地上接続型熱交換器

地中熱交換器は、地中から熱を捕捉したり、地中に熱を放散したりできる地中熱交換器です。これらは、ほぼ一定の地中温度を利用して、住宅、農業、工業用の空気やその他の流体を温めたり冷やしたりします。建物の空気が熱回収換気のために熱交換器に吹き込まれる場合、これらはアースチューブ（または、カナダンウェル、プロヴァンスウェル、ソーラーチムニー、アースクーリングチューブ、アースウォーミングチューブ、アースエア熱交換器（EAHE または EAHX）、空気対土壌熱交換器、アースチャネル、アースカナル、アースエアトンネルシステム、アースチューブ熱交換器、ハイポコースト、サブソイル熱交換器、サーマルラビリンス、地下空気パイプなどとも呼ばれます）と呼ばれます。

アース チューブは、コンプレッサー、化学薬品、バーナーが不要で、空気を移動させるのに送風機のみが必要なため、従来のセントラル ヒーティングシステムや空調システムの代替または補足として実行可能で経済的なシステムであることがよくあります。これらは、施設の換気空気の部分的または完全な冷却および/または加熱に使用されます。アース チューブを使用すると、建物がパッシブ ハウス基準やLEED認証を満たすのに役立ちます。

地中熱交換器は、過去数十年にわたりアメリカ合衆国の農業施設（動物舎）や園芸施設（温室）で使用されており、おそらくペルシャ帝国で始まったと思われる数千年にわたり、暑く乾燥した地域では太陽熱煙突と組み合わせて使用​​されてきました。インドやオーストリア、デンマーク、ドイツなどの寒冷な気候の地域では、1990 年代半ば以降、住宅換気システムの空気を予熱するためにこれらのシステムを導入することがかなり一般的になり、北米でも徐々に採用されつつあります。

地中結合型熱交換器では、熱伝達流体として水や不凍液も使用されることがあり、多くの場合、地熱ヒートポンプと組み合わせて使用​​されます。たとえば、ダウンホール熱交換器を参照してください。この記事の残りの部分では、主に地中空気熱交換器またはアースチューブについて説明します。

受動的な地面結合熱交換は、一般的な従来の技術です。風、雨、浮力による対流（太陽熱加熱と蒸発、放射、伝導冷却の領域を選択的にエンジニアリング）によって生じる圧力差を利用して循環を促進します。

地中熱交換器の性能は、気象計データを使用するいくつかのソフトウェア アプリケーションで分析できます。これらのソフトウェア アプリケーションには、GAEA、AWADUKT Thermo、EnergyPlus、L-EWTSim、WKM などがあります。ただし、地中熱交換器システムの多くは設計や構築が不適切で、設計上の期待を満たせていません。地中熱交換器は、完全な暖房や冷房よりも、空気の前処理に最も適しているようです。空気熱源ヒート ポンプまたは地中熱源ヒート ポンプの空気の前処理は、多くの場合、最も経済的な投資収益率が高く、設置後 1 年以内に簡単に投資回収できます。

ほとんどのシステムは通常、直径 100 ～ 600 mm (3.9 ～ 23.6 インチ) で、壁が滑らか (結露による湿気やカビが簡単に閉じ込められない) で、硬質または半硬質プラスチック、プラスチックコーティングされた金属パイプ、または内側に抗菌層がコーティングされたプラスチックパイプで構成され、ほとんどの人間が住む温帯緯度では、地中温度が年間を通じて通常 10 ～ 23 °C (50 ～ 73 °F) である地下 1.5 ～ 3 m (4.9 ～ 9.8 フィート) に埋設されます。地中温度は深さとともに安定します。直径の小さいチューブは空気を動かすのに多くのエネルギーを必要とし、地面との接触面積が少なくなります。チューブが大きいほど空気の流れが遅くなり、エネルギーの伝達効率も高まり、伝達できる量が大幅に増えるため、より短時間でより多くの空気交換が可能になります。たとえば、建物から不快な臭いや煙を除去したいが、距離が長くなるためパイプの壁から空気への熱伝達が悪くなる場合などに有効です。

ファンで空気を押し出すよりも、長いチューブを通して空気を引き込む方が効率的だと考える人もいます。ソーラーチムニーは、自然対流（暖かい空気が上昇する）を利用して真空を作り、フィルターを通したパッシブ冷却チューブの空気を最大径の冷却チューブを通して引き込むことができます。自然対流は、ソーラーファンを使用するよりも遅い場合があります。チューブの構造では、鋭角の 90 度は避けてください。2 つの 45 度曲げにより、乱流が少なく、より効率的な空気の流れが生まれます。滑らかな壁のチューブは空気の移動にはより効率的ですが、エネルギーの伝達にはより効率的ではありません。

構成には、閉ループ設計、オープン「新鮮な空気」システム、またはその組み合わせの 3 つがあります。

• 閉ループ システム: 家や建物の内部からの空気は、通常 30 ～ 150 m (98 ～ 492 フィート) のチューブの U 字型ループを通って吹き出され、地表温度近くまで下げられてから、ダクトを経由して家や建物全体に戻ります。閉ループ システムは、同じ空気を冷却および再冷却するため、オープン システムよりも空気を冷却する効果が高い場合があります (気温が極端に高い場合)。
• オープン システム: フィルター付きの空気取り入れ口 (最小効率報告値MERV 8+ の空気フィルターを推奨) から外気が取り入れられ、空気が冷却または予熱されます。チューブは通常、家屋内に届く 30 メートル (98 フィート) の長さの直線チューブです。エネルギー回収換気と組み合わせたオープン システムは、クローズド ループとほぼ同等の効率 (80 ～ 95%) を実現し、取り込まれる新鮮な空気がフィルター処理され、調整されます。
• 組み合わせシステム: 新鮮な空気の換気要件に応じて、閉じた状態または開いた状態のいずれかで動作できるダンパーを使用して構築できます。このような設計では、太陽熱煙突、衣類乾燥機、暖炉、キッチンまたは浴室の排気口によって空気圧が低下した場合、閉ループ モードでも大量の新鮮な空気を取り込むことができます。調整されていない外気よりも、フィルターされたパッシブ冷却チューブの空気を取り込む方が効果的です。

シングルパス地中熱交換器は、屋外空気の供給量を増やすことで、従来のシステムよりも室内空気の質を向上させる可能性があります。シングルパス システムの一部の構成では、屋外空気が継続的に供給されます。このタイプのシステムには、通常、1 つ以上の換気熱回収ユニットが含まれます。

共有地中熱交換器アレイは、複数の住宅で使用できるように接続されています。^[1]屋外スペースがほとんどないテラスハウスなど、個々の地中熱交換器が実現不可能な場所でも、低炭素暖房を提供できます。また、従来の地域暖房が経済的に実行可能ではない、密集した都市中心部から離れた住宅群に、暖房の脱炭素化の機会を提供することもできます。^[1]その他の利点としては、効率性の向上と資本コストの削減、住民が電力供給業者を自分で選択できる権限の拡大、世帯間のピーク負荷時間の差による交換器数の削減などが挙げられます。^[1]

熱迷路はアースチューブと同じ機能を果たしますが、通常はより大きな容積の直線空間から形成され、建物の地下室や地下の床下に組み込まれることもあります。そして、その空間は多数の内壁で区切られ、迷路状の空気経路を形成します。空気経路の長さを最大化することで、より良い熱伝達効果が保証されます。迷路の壁、床、隔壁は通常、高熱容量の鋳造コンクリートやコンクリートブロックで作られ、外壁と床は周囲の地面と直接接触しています。^[2]

システム設計で湿度とそれに伴うカビの繁殖に対処しないと、居住者が健康リスクに直面する可能性があります。一部の場所では、地下水位が十分に深く、土壌の透水性が比較的高い場合、受動排水だけで地中管内の湿度を制御できます。受動排水が実行不可能な場合、またはさらに水分を減らすために強化する必要がある場合は、能動 (除湿器) または受動 (乾燥剤) システムで空気の流れを処理することができます。

正式な研究によると、地中熱交換器は建物の換気による空気汚染を軽減する。ラビンドラ（2004）は「トンネル（地中熱交換器）は細菌や菌類の増殖を助長しないことがわかっている。むしろ、細菌や菌類の量を減らし、人間が吸い込む空気をより安全にすることがわかっている。したがって、EAT（地中空気トンネル）の使用はエネルギー節約に役立つだけでなく、細菌や菌類を減らすことで大気汚染の軽減にも役立つことは明らかだ」と述べている^。[3]同様に、フルッキガー（1999）は、設計、パイプの材質、サイズ、および年数が異なる12の地中熱交換器の研究で「この研究は、地中接続型空気システムの埋設パイプで微生物が増殖する可能性があることを懸念して実施された」と述べている。しかし、結果は、有害な成長は起こらず、空気中の生存胞子と細菌の濃度は、いくつかの例外を除いて、パイプシステムを通過した後に減少することを示しており、さらに、「これらの調査に基づいて、定期的な管理が行われ、適切な清掃施設が利用可能である限り、地上結合型地中熱交換器の運用は許容される」と述べています。^[4]

抗菌材の有無にかかわらず、地下の冷却管に優れた結露排水口があり、2 ～ 3 度の傾斜で設置され、管から結露水が絶えず除去されることが極めて重要です。平らな土地にある地下室のない家に導入する場合、外部の結露塔は、管が家に入る場所よりも低い深さで、壁の入口に近い場所に設置できます。結露塔の設置には、塔から水を除去するための結露ポンプの追加使用が必要です。地下室のある家への設置の場合、パイプは、家屋内の結露排水口が最も低い場所になるように傾斜します。どちらの設置でも、管は結露塔または結露排水口に向かって継続的に傾斜している必要があります。すべての接合部を含む管の内面は、結露水の流れと除去を助けるために滑らかでなければなりません。波形またはリブ付きの管、および粗い内部接合部は使用しないでください。チューブを接続するジョイントは、水やガスの浸入を防ぐために十分に密閉されている必要があります。特定の地域では、ジョイントがラドンガスの浸入を防ぐことが重要です。コーティングされていないコンクリートチューブなどの多孔質材料は使用できません。理想的には、チューブ内でのカビや細菌の潜在的な増殖を抑制するために、抗菌性の内層を備えたアースチューブを設備で使用する必要があります。

施設の換気空気の部分的または完全な冷却および/または加熱を目的とした地中熱交換器の導入は、成功と失敗が混在しています。残念ながら、文献には、これらのシステムの適用性に関する過度な一般化が数多くあり、賛成派と反対派の両方がいます。地中熱交換器の重要な側面は、動作の受動性と、自然システムにおける条件の幅広い変動性を考慮していることです。

地中熱交換器は、初期費用や資本費用だけでなく、長期的な運用・保守費用の面でも非常に費用対効果が高い可能性があります。ただし、これは場所の緯度、高度、地球の周囲温度、気候の極端な温度と相対湿度、太陽放射、地下水位、土壌の種類 (熱伝導率)、土壌水分含有量、建物の外装設計/断熱の効率によって大きく異なります。一般的に、乾燥した低密度の土壌で日陰がほとんどまたはまったくない場合は効果が最も少なく、日陰がかなりある高密度の湿った土壌では効果は良好です。ゆっくりと滴下する散水システムにより、熱性能が向上する場合があります。冷却管と接触している湿った土壌は、乾燥した土壌よりも熱を効率的に伝導します。

地球冷却チューブは、地球の周囲温度が人間の快適温度に近づく高温多湿の気候（フロリダなど）では、効果が大幅に低下します。地球の周囲温度が高くなるほど、冷却と除湿の効果は低下します。ただし、洗濯室やサンルーム/温室（特に温水浴槽、スイムスパ、屋内プールなどがある場所）などのパッシブソーラー熱緩衝地帯^[5]エリアの交換用新鮮な空気取り入れ口を部分的に冷却および除湿するために地球を使用することができます。これらのエリアでは、夏には暖かく湿った空気が排出され、より冷たく乾燥した交換用空気の供給が望まれます。

すべての地域や場所が地中熱交換器に適しているわけではありません。適切な導入を妨げたり不可能にしたりする可能性のある条件には、浅い岩盤、高い地下水位、不十分なスペースなどがあります。地域によっては、地中熱交換器で冷房または暖房しかできない場合があります。これらの地域では、地熱補給の備えを特に考慮する必要があります。二重機能システム (暖房と冷房の両方) では、暖かい季節に涼しい季節のための地熱補給が行われ、涼しい季節に暖かい季節のための地熱補給が行われますが、二重機能システムでも蓄熱層に過度の負担がかかることを考慮する必要があります。

化石燃料の埋蔵量減少、電気料金の上昇、大気汚染、地球温暖化が進む今日、適切に設計された地中冷却管は、非熱帯気候において従来のコンプレッサーベースの空調システムの必要性を減らす、あるいはなくす持続可能な代替手段を提供します。また、電力網のバランスをとって、他の再生可能エネルギー源からの変動する供給をサポートするのにも役立ちます。^[1]また、制御され、濾過された、適度な新鮮な空気を取り入れるという追加の利点もあり、これは気密性が高く、耐候性に優れた効率的な建物の外壁で特に貴重です。

地中熱交換器の代替として、水から地中熱交換器があります。これは通常、地中熱交換器と同程度の深さまで地中に水平に埋め込まれた地熱ヒートポンプチューブ（または垂直ゾンデ）に似ています。直径 35 mm のパイプの長さは、EAHX の 40 m と比べて約 2 倍の長さ、たとえば約 80 m です。熱交換器コイルは、熱回収換気装置の空気入口の前に配置されます。通常、熱交換器の流体として塩水（塩分濃度の高い水）が使用されます。

ヨーロッパの多くの施設では、設置が簡単なため、現在このセットアップを採用しています。落下や排水ポイントは必要なく、カビのリスクが軽減されるため安全です。

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• 国際エネルギー機関、空気浸透および換気センター、換気情報ペーパー No. 11、2006、「冷却用地中熱交換器の使用」

• エネルギー節約: 地球冷却チューブ (米国エネルギー省) 2010-01-05 にWayback Machineでアーカイブ