[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究提出一种基于土壤的通风系统，适用于住宅和温室建筑，通过埋地管道利用气流实现被动式加热与冷却。结果表明，该系统可将夏季最高温度降低最多15°C，冬季最低温度提升最多7°C，且相较于传统HVAC系统，空气基系统在热性能方面更优，成本更低，尤其在阿巴丹和拉什特等炎热气候地区表现更佳。

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.

研究动机与目标

• 评估利用土壤作为热能储存介质，在住宅和温室建筑中实现被动式加热与冷却的可行性。
• 分析在不同管道尺寸、流体流速和气候条件下，基于土壤的通风系统的热力学性能。
• 从初始投资和运行成本角度，对基于土壤的通风系统与传统分体式HVAC系统进行热经济性比较。
• 识别能最大化热性能与成本效率的最优系统参数（如管道直径、长度、流速）。
• 评估在气候差异显著的四个伊朗城市（德黑兰、大不里士、阿巴丹、拉什特）中，系统性能的区域差异。

提出的方法

• 建立建筑构件（墙体、地板、温室）的能量平衡方程，以模拟室内空气、建筑表面与环境之间的传热过程。
• 通过流体流速、管道直径、长度和流体类型等关键变量，模拟埋地管道的传热过程，将土壤温度作为热源或热汇。
• 应用热力学原理，建立空气在管道内流动与周围土壤之间热交换的数学模型，使用对流与导热方程。
• 通过计算建模，评估在不同城市、不同管道几何形状和气流速率下的系统性能。
• 通过比较基于土壤系统的初始投资与电力成本，与传统分体式HVAC系统进行热经济性分析。
• 结合管道、鼓风机和电耗的实际市场价格数据，估算系统的总成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于土壤的空气通风系统在降低住宅和温室建筑夏季最高温度及提升冬季最低温度方面的效果如何？
• RQ2 管道直径、长度和气流速率如何影响基于土壤的HVAC系统的热性能？
• RQ3 在不同伊朗气候条件下，基于土壤的通风系统相较于传统分体式HVAC系统具有哪些热经济性优势？
• RQ4 在何种城市特定气候条件下，基于土壤的加热与冷却系统能实现最高的性能与成本效率？
• RQ5 在相同系统配置下，空气基土壤通风系统是否比水基替代方案更有效且更具经济性？

主要发现

• 在阿巴丹，该土壤通风系统使温室夏季最高温度降低了15°C，冬季最低温度提升了4°C，优于其他城市的表现。
• 在拉什特，系统实现了夏季峰值温度降低13°C，冬季最低温度提升5°C，表明在温和潮湿气候下性能优异。
• 在德黑兰，空气基土壤通风系统使夏季峰值温度降低最多14°C，冬季加热增益达4–7°C，具体取决于地理位置。
• 提高气流速率可改善夏季冷却效果，24小时运行的鼓风机仅耗电2.85美元，远低于传统分体系统的24.08美元。
• 基于土壤的通风系统总成本在250至350美元之间，远低于传统分体式系统（含铜管与保温材料）的9,000至12,000美元。
• 在热性能方面，空气基土壤通风系统优于水基系统，能耗更低，温度调节效率更高，尤其在夏季表现更优。