Земля как способ предварительного теплового кондиционирования воздуха

Земля как способ предварительного теплового кондиционирования воздуха перед подачей в систему вентиляции - это простая и экономически выгодная технология эксплуатации огромных тепловых масс.

Инженерные системы, которые основаны на стабильности температуры грунта, внедряются повсеместно на протяжении многих лет. В экстремальных климатических условиях здания защищаются тепловой массой земли, а в Китае и Греции пещерные жилища не испытывают температурных колебаний.

Распространились наземные тепловые системы, в которых вода переносит тепловую энергию от грунта и обратно. Жидкость проходит по трубам, которые расположены в земле с постоянной температурой, или грунтовую воду поднимают из глубинных источников.

Воздушные тепловые системы, как правило, не требуют сложных технологий, не погружаются глубоко в землю и подходят для большинства строительных объектов. Реализовывать такие проекты дешевле. Однако известность воздушных тепловых систем уступает объектам на водной основе. Технология недостаточно глубоко изучена.

Принцип действия

Температура грунта намного стабильнее параметров окружающей среды. Холодный или теплый воздух, когда проходит над поверхностью земли, стремится к температуре грунта. Для этого не требуется дополнительное оборудование или действия, особенно, если в здании функционирует механическая вентиляция.

Теплопередача зависит от площади поверхности, времени контакта с землей, внешней температуры и скорости потока, которая в значительной степени определяет коэффициент теплопередачи. Эти условия часто противопоставлены друг другу, однако наиболее важной проблемой в любом случае становится турбулентность воздушного потока в зоне контакта с землей.

В типичной камере глубиной 300 мм турбулентность возникает при скорости потока всего 0,2 м/с и пропорционально уменьшается в воздуховодах большего размера или увеличивается в трубах меньшего.

Коэффициент теплопередачи в турбулентной зоне увеличивается по мере того, как ускоряется движение воздуха. Тем не менее, увеличение скорости снижает давление воздушного потока: шум вентиляторов растет и повышается потребление электроэнергии.

Анализ воздушного переноса тепла выполнить относительно просто, но оценить, как с глубиной и во времени меняется температура земли, сложно. Требуется подробное тепловое моделирование в четырех измерениях. В большинстве случаев до глубины 2-3 м чем глубже воздуховоды, тем лучше.

Тепло и холод из земли не только снижают потребление энергии зданием, но и позволяют объектам с небольшой тепловой массой работать так же, как и с большой.

Как пример, в жаркий летний день температура воздуха снаружи поднимается до 30 ⁰C, а земли - до 15 ⁰C. При коэффициенте теплопередачи 8 Вт/м²·K охлаждающий потенциал составит 120 Вт/м². Это послужит пользой зданиям в два-три этажа.

Из множества конфигураций воздушных тепловых систем наземного размещения наиболее распространены трубы в земле, лабиринты и подвалы.

Земляные трубы

Это трубы, которые закопали в землю. Недорогая технология под зданием или рядом. Предпочтительная глубина погружения - 2 м.

Теплопроводность бетонных и глиняных труб близка к грунту. Необходимо следить за тем, чтобы зимой воздух не нагревался до прохождения по заглубленным воздуховодам, так как тепло уйдет в землю.

Лабиринты и подвалы

Усиленный вариант, который задействует целую площадь здания - лабиринты и подвалы. Конструкция располагается под зданием или даже выходит за его пределы. Достаточная глубина открывает доступ к обслуживанию.

Обслуживание

Ухаживать за земляными трубами можно так же, как и за дренажными. Дефекты выявляются видеонаблюдением. Воздуховоды прокладываются с небольшим уклоном, чтобы стекал конденсат.

Лабиринты легче обслуживать, когда конструкция достаточно высокая. Важно герметизировать воздуховоды, чтобы не попала грязь и паразиты.

Производительность

Хотя подземные тепловые конструкции восстанавливают тепло зимой и дают прохладу летом, существует временной период, когда воздух, который охладился в земле, требуется повторно нагреть перед входом в здание. Эту проблема решается, если подмешивать воздух либо из наземного источника, либо непосредственно извне, чтобы сбалансировать теплопотери и уменьшить энергопотребление.

Накопление тепла в крупных подземных воздуховодах увеличат габионы, которые расширят площадь поверхности теплообмена и создадут турбулентный поток.