Грунтовый воздушный теплообменник / геотермальный коллектор (Earth air heat exchanger) это трубы закопанные в землю, через которые воздух с улицы поступает в здание. При этом в зимнее время воздух нагревается, а в летнее охлаждается. Это позволяет снизить энергозатраты на отопление и охлаждение.
Выделяют следующие конфигурации теплообменников: кольцо, серпантин, U-форма, Z-форма (см. картинку выше).
Равномерность распределения воздуха по трубам влияет на эффективность теплообменника. Рассмотрим пример.
На youtube канале Андрея Руднева показан пример реализации грунтового воздушного теплообменника {1}, {2}.
Грунтовый воздушный теплообменник или геотермальный коллектор
ПВХ трубы 200мм. Конфигурация по Тихельману с шагом 1м (Z-форма).
Поле укладки 11 Х 7м. Длина трубы 70м*. Глубина 1.5м. Стоимость 95тр под ключ.
Тулица -17С, Т на входе +1.7С ~ 2,6 кВч тепла.
Тулица +24С, Т на входе +13С ~ 1,5 кВч холода.
Расход воздуха: автор указывает 330 м3/ч** {2}.
Рассматривая данный пример возникли следующие инженерные вопросы:
А будет ли воздух равномерно проходить по всем трубам теплообменника?
Какая конфигурация теплообменника обеспечит большую эффективность?
Для ответа на эти вопросы проведен численный расчет на симуляторе CFD Solidworks. Моделировался пример выше (Z-форма), а так же случаи других конфигураций теплообменника.
Далее представлены результаты моделирования:
Движение воздуха по теплообменнику Z-формы
Наблюдается неравномерность распределения воздуха по трубам. Видно, что воздух преимущественно проходит по крайним трубам. В большинстве поперечных труб почти нет движения воздуха.
Такая неравномерность распределения воздуха приводит к снижению эффективности теплообменника, КПД = 54% (см. таблицу результатов ниже). Температура на выходе -3.6 C.
Причина неравномерного распределения воздуха - одинаковый радиус продольных и поперечных труб. Для достижения равномерности требуется, чтобы суммарная площадь всех отверстий на продольных трубах была много меньше самой площади поверхности продольных труб. В таком случае создается одинаковое давление на всех стенках воздуховодов (эффект "решета" или камера статического давления). Смотри наш блог Вентиляция теплицы - воздуховоды по Японской технологии.
Для достижения большей равномерности теплообменника Z-формы нужно уменьшать диаметр и количество поперечных труб.
Движение воздуха по теплообменнику U-формы
Диаметр продольных труб 200мм, диаметр поперечных 110мм.
Видно, что воздух преимущественно двигается по 5ти первым поперечным трубам.
КПД теплообменника U-формы 66%. Температура на выходе -0.4 C.
Для достижения большей равномерности нужно уменьшать количество поперечных труб.
КПД теплообменника серпантин 95%. Температура на выходе +6.7 C.
Движение воздуха по теплообменнику формы серпантин
Размеры прямоугольника 20х30м.
КПД теплообменника кольцо 95%. Температура на выходе +6.6 C.
Движение воздуха по теплообменнику формы кольцо
Результаты моделирования теплообменников разной формы
Трубы ПВХ 200мм, толщина стенки 4.9мм, коэффициент теплопроводности 0.16 Вт/м/С, радиус отводов 0.5м, шероховатость труб 1 микрометр. Размер поля 11 x 7м. Расстояние между трубами 1м.
* для расчета используем длину труб 95м - общая длинна всех труб с учетом размера поля и шага.
** для расчета используем расход воздуха 400 м3/ч - обратный пересчет по данным эксплуатации: Lзима ~ 415м3/ч, Lлето ~ 407м3/ч*.
Начальные условия: Ттрубы=8С, Тулицы=-17С.
Граничные условия: Коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды: h = 25.5 Вт/м2/С, Тгрунта = 8С.
Рассмотрели эффективность работы разных форм грунтовых теплообменников: кольцо, серпантин, U-форма, Z-форма.
Неравномерность распределения воздуха в теплообменниках U-формы и Z-формы снижает их КПД.
Теплообменники кольцо и серпантин показывают лучший КПД.
Приложили рекомендации по бактериям/плесени, дополнительные результаты моделирования, формулы для расчета температуру на выходе и онлайн таблицу для самостоятельного расчета теплообменника.
Рекомендации по снижению риска образования бактерий и плесени:
Отвод конденсата для снижения влажности в трубе: укладка труб под уклоном и предусмотренные места сбора конденсата {3}.
Фильтрация входящего воздуха: снижение количества мелких частиц для снижения количества еды для бактерий [2].
Использование труб с антибактериальным покрытием с ионами серебра [2].
Поддержание постоянной скорости в трубах: непрерывное использование.
Изображения движения воздуха по вариантам
Геотермальный коллектор Z-форма движение воздуха
Геотермальный коллектор U-форма движение воздуха
Геотермальный коллектор форма серпантин движение воздуха
Геотермальный коллектор форма кольцо движение воздуха
Производительность и эффективность теплообменников разной формы
Аэродинамическая характеристика для разных форм грунтового теплообменника
Потери на трение выше у теплообменников кольцо и серпантин. Это можно компенсировать добавлением подпорных вентиляторов.
У теплообменников кольцо и серпантин температура на выходе ближе к температуре грунта. Это значит более высокий КПД и большее количество получаемого от земли тепла.
Температура на выходе для разных форм грунтового теплообменника
Физика работы грунтового воздушного теплообменника: 1) тепло передается от грунта к внешней стенке трубы; 2) тепло передается через стенку трубы; 3) тепло передается от внутренней стенки трубы к воздуху.
Температура воздуха на выходе из трубы [1]:
Твых=Тгрунт+(Твход-Тгрунт)*exp(-U*l/(L*0.34))
где:
Твых - температура на выходе из теплообменника, С
Тгрунт - темепратура грунта, С
Твход - температура на входе в теплообменник, С
exp() - функция экспоненты e в степени
U - линейный коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/м/С
l - длина трубы теплообменника, м
L - расход воздуха на выходе из теплообменника, м3/ч
0.34 - пересчетный коэффициент =(1.2185кг/м3*1006Дж/кг/с)/ 3600сек/час
Линейный коэффициент теплопередачи теплообменника [8]:
U= 1 / (Rгрунт + Rтруба + Rвоздух)
где:
Rгрунт - сопротивление теплопередаче от грунта к внешней стенке трубы, мС/Вт
Rтруба - сопротивление теплопередаче стенки трубы, мС/Вт
Rвоздух - сопротивление теплопередаче от внутренней стенки трубы к воздуху, мС/Вт
Rгрунт - определяется экспериментально, например, по данным замера в 9 вертикальных теплообменниках = 0.062 мС/Вт [4].
Rтруба = ln(dвнеш/dвнутр) / (2 * π * kтруба)
где:
dвнеш - внешний диаметр трубы, м
dвнунтр - внутренний диаметр трубы, м
kтруба - коэффициент теплопроводности трубы, Вт/м/С
Rвоздух = 1 / (π *dвнутр * hвоздух)
где:
hвоздух - коэффициент конвекции при теплопередаче между внутренней стенкой трубы и воздухом, Вт/м2/с
Для удобства Вы можете самостоятельно рассчитать примерные параметры работы грунтового воздушного теплообменника использую нашу google таблицу по ссылке:
Онлайн таблица для расчета грунтовый воздушный теплообменник
De Paepe M, Janssens A (2003) Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers. Energy Build 35:389–397
REHAU ECOAIRTM GROUND-AIR HEAT EXCHANGE SYSTEM
Yupeng Wu, Guohui Gan, Anne Verhoef, Pier Luigi Vidale, Raquel Garcia Gonzalez. Experimental measurement and numerical simulation of horizontal-coupled Slinky Ground Source Heat Exchangers. Applied Thermal Engineering, Elsevier, 2010
Saqib Javed, Thermal Modelling and Evaluation of Borehole Heat Transfer, Thesis for the degree of Doctor of Philosophy, Building Services Engineering Department of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, Göteborg, Sweden 2012
Trilok Singh Bisoniya, Anil Kumar, Prashant Baredar, "Study on Calculation Models of Earth-Air Heat Exchanger Systems", Journal of Energy, vol. 2014, Article ID 859286, 15pages, 2014.
Bisoniya, T.S. Design of earth–air heat exchanger system. Geotherm Energy 3, 18 (2015).
Larwa, Barbara, et al. "Heat conduction in the ground under natural conditions and with heat exchanger installed." Czasopismo Techniczne (2015).
Łukasz Amanowicz, Janusz Wojtkowiak, Thermal performance of multi-pipe earth-to-air heat exchangers considering the non-uniform distribution of air between parallel pipes, Geothermics, Volume 88, 2020
Цифры. Результаты Анализов. Видео изнутри. Грунтовый Воздушный Теплообменник https://youtu.be/nznpfKxMfxU
Грунтовый коллектор для системы вентиляции каркасного дома. https://youtu.be/nNynbcZ2GbM
Грунтовый теплообменник вентиляции в частном доме https://domekonom.su/gruntovyi-teploobmennik.html
http://www.zigersnead.com/current/blog/post/what-is-a-ground-air-heat-exchanger/09-15-2010/2560/
Трубы канализационные пластиковые https://геодренаж.рф/katalog/kanalizatsiya/trubyi_pvh_dlya_narujney_kanalizatsii
Микробиологический анализ воздуха https://ecospace.ru/service/microb_vozduh/
Движение воздуха грунтовый теплообменник https://youtu.be/KixcE6GSwpY
