Earth tubes/nl

Een aardbuis is een buis die in de grond is begraven en de lucht die erin circuleert verwarmt of koelt. Aardbuizen kunnen een gesloten circuit vormen, waarbij lucht van binnenuit een gebouw wordt aangezogen, in een ondergrondse lus wordt gecirculeerd en vervolgens weer naar binnen wordt geleid, of een open circuit, waarbij lucht van buitenaf wordt aangezogen en naar binnen wordt gebracht, of een open circuit met tegenstroom, waarbij lucht via aparte aardbuizen wordt aangevoerd en afgevoerd. De lucht kan passief door convectie of actief door ventilatoren (luchtblazers) worden verplaatst. Of de lucht wordt verwarmd of gekoeld, hangt af van de buitentemperatuur ten opzichte van de binnentemperatuur en, belangrijker nog, van de temperatuur van de grond op de diepte waarop de buis is begraven. Dit artikel richt zich voornamelijk op open systemen.

Synoniemen

Aard-lucht warmtewisselaars (EAHX / EAHE), ^{[ 1 ]} Bodemgekoppelde warmtewisselaars, ^{[ 1 ]} Aardkanalen, ^{[ 1 ]} Aardbuiswarmtewisselaars (ETHE), ^{[ 2 ]} Bodem-lucht warmtewisselaar (GAHE), ^{[ 3 ]}

Basistheorie

Wijzigingen in de luchttemperatuur

De temperatuur van de lucht aan het aardoppervlak is onderhevig aan constante veranderingen als gevolg van het weer, de dag-nachtcyclus en de seizoenen. Zo is de luchttemperatuur op een zonnige dag warmer dan op een bewolkte dag. 's Nachts daalt de luchttemperatuur ook. Seizoenen worden veroorzaakt door de kanteling van de rotatieas van de aarde tijdens haar baan om de zon. In gematigde en poolgebieden zijn sommige locaties gedurende een deel van het jaar naar de zon gekanteld. De dagen zijn dan langer en er wordt meer warmte-energie per oppervlakte-eenheid ontvangen. Op het noordelijk halfrond is dit in mei, juni en juli en op het zuidelijk halfrond in november, december en januari. Zes maanden later is dezelfde locatie van de zon af gekanteld en zijn de dagen korter. In equatoriale gebieden zijn er gedurende het hele jaar geen significante veranderingen in het aantal daglichturen. Macro- en microgeografische kenmerken kunnen ook een sterke invloed hebben op de luchttemperatuur op een bepaalde plaats.

Wijzigingen in bodemtemperatuur

De temperatuur van de aarde reageert op deze veranderingen in de oppervlaktetemperatuur, doordat warmte geleidelijk door de bodem wordt geleid. De aarde heeft echter tijd nodig om op te warmen en af ​​te koelen, waardoor de temperatuur van de aarde achterloopt op elke temperatuurverandering van de oppervlaktelucht (de aarde fungeert dus als thermische massa ). ^{[ 4 ]} Hoe dieper je in de aarde gaat, hoe meer veranderingen in de bodemtemperatuur moeten doordringen, en hoe meer de constante veranderingen in de oppervlakteluchttemperatuur afgevlakt worden en samensmelten. ^{[ 5 ]} Het belangrijkste is dat dit betekent dat de bodemtemperatuur in het warme seizoen lager zal zijn dan de oppervlakteluchttemperatuur, en omgekeerd zal de bodemtemperatuur in het koude seizoen hoger zijn dan de oppervlakteluchttemperatuur. ^{[ 6 ]}

Diepe aarde constante temperatuur

Op een bepaalde diepte middelt zelfs het temperatuurverschil tussen winter en zomer zich uit. Dit wordt soms de "diepe aardtemperatuurconstante" genoemd, ^{[ 5 ]} of de "amplitudecorrectiefactor". ^{[ 7 ]} Beneden deze diepte begint de temperatuur van de aarde geleidelijk te stijgen, omdat er ook warmte opstijgt vanuit het binnenste van de aarde. ^{[ 6 ]} De exacte metingen van deze diepe aardtemperatuurconstante variëren (mogelijk afhankelijk van de geografische locatie). In Montana, VS, is de temperatuur bijvoorbeeld op 6 meter diepte het hele jaar door stabiel op 7 graden Celsius. ^{[ 5 ]} In het Verenigd Koninkrijk ligt deze temperatuur tussen de 8 en 11 °C op ongeveer 15 meter diepte. ^{[ 6 ]} De diepte kan ook variëren afhankelijk van de bodemvochtigheid (4,25 m, 5,5 m en 6,7 m voor respectievelijk droge, gemiddelde en natte grond). ^{[ 7 ]}

Warmte-uitwisseling tussen lucht en aarde

Doordat lucht passief door de aardbuis wordt bewogen (door convectie), of actief door ventilatoren/luchtblazers, zal elk temperatuurverschil tussen de lucht en de omringende aarde zich geleidelijk egaliseren. Sterker nog, als de lucht door een voldoende lange buis stroomt, zal de temperatuur van de lucht in de buis de temperatuur van de omringende grond benaderen.

In het warme seizoen is de buitenlucht warmer dan de temperatuur van de grond onder het oppervlak. Buitenlucht die een aarden (koelings)buis binnenkomt, koelt enigszins af. Deze opgewarmde lucht komt vervolgens in het interieur van de constructie terecht, waardoor koele, frisse lucht wordt aangevoerd.

In het koude seizoen is de temperatuur van de grond onder het oppervlak warmer dan de temperatuur van de lucht aan het oppervlak, waardoor het tegenovergestelde gebeurt: de lucht in de aardbuis wordt opgewarmd voordat deze de binnenkant bereikt, wat zorgt voor ventilatie en de behoefte aan andere verwarmingsmaatregelen vermindert.

Onderdelen en aandachtspunten

Er is geen standaardisatie wat betreft materialen of ontwerp. ^{[ 3 ]} Dit is wellicht de reden waarom sommige werken en andere niet, en waarom de meningen over aardbuizen sterk uiteenlopen.

Inname

Open systemen hebben per definitie een externe luchtinlaat. Deze wordt ook wel de collector genoemd ^{[ 2 ]} en kan de vorm aannemen van een verticale luchtinlaattoren. ^{[ 3 ]} Inlaattorens vereisen een regenkap. ^{[ 3 ]} Een filter of scherm om te voorkomen dat insecten en dieren de buis binnendringen is aan te raden. ^{[ 3 ]} Het is verstandig om deze uit de buurt van geuren en verontreinigende stoffen te plaatsen. ^{[ 3 ]} De inlaat moet condensafvoer mogelijk maken. ^{[ 5 ]}

Als de aardbuis bedoeld is voor koeling, moet de collector in een schaduwrijk gebied bij een meer of rivier worden geplaatst. ^{[ 2 ]} Als de aardbuis bedoeld is voor verwarming, kan de collector beter in de volle zon worden geplaatst, ver weg van grote watermassa's. ^{[ 2 ]} De inlaat van een tegenstroomsysteem moet zo worden geplaatst dat deze de afgevoerde, muffe lucht van de uitlaat niet aanzuigt. ^{[ 5 ]} De inlaat kan worden gericht naar de heersende wind om passieve luchttoevoer te bevorderen. ^{[ 8 ]}

van buismateriaal

Polyvinylchloride (PVC)-buizen zijn gebruikelijk omdat ze goedkoop zijn ^{[ 5 ]} en niet degraderen wanneer ze begraven worden (althans niet voor lange tijd). Beton is ook gebruikt, en hoewel het bestand is tegen de krachten die erop worden uitgeoefend wanneer het begraven is en niet snel roest of degradeert, neemt beton vocht op. Staal is ook gebruikt, dat gegalvaniseerd kan zijn om roestvorming te voorkomen.

De R-waarde van het buismateriaal is een belangrijk aspect, d.w.z. hoe lager de waarde, hoe beter, aangezien een goede warmtegeleiding gewenst is. De wanddikte van de buis beïnvloedt ook de warmtegeleiding; dunnere buizen geleiden warmte beter tussen de omringende aarde dan dikkere buizen, hoewel dunnere buizen minder sterk zijn. Zwakkere buizen kunnen beschadigd raken nadat de sleuf is opgevuld, doordat de aarde inklinkt. Het plaatsen van hard verdicht grind onder de buis kan helpen om deze te ondersteunen. ^{[ 5 ]}

Binnenoppervlak van de buis

Het binnenoppervlak van de buis kan bekleed zijn met antimicrobieel materiaal. ^{[ 3 ]} Het moet glad zijn in plaats van gegolfd om minder weerstand te bieden aan de luchtstroom.

Buisdiameter

De meeste systemen gebruiken doorgaans buizen met een diameter tussen 10 cm (4 inch) en 45 cm (8 inch). ^{[ 5 ]}

Buislengte

Als de buis te kort is, zal de lucht zich niet voldoende aanpassen aan de temperatuur van de aarde rondom de buis. ^{[ 3 ]} Als de buis te lang is, zal de luchtdruk dalen. ^{[ 3 ]}

Kosten

De financiële kosten zijn variabel. Een onderzoeker concludeerde dat een typisch systeem tussen de 2000 en 3000 Canadese dollar kostte (in 2001). ^{[ 1 ]} Een belangrijke kostenpost kan het uitgraven van de grond zijn. ^{[ 1 ]} Er kunnen doorlopende kosten zijn als het systeem actieve besturingen heeft, ^{[ 1 ]} of componenten zoals ventilatoren.

Rendement op investering

Een onderzoeker concludeerde dat het gemiddeld lang duurt voordat de energiebesparingen de initiële kosten hebben terugverdiend (bijvoorbeeld 9 jaar, of 10-20 jaar). ^{[ 1 ]}

Problemen en nadelen

Problemen met aardbuizen zijn over het algemeen moeilijk te verhelpen als ze eenmaal geïnstalleerd zijn. ^{[ 1 ]} Veel systemen die problemen ondervonden, werden buiten gebruik gesteld en afgesloten. ^{[ 1 ]}

Vocht en de groei van micro-organismen

In aardbuissystemen kunnen vocht en schimmel voorkomen. Sommigen stellen dat dit te wijten is aan slecht ontworpen, geïnstalleerde, bediende en onderhouden systemen; ^{[ 1 ]} anderen concluderen dat het risico op verslechtering van de binnenluchtkwaliteit aanzienlijk is en dat de techniek niet te rechtvaardigen is gezien de beperkte energiebesparing die ermee wordt behaald. ^{[ 9 ]}

Regenwater kan zich ophopen in aardbuizen ^{[ 9 ]} als ze slecht ontworpen zijn. Vocht in de lucht kan echter ook condensatie aan de binnenkant van de buis vormen wanneer de lucht erdoorheen stroomt. Dit gebeurt vooral wanneer de lucht warm en vochtig is en de aarde koel. ^{[ 1 ]} Aardkoelingsbuizen kunnen daarom baat hebben bij ontvochtiging, met name in warme en vochtige klimaten. ^{[ 10 ]} Vocht kan leiden tot de groei van micro-organismen, met name schimmel in de buis. ^{[ 10 ]} Deze schimmel verspreidt sporen die via de lucht in huis terechtkomen. Dit kan leiden tot een muffe geur en zelfs gezondheidsproblemen veroorzaken. ^{[ 10 ]} In een PassivHaus met aardbuizen in België werden sporen van Penicillium, Aspergillus fumigatus, Aspergillus versicolor en Aspergillus niger in de lucht aangetroffen . ^{[ 9 ]} De bewoners moesten verhuizen vanwege chronische gezondheidsproblemen die later verdwenen. ^{[ 9 ]}

Referenties