[تجهیزات انتقال حرارت] - مبدل حرارتی متصل به زمین - ground-coupled heat exchanger

[P O U R I A]

مبدل حرارتی کوپل با زمین (ground-coupled heat exchanger) نوعی مبدل حرارتی زیر زمینی است که می‌تواند حرارت را از زمین بگیرد یا به آن پس بدهد.


مبدل‌های حرارتی زمینی، از دمای زیر زمین برای گرمایش یا سرمایش هوا یا سیالات دیگر برای کاربردهای مسکونی، کشاورزی یا صنعتی استفاده می‌کنند. اگر هوای ساختمان برای ونتیلاسیون بازیاب حرارتی (heat recovery ventilation) از میان یک مبدل حرارتی عبور کند، به این مبدل حرارتی، تیوب‌های زمینی (earth tubes) یا تیوب‌های سرمایش زمینی (earth cooling tubes) یا تیوب‌های گرمایش زمینی (earth warming tubes) یا مبدل‌های حرارتی زمین-هوا (earth-air heat exchangers) یا EAHE یا EAHX گفته می‌شود. این سیستم‌ها دارای نام‌های مختلف دیگری نیز هستند که شامل مبدل حرارتی هوا به خاک (air-to-soil heat exchanger)، هیپوکاست (hypocausts)، مبدل حرارتی زیر خاکی (subsoil heat exchangers)، لابیرنت‌های گرمایی (thermal labyrinths)، لوله‌های هوای زیر زمینی (underground air pipes) و مانند آن می‌شود.


تیوب‌های هوایی اغلب یک جایگزین مناسب و اقتصادی و یا تکمیلی برای سیستم‌های گرمایش مرکزی (central heating) و تهویه مطبوع (air conditioning) است زیرا نیاز به کمپرسور، مواد شیمیایی و یا مشعل ندارند و تنها نیاز به دمنده‌هایی برای حرکت دادن هوا دارند. این مبدل‌ها می‌توانند به ساختمان‌ها کمک کنند تا به استانداردهای خانه خنثی (passive house standards) دسترسی پیدا کنند.


مبدل‌های حرارتی زمین-هوا از گذشته‌های دور و احتمالا از زمان شروع امپراتوری پارس، با نام بادگیر در مناطق گرم به همراه دودکش‌های خورشیدی (solar chimneys) مورد استفاده قرار می‌گرفتند. استفاده از این سیستم‌ها در استرالیا، دانمارک، آلمان و ایتالیا از اواسط دهه 1990 تا حد زیادی رایج شد و اکنون به آرامی در حال گسترش در آمریکای شمالی است.



مبدل‌های حرارتی زمینی همچنین می‌توانند از آب یا ضد یخ به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده کنند که اغلب به همراه پمپ حرارتی ژئوترمال (geothermal heat pump) می‌باشد.


تاکنون تعداد زیادی مبدل حرارتی زمین-هوا (earth-air heat exchanger) به صورت نامناسبی طراحی و ساخته شده‌اند و از برآورده کردن انتظارات باز مانده‌اند. مبدل‌های حرارتی زمین-هوا برای پیش پردازش هوا بیش‌تر مناسب هستند تا گرمایش و سرمایش کامل آن. پیش پردازش هوا به همراه یک پمپ حرارتی با منبع هوایی (air-source heat pump) یا پمپ حرارتی با منبع زمینی (ground-source heat pump) اغلب بهترین بازگشت سرمایه با دوره یک سال پس از نصب را به همراه خواهد داشت.

 

[P O U R I A]

بیش‌تر سیستم‌های زمین-هوا با قطر 100 تا 600 میلی‌متر، دیواره صاف برای جلوگیری از گیر افتادن رطوبت و کپک زدن، پلاستیک صلب یا نیمه صلب، لوله‌های فلزی با پوشش پلاستیکی یا لوله‌های پلاستیکی دارای پوشش داخلی آنتی‌باکتریال، با عمق دفن 1.5 تا 3 متر زیر زمین در جایی که دمای محیط در تمام سال از10 تا 23 درجه سانتی‌گراد است ساخته می‌شوند. هرچه عمق زیادتر شود،‌ دمای زمین پایدارتر می‌شود.


تیوب‌های با قطر کم‌تر نیازمند انرژی بیش‌تری برای به حرکت در آوردن هوا و سطح تماس کم‌تری با زمین هستند. تیوب‌های بزرگ‌تر امکان جریان هوای آهسته‌تر را می‌دهند که امکان انتقال حرارت کاراتری را می‌دهند و امکان انتقال حجم‌های بیش‌تری را می‌دهند که باعث می‌شود در زمان کوتاه‌تر، هوای بیش‌تری جابه‌جا شود که این در زمانی که قرار است دود یا گازهای نامطلوب را از یک ساختمان دور کنیم قابل توجه خواهد بود. کاراتر این است که هوا را از درون یک تیوب بلند بکشیم و سپس آن را با یک فن هل دهیم. یک دودکش خورشیدی می‌تواند از جابه‌جایی طبیعی (natural convection) و بالا رفتن هوای گرم استفاده و یک خلاء برای کشیدن هوای خنثی کولینگ از میان تیوب‌های کولینگ با قطر بالا فراهم کند. جابه‌جایی طبیعی با دودکش خورشیدی نسبت به یک فن با برق خورشیدی کندتر است. باید در ساخت تیوب از زاویه‌های تند 90 درجه‌ای پرهیز کرد. دو زانویی 45 درجه‌ای توربولانس کم‌تر و جریان هوای بهتری ایجاد می‌کنند. تیوب‌های دارای دیواره صاف با این که در جابه‌جایی هوا کاراتر هستند، در انتقال انرژی ضعیف‌تر عمل می‌کنند.



یک جایگزین برای مبدل حرارتی زمین به هوا، مبدل حرارتی آب به زمین (water to earth heat exchanger) است که مشابه با تیوب‌های افقی پمپ حرارتی ژئوترمال است که در زمین قرار داده شده‌اند (و یا می‌تواند به صورت سوند‌های عمودی باشد) و عمق آن همانند مبدل حرارتی زمین-هوا است. این مبدل حرارتی به صورت معمول دارای طول دو برابر و قطر لوله 35 میلی‌متر است؛ به عنوان مثال در مقایسه با EAHX به طول 40 متر، طول آن 80 متر خواهد بود. یک مبدل حرارتی کویلی قبل از ورود هوا به ونتیلاتور بازیافت حرارتی قرار می‌گیرد. معمولا آب نمک غلیظ مایع به عنوان سیال در مبدل حرارتی به کار می‌رود. امروزه این تجهیزات به دلیل سادگی در اروپا طرفدار زیادی پیدا کرده است. نیاز به هیچ محل درین ندارند و دارای خطر کپک زدن نیستند.