تعيين قطر بهينه مبدل حرارتي هوا– زمين به روش تحليلي جهت كاربرد تهويه مطبوع

Determination of optimum diameter of Earth to Air Heat Exchanger by analytical method for air conditioning

در تحقيق حاضر يك مدل تحليلي جديد براي مبدل حرارتي هوا– زمين ارايه شده است. بدين منظور، معادله گذراي انرژي به كمك قضيه دوهامل براي بخش خاك حل شده و توزيع دماي خاك با استفاده از مفهوم تابع جي به دست آمده است، سپس دماي سيال خروجي از مبدل با حل معادله انرژي در راستاي طول محاسبه شده است. نتايج مدل حاضر با نتايج تجربي مقايسه شده و نسبت به ديگر مدل‌هاي موجود همخواني بهتري مشاهده شد. در ادامه با استفاده از مدل جديد به بررسي پارامتري و امكان سنجي استفاده از اين سامانه در شهر تهران در دوره عملكرد دايم سه ماهه تابستان با دو دماي ورودي مختلف به مبدل پرداخته شده است. از بررسي پارامتري مشخص گرديد كه به ازاي هر دبي‌ جرمي،‌ قطر بهينه‌ متناظر با آن براي مبدل بدست مي‌آيد. همچنين مشاهده شد كه قطر بهينه مبدل تابعي از دبي جرمي و زمان عملكرد سامانه مي‌باشد و به دماي خاك و دماي ورودي به مبدل وابسته نيست. پيشنهاد گرديد براي تامين دبي جرمي بزرگ، از چند مبدل با دبي جرمي كوچك‌تر استفاده شود كه در اين صورت دماي خروجي از مبدل كاهش مي‌يابد؛ با استفاده از مدل حاضر مي‌توان عمق و فاصله دفن مبدل‌ها از يكديگر را محاسبه نمود. همچنين مشخص گرديد كه اين سامانه براي شهرهايي با اقليم آب و هوايي كوهستاني و متوسط دماي ساليانه محيط پايين، به‌تنهايي قادر به تامين آسايش حرارتي در دوره عملكرد دايم سه ماهه تابستان مي‌باشد.

In the present study, a new analytical model for Earth to Air Heat Exchanger is presented. To this end, transient energy equation is solved employing Duhamelʹs theorem and the soil temperature distribution is achieved with the concept of G function. Then, the outlet temperature will be achieved by solving the energy equation along the length of heat exchanger. In comparison to previous models, the present results are in better agreement with those obtained experimentally. Parametric investigation and feasibility study of this system in Tehran has been done using this analytical model for summer season with two different input temperatures. Parametric investigation showed for each mass flow rate, the corresponding optimum diameter is achieved. It is observed that optimum diameter is a function of mass flow rate and operation time and independent of soil and input temperature of heat exchanger. For major mass flow rate supply, utilization of heat exchangers with minor mass flow rate is suggested; accordingly the temperature of heat exchanger is decreased. The depth and distance between heat exchangers can be calculated by the present model. It is also shown that this system can solely supply thermal comfort in continuous summer operation for cities with cold climate and low annual average temperature.