värmeväxlare] befunnits inte stödja tillväxten av bakterier och svampar; snarare har man visat sig minska mängden bakterier och svampar, vilket gör luften säkrare för människor att andas in. Det är därför uppenbart att användningen av EAT [Earth Air Tunnel] inte bara hjälper till att spara energi utan också hjälper till att minska luftföroreningarna genom att minska bakterier och svampar. ” På samma sätt uppgav Flueckiger (1999) i en studie av tolv jord-luftvärmeväxlare med olika design, rörmaterial, storlek och ålder: ”Denna studie utfördes på grund av farhågor om potentiell mikrobiell tillväxt i de nedgrävda rören med markkopplad luft system. Resultaten visar dock att ingen skadlig tillväxt inträffar och att de luftburna koncentrationerna av livskraftiga sporer och bakterier, med få undantag, till och med minskar efter att ha passerat genom rörsystemet ", och sade vidare," Baserat på dessa undersökningar fungerar mark- kopplade jord-till-luft-värmeväxlare är acceptabla så länge regelbundna kontroller genomförs och om lämpliga rengöringsmöjligheter finns tillgängliga ”.

Oavsett om du använder jordrör med eller utan antimikrobiellt material, är det oerhört viktigt att de underjordiska kylrören har ett utmärkt kondensavlopp och installeras i en grad av 2-3 grader för att säkerställa konstant avlägsnande av kondensvatten från rören. Vid implementering i ett hus utan källare på en plan tomt kan ett externt kondensationstorn installeras på ett djup som är lägre än där röret kommer in i huset och vid en punkt nära vägginföringen. Installationen av kondensstorn kräver extra användning av en kondenspump för att ta bort vattnet från tornet. För installationer i hus med källare klassificeras rören så att kondensavloppet i huset ligger vid den lägsta punkten. I endera installationen måste röret kontinuerligt luta mot antingen kondenstornet eller kondensavloppet. Rörets inre yta, inklusive alla fogar, måste vara slät för att underlätta flödet och avlägsnandet av kondensat. Korrugerade eller ribbade rör och grova inre fogar får inte användas. Fogar som förbinder rören måste vara tillräckligt täta för att förhindra vatten- eller gasinfiltration. I vissa geografiska områden är det viktigt att lederna förhindrar radongasinfiltration. Porösa material som obelagda betongrör kan inte användas. Helst bör jordrör med antimikrobiella inre lager användas i installationer för att hämma den potentiella tillväxten av mögel och bakterier i rören.

Effektivitet

Implementeringar av jord-luft värmeväxlare för antingen partiell eller fullständig kylning och / eller uppvärmning av anläggningens ventilationsluft har haft blandad framgång. Litteraturen är tyvärr välbefolkad med övergeneraliseringar om tillämpligheten av dessa system - både för och emot. En viktig aspekt av värmeutbytare med jord-luft är den passiva naturen i drift och beaktande av den stora variationen i förhållanden i naturliga system.

Jord-luft-värmeväxlare kan vara mycket kostnadseffektiva både i för- / kapitalkostnader och långsiktiga drift- och underhållskostnader. Detta varierar dock mycket beroende på platsens latitud, höjd, omgivande jordtemperatur, klimatets temperatur och relativ fuktighet, solstrålning, vattentabell, jordtyp ( värmeledningsförmåga ), markfuktighet och effektiviteten hos byggnadens exteriör. kuvertdesign / isolering. I allmänhet ger torr och låg densitet mark med liten eller ingen markskugga minst nytta, medan tät fuktig mark med avsevärd skugga bör fungera bra. Ett långsamt droppvattensystem kan förbättra termisk prestanda. Fuktig jord i kontakt med kylröret leder värmen mer effektivt än torr mark.

Jordkylningsrör är mycket mindre effektiva i heta fuktiga klimat (som Florida) där jordens omgivningstemperatur närmar sig människans komforttemperatur. Ju högre omgivningstemperaturen på jorden är, desto mindre effektiv är den för kylning och avfuktning. Emellertid, kan jorden vara delvis användas för att kyla och avfukta ersättningsfriskluftsintag för passiva-solar termiska bufferten zonen områden som tvättstugan, eller ett solarium / växthus, särskilt de med en barrel, bada spa eller simhall där varm fuktig luft töms ut på sommaren och en tillförsel av svalare torrare ersättningsluft önskas.

Inte alla regioner och platser är lämpliga för jord-luft värmeväxlare. Förhållanden som kan hindra eller utesluta korrekt implementering inkluderar bland annat grunt berg, högvattenbord och otillräckligt utrymme. I vissa områden kan endast jord- och luftvärmeväxlare ge kylning eller uppvärmning. I dessa områden måste man särskilt överväga att tillhandahålla termisk laddning av marken. I dubbelfunktionssystem (både uppvärmning och kylning) ger den varma årstiden termisk uppladdning under den kalla säsongen och den kalla säsongen ger termisk laddning under den varma årstiden, även om överbelastning av den termiska reservoaren måste övervägas även med dubbelfunktionssystem.

Renata Limited , ett framstående läkemedelsföretag i Bangladesh , testade ett pilotprojekt för att ta reda på om de kunde använda Earth Air Tunnel-tekniken för att komplettera det konventionella luftkonditioneringssystemet. Betongrör med en total längd på 60 fot (18 cm), innerdiameter 9 tum (~ 23 cm), yttre diameter 11 tum (~ 28 cm) placerades på ett djup av 9 fot (~ 2 cm) under jord och en fläkt på 1,5 kW nominell effekt användes. Underjordstemperaturen på det djupet befanns vara cirka 28 ° C. Medelhastigheten för luft i tunneln var cirka 5 m / s. Den sålunda utformade underjordiska värmeväxlarens prestanda-koefficient (COP) var dålig från 1,5–3. Resultaten övertygade myndigheterna om att det i heta och fuktiga klimat är oklokt att genomföra begreppet jord-luft-värmeväxlare. Kylmediet (jorden själv) som ligger vid en temperatur som närmar sig den omgivande miljön råkar vara grundorsaken till att sådana principer misslyckas i heta, fuktiga områden (delar av Sydostasien , Florida i USA etc.). Emellertid har utredare från platser som Storbritannien och Turkiet rapporterat mycket uppmuntrande COP: ar långt över 20. Underjordisk temperatur verkar vara av största vikt när man planerar en Earth-Air värmeväxlare.

Påverkan på miljön

I samband med dagens minskande fossila bränslereserver , ökande elektriska kostnader, luftföroreningar och global uppvärmning , erbjuder korrekt utformade jordkylrör ett hållbart alternativ för att minska eller eliminera behovet av konventionella kompressorbaserade luftkonditioneringssystem i icke-tropiska klimat. De ger också den extra fördelen med kontrollerat, filtrerat, tempererat friskluftsintag, vilket är särskilt värdefullt i täta, väderbestämda och effektiva bygghöljen.

Vatten till jorden

Ett alternativ till jord-till-luft-värmeväxlaren är "vatten-till-jord-värmeväxlaren. Detta liknar vanligtvis ett geotermiskt värmepumpslang som är inbäddat horisontellt i jorden (eller kan vara en vertikal sonde ) till ett liknande djup av jord-luftvärmeväxlaren. Den använder ungefär dubbelt så lång rörlängd med en diameter på 35 mm, t.ex. cirka 80 m jämfört med en EAHX på 40 m. En värmeväxlarbatteri placeras före luftinloppet till värmeåtervinningsfläkten. Normalt används en saltlösning (kraftigt saltat vatten) som värmeväxlarvätska.

Många europeiska installationer använder nu denna inställning på grund av att installationen är enkel. Inget fall eller dräneringspunkt krävs och det är säkert på grund av minskad risk för mögel.

Se även

Referenser

  • International Energy Agency, Air Infiltration and Ventilation Center, Ventilation Information Paper No. 11, 2006, "Use of Earth to Air Heat Exchangers for Cooling"

externa länkar