접지결합열교환기

Ground-coupled heat exchanger
이 기사는 지구관에 관한 것이다. 열 펌프의 접지 루프는 접지 소스 열 펌프를 참조하십시오.
접지 연결 및 증발 냉각용 접지 덕트로 사용되는 Qanat 및 윈드캐처. 선풍기는 필요 없다; 풍력발전소의 리에 있는 흡입기는 공기를 위아래로 끌어당긴다.

접지 결합형 열 교환기는 열로부터 또는 지상으로 열을 흡수할 수 있는 지하 열 교환기다. 그들은 지구의 거의 일정한 지하 온도를 주거용, 농업용 또는 산업용으로 따뜻하거나 차가운 공기나 다른 액체를 사용한다. 건물 공기가 열 회수 환기를 위해 열 교환기를 통해 송풍되는 경우 이를 접지관(또는 캐나다 우물, 프로벤달 우물, 태양 굴뚝, 일명 접지 냉각관, 지구 온난화관, 지구 대 토양 열 교환기(EAHE 또는 EAHX), 공기와 토양 간 열 교환기, 접지 채널, 지상 운하, 지상 터널 시스템, 지상 t라고도 한다.열 교환기, 하이포코스트, 해저 열 교환기, 열 미로, 지하 공기 파이프 등).

접지 튜브는 압축기, 화학 물질 또는 버너가 없고 공기를 이동하기 위해 블로어만 필요하기 때문에 흔히 기존의 중앙 난방 또는 에어컨 시스템에 대한 실행 가능하고 경제적인 대안 또는 보충물이다. 이는 설비 환기 공기의 부분 또는 완전 냉각 및/또는 난방 중 하나에 사용된다. 이들의 사용은 건물이 패시브 하우스 표준 또는 LEED 인증을 충족하도록 도울 수 있다.

지구-공기 열 교환기는 지난 수십 년간 미국의 농업 시설(동물 건물)과 원예 시설(온실)에서 사용되어 왔으며, 수천 년 동안 고온 건조 지역의 태양 굴뚝과 함께 사용되어 왔으며, 아마도 페르시아 제국에서 시작되었을 것이다. 가정용 환기 시스템의 공기를 예열하기 위해 오스트리아, 덴마크, 독일의 추운 기후뿐만 아니라 인도에서도 이러한 시스템의 구현이 1990년대 중반 이후 상당히 보편화되었고, 북미에서도 서서히 채택되고 있다.

접지 결합형 열 교환기는 열 전달 유체로 물 또는 부동액을 사용할 수도 있으며, 지열 열 펌프와 함께 사용할 수도 있다. 예를 들어 다운홀 열 교환기를 참조하십시오. 이 글의 나머지 부분은 주로 지구-공기 열교환기 또는 지구관을 다룬다.

패시브 디자인

패시브 접지 결합 열 교환은 일반적인 전통적인 기술이다. 바람, 비, 부력 구동 대류(태양열 가열 및 증발, 복사 또는 전도성 냉각의 선택적 엔지니어링 영역)에 의해 발생하는 압력 차이를 이용하여 순환을 유도한다.

디자인

열 회수 환기(흔히 흙 대 공기 열 교환기를 포함)는 독일의 passivhaus 표준을 달성하기 위해 필수적이다.
흙으로 덮이기 전의 접지 파이프

지구-공기 열 교환기는 날씨 게이지 데이터를 사용하여 여러 소프트웨어 응용 프로그램을 사용하여 성능을 분석할 수 있다. 이러한 소프트웨어 애플리케이션에는 GEA, AWADUKT 써모, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM 등이 포함된다. 그러나 수많은 토공기 열교환기 시스템이 부적절하게 설계되고 건설되어 설계 기대치를 충족시키지 못했다. 지구-공기 열 교환기는 완전한 난방이나 냉방보다는 공기 전처리에 가장 적합한 것으로 보인다. 공기원 열펌프나 지상원 열펌프를 위한 공기의 전처리는 종종 최고의 투자 수익을 제공하며, 설치 후 1년 이내에 간단한 투자회수를 달성하는 경우가 많다.

대부분의 시스템은 대개 지름이 100~600mm(3.9~23.6인치), 매끄러운 벽(응축 습기와 곰팡이가 쉽게 끼지 않도록), 강직성 또는 반강성 플라스틱, 플라스틱 코팅 금속 파이프 또는 내부 항균층으로 코팅된 플라스틱 파이프, 1.5~3m(4.9~9.8ft)를 주변 지구 온도계가 있는 지하에 매립한다.re는 대부분의 인간이 사는 온대지방에서 1년 내내 10~23°C(50~73°F)이다. 지면 온도는 깊이와 함께 더욱 안정된다. 직경이 작은 관은 공기를 이동시키는 데 더 많은 에너지를 필요로 하며, 접지 접촉 표면적이 적다. 관이 클수록 공기 흐름이 느려져 에너지 전달 효율도 높아지고 양도량도 훨씬 많아져 짧은 시간 내에 공기 교환이 더 많아질 수 있다. 예를 들어, 악취나 연기의 건축물을 제거하고자 하지만 배관 벽에서 공기 중으로 열 전달이 더 원활하지 못하다. 늘어난 거리

팬으로 공기를 밀어내는 것보다 긴 튜브를 통해 공기를 끌어내는 것이 더 효율적이라는 의견도 있다. 태양열 굴뚝은 자연 대류(따뜻한 공기 상승)를 사용하여 진공 상태를 만들어 가장 큰 직경의 냉각 튜브를 통해 여과된 수동 냉각 튜브 공기를 끌어들일 수 있다. 자연 대류는 태양열 팬을 사용하는 것보다 느릴 수 있다. 튜브를 제작할 때 90도의 날카로운 각도는 피해야 한다 – 45도의 두 개의 굴곡은 덜 동요되고 더 효율적인 공기 흐름을 생성한다. 매끄러운 벽면 튜브는 공기를 이동하는데 더 효율적이지만 에너지 전달에는 덜 효율적이다.

폐쇄 루프 설계, 개방형 '신선한 공기' 시스템 또는 조합의 세 가지 구성이 있다.

  • 폐쇄 루프 시스템: 가정 또는 구조물 내부로부터의 공기는 일반적으로 30~150m(98~492ft)의 관을 통해 송풍된다. 여기서 관은 거의 지구 온도로 감속된 후 가정 또는 구조물 전체에 도관을 통해 분배된다. 폐쇄 루프 시스템은 개방 시스템보다 공기 냉각이 더 효과적일 수 있다(대기 온도가 극한일 때). 이는 같은 공기를 냉각시키고 순환시키기 때문이다.
  • 개방형 시스템: 외부 공기는 공기를 식히거나 예열하기 위해 여과된 공기 흡입구(최소효율 보고 값 MERV 8+ 공기 필터 권장)에서 흡입한다. 튜브는 일반적으로 홈으로 들어가는 30m(98ft) 길이의 직선 튜브이다. 에너지 회수 환기 장치가 결합된 개방 시스템은 폐쇄 루프(80~95%), 거의 효율적일 수 있으며, 신선한 공기 유입을 여과하고 담금질할 수 있다.
  • 조합 시스템: 이는 외부 환기 요건에 따라 폐쇄 또는 개방 작동이 가능한 댐퍼로 구성될 수 있다. 이러한 설계는 폐쇄 루프 모드에서도 태양 굴뚝, 의류 건조기, 벽난로, 주방 또는 욕실 배기구에 의해 기압 강하가 발생할 때 많은 양의 신선한 공기를 끌어들일 수 있다. 외부 공기보다 여과된 수동 냉각 튜브 공기를 끌어들이는 것이 좋다.

단일 패스 접지 공기 열 교환기는 실외 공기 공급을 증가시킴으로써 기존 시스템보다 실내 공기 질을 개선할 수 있는 가능성을 제공한다. 단일 패스 시스템의 일부 구성에서는 실외 공기를 지속적으로 공급한다. 이러한 유형의 시스템은 일반적으로 하나 이상의 환기 열 회수 장치를 포함한다.

열 미로

열 미로는 지구관과 같은 기능을 수행하지만, 대개 더 큰 부피의 직진공간에서 형성되며, 때로는 건물 지하나 지하층 아래층으로 통합되기도 하며, 차례로 수많은 내부 벽으로 나누어 미로 같은 공기길을 형성하기도 한다. 공기 경로의 길이를 최대화하면 더 나은 열 전달 효과를 보장한다. 미로벽, 바닥, 분할벽의 시공은 일반적으로 높은 열 질량 주물 콘크리트와 콘크리트 블록으로 외벽과 바닥이 주변 흙과 직접 접촉한다.[1]

안전

시스템 설계에서 습도 및 관련 곰팡이 발생을 다루지 않을 경우 입주자는 건강 위험에 직면할 수 있다. 일부 현장에서는 수반이 충분히 깊고 토양의 투과성이 비교적 높은 경우 수동 배수만으로 토관의 습도를 조절할 수 있다. 수동 배수가 불가능하거나 추가적인 수분 감소를 위해 증축이 필요한 상황에서는 능동(제습기) 또는 수동(제습제) 시스템이 공기 흐름을 처리할 수 있다.

공식적인 연구에 따르면, 지구-공기 열 교환기는 건물 환기 공기 오염을 감소시킨다. 라빈드라(2004)는 "터널[지구-공기 열교환기]은 박테리아와 곰팡이의 성장을 지원하지 않고 오히려 박테리아와 곰팡이의 양을 줄여 인간이 흡입할 수 있는 공기를 더 안전하게 만드는 것으로 밝혀졌다"고 밝혔다. 따라서 EAT [지구공기터널]을 이용하면 에너지를 절약할 뿐만 아니라 박테리아와 곰팡이를 감소시켜 대기오염을 줄이는 데에도 도움이 된다는 것은 분명하다."[2] 마찬가지로, Flueckiger(1999)는 설계, 파이프 재료, 크기 및 연령이 다양한 12개의 지구-공기 열교환기를 대상으로 한 연구에서 "이 연구는 접지 결합 공기 시스템의 매립 파이프에서 잠재적인 미생물 성장을 우려하여 수행되었다. 그러나 이 결과는 유해한 성장이 발생하지 않고 생존 가능한 포자와 박테리아의 공기 중 농도가 파이프 시스템을 통과한 후 감소한다는 것을 보여준다. 또한 "이 조사에 근거하여 지면-공기 간 열 교환기의 작동은 규제되는 한 허용된다"고 밝혔다.적절한 세척 시설을 이용할 수 있는 경우 통제를 수행한다."[3]

항균 물질이 있는 토관을 사용하든 사용하지 않든 지하 냉각 튜브의 응축 배수량이 우수하고 튜브에서 응축수를 지속적으로 제거하기 위해 2~3도 등급으로 설치하는 것이 매우 중요하다. 평지의 지하실이 없는 주택에서 시행하는 경우, 외부 응축탑은 튜브가 주택으로 들어오는 곳보다 낮은 깊이와 벽면 진입점에 가까운 지점에 설치할 수 있다. 응축탑 설치는 주탑의 물을 제거하기 위해 응축수 펌프를 추가로 사용해야 한다. 지하수가 있는 주택에 설치하는 경우, 집 안에 위치한 응축 배수구가 가장 낮은 지점에 있도록 배관을 등급화한다. 어느 설치에서든 튜브는 응축탑이나 응축배수로 계속 기울어져야 한다. 모든 관절을 포함한 튜브의 내부 표면은 응축수의 흐름과 제거에 도움이 되도록 매끄러워야 한다. 골판지 또는 리브드 튜브와 거친 내부 조인트는 사용해서는 안 된다. 튜브를 함께 연결하는 이음매는 물이나 가스가 침투하지 않도록 단단히 조여야 한다. 특정 지리적 지역에서는 관절이 라돈가스 침투 방지를 하는 것이 중요하다. 코팅되지 않은 콘크리트 튜브와 같은 다공성 물질은 사용할 수 없다. 이상적으로는 항균 내부 층이 있는 접지관을 설치물에 사용하여 튜브 내 곰팡이와 박테리아의 잠재적 성장을 억제해야 한다.

효과

시설 환기 공기의 부분 또는 완전 냉방 및/또는 난방용 지상 공기 열 교환기의 구현은 혼합된 성공을 거두었다. 불행히도 이 문헌은 이러한 시스템의 적용 가능성에 대한 지나치게 일반화되어 있다. 찬성하거나 반대한다. 지구-공기 열교환기의 주요 측면은 운전의 수동적 성격과 자연계통 조건의 넓은 가변성에 대한 고려가 있다.

지구-공기 열 교환기는 초기/자본 비용뿐만 아니라 장기 운용 및 유지보수 비용에서도 매우 비용 효율적일 수 있다. 그러나 이는 위치의 위도, 고도, 주변 지구 온도, 기후-상대습습극단, 일사량, 수표, 토양 유형(열전도도), 토양 수분 함량 및 건물 외피 설계/단열 효율에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 지상 그늘이 거의 없거나 없는 건조·저밀도 토양이 가장 적은 편익을 내는 반면, 상당한 그늘이 있는 촘촘한 습기 토양이 좋은 성능을 발휘해야 한다. 느린 드립 워터링 시스템은 열 성능을 개선할 수 있다. 냉각관과 접촉하는 습한 토양은 건조한 토양보다 열을 더 효율적으로 전도한다.

지구 냉각 튜브는 지구의 주변 온도가 인간의 쾌적 온도에 접근하는 고온 습한 기후(플로리다와 같은)에서 훨씬 덜 효과적이다. 지구의 주변 온도가 높을수록 냉방과 제습에 효과가 떨어진다. 하지만, 지구는 부분적으로 시원하게 하려고,passive-solar 열 버퍼의 대체 맑은 공기 흡입구 습기를 없애다 사용할 수 있zone[4]는 세탁실, 또는solarium/온실, 특히 따뜻한 습한 공기 여름에 지쳐 있어 뜨거운 욕조, 수영 온천, 또는 실내 수영장,, 그리고 더 시원하건조기 replaceme의 공급과 같은 지역.nt 공기가 탐나다

모든 지역과 부지가 지구-공기 열교환기에 적합한 것은 아니다. 적절한 구현을 방해하거나 방해할 수 있는 조건으로는 얕은 암반, 높은 수위, 부족한 공간 등이 있다. 일부 지역에서는 냉각 또는 난방만 지구-공기 열 교환기에 의해 제공될 수 있다. 이러한 영역에서는 특히 지면의 열충전 설비를 고려해야 한다. 이중 기능 시스템(난방과 냉방 모두)에서, 온열 시즌은 냉방 시즌에 지상 열 재충전을 제공하고, 냉방 시즌에는 지상 열 재충전을 제공한다. 단, 열 저장소의 과세는 이중 기능 시스템에서도 고려되어야 한다.

방글라데시의 저명한 제약회사인 레나타 리미티드(Renata Limited)는 기존 에어컨 시스템을 보완하기 위해 지구 공기 터널 기술을 활용할 수 있는지 알아내기 위해 시범 프로젝트를 시도했다. 총 길이 60피트(약 18㎝), 내경 9인치(약 23㎝), 외경 11인치(약 28㎝)의 콘크리트 파이프를 지하 9피트(약 2㎝) 깊이에 배치하고 1.5㎾급 송풍기를 채용했다. 그 깊이의 지하온도는 약 28℃로 밝혀졌다. 터널 내 평균 공기의 속도는 약 5m/s이었다. 따라서 설계한 지하 열교환기의 성능계수(COP)는 1.5–3으로 불량했다. 그 결과는 덥고 습한 기후에서 지구-공기 열 교환기의 개념을 구현하는 것은 현명하지 못하다는 것을 당국에 확신시켰다. 주변 환경에 접근하는 온도에 접근하는 냉각 매체(지구 그 자체)는 덥고 습한 지역(동남아시아의 일부 지역, 미국의 플로리다 등)에서 그러한 원칙이 실패하는 근본 원인이다. 그러나 영국과 터키와 같은 곳에서 온 조사관들은 20세 이상의 COPs를 매우 장려하고 있다고 보고했다. 지구-공기 열교환기를 계획할 때 지하온도는 가장 중요한 것으로 보인다.

환경영향

오늘날 화석연료 매장량이 감소하고, 전기 비용이 증가하고, 대기 오염이 증가하고, 지구 온난화가 진행되고 있는 상황에서, 적절히 설계된 지구 냉각 튜브는 비열대 기후에서 기존의 압축기 기반 에어컨 시스템의 필요성을 줄이거나 제거할 수 있는 지속 가능한 대안을 제공한다. 그들은 또한 통제되고, 여과되고, 온화한 신선한 공기 섭취의 부가적인 이점을 제공하며, 이것은 특히 단단하고, 잘 보존되고, 효율적인 건물 봉투에 유용하다.

흙으로 물

지구 대 공기 열 교환기의 대안은 "물 대 지구 열 교환기"이다. 이는 일반적으로 지열 열펌프 배관이 토양에 수평으로 내장(또는 수직 소드일 수 있음)되어 지구-공기 열교환기의 유사한 깊이와 유사하다. EAHX 40m에 비해 약 80m의 지름 35mm의 파이프 길이를 사용한다. 열교환기 코일은 열회수 환기구의 공기 흡입구 앞에 위치한다. 일반적으로 브라인 액(중량 소금에 절인 물)을 열교환기 액으로 사용한다.

설치의 용이성 때문에 많은 유럽 설비들이 현재 이 설정을 사용하고 있다. 낙하 또는 배수 지점이 필요 없고 금형 발생 위험이 낮아 안전하다.

참고 항목

참조

  1. ^ "Integrating Active Thermal Mass Strategies in Responsive Buildings" (PDF). Archived from the original (PDF) on 3 July 2011. Retrieved 21 December 2012.
  2. ^ Bhattarai, Rabindra Nath; Mishra, Shailendra Kumar; Basnyat, Pawan. "USE OF EARTH AIR TUNNEL HVAC SYSTEM IN MINIMIZING INDOOR AIR POLLUTION". Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  3. ^ 마버그(독일)의 지구대공 열교환기 측정, 모델링 및 시뮬레이션 웨이백머신, 레이너 바그너, 스테판 베이젤, 아스트리드 스필러, 클라우스 바옌 필립스-유니버티테트 마르부르크(2000)에 보관
  4. ^ "Two Small Delta Ts Are Better Than One Large Delta T". U.S. DOE / ORNL Zero Energy Design Workshop. Retrieved 2007-12-23.
  • 국제에너지기구, 공기침입 및 환기센터, 환기안내서 제11호, 2006, "냉각을 위한 공기열교환기에 대한 지구이용"

외부 링크