Подземелье и тепло, или грунтовый трубопровод как источник отопления

Есть два варианта экономить на обогреве. Первый — это снижение притока свежего воздуха ценой ухудшения домашнего микроклимата, второй - снизить количество тепловых затрат для подогрева поступающего наружного воздуха. Использование энергии грунта — это способ значительно сэкономить на обогреве и охлаждении вентиляционного воздуха. Как и почему — расскажем в этой статье!

Грунтовый теплообменник — что это такое и как используется?

Грунтовый теплообменник – теплообменник подземного типа, способный улавливать тепло из грунта и/или рассеивать его там. Они используют практически неизменную подземную температуру планеты для нагревания или охлаждения воздуха или других текучих сред с целью применения в жилом, аграрном или промышленном секторе.

Подземелье и тепло, или грунтовый трубопровод как источник отопленияЕсли воздух в здании проходит через теплообменники с целью теплоутилизации, в Европе их называют подземными трубопроводами (они же – нагревательные и охладительные подземные трубопроводы), а в Северной Америке – грунтово-воздушными теплообменниками (ГВТ). Эти системы известны под рядом других названий, среди которых – воздушно-почвенный теплообменник, грунтовые каналы, грунтовые канавы, грунтово-воздушные туннельные системы, подземный трубчатый теплообменник, гипокаусты, грунтовые теплообменники, тепловые лабиринты, подземные вентиляционные трубы и так далее.

Подземные трубопроводы зачастую выступают практически осуществимой и экономичной альтернативой или дополнением к стандартным системам центрального отопления или воздушного кондиционирования, так как у них отсутствуют компрессоры, химикаты и горелки, а для движения воздуха требуются только вентиляторы. Они используются как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, подающегося в здание через вентиляторы.

Их применение может помочь зданиям соответствовать стандартам Пассивного дома или сертификации Руководства по энергоэффективному и экологическому проектированию.

Грунтово-воздушные теплообменники использовались на аграрных (животноводческих постройках) и садоводческих предприятиях (теплицах) в США последние несколько десятилетий, а вместе с солнечной вытяжной трубой в жарких сухих регионах – в течение тысячелетий, начиная, вероятно, со времен Персидской империи. Разработка этих систем в Австрии, Дании, Германии и Индии стало достаточно распространенной, начиная с середины 1990-х, и постепенно принимается в Северной Америке.

Грунтовый теплообменник также может использовать воду или антифриз в качестве теплообменной среды, часто – вместе с геотермальным тепловым насосом.

Как устроен грунтовый теплообменник?

Характеристики грунтово-воздушных подземных теплообменников можно проанализировать с помощью нескольких программ, использующих данные барометров. Среди этих программ – «GAEA», «AWADUKT Thermo», «EnergyPlus», «L-EWTSim», «WKM», и другие. Однако многочисленные системы грунтовых теплообменников были разработаны и построены неправильно и не смогли соответствовать ожиданиям разработчиков. Грунтовые теплообменники оказались больше приспособленными для предварительной очистки воздуха, чем для его полного нагревания или охлаждения.

Предварительная очистка воздуха для теплового насоса, использующего теплоту воздуха, или геотермального теплового насоса часто обеспечивает наивысший доход на инвестицию, проще говоря, окупаемость часто происходит уже через год после установки.

Большинство систем обычно строят из труб с гладкой оболочкой (что усложняет падание конденсата или частиц грунта), из жесткой или полужесткой пластмассы, плакированных пластмассой металлических труб или пластиковых труб с внутренним антибактериальным слоем диаметром от 100 (3,9 дюйма) до 600 (23,6 дюйма) мм, закопанных на глубине от 1,5 м (4,9 фт) до 3 (9,8 фт), где температура окружающей среды чаще всего составляет от 10 C (50 F) до 23 C (73 F) в течение года в тех условиях, где живет большая часть людей. С ростом глубины температура грунта становится более постоянной.

Трубы меньшего диаметра требуют больше энергии для передвижения воздуха и имеют меньшую площадь контакта с поверхностью. Трубы большего диаметра позволяют обеспечить более медленный поток воздуха, что также делает перемещение энергии эффективнее и позволяет перемещать ее в больших объемах, обеспечивая лучший обмен воздуха за более короткий промежуток времени, когда, например, вы хотите очистить здание от неприятных запахов или дыма, но страдаете от худшего теплообмена между стенкой трубы и воздухом из-за увеличенных расстояний.

Некоторые предполагают, что эффективнее будет пропустить воздух через длинную трубу, чем подать его через вентилятор. Солнечная вытяжная труба может использовать естественную конвекцию (подъем теплого воздуха) для создания вакуума и перемещения воздуха, отфильтрованного через пассивную трубу охлаждения, по охлаждающим трубам большего диаметра. Естественная конвекция может быть медленнее в сравнении с вентилятором на солнечной энергии.

При создании трубы стоит избегать острых углов в 90 градусов, так как два поворота под углом в 45 градусов будут производить меньший по турбулентности и больший по эффективности поток воздуха. Хоть гладкостенные трубы гораздо эффективнее в передвижении воздуха, в плане перемещения энергии их эффективность ниже. Существует три конфигурации системы: замкнутая петля, открытая система а-ля «свежий воздух» и комбинированная:

  1. Замкнутая петля: воздух из здания или постройки проходит через подковообразную петлю из труб диаметром от 30 (98 фт) до 150 (492 фт) метров, где он смягчается до температур, близких к земным, прежде чем вернуться и распространиться через сеть воздуховодов в здание или постройку. Замкнутая система может быть эффективнее (при предельных температурах воздуха), чем открытая система, так как она охлаждает и доохлаждает один и тот же воздух.
  2. Открытая система: воздух выпускается из приемника фильтрованного воздуха (рекомендуемая минимальная величина, описывающая эффективность воздушного фильтра – 8+). Охлаждающие трубы – это, как правило 30-метровые (98 фт) прямые трубы, подведенные к дому. Открытая система в сочетании с рекуперацией может достигать КПД, сравнимого с аналогичной величиной замкнутой системы (80-95 %), и обеспечивать фильтрацию и смягчение подаваемого воздуха.
  3. Комбинированная система: она может быть построена с заслонками, которые позволят работать в открытом или замкнутом режимах в зависимости от потребностей в вентиляции свежего воздуха. Такой концепт даже при работе в замкнутом режиме смог бы обеспечить свежий воздух даже в случае падения атмосферного давления, создаваемого солнечной вытяжной трубой, сушильной машинкой для одежды, камином, вытяжками на кухне или в ванной. Лучше подавать фильтрованный воздух из пассивной охлаждающей трубы, чем неподходящий воздух снаружи.

Однопроходные грунтово-воздушные теплообменники предлагают возможность для улучшения качества воздуха в помещении помимо традиционных систем за счет увеличенного объема поставки воздуха снаружи. В некоторых конфигурациях однопроходных систем обеспечивается непрерывный поток воздуха снаружи. Этот тип систем может обычно включать одну или несколько вентиляционных теплоизоляционных установок.

Подземелье и тепло, или грунтовый трубопровод как источник отопления

Тепловые лабиринты

Тепловые лабиринты выполняют те же функции, что и подземные трубопроводы, но, как правило, они создаются в прямом объемном прямолинейном пространстве, иногда они встроены в подвалы или подземные этажи зданий, и, в свою очередь, разделены многочисленными внутренними перегородками, чтобы создать запутанные вентиляционные каналы. Максимизация длины каналов позволяет добиться лучшего эффекта передачи тепла. Постройка стен лабиринта, перекрытий и перегородок, как правило, подразумевает использование высокотемпературной бетонной массы и бетонных блоков, а внешние наружные стены и полы находятся в прямом контакте с окружающей почвой.

Безопасность

Если влажность и последующее скопление грунта не предполагаются в разработке системы, жители могут столкнуться с рисками для здоровья. В некоторых местах влажность в подземных трубопроводах можно контролировать просто за счет пассивного дренажа, если уровень грунтовых вод достаточно глубок, а почва обладает относительно высокой проницаемостью. В случаях, где пассивный дренаж невозможен или требует большего количества удаленной влаги, для обработки воздушного потока могут использоваться активные (осушитель) и пассивные (влагопоглотитель) системы.

Официальные исследования показывают, что грунтово-воздушные теплообменники уменьшают загрязнение воздуха, подаваемого в здание через вентиляцию.

Рабинда Бхаттарай (2004 год) утверждает: «Туннель [грунтово-воздушный теплообменник] оказался не способным поддерживаь рост бактерий и грибков; более того, было обнаружено уменьшение количества бактерий и грибков, следовательно – большую безопасность для вдыхания людей. Вследствие этого становится ясно, что использование ГВТ [грунтово-воздушных туннелей] не только помогает сохранить энергию, но и уменьшить загрязнение воздуха за счет уменьшение числа бактерий и грибков».

Так же, Флюкигер в исследовании (1999 год) двенадцати грунтово-воздушных теплообменников, отличающихся в плане дизайна, материалов труб, размер и срока, утверждает: «Это исследование было проведено из-за проблем потенциального роста микробов в закопанных трубах грунтово-воздушных систем. Однако результаты показывают, что роста вредоносных бактерий не происходит, а значит, концентрация жизнеспособных спор и бактерий, за редкими исключениями, даже падает после прохождения через трубопровод», дальше утверждает,

«Основанная на этих исследованиях работа грунтовых теплообменников допустима до тех пор, пока над ним происходит контроль и при доступности очистительных сооружений».

Вне зависимости от использования антибактериальных материалов на подземных трубопроводах, крайне важно то, что подземные охлаждающие трубы обладают отличным дренажом конденсата, и могут устанавливаться в 2-3 ступени, чтобы обеспечить постоянное удаление конденсированной воды из труб. При применении в доме без подвала на плоском участке, конденсационная башня может быть установлена на глубине меньшей, чем точка захода труб в дом, и в точке, близкой к входу в стену.

Установка конденсационной башни требует использование дополнительного конденсационного насоса, удаляющего воду из башни. Для установки системы в домах с подвалами, трубы располагаются так, что установка для высушивания конденсата устанавливается в самой низкой точке дома. Как бы там ни было, труба должна быть постоянно наклонена либо к конденсационной башне, либо к системе откачки конденсата.

Внутренняя поверхность трубы, в том числе – стыки, должны быть гладкими, чтобы не препятствовать току и удалению конденсата. Гофрированные или ребристые трубы и грубые внутренние сочленения не должны использоваться. Сочленения, соединяющие трубы, должны быть достаточно плотными для предотвращения просачивания воды или газа. В определенных географических регионов, важно, чтобы сочленения не пропускали газообразный радон. Не могут использоваться пористые материалы, типа непокрытых бетонных труб.

В идеале в строениях должны использоваться подземные трубопроводы с антибактериальными внутренними слоями для предотвращения потенциального роста грибков и бактерий внутри труб.

Эффективность

Использование грунтово-воздушных теплообменников как для частичного, так и для полного охлаждения и/или нагревания воздуха, вентилируемого в помещении, проходило с переменным успехом. К сожалению, литература переполнена чрезмерными обобщениями о «плюсах» и «минусах» применимости этих систем. Ключевым аспектом грунтово-воздушных теплообменников является пассивная природа работы и возможность применения в широком спектре природных условий.

Грунтово-воздушные теплообменники могут быть крайне рентабельными как в отношении предварительных, так и капитальных затрат, а также долговечными и дешевыми в обслуживании. Однако это сильно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, температуры окружающей среды, максимумов климатической температуры и относительной влажности, солнечной радиации, уровня воды, типа почвы (теплопроводности), содержания влажности в почве и внешнего проектирования системы или ее изоляции. В основном сухая почва с низкой плотностью, малым количеством или полностью отсутствующим слоем грунта может принести меньше всего выгод, хотя плотная влажная почва со значительным слоем грунта должно улучшить характеристики системы.

Система замедленного дренажа конденсата может улучшить тепловые характеристики. Влажная почва в контакте с охлаждающими трубами будет проводить тепло гораздо эффективнее, чем сухая почва.

Подземные охлаждающие трубы гораздо менее эффективны в жарком влажном климате (как во Флориде), где температура окружающей среды приближается к комфортной для людей температуре. Чем выше температура окружающей среды, тем менее эффективна система для охлаждения и осушения воздуха. Однако, почва может использоваться для частичного охлаждения и осушения заменяемого воздуха, поступающего в термическую буферную зону с пассивной солнечной подпиткой, например, в прачечной или террасе/теплице, особенно – в тех зонах, где есть купель, плавательная спа-зона или внутренний плавательный бассейн, где теплый влажный воздух извлекается летом, и требуется более холодный и сухой компенсационный воздух.

Не для всех регионов и мест пригодны грунтово-воздушные теплообменники. Среди условий, которые могут препятствовать правильному использованию систем – поверхностная скальная порода, высокий уровень воды и неподходящее пространство. В частности, в некоторых районах должна быть обеспечена тепловая перезарядка почвы. В бифункциональных системах (как нагревания, так и охлаждения) теплое время года обеспечивает тепловую перезарядку почвы для холодного сезона, а холодный сезон обеспечивает тепловую перезарядку почвы для теплого сезона, хотя даже для них стоит предусматривать вариант перегрузки теплового резервуара.

«Renata Limited» — выдающаяся фармацевтическая компания в Бангладеш проверила пилотный проект, пытающийся обнаружить, можно ли использовать туннельный грунтово-воздушный теплообменник в качестве дополнения к традиционной системе кондиционирования воздуха. Бетонные трубы с общей длиной в 60 футов (около 18,25 м), внутренним диаметром в 9 дюймов (около 23 см) и внешним диаметром в 11 дюймов (около 28 см) были закопаны на глубине в 9 футов (около 2,75 м) под землей, использовался вентилятор с расчетной мощностью 1,5 кВт.

Подземная температура на глубине оставалась на уровне в 28 C. Средняя скорость движения воздуха в туннеле составляла около 5 м/с. КПД подземного теплообменника, созданного таким образом, было малым и составляло от 1,5 до 3 ед. Результаты убедили власти, что в жарком и влажном климате неблагоразумно воплощать на практике концепт грунтово-воздушного теплообменника. Вторичный холодоноситель (сам грунт) изменяет температуру окружающей среды, что является главной причиной провала подобных принципов в жарких, влажных регионах (части Юго-Восточной Азии, американский штат Флорида и так далее).

Однако исследователи из Британии и Турции докладывали о чрезвычайно высоком КПД, превышающем 20 единиц. Температура под землей кажется самым важным показателем для проектирования грунтово-воздушного теплообменника.

Влияние на окружающую среду

В контексте современного уменьшения объемов ископаемого топлива, роста цен на электроэнергию, загрязнения воздуха и глобального потепления, правильно разработанные подземные охлаждающие трубы предлагают устойчивую альтернативу для сокращения или полного удаления потребности в традиционных системах кондиционирования воздуха на основе компрессоров, в частности – в нетропическом климате. Они также обеспечивают дополнительную выгоду в виде контролируемого, отфильтрованного и смягченного потока свежего воздуха, который особенно ценен в небольших, герметичных и эффективных строениях.

От воды к земле

Альтернативой грунтово-воздушным теплообменником является «водно»-грунтовый теплообменник. Как правило, он схож с геотермальным тепловым насосом за счет трубопровода, проложенного в почве горизонтально (хотя может быть и вертикальный зонд) на глубине, схожей с аналогичной величиной для грунтово-воздушного теплообменника. Он использует трубу длиной примерно вдвое больше обычной при диаметре в 35 мм, к примеру 80 метров, в сравнению с ГВТ длиной в 40 метров.  Катушка теплообменника располагается перед вытяжным отверстием вентилятора-теплоутилизатора. В качестве жидкость теплообменника, как правило, используется жидкий охлаждающий солевой раствор (сильно посоленная вода).

Многие европейские постройки сейчас используют эту систему из-за простоты установки. Не требуется никакой точки дренажа, также это – безопасно из-за пониженного риска просачивания почвы.

https://www.youtube.com/watch?v=bzhXf_HKB2c

Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
«Проагрегат»