Trocador de calor aterrado - Ground-coupled heat exchanger

Este artigo é sobre tubos de terra. Para o loop de aterramento de uma bomba de calor, consulte Bomba de calor de fonte aterrada .
Um qanat e coletor de vento usados ​​como duto de aterramento, tanto para acoplamento de aterramento quanto para resfriamento evaporativo. Nenhum ventilador é necessário; a sucção a sotavento da torre eólica puxa o ar para cima e para fora.

Um trocador de calor acoplado ao solo é um trocador de calor subterrâneo que pode capturar calor e / ou dissipar calor para o solo. Eles usam a temperatura subterrânea quase constante da Terra para aquecer ou resfriar o ar ou outros fluidos para usos residenciais, agrícolas ou industriais. Se o ar do edifício é soprado através do trocador de calor para ventilação de recuperação de calor , eles são chamados de tubos de terra (também denominados tubos de resfriamento de terra, tubos de aquecimento de terra, trocadores de calor terra-ar (EAHE ou EAHX), trocador de calor ar-solo, terra canais, canais de terra, sistemas de túnel de ar terra, trocador de calor de tubo de aterramento, hipocaustos , trocadores de calor de subsolo, labirintos térmicos, tubos de ar subterrâneos e outros).

Os tubos de terra são frequentemente uma alternativa viável e econômica ou um suplemento aos sistemas convencionais de aquecimento central ou ar condicionado , uma vez que não há compressores, produtos químicos ou queimadores e apenas ventiladores são necessários para mover o ar. Eles são usados ​​para resfriamento parcial ou total e / ou aquecimento do ar de ventilação da instalação. Seu uso pode ajudar os edifícios a atender aos padrões da Passive House ou à certificação LEED .

Trocadores de calor terra-ar têm sido usados ​​em instalações agrícolas (edifícios de animais) e instalações de horticultura (estufas) nos Estados Unidos da América nas últimas décadas e têm sido usados ​​em conjunto com chaminés solares em áreas áridas quentes por milhares de anos, provavelmente começando no Império Persa. A implementação desses sistemas na Índia, bem como nos climas mais frios da Áustria, Dinamarca e Alemanha para pré-aquecer o ar para sistemas de ventilação doméstica, tornou-se bastante comum desde meados da década de 1990 e está sendo lentamente adotada na América do Norte.

O trocador de calor acoplado ao solo também pode usar água ou anticongelante como fluido de transferência de calor, muitas vezes em conjunto com uma bomba de calor geotérmica . Veja, por exemplo, trocadores de calor de fundo de poço . O restante deste artigo trata principalmente de trocadores de calor terra-ar ou tubos de terra.

Designs passivos

A troca de calor passiva acoplada ao solo é uma técnica tradicional comum. Ele impulsiona a circulação usando diferenças de pressão causadas por vento, chuva e convecção impulsionada por flutuabilidade (de áreas de engenharia seletiva de aquecimento solar e resfriamento evaporativo, radiativo ou condutivo).

Projeto

Ventilação de recuperação de calor, muitas vezes incluindo um trocador de calor terra-ar, é essencial para atingir o padrão alemão de passivhaus
Tubo de aterramento antes de ser coberto com solo

Trocadores de calor terra-ar podem ser analisados ​​para desempenho com vários aplicativos de software usando dados de medidores de tempo. Esses aplicativos de software incluem GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM e outros. No entanto, vários sistemas de trocadores de calor terra-ar foram projetados e construídos de maneira inadequada e não atenderam às expectativas do projeto. Trocadores de calor terra-ar parecem mais adequados para pré-tratamento de ar do que para aquecimento ou resfriamento total. O pré-tratamento do ar para uma bomba de calor de fonte de ar ou bomba de calor de fonte subterrânea geralmente fornece o melhor retorno econômico do investimento , com retorno simples geralmente alcançado dentro de um ano após a instalação.

A maioria dos sistemas são geralmente construídos com diâmetro de 100 a 600 mm (3,9 a 23,6 pol.), Paredes lisas (para que não prendam facilmente a umidade de condensação e mofo), plástico rígido ou semirrígido, tubos de metal revestidos de plástico ou tubos de plástico revestidos com camadas antimicrobianas internas, enterradas 1,5 a 3 m (4,9 a 9,8 pés) no subsolo, onde a temperatura ambiente da terra é normalmente de 10 a 23 ° C (50 a 73 ° F) durante todo o ano nas latitudes temperadas onde vive a maioria dos humanos. A temperatura do solo se torna mais estável com a profundidade. Tubos de diâmetro menor requerem mais energia para mover o ar e têm menos área de superfície de contato com a terra. Tubos maiores permitem um fluxo de ar mais lento, o que também produz uma transferência de energia mais eficiente e permite que volumes muito maiores sejam transferidos, permitindo mais trocas de ar em um período de tempo mais curto, quando, por exemplo, você deseja limpar o edifício de odores desagradáveis ​​ou fumaça, mas sofrem de transferência de calor mais pobre da parede do tubo para o ar devido ao aumento das distâncias.

Alguns consideram que é mais eficiente puxar o ar por um tubo longo do que empurrá-lo com um ventilador. Uma chaminé solar pode usar convecção natural (ar quente subindo) para criar um vácuo para puxar o ar do tubo de resfriamento passivo filtrado através dos tubos de resfriamento de maior diâmetro. A convecção natural pode ser mais lenta do que usar um ventilador movido a energia solar. Devem ser evitados ângulos agudos de 90 graus na construção do tubo - duas curvas de 45 graus produzem um fluxo de ar menos turbulento e mais eficiente. Embora os tubos de parede lisa sejam mais eficientes na movimentação do ar, eles são menos eficientes na transferência de energia.

Existem três configurações, um design de circuito fechado, um sistema de 'ar fresco' aberto ou uma combinação:

  • Sistema de circuito fechado: o ar de dentro da casa ou estrutura é soprado através de um circuito em forma de U de 30 a 150 m (98 a 492 pés) de tubo (s), onde é moderado até próximo à temperatura da terra antes de retornar para ser distribuído por canalização em toda a casa ou estrutura. O sistema de malha fechada pode ser mais eficaz para resfriar o ar (durante temperaturas extremas) do que um sistema aberto, uma vez que resfria e resfria o mesmo ar.
  • Sistema aberto: o ar externo é retirado de uma entrada de ar filtrado (o filtro de ar MERV 8+ do valor mínimo de eficiência de relatório é recomendado) para resfriar ou pré-aquecer o ar. Os tubos são normalmente tubos retos de 30 m (98 pés) de comprimento para dentro da casa. Um sistema aberto combinado com ventilação de recuperação de energia pode ser quase tão eficiente (80-95%) quanto um circuito fechado e garante que o ar fresco que entra é filtrado e temperado.
  • Sistema de combinação: pode ser construído com amortecedores que permitem a operação fechada ou aberta, dependendo dos requisitos de ventilação de ar fresco. Tal projeto, mesmo em modo de circuito fechado, pode extrair uma quantidade de ar fresco quando uma queda de pressão do ar é criada por uma chaminé solar , secadora de roupas, lareira, exaustor de cozinha ou banheiro. É melhor aspirar o ar filtrado do tubo de resfriamento passivo do que o ar externo não condicionado.

Trocadores de calor de ar de terra de passagem única oferecem o potencial de melhoria da qualidade do ar interno em relação aos sistemas convencionais, fornecendo um suprimento maior de ar externo. Em algumas configurações de sistemas de passagem única, é fornecido um suprimento contínuo de ar externo. Este tipo de sistema normalmente inclui uma ou mais unidades de recuperação de calor de ventilação.

Labirintos Térmicos

Um labirinto térmico desempenha a mesma função que um tubo de terra, mas eles geralmente são formados a partir de um espaço retilíneo de maior volume, às vezes incorporado em porões de edifícios ou sob o piso térreo, e que por sua vez são divididos por várias paredes internas para formar um caminho de ar labiríntico . Maximizar o comprimento do trajeto do ar garante um melhor efeito de transferência de calor. A construção das paredes labirínticas, pisos e paredes divisórias é normalmente de concreto moldado de alta massa térmica e blocos de concreto, com as paredes externas e pisos em contato direto com o solo circundante.

Segurança

Se a umidade e a colonização de fungos associados não forem abordadas no projeto do sistema, os ocupantes podem enfrentar riscos à saúde. Em alguns locais, a umidade nos tubos de terra pode ser controlada simplesmente por drenagem passiva se o lençol freático for suficientemente profundo e o solo tiver uma permeabilidade relativamente alta. Em situações em que a drenagem passiva não é viável ou precisa ser aumentada para maior redução da umidade, os sistemas ativo (desumidificador) ou passivo (dessecante) podem tratar o fluxo de ar.

A pesquisa formal indica que os trocadores de calor terra-ar reduzem a poluição do ar de ventilação dos edifícios. Rabindra (2004) afirma, “O túnel [trocador de calor terra-ar] não suporta o crescimento de bactérias e fungos; em vez disso, verifica-se que reduz a quantidade de bactérias e fungos, tornando o ar mais seguro para os humanos inalarem. Portanto, é claro que o uso do EAT [Earth Air Tunnel] não só ajuda a economizar energia, mas também ajuda a reduzir a poluição do ar, reduzindo bactérias e fungos. Da mesma forma, Flueckiger (1999) em um estudo de doze trocadores de calor terra-ar variando em design, material do tubo, tamanho e idade, afirmou: “Este estudo foi realizado devido a preocupações com o crescimento microbiano potencial nos tubos enterrados de ar acoplado ao solo sistemas. Os resultados, no entanto, demonstram que nenhum crescimento prejudicial ocorre e que as concentrações aéreas de esporos viáveis ​​e bactérias, com poucas exceções, até mesmo diminuem após a passagem pelo sistema de tubulação ”, e ainda afirmam,“ Com base nessas investigações, a operação do solo trocadores de calor terra-ar acoplados são aceitáveis, desde que os controles regulares sejam realizados e se as instalações de limpeza apropriadas estiverem disponíveis ”.

Seja usando tubos de terra com ou sem material antimicrobiano, é extremamente importante que os tubos de resfriamento subterrâneos tenham um excelente dreno de condensação e sejam instalados em um grau de 2-3 graus para garantir a remoção constante da água condensada dos tubos. Ao implementar em uma casa sem subsolo em um terreno plano, uma torre de condensação externa pode ser instalada em uma profundidade inferior à de onde o tubo entra na casa e em um ponto próximo à entrada da parede. A instalação da torre de condensação requer o uso adicional de uma bomba de condensado para remover a água da torre. Para instalações em casas com subsolo, os tubos são graduados de forma que o dreno de condensação localizado dentro da casa fique no ponto mais baixo. Em qualquer das instalações, o tubo deve se inclinar continuamente em direção à torre de condensação ou ao dreno de condensação. A superfície interna do tubo, incluindo todas as juntas, deve ser lisa para auxiliar no fluxo e na remoção do condensado. Tubos corrugados ou nervurados e juntas internas ásperas não devem ser usados. As juntas que conectam os tubos devem ser apertadas o suficiente para evitar a infiltração de água ou gás. Em certas áreas geográficas, é importante que as juntas evitem a infiltração do gás Radon. Materiais porosos como tubos de concreto não revestidos não podem ser usados. Idealmente, os tubos de terra com camadas internas antimicrobianas devem ser usados ​​em instalações para inibir o crescimento potencial de fungos e bactérias dentro dos tubos.

Eficácia

As implementações de trocadores de calor terra-ar para resfriamento parcial ou total e / ou aquecimento do ar de ventilação da instalação tiveram sucesso misto. A literatura está, infelizmente, bem povoada com generalizações excessivas sobre a aplicabilidade desses sistemas - a favor e contra. Um aspecto fundamental dos trocadores de calor terra-ar é a natureza passiva da operação e a consideração da ampla variabilidade das condições nos sistemas naturais.

Os trocadores de calor terra-ar podem ser muito econômicos em custos iniciais / de capital, bem como em custos de operação e manutenção de longo prazo. No entanto, isso varia amplamente dependendo da latitude do local, altitude, temperatura ambiente da Terra, extremos climáticos de temperatura e umidade relativa, radiação solar, lençol freático, tipo de solo ( condutividade térmica ), teor de umidade do solo e eficiência do exterior do edifício design / isolamento do envelope. Geralmente, solo seco e de baixa densidade com pouca ou nenhuma sombra do solo renderá o menor benefício, enquanto solo denso e úmido com sombra considerável deve ter um bom desempenho. Um sistema de irrigação por gotejamento lento pode melhorar o desempenho térmico. O solo úmido em contato com o tubo de resfriamento conduz o calor com mais eficiência do que o solo seco.

Os tubos de resfriamento da terra são muito menos eficazes em climas quentes e úmidos (como a Flórida), onde a temperatura ambiente da Terra se aproxima da temperatura de conforto humano. Quanto mais alta a temperatura ambiente da terra, menos eficaz ela é para resfriamento e desumidificação. No entanto, a terra pode ser usada para resfriar parcialmente e desumidificar a entrada de ar fresco de substituição para áreas de amortecimento térmico solar passivo , como a lavanderia ou um solário / estufa, especialmente aqueles com banheira de hidromassagem, spa ou piscina coberta , onde o ar úmido quente é exaurido no verão e um suprimento de ar de reposição mais seco e mais frio é desejado.

Nem todas as regiões e locais são adequados para trocadores de calor terra-ar. As condições que podem dificultar ou impedir a implementação adequada incluem rocha rasa, lençol freático alto e espaço insuficiente, entre outras. Em algumas áreas, apenas o resfriamento ou o aquecimento podem ser fornecidos pelos trocadores de calor terra-ar. Nessas áreas, a provisão para recarga térmica do solo deve ser especialmente considerada. Em sistemas de função dupla (aquecimento e resfriamento), a estação quente fornece recarga térmica do solo para a estação fria e a estação fria fornece recarga térmica do solo para a estação quente, embora a sobrecarga do reservatório térmico deva ser considerada mesmo com sistemas de função dupla.

Renata Limited , uma empresa farmacêutica proeminente em Bangladesh , tentou um projeto piloto tentando descobrir se eles poderiam usar a tecnologia do túnel de ar da Terra para complementar o sistema de ar condicionado convencional. Tubos de concreto com comprimento total de 60 pés (~ 18¼m), diâmetro interno de 9 polegadas (~ 23 cm) e diâmetro externo de 11 polegadas (~ 28 cm) foram colocados a uma profundidade de 9 pés (~ 2¾m) no subsolo e um soprador de 1,5 potência nominal kW foi empregada. A temperatura subterrânea nessa profundidade foi encontrada em torno de 28 ° C. A velocidade média do ar no túnel era de cerca de 5 m / s. O coeficiente de desempenho (COP) do trocador de calor subterrâneo assim projetado era pobre, variando de 1,5–3. Os resultados convenceram as autoridades de que, em climas quentes e úmidos, não é aconselhável implementar o conceito de trocador de calor Terra-Ar. O meio de resfriamento (a própria terra) estando em uma temperatura próxima à do ambiente, passa a ser a causa raiz da falha de tais princípios em áreas quentes e úmidas (partes do sudeste da Ásia , Flórida nos EUA etc.). No entanto, pesquisadores de lugares como Grã-Bretanha e Turquia relataram COPs muito encorajadores - bem acima de 20. A temperatura subterrânea parece ser de importância primordial ao planejar um trocador de calor Terra-Ar.

Impacto ambiental

No contexto da redução das reservas atuais de combustível fóssil , aumento dos custos elétricos, poluição do ar e aquecimento global , tubos de resfriamento de terra adequadamente projetados oferecem uma alternativa sustentável para reduzir ou eliminar a necessidade de sistemas convencionais de ar condicionado baseados em compressor, em climas não tropicais. Eles também fornecem o benefício adicional de entrada de ar fresco controlada, filtrada e temperada, que é especialmente valiosa em envelopes de edifícios eficientes, bem protegidos e resistentes ao clima.

Água para a terra

Uma alternativa para o trocador de calor terra-ar é o trocador de calor "água" para terra. Isso é tipicamente semelhante a uma tubulação de bomba de calor geotérmica embutida horizontalmente no solo (ou poderia ser uma sonda vertical ) a uma profundidade semelhante do trocador de calor terra-ar. Ele usa aproximadamente o dobro do comprimento do tubo de 35 mm de diâmetro, por exemplo, cerca de 80 m em comparação com um EAHX de 40 m. Uma bobina do trocador de calor é colocada antes da entrada de ar do ventilador de recuperação de calor. Normalmente, um líquido de salmoura (água com muito sal) é usado como fluido do trocador de calor.

Muitas instalações europeias agora estão usando esta configuração devido à facilidade de instalação. Nenhum ponto de queda ou drenagem é necessário e é seguro devido ao risco reduzido de mofo.

Veja também

Referências

  • Agência Internacional de Energia, Centro de Infiltração e Ventilação de Ar, Documento de Informações sobre Ventilação No. 11, 2006, "Use of Earth to Air Heat Exchangers for Cooling"

links externos