| Abstract | Izmjenjivač topline zemlja-zrak preuzima toplinu iz temperaturno stabilnog i široko dostupnog
toplinskog izvora – tla, a kako bi se ista koristila za predpripremu zraka za potrebe ventilacije
prostora. Sam izmjenjivač odlikuje jednostavna izvedba u obliku cijevi, kroz koju struji zrak, a
koja preko stijenke ostvaruje kontakt s tlom. Tlo ima u sezoni grijanja višu temperaturu od
zraka koji struji kroz izmjenjivač, pa se toplina prenosi s tla na stijenku cijevi kondukcijom, a
zatim konvekcijom na zrak koji struji kroz izmjenjivač. Za potrebe analize takvog izmjenjivača
razvijen je i implementiran model u računalnom programu MATLAB®. Domenu modela čine
tlo, cijev ukopana u tlo i zrak koji struji kroz cijev. Podjela domene u elemente, oblika
prilagođenog geometriji domene, vrši se automatski prema zadanom broju elemenata i veličini
razmatrane domene tla. Svaki element domene definiran je s fizikalnim i termodinamičkim
svojstvima materijala koji ga sačinjava. Veličina pojedinog elementa, zajedno sa svojstvima
materijala, određuje masu, toplinski otpor i toplinski kapacitet elementa. Ove karakteristične
veličine, zajedno sa temperaturom, određuju i toplinsku bilancu elementa u svakom
vremenskom trenutku, a time i prijenos topline između susjednih elemenata. U svakom
vremenskom koraku, temperatura svih elemenata ovako diskretiziranog modela izmjenjivača
zemlja-zrak računa se metodom konačnih razlika unatrag, matričnim množenjem inverza
matrice koeficijenata i vektora konstanti. Na temelju analize utjecaja parametara diskretizacije,
određen je vremenski korak između 30 i 300 s i broj elemenata između 2000 i 4000, za
parametarsku analizu izmjenjivača i simulaciju rada istog u karakterističnom tjednu, a pri tom
uvažavajući potrebe za točnosti rješenja i trajanje simulacije. Materijal cijevi izmjenjivača je s
gledišta izmjene topline, parametar koji ne utječe znatno na prijenos topline, pošto cijev
izmjenjivača u pravilu ima mali otpor prolazu topline i dimenzije s obzirom na domenu, dok s
tehno-ekonomskog gledišta odabir materijala znatno utječe na ostale zahtjeve koje sustav mora
ispunjavati, kao što su higijena, trajnost i održavanje. Brzina strujanja zraka u cijevi direktno je
povezana sa ventilacijskim i toplinskim zahtjevima građevine za koju je sustav namijenjen.
Volumenski protok zraka je zadani parametar, kojem se dimenzije cijevi i duljina izmjenjivača
moraju prilagoditi za postizanje optimalne izmjene topline, s obzirom na troškove ugradnje i
pogona. Stoga se izmjenjivač dimenzionira za male brzine strujanja, od 1 do 3 ms-1. Prijelaz
topline s tla na zrak koji struji kroz izmjenjivač, ovisi o brzini strujanja, koja određuje
koeficijent prijelaza topline na strani zraka, i veličini cijevi, odnosno površini izmjene topline.
Ove dvije stavke se trebaju tako odrediti, kako bi se postigla najveća vrijednost izmijenjene
topline. Na prijenos topline može se efikasno utjecati i primjenom višecijevnog izmjenjivača,
gdje se prijenos topline ostvaruje uz veće brzine strujanja, uz istovremeno povećanje površine
izmjene topline. Ugradnja višecijevnog izmjenjivača zahtijeva ujedno i veću dostupnu površinu
za ugradnju, dok istovremeno pada vrijednost toplinskog toka po metru cijevi izmjenjivača.
Analizom simulacije rada izmjenjivača s realnim karakterističnim rubnim i početnim uvjetima,
kao najbitniji parametri rada pokazali su se duljina izmjenjivača i brzina strujanja zraka u
izmjenjivaču. Duljina izmjenjivača određuje maksimalnu vrijednost izmijenjene topline, a
brzina strujanja zraka snagu za pogon ventilatora, odnosno jedinu komponentu sustava u ovoj
konfiguraciji koja troši električnu energiju. |
| Abstract (english) | A ground-to-air heat exchanger takes heat from a temperature-stable and widely available heat
source - the ground and uses it for the preliminary preparation of air for needs of building
ventilation. The exchanger itself is characterized by a simple design in the form of a pipe,
through which the air flows and interacts with the ground through the pipe wall. During heating
season, ground has a higher temperature than the air flowing through the exchanger, so heat is
transferred from the ground to the pipe wall by conduction, and then by convection to the air
flowing through the exchanger. For the purposes of analysing such an exchanger, a model was
developed and implemented in MATLAB® computer program. The model domain consists of
the soil, a pipe buried in the ground and air flowing through the pipe. Division of the domain
into elements, the shape of which is adapted to the domain geometry, is done automatically
according to a given number of elements and the size of the analysed soil domain. Each domain
element is defined with its material’s physical and thermodynamic properties. Element volume,
together with material properties, determines mass, thermal resistance, and thermal capacity of
an element. These characteristic values, together with temperature, determine an element’s heat
balance at every moment in time, and thus the heat transfer between neighbouring elements. In
each time step, discretized earth-air exchanger element temperatures, in this model, are
calculated using the backward finite difference method, by matrix multiplication of the inverse
matrix of coefficients and the constants vector. Based on the analysis of the discretization
parameters influence, a time step between 30 and 300 s and number of elements between 2000
and 4000 were determined for the parametric analysis of the exchanger and the simulation of
its operation in a typical week, while taking into consideration the accuracy of the solution and
the duration of the simulation. Heat exchanger pipe material is, from the point of view of heat
exchange, a parameter that does not significantly affect heat transfer, since the heat exchanger
pipe, as a rule, has a small resistance to heat transfer and smaller dimensions in relation to the
domain, while from a technical and economic point of view, the choice of pipe material
significantly affects other requirements that a system must meet, such as hygiene, durability
and maintenance. Air flow speed in a pipe is directly related to building ventilation and thermal
requirements for which a system is designed. Volumetric air flow is a given parameter, to which
pipe dimensions and heat exchanger length must be adapted to achieve optimal heat transfer,
considering installation and operation costs. Therefore, an exchanger is dimensioned for low
air flow velocities, from 1 to 3 ms-1. Heat transfer from ground to air flowing through an
exchanger depends on air flow speed, which determines the air heat transfer coefficient, and
pipe size, i.e. heat exchange surface. These two values should be determined in such a way, to
achieve the highest transferred heat value. Heat transfer can be effectively influenced by using
a multi-pipe exchanger, where heat transfer is achieved with higher air flow speeds, while
simultaneously increasing heat exchange surface. Installation of a multi-tube exchanger
requires a larger available installation area, while at the same time the value of heat flow per
meter of an exchanger tube decreases. By analysing a simulation of heat exchanger's operation
with realistic characteristic boundary and initial conditions, length of the exchanger and air flow
speed in an exchanger were shown to be the most important operating parameters. Length of
an exchanger determines the maximum value of exchanged heat, and air flow speed determines
the power consumption of a fan, which is the only component of the system in this configuration
that consumes electricity. |
