Пасивний будинок під землею

Для свого випадку всі вхідні дані брав свої. Збігається лише хід розв'язку, в обох випадках турбулентний режим. Для ламінарного потрібна труба 33+ см у діаметрі.
"0.00251" - один нуль зайвий. У моєму випадку 0.023096 Вт/(м·К). Теплопровідність, звичайно, менша, але й об'ємна теплоємність також. Десь 0.00121 у повітря проти 4.1796 у води, J⋅cm⁻³⋅K⁻¹
"з повітрям у вас в кращому випадку получиться 10Вт/м2К" - 4.798 Вт/(м²·К)

0.88 м/с; 25 м³/год (або 7 л/c, щоб більш наочно)

Спойлер: На всяк випадок продублюю код розв'язку з jsfiddle

Код:

V=25/3600  // flow rate, m³/s
d=0.1  // diameter, meters
t1=-30 // fluid inlet temperature
t2=4.9 // fluid outlet temperature
ts=5  // tube surface temperature

tf=(t1+t2)/2  // fluid temperature
document.write(`tf = ${tf} °C<br>`)

// values from http://www.mhtl.uwaterloo.ca/old/onlinetools/airprop/airprop.html :
nu=1.2246*10**-5 // kinematic viscosity
Prf=0.72275  // prandtl number for fluid temperature
Prs=0.71866  // prandtl number for tube surface temperature
la=0.023096  // thermal conductivity
rho=1.3558  // density
Cp=1.0054*10**3  // specific heat capacity, J/kg*K

f=Math.PI*d**2/4  // cross-sectional area
w=V/f  // velocity of the fluid, m/s
Re=w*d/nu  // reynolds number
if (Re <= 2300) {
    document.write('Re <= 2300<br>')
} else {
    document.write(`Re = ${Re}<br>`)
    el=1  // for L/d >= 50 el=1
    ep=0.93  // from table 3.3
    Nus=0.021*Re**0.8*Prf**0.43*(Prf/Prs)**0.25*el*ep  // nusselt number
    al=Nus*la/d  // heat transfer coefficient
    G=V*rho  // mass flow rate, kg/s
    Q=G*Cp*(t2-t1)  // heat flow, W
    lmtd=(t2-t1)/Math.log((ts-t1)/(ts-t2))  // logarithmic mean temperature difference
    l=Q/(al*lmtd*Math.PI*d)

    if (l/d < 50) {
        document.write('L/d < 50.<br>')
    } else {
        document.write(`l = ${l}<br>`)
    }
}

Так, треба буде теж порахувати.

Засипати навколо труби якийсь матеріал з високою теплопровідністю було б непогано. Може суміш землі з гранітом чи щось таке.
Яма під "бункер" буде десь 5м завглибшки. Можна нахилити труби ще глибше і забирати повітря з протилежних кінців. Але тоді не вийде задіяти влітку рекуператор.
Взагалі, до ґрунтового теплообмінника взимку не такі вже й високі вимоги: він потрібний лише для того, щоб у рекуператор не потрапило повітря з температурою нижче нуля і вода з вихідного повітря не замерзала.

Офтоп у цій темі. Теплову потужність зазвичай вказують у характеристиках виробу. Або помножити електричну потужність на мінімальний COP.
Розрахунок ґрунтового зонда (Варіант Б). Хоча декому й кількох звийчаних повітряних інверторних кондиціонерів вистачає замість ТН. Горизонтальні колектори немає сенсу робити.

 

Так, все правильно. Бачу у вас є необхідні знання. Буде результат, показуйте, цікаво почитати.

При таких значеннях швидкості і обєму повітря, та довжині труби 37 метрів, буде невелике падіння тиску, думаю біля 7Па. Звичайно кожен поворот чи трійник збільшить падіння тиску.

Перш за все, зверху теплообмінника потрібно побільше теплоізоляції, щоб лід виростав не в сторону атмосфери(зону холода), а в сторону літосфери(зону тепла). До того ж замерзання грунту на більшу глибину погіршить умови для пасивного будинку. Для пасивного будинку бажано, щоб грунт з одного боку мав мінімальну теплопровідність, щоб холодне повітря атмосфери не охолоджувало будинок, а з іншого боку щоб грунт мав більшу теплопровідність, щоб тепло землі зігрівало будинок...

Згідно експериментальних даних проекта ARGO, земля за рахунок радіоізотопного розпаду генерує 300 терават тепла, отож на всіх вистачить. А 15кВт, це дрібниця. От тільки різні ділянки землі видають різний тепловий потік. Якщо визначити градієнт температур, на вашій ділянці, на глибині залягання грунтового теплообмінника, і знаючи теплопровідність грунту, знайдете тепловий потік, який дає квадратний метр землі. Далі знаючи ККД вашого теплообмінника можна розрахувати якої площі він повинен бути, щоб зібрати необхідні вам 15кВт.

Ну а щодо теплообмінників, то книжку я вказав. Там не так складно, подібно до формули закона ома, де в чисельнику замість напруги, різниця температур, а в знаменнику не електричний опір, а тепловий. При цьому тепловий опір, як правило, це сума трьох послідовно зєднаних опорів: опір передачі тепла від теплого джерела до стінки, опір стінки і опір від стінки до холодного приймача. Зі стінкою все просто, тільки поділити товщину на теплопровідність матеріалу, а для інших двох опорів треба рахувати. Це все, і немає значеня чи теплообмінник для обміну потоком між димовими газами і водою через стінку котла, чи для обміну тепловим потоком між грунтом і повітрям через стінку грунтового теплообмінника.

 

Якось не дуже хвилює, наскільки промерзне земля за ~30м від "бункера", де буде найбільша різниця температур і найбільше відбиратиме тепло. Маю на увазі ось таку систему:
https://energoaydut.jimdofree.com/мій-грунтовий-повітряний-теплообмінник/
https://board.lutsk.ua/topic/204267...плообмінник-що-буде-реалізований-в-с-боратин/
(23 м горизонтальної труби діаметром 200 мм з пластику)
Порахував для 200 мм металевої труби, 25 м³/год і інші параметри, як для 100 мм рахував. Вийшла необхідна довжина 64 м.
Турбулентність зменшилася і коефіцієнт тепловіддачі теж, до 1.38 Вт/(м²·К). Тому разом з розпаралелюванням треба буде також трохи зменшувати діаметр.

 

А чи немає тут неточностей?
Який у Вас виходить потік через квадратний метр? Скільки ват в годину?

 

В чому неточності? Маєте на увазі 300 терават?

 

Щось забагато виходить. Якщо ще врахувати, що температура стінки може і не бути постійною, то не все так добре буде.
Якщо тепловий потік, який приходить з надр землі буде менший, ніж тепловий потік, який ви забираєте теплообмінником, то температура грунту почне падати і теплопередача почне зменшуватись, а повітря не буде нагріватись. А можуть бути місця, де тепловий потік зовсім маленький і можете хоч гектар землі закласти трубами, а результату не буде. Було б цікаво подивитись на реальні результати, а не теоретичні.

 

... через квадратний метр? Скільки ват в годину?
На глибині в 3 метри?

 

Не дає спокою можливість порахувати ґрунтовий теплообмінник у якійсь програмі для симуляції фізичних процесів. Думаю, після будівництва все одно не вдасться виявити нічого такого, що раніше не було відомим або не можна було вирахувати наперед. Нахвалюють COMSOL Multiphisics, але ж ціна ліцензії $4000. Ще купа відкритих програм є, можна з ними повозитися.

Поки гуглю. Випадково знайшов таку статтю: http://www.mastehkom.by/info/gorizontalnye-gruntovye-teploobmenniki/
У таблиці 1 порівняння теплопровідності мерзлих та немерзлих ґрунтів, різних за складом та вологістю. Дійсно, мерзлий краще проводить тепло, але геть трохи, "в середньому на 10-20%".

Шок-контент:

300 терават це 3*10¹⁴ Вт. Площа поверхні земної кулі: 5.101*10¹⁴ м². Виходить 0.588 Вт/м². Майже так і є. Може океани більше відбирають, бо вони глибші. (Так що разом з усіма сусідами налягати на ґрунтові зонди взимку, можливо, теж не ок, якщо зонди влітку не використовуються.)
Для симуляції можна просто взяти якомога більший шмат землі, сотні метрів, з реальними теплопровідністю, теплоємністю та температурою, з реальним промерзанням, а теплом з центру Землі знехтувати.

Ще безпечні кути відкосів траншей є у тій статті у таблиці 4.