[論文レビュー] Feasibility study and thermoeconomic analysis of cooling and heating systems using soil for a residential and greenhouse building

Morteza Bodaghi, Kazem Esmailpour+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2023

Greenhouse Technology and Climate Control被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、埋設されたパイプを用いて空気の流れによって熱を移動させる土壌ベースの換気システムを、住宅および温室建物に適用するためのものである。結果として、夏のピーク温度が最大15°C低下し、冬の最低気温が最大7°C上昇することが示された。空気ベースのシステムは、特にアバダンやラシュトのような高温気候において、従来のHVACシステムと比較して効果的かつ低コストであることが判明した。

ABSTRACT

In the past decade, the use of renewable energy for heating and residential and greenhouse cooling structures has gained much interest due to the energy crisis, population growth, and the quantity of demand. This paper investigates heat transport and thermodynamic equations for a residential and greenhouse structure to simulate and examine the performance of a soil air conditioning system using fluid flow rate, pipe diameter, length, and fluid type features. The results show that the air-driven ventilation systems during summer outperform the rest of the HVAC systems. Moreover, decreasing the diameter and prolonging the pipeline positively affects the ventilation system's performance. In addition, the airflow rate positively correlates with our HVAC performance. We studied the performance of the air-conditioning systems in 4 cities in Iran. The Rasht's ventilation system is claimed to be the most effective for heating, and the Abadan cooling system showed outstanding results. We also compared the expenses of the soil cooling and conventional HVAC systems.

研究の動機と目的

• 住宅および温室建物における被動暖房・冷房に土壌を熱貯蔵源として使用する可能性を評価すること。
• パイプ寸法、流体流量、気候条件の変動に応じた土壌ベース換気システムの熱力学的性能を分析すること。
• 初期投資および運用コストの観点から、土壌ベース換気システムと従来のスプリットシステムHVACとの間で熱経済的比較を行うこと。
• 熱的性能とコスト効率を最大化する最適なシステムパラメータ（パイプ径、長さ、流量）を特定すること。
• 気候が異なる4つのイラン都市（テヘラン、タブリーズ、アバダン、ラシュト）における地域差を考慮した性能差を評価すること。

提案手法

• 建物部材（壁、床、温室）のエネルギー収支方程式を構築し、室内空気、建物表面、環境との間の熱移動をモデル化した。
• 流体流量、パイプ径、長さ、流体種別を主な変数として、埋設パイプを通した熱移動をシミュレートした。土壌温度を熱源または熱 Sink として用いた。
• 対流および伝導方程式を用いて、パイプ内を流れる空気と周囲の土壌との間の熱交換を熱力学的原則に基づきモデル化した。
• 異なる都市、パイプの幾何形状、空気流量を想定して、計算モデルを用いてシステム性能を評価した。
• 初期投資および電気代の観点から、土壌ベースシステムと従来のスプリットシステムHVACの間で熱経済的分析を実施した。
• パイプ、プロペラ、電気消費量の実際の価格データを統合し、システム総コストを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 土壌ベースの空気換気システムは、住宅および温室建物の夏のピーク温度をどの程度低下させ、冬の最低気温をどの程度上昇させることができるか？
• RQ2 パイプ径、長さ、空気流量は、土壌ベースHVACシステムの熱的性能にどのように影響するか？
• RQ3 異なるイランの気候条件下で、土壌ベース換気システムは従来のスプリットシステムHVACに比べてどのような熱経済的利点を示すか？
• RQ4 どの都市特有の気候条件が、土壌ベース暖房・冷房の性能とコスト効率を最も高めるか？
• RQ5 同じシステム構成において、空気ベースの土壌換気は水ベースの代替手法よりも効果的かつ経済的か？

主な発見

• アバダンでは、土壌換気システムにより夏の最高気温が15°C低下し、温室では冬の最低気温が4°C上昇した。他の都市と比較して優れた性能を示した。
• ラシュトでは、夏のピーク温度が13°C低下し、温室では冬の最低気温が5°C上昇した。これは、やや湿潤な気候条件下でも高い性能を発揮することを示している。
• テヘランでは空気ベースの土壌換気システムにより、夏のピーク温度が最大14°C低下し、ラシュトでは11°C低下した。冬の暖房効果は都市ごとに4–7°Cの上昇を示した。
• 空気流量を増加させることで夏の冷房性能が向上した。24時間運転の空気プロペラのコストは2.85ドルにとどまり、スプリットシステムの24.08ドルと比べて著しく低かった。
• 土壌ベース換気システムの総コストは250～350ドルと、銅パイプおよび断熱材を備えた従来のスプリットシステム（9,000～12,000ドル）と比較して著しく低かった。
• 空気ベースの土壌換気は、エネルギー消費量が低く、特に夏に温度制御効率が高く、水ベースのシステムを上回る熱的性能を示した。