Earth tubes/지중관

지중 관은 땅속에 묻힌 관으로, 그 안을 흐르는 공기를 가열하거나 냉각합니다. 지중관은 건물 내부의 공기를 흡입하여 지하 루프를 통해 순환시킨 후 다시 건물로 되돌려 보내는 폐쇄 회로 방식이나, 외부 공기를 건물 내부로 유입시키는 개방 회로 방식, 또는 유입된 공기와 배출된 공기가 각각 다른 지중관을 통해 순환하는 역류형 개방 회로 방식 등 다양한 형태로 존재할 수 있습니다. 공기는 자연 대류를 이용한 수동 방식이나 팬(송풍기)을 이용한 능동 방식으로 순환될 수 있습니다. 공기를 가열할지 냉각할지는 외부 공기 온도와 실내 온도의 상대적인 값, 그리고 특히 지중관이 묻힌 깊이의 토양 온도에 따라 결정됩니다. 이 글에서는 주로 개방형 시스템에 대해 다룹니다.

지열-공기 열교환기(EAHX/EAHE), ^{[ 1 ]} 지열 결합 열교환기, ^{[ 1 ]} 지열 채널, ^{[ 1 ]} 지열관 열교환기(ETHE), ^{[ 2 ]} 지열-공기 열교환기(GAHE), ^{[ 3 ]}

지표면의 기온은 날씨, 낮과 밤의 주기, 계절 변화 등 여러 요인에 의해 끊임없이 변화합니다. 예를 들어, 맑은 날에는 흐린 날보다 기온이 높습니다. 반대로 밤에는 기온이 떨어집니다. 계절은 지구 자전축의 기울기 때문에 발생합니다. 온대 및 극지방에서는 1년 중 특정 기간 동안 지구 자전축이 태양 쪽으로 기울어집니다. 이때는 낮이 길어지고 단위 면적당 더 많은 열에너지를 받게 됩니다. 북반구에서는 5월, 6월, 7월이 이에 해당하고, 남반구에서는 11월, 12월, 1월이 이에 해당합니다. 6개월 후에는 같은 지역이 태양에서 멀어지면서 낮이 짧아집니다. 적도 지역은 연중 낮 시간의 변화가 크지 않습니다. 또한, 거시적 및 미시적 지형적 특징 역시 특정 지역의 기온에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

지표면 온도의 변화에 ​​따라 지구의 온도도 반응하는데, 이는 열이 토양을 통해 점진적으로 전달되기 때문입니다. 그러나 지구는 데워지고 식는 데 시간이 걸리므로 지구의 온도는 지표면 공기의 온도 변화보다 뒤처집니다(즉, 지구는 열 질량 으로 작용합니다 ). ^{[ 4 ]} 땅속으로 더 깊이 들어갈수록 토양 온도 변화가 더 깊이 스며들어야 하고, 지표면 공기 온도의 지속적인 변화는 둔화되고 합쳐지기 시작합니다. ^{[ 5 ]} 가장 중요한 것은 따뜻한 계절에는 토양 온도가 지표면 공기 온도보다 낮고, 반대로 추운 계절에는 토양 온도가 지표면 공기 온도보다 높다는 것입니다. ^{[ 6 ]}

특정 깊이에서는 겨울과 여름 사이의 온도 변화조차 평균화됩니다. 이것은 때때로 "심부 지구 일정 온도" ^{[ 5 ]} 또는 "진폭 보정 계수" ^{[ 7 ]} 라고 불립니다. 이 깊이 아래에서는 지구 내부에서 올라오는 열 때문에 지구 온도가 점차 상승하기 시작합니다. ^{[ 6 ]} 이 심부 지구 일정 온도의 정확한 측정값은 (지리적 위치에 따라) 다양합니다. 예를 들어, 미국 몬태나에서는 지하 6미터에서 온도가 연중 7도C로 안정적입니다. ^{[ 5 ]} 영국에서는 약 15미터 아래에서 8~11도C입니다. ^{[ 6 ]} 깊이는 토양 수분 수준에 따라서도 달라질 수 있습니다(건조 토양, 평균 토양, 습윤 토양의 경우 각각 4.25m, 5.5m, 6.7m). ^{[ 7 ]}

지중관을 통해 공기가 자연적으로 대류되거나 팬/송풍기를 이용해 능동적으로 이동하면, 관 주변의 공기와 토양 사이의 온도 차이가 점차 해소됩니다. 실제로 공기가 충분히 긴 관을 통과하면 관 내부 공기의 온도는 주변 토양의 온도에 가까워집니다.

따뜻한 계절에는 외부 공기가 지표면 아래 토양 온도보다 높습니다. 지중 냉각관으로 유입된 외부 공기는 어느 정도 냉각됩니다. 이렇게 따뜻해진 공기는 구조물 내부로 들어가 시원하고 신선한 공기를 공급합니다.

추운 계절에는 지표면 아래 토양 온도가 지표면 공기 온도보다 높기 때문에 반대 현상이 발생합니다. 즉, 지중관 내부의 공기는 내부로 들어가기 전에 따뜻해져서 환기가 되고 다른 난방 조치의 필요성을 줄여줍니다.

재료나 디자인 측면에서 표준화가 이루어지지 않았습니다. ^{[ 3 ]} 아마도 이것이 어떤 것은 작동하고 어떤 것은 작동하지 않는 이유이며, 지중관에 대한 의견이 상당히 다양한 이유일 것입니다.

개방형 시스템은 정의상 외부 공기 흡입구를 특징으로 합니다. 이를 집진기라고도 하며 ^{[ 2 ]} 수직 공기 흡입탑의 형태를 취할 수 있습니다. ^{[ 3 ]} 흡입탑에는 레인 후드가 필요합니다. ^{[ 3 ]} 곤충이나 동물이 튜브에 들어가는 것을 방지하기 위해 필터나 스크린을 설치하는 것이 좋습니다. ^{[ 3 ]} 냄새와 오염 물질로부터 멀리 떨어진 곳에 설치하는 것이 좋습니다. ^{[ 3 ]} 흡입구는 응축수를 제거할 수 있어야 합니다. ^{[ 5 ]}

지열관이 냉방용이라면 집열기는 호수나 강 근처의 그늘진 곳에 설치해야 합니다. ^{[ 2 ]} 지열관이 난방용이라면 집열기는 큰 수역에서 멀리 떨어진 햇볕이 잘 드는 곳에 설치하는 것이 좋습니다. ^{[ 2 ]} 역류식 시스템의 흡입구는 배출구에서 배출되는 탁한 공기를 빨아들이지 않도록 위치시켜야 합니다. ^{[ 5 ]} 흡입구는 공기의 수동적 유입을 촉진하기 위해 우세풍 방향으로 향하게 할 수 있습니다. ^{[ 8 ]}

폴리염화비닐(PVC) 파이프는 저렴하고 ^{[ 5 ]} 묻어도 열화되지 않기 때문에 (적어도 오랫동안은) 널리 사용됩니다. 콘크리트도 사용되었는데, 콘크리트는 묻을 때 가해지는 힘에 강하고 쉽게 녹슬거나 열화되지 않지만 습기를 흡수합니다. 강철도 사용되었는데, 녹을 방지하기 위해 아연 도금을 할 수 있습니다.

튜브 재질의 R값은 고려 사항입니다. 즉, 열전도율이 좋으므로 값이 낮을수록 좋습니다. 튜브 벽의 두께도 열전도율에 영향을 미치는데, 얇은 튜브는 두꺼운 튜브보다 주변 흙과 열을 더 잘 전달하지만, 얇은 튜브는 강도가 떨어집니다. 약한 튜브는 흙을 되메우고 나면 흙이 가라앉으면서 손상될 수 있습니다. 튜브 아래에 단단하게 다진 자갈을 놓으면 튜브를 지지하는 데 도움이 될 수 있습니다. ^{[ 5 ]}

튜브의 내부 표면은 항균 재질로 코팅할 수 있습니다. ^{[ 3 ]} 공기 흐름에 대한 저항이 적도록 주름진 형태가 아닌 매끄러운 형태여야 합니다.

대부분의 시스템은 직경이 10cm(4인치)에서 45cm(8인치) 사이인 튜브를 사용하는 경향이 있습니다. ^{[ 5 ]}

너무 짧으면 튜브를 둘러싼 땅의 온도에 맞춰 공기가 충분히 조절되지 않습니다. ^{[ 3 ]} 너무 길면 공기압이 떨어집니다. ^{[ 3 ]}

재정적 비용은 가변적입니다. 한 연구자는 일반적인 시스템의 비용이 2000~3000 캐나다 달러(2001년 기준)라고 결론지었습니다. ^{[ 1 ]} 주요 ​​비용 중 하나는 토지 굴착입니다. ^{[ 1 ]} 시스템에 능동 제어 기능이 있거나 팬과 같은 구성 요소가있는 경우 지속적인 비용이 발생할 수 있습니다 . ^{[ 1 ]}

한 연구자는 에너지 절약이 초기 비용을 충당하는 데 걸리는 평균 시간이 길다는 결론을 내렸습니다(예: 9년 또는 10-20년). ^{[ 1 ]}

접지관의 문제는 설치 후에는 일반적으로 수정하기 어렵습니다. ^{[ 1 ]} 문제가 발생한 많은 시스템은 폐기되고 밀봉되었습니다. ^{[ 1 ]}

지중관 시스템에서는 습기와 곰팡이가 발생할 수 있습니다. 일부에서는 이것이 시스템의 설계, 설치, 운영 및 유지 관리가 미흡하기 때문이라고 주장하는 반면 ^{[ 1 ]} 다른 일부에서는 실내 공기질 악화의 위험이 상당하며 제공되는 에너지 절약이 제한적이라는 점을 고려할 때 이 기술은 정당화될 수 없다고 결론지었습니다. ^{[ 9 ]}

설계가 잘못되면 빗물이 지중관 내부에 고일 수 있습니다 . ^{[ 9 ]} 그러나 공기 중의 습기도 공기가 통과하면서 응결되어 관 내부에 맺힐 수 있습니다. 이는 공기가 뜨겁고 습하며 지면이 차가울 때 가장 발생하기 쉽습니다. ^{[ 1 ]} 따라서 지중 냉각관은 특히 따뜻하고 습한 기후에서 제습의 이점을 누릴 수 있습니다. ^{[ 10 ]} 습기는 미생물, 특히 곰팡이의 성장을 촉진할 수 있습니다. [10] 이 곰팡이는 포자를 방출하여 공기를 통해 집 안으로 유입됩니다. 이는 곰팡이 냄새를 유발하고 심지어 건강 문제를 일으킬 수도 있습니다. ^{[ 10 ]} 벨기에의 지중관 이 설치된 패시브하우스 실내에서 페니실리움, 아스페르길루스 푸미가투스, 아스페르길루스 베르시콜로르, 아스페르길루스 니거의 공기 중 포자가 검출되었습니다 . ^{[ 9 ]} 거주자들은 만성적인 건강 문제로 인해 이사해야 했으며, 이후 건강 문제는 ^{해결 되었습니다 . [ 9 ]}