مقدمه

Earth Tubes (E-tube) یک فناوری غیرفعال است که انتقال انرژی منبع زمینی را برای گرم کردن یا خنک کردن هوای تهویه امکان پذیر می کند. در واقع میتوان گفت لوله های استانداردی هستند که در زیر زمین قرار گرفته و دمای هوای ورودی را قبل از ورود به ساختمان پیش شرط می کنند  و درنهایت انرژی مورد نیاز برای گرم کردن ساختمان در زمستان یا خنک کردن آن در تابستان را کاهش می دهند و کیفیت هوای داخلی را برای داشتن محیطی مطبوع فراهم می کنند. لوله های زمینی ، مبدل های حرارتی هوا و زمین (EAHX) ،لوله های زمینی ، مبدل های حرارتی متصل به زمین ، کانال های زمینی ، تونل هوا - زمین یا سیستم لوله ها نیز نامیده می شوند.

 سیستم تهویه لوله های زیر زمینی (E-tube)

امروزه  همه ما از افزایش هزینه های تامین انرژی مورد نیاز ساختمان ها توسط منابع تجدید ناپذیر و مضرات آن آگاه هستیم ،بنابراین؛ همه جهان در حال حرکت به سمت زندگی پایدارهستند. در این حالت مبدل حرارتی Earth Tube بهترین انتخاب برای مرکز تهویه مطبوع است. Earth-tube ها  لوله هایی از جنس فلز یا پلاستیک و یا گاها بتنی (در گذشته خاکی) طولانی هستند ، که در زیر زمین با عمق معین کاشته شده و هوا از طریق آن کشیده می شود.(تصویر شماره1) وقتی هوا از طریق لوله عبور می کند ،در تماس با  خاک اطراف قرار گرفته  وطی فرایند رسانش به لوله و سپس جریان همرفتی دمای هوای داخل لوله ؛به اتاق وارد می شود مقداری از آن را رها کرده یا دریافت می کند و باز میگردد و این چرخه موجب ایجادهوای مطبوع در طول دوره با توجه به فصل موجود می شود.گاها در این مسیر از فن هایی جهت تسهیل این روند نیز استفاده میشود.

انواع سیستم های E-tube

سیستم های E-tube را می توان به دو صورت سیستم حلقه باز یا سیستم حلقه بسته افزایش کارایی و کاهش مشکل رطوبت در لوله ها می شود. سیستم E-tube را می توان به عنوان یک سیستم ترکیبی به سیستم گرمایش / سرمایش دیگری متصل کرد.

مزایای استفاده از سیستم های E-tube

مدت هاست شناخته شده است که زمین دارای یک ظرفیت انرژی عظیم است. زمین را می توان به عنوان فرو رفتن گرما در طول تابستان و به عنوان منبع گرما در دوره زمستان استفاده کرد. به دلیل اینرسی حرارتی زیاد خاک ، نوسانات دما در سطح زمین در زمین کاهش یافته و تاخیر زمانی بین سطح و دمای زمین با عمق افزایش می یابد. بنابراین در عمق کافی، دمای زمین کمتر از دمای خارج در تابستان و در زمستان بیشتر است. وقتی هوای محیط مستقیماً از طریق لوله های مدفون در عمق خاصی کشیده می شود ، هوای خروجی در تابستان خنک می شود و در زمستان گرم می شود. بسته به دمای محیط محل ، می توان از سیستم های E-tube برای خنک سازی در تابستان و هم استفاده کرد.
 

بر اساس آمار های ثبت شده در جهان و به صورت میانگین در اغلب اقلیم های اجرا شده ؛ در ساختمان ها بیش از 40٪ انرژی مصرفی ساختمانها با هدف  ایجاد گرمایش و سرمایش و در صدد کاهش بار مصرفی با استفاده از سیستم  های فعال ما به سمت یک منبع تجدید پذیر حرکت کرده ایم.مبدلهای حرارتی لوله زیر زمینی کار اساسی را در این زمینه انجام می دهند .

این مبدل ها ازاصول انتقال حرارت و از انرژی زمین گرمایی برای تهویه مطبوع استفاده می کنند.

  به صورت کلی هدف ما از اجرای اینگونه سیستم ها:

           1-یافتن راه حل جایگزین برای گرمایش فعال و سیستم خنک کننده مانند تهویه مطبوع ، بخاری.

           2-بهره گیری از محیط اطراف ساختمان و دمای زمین.

           3-حرکت به سمت جایگزینی منابع تجدید پذیر انرژی.

           4- پرداختن به فناوری که بیشتر دوستدار محیط زیست باشد.

           5- کاهش مصرف انرژی توسط گرمایش وسیستم های خنک کننده

عوامل موثر بر عملکرد سیستم های E-tube

طبق مطالعات نظری و تجربی عوامل مختلفی می توانند بر طراحی و عملکرد سیستم E-tube تأثیر بگذارند. پارامترهایی که بر طراحی و عملکرد E-tube ها تأثیر می گذارد عبارتند از: عمق لوله، طول لوله، قطر لوله، سرعت هوا، سرعت جریان هوا، مواد لوله، آرایش لوله، سیستم حلقه، شرایط آب و هوایی و موقعیت جغرافیایی و خصوصیات خاک بستگی دارد. قطر کوچکتر و طول بیشتر عملکرد حرارتی بهتری دارد اما منجر به افت فشار بیشتر و افزایش نیاز به انرژی فن می شود. افزایش قطر منجر به کاهش سرعت هوا و انتقال گرما می شود. بنابراین، عوامل اقتصادی و طراحی باید متعادل باشند تا بهترین عملکرد را با کمترین هزینه برای طول و قطر پیدا کنند. خاکهایی با هدایت حرارتی بالا ، چگالی بالا و ظرفیت حرارتی بالا برای   E-tube مناسب هستند. خاک مرطوب برای انتقال حرارت خاک به هوا از خاک خشک بهتر است. میزان بسیار بالای هوا باعث کاهش عملکرد سیستم می شود. با افزایش سرعت هوا، دمای خروج کاهش می یابد. علاوه بر این افزایش میزان فشار هوا باعث افت فشار بیشتر و نیاز به انرژی بیشتر برای فن می شود. دبی بالا برای سیستم های بسته مطلوب است. اما باید با در نظر گرفتن ظرفیت خنک کننده یا گرمایش کل سیستم های باز انتخاب شود. مواد لوله باید بر اساس هزینه ، مقاومت ، مقاومت در برابر خوردگی و دوام انتخاب شوند. با این حال ، مواد لوله تأثیر کمی بر عملکرد E-tube دارد. فاصله بین لوله ها باید به اندازه کافی باشد تا لوله ها از نظر حرارتی مستقل باشند ومزایای آنها به حداکثر برسند.

روش های اجرایی و محاسبه سیستم های E-tube

حاصل شد که، آب و هوای گرم و خشک بهترین مکان برای خنک سازی است ، اما مکان هایی با آب و هوای معتدل ​​و سرد برای E-tube در دوره تابستان مناسب نیستند. افزایش عمق دفن باعث افزایش شیب دما و از این رو میزان تبادل انرژی می شود. دفن لوله ها تا حد ممکن عمیق، ایده آل است. عمق بین 2 متر تا 3 متر برای اغلب موارد مناسب است ، علاوه بر آن می توان در سیستم یک لوله ای یا سیستم لوله های موازی استفاده کرد. برای تأمین نیازهای تهویه مطبوع ،به جای لوله های بیش از حد بزرگ ؛ سیستم لوله های موازی گزینه عملی تر است و افت فشار را کاهش و عملکرد حرارتی را افزایش می دهد. طرح لوله در زمین نیز مهم است. با توجه به طرح لوله در زمین ، چهار نوع مختلف وجود دارد: افقی- مستقیم ، حلقه ای عمودی ، حلقه ای شلخته -مارپیچی و حلقه ای برکه - حلزونی حلزونی.

در زمینه طراحی سیستم های E-tube ، مدل سازی نظری و تجزیه و تحلیل عددی و تجربی مبدل های حرارتی هوا و زمین و کاربردهای واقعی آنها متمرکز شده است . پارامترهای موثر بر سیستم E-tube پیچیده هستند و هر سیستم E-tube باید جداگانه تجزیه و تحلیل شود.