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1、安裝在學校建筑的地耦合熱泵系統冷卻功能摘要這篇報告展示了韓國某校安裝的液體制冷型地下熱泵系統（GSHP）的冷卻功能。此次評估實在2007年的實際操作之下完成的。10個熱泵零件被安裝在建筑當中。同時，在175米深的24個鉆孔之下還有為GSHP系統所安裝的垂直地下熱泵交換器。為了分析GSHP系統的冷卻功能，我們在不同環境下進行了操作，包括室內溫度、地面溫度、水下溫度等對交換器進行測試。同時，計算冷卻零件以及輸入功率來決定GSHP系統的冷卻功能。在65%的部分負載的情況下，GSHP系統的平均冷卻系數（COP）以及總體COP為8.3以及5.9，這證實GSHP系統比ASHP系統在更低溫的冷凝器條件下更加2、有效。1. 介紹隨著石油燃料消耗量的不斷增加，新的循環能源的需求與日俱增。在各種可循環能源系統中國，地熱能源熱泵（GSHP）系統在比HVAC系統占用更少的空間將其逐步淘汰的情況下，成為了有效的建筑物能源系統的一大亮點。相比常規蒸汽壓縮熱泵系統設立在室外，GSHP系統則采用了地熱資源，擁有了更穩定的溫度范圍。并且，在冬季，地面溫度總體上要比氣溫高，而在夏季則低于氣溫，這使得GSHP系統有效利用了地熱能源，相比普通的蒸汽壓縮系統提供了更高的能源效率。因此，根據1997年京都議定書，GSHP系統在建筑物環境調節方面有著強大的能源節省以及減少二氧化碳的排放。GSHP系統利用了地層溫度在加熱和冷卻模式中3、分別作為了熱源。在冷卻模式中，GSHP系統吸收來自環境的熱量（如建筑物內）并且通過地熱交換器傳導至地面，而諸如ASHP系統則會把熱量傳至大氣。因此，ASHP系統的COP值總體上被室外溫度很苛刻地限制著。 然而，地熱交換器的水循環作為了熱能的冷凝器，其溫度約比室外低10攝氏度，這樣GSHP系統能夠有比ASHP系統更高的COP值。很多研究者都指出了通過計算來進行比較ASHP和GSHP系統。這些研究表明，GSHP比ASHP是更好的能源利用系統，從而操作熱泵系統的冷卻和加熱單元。GSHP系統的功能很可能由諸多因素所影響，包括深度、長度、地熱交換器的型號、以及熱交換器的循環水流速度等。據報告稱，GSHP4、的最佳調節功能是基于計算機模擬技術的。然而，先前的所有研究都是基于實驗室或者住宅房中隊GSHP系統功能進行評價的。在這些小規模的測試和應用之中，他們設置了GSHP系統的一些原件，如壓縮機、熱交換器以及泵。然而，GSHP的COP低于常規熱泵系統，所以他們提議一些重要的實踐必須考慮到借此達到更佳功效。多爾蒂等人比較了GSHP系統加溫及冷卻功能的表現，其中運用到了三種地熱交換器垂直地循環，水平密閉循環，槽微循環。在這個試驗中，垂直型的地下耦合熱泵系統被裝進了一所大學建筑中。為了獲得GSHP系統鑒于能源消費總量獲得更大的效率，采用壓縮器控制的壓縮機來滿足冷卻負載的需求。為了滿足地熱交換器循環水的穩定溫5、度，鉆孔達到了175米的深度。考慮到了內部溫度以及室外氣溫的相對溫度，地熱交換器的熱擴散特征，循環水溫等參數。為了平定冷卻功能，GSHP系統的COP取決于輸入功率以及冷卻功率。2 實驗步驟及操作方法為了評估GSHP系統的功能，在韓國的釜山市某座大學里安裝了其裝置。建筑有六層高，GSHP系統為1、2兩層提供制熱和制冷功能，總面積1193平方米。圖片2描述了GSHP系統的構成，元件規范總結在表1中。很清楚可以看到，GSHP系統由外部制冷元件，地熱交換器，內部元件構成。在這次研究中，總共有10個外部元件（LRW-2900D，LG電子，韓國）安裝到位，每個外部元件由水制冷型交換器、兩個壓縮器、一個擴大6、裝置、一個四路閥門構成。其中一臺壓縮器由逆變器控制以適應冷卻回路的壓縮器輸入功率，這使得GSHP系統更加有效地減少功率耗費。板式熱交換器用于一臺交換地熱交換器水循環以及熱泵系統之間熱量的冷凝器上。可以通過四路閥門控制制冷流向從而使用GSHP系統進行制熱或制冷。在我們的進程中，我們調整GSHP系統為冷卻模式。一個27KW的外部元件用以囊括了3到4個內部元件（LRD-N725T，LG電子，韓國），功率為7.2KW。為地熱交換器準備了高密度聚乙烯管。水在聚乙烯管以及泵（ILP 100-250,Hyosung-Ebara公司，韓國）中進行循環，從而壓縮地熱能并作為熱源或散熱。在冷卻模式中，熱量需要一個7、穩定的空間（如建筑）來通過熱交換器進行散熱。地熱交換器使用了密閉垂直型（U型）并且利用了24個175米深的鉆孔。鉆孔之間間距為5米。我們選擇了一個外部元件，它對應了四個內部元件來調研GSHP系統的冷卻功能（如圖2）。每一個內部元件安裝在43.2平方米的辦公區域內。為了調查地熱交換器中的熱交換表現，我們為地熱交換器安裝了T形熱電偶，距離地下管道表面有1.52.5米，從而測量地下溫度而不易被地熱交換器干擾。室內、室外溫度以及相對濕度也在影響內部元件制冷功率影響檢測范圍之內。內部元件冷卻功率是內部元件輸入和輸出之間的焓的不同之處。熱泵系統的功率消耗由一支瓦特表（WT1600，Yokogawa，日本）8、進行計量。我們同時安裝了另一只瓦特表（WMT-340S,Micronics，韓國）用于測量GSHP系統總功率消耗，其中包括熱泵以及水循環泵的能源耗費。所有的信息包擴了溫度，相對濕度，功率消耗比率，記錄在了數據獲取系統中（34970A，Agilent）。3.結果以及研究3.1 地下溫度檔案圖片3展示了每天2.5-3.0米地下的平均溫度，室外溫度測量是在2007年3月21日到9月30日之間測量的。在2.5-5.0米深度的溫度很大程度受室外溫度影響。然而，地下10米處的溫度則保持在162攝氏度左右，而不大受外界的影響。圖片4展示了循環水的平均溫度、地熱交換器的表面溫度，距地下10米的地熱交換器1.59、-2.5米的地下溫度。循環水的溫度隨著外界溫度上升至22攝氏度，制冷負載增強。循環水的溫度很大的影響了地熱交換器的表面溫度，距離地熱交換器1.5-2.5米的溫度則是一個不大受影響的常數。這暗示著，地熱交換器的U管并不是受地熱交換器中的其他U管之間熱交換的影響U管之間的距離已經被隔開了5米。3.2 GSHP系統的冷卻功能我們選擇了8月16日室外最熱的一天來考驗GSHP系統的冷卻功能。圖5首先展示了室外元件進入和排出的循環水溫的變化。平均室外溫度達到了32.7攝氏度，進入的循環水溫保持在21.5攝氏度這個常數值上，而排出的水溫則和冷卻負載一樣有很大的增幅。來自于地熱交換機的循環水溫比室外的空氣要低10、很多，這和空氣制冷熱泵的在夏天的效果是相似的。功能總效率值則體現處了冷卻功能，如下所示：PDF文檔中公式（1）Qsl是室內溫度減少率，Wc是壓縮器的功率減少率。然而，在這個試驗中，我們定義了一個新的COP值來研究冷卻功能系統，包括了熱泵，水循環泵，室內外的風扇以及室內元件。PDF文檔中公式（2）Wp和Wf是水循環泵以及風扇的功率減少比率。熱轉換率Qsl由質量流量率以及室內元件進出空氣之間的焓差異。為了決定質量流速以及空氣的焓，體積流速率，溫度，相對濕度都被進行了測量。圖6呈現了每天的冷卻功率，功率減少率，以及2007年8月16日的熱泵系統的COP。圖中表現了冷卻負載隨著時間平均值進行著變化，冷11、卻負載的平均值觀察為19.1KW，只有GSHP系統完全負載（27KW）的65%。最后，熱泵系統的COP在65%實際冷卻負載的條件下計算為8.3。然而，熱泵系統在65%冷卻負載時總體COP計算為5.9。3.3 比較GSHP和ASHP的冷卻功能在熱泵系統的冷卻模式中，熱量需要從室內元件通過壓縮器排出。因此，ASHP的COP很大程度受到外部氣溫的影響。而不同于ASHP系統，GSHP系統比它有著更高的COP，因為水通過地熱交換器用于降低壓縮器的熱量，使得溫度低于室外10攝氏度左右。表2呈現出了GSHP系統和ASHP系統的功能。這里，ASHP系統（LRP-V2905B,LG電子，韓國）的總制冷功率和GS12、HP系統同時進行了測試。表2中ASHP系統以60%的冷卻負載下進行操作。可以看出，GSHP的COPhp（如：COPhp=8.3）比ASHP系統（如：COPhp=3.9）要大210%。這么大的落差是由于GSHP的水儲備使得壓縮機的溫度遠遠低于ASHP系統。這使得熱泵循環在更低的排氣壓力和溫度下進行。GSHP和ASHP系統有1620KPA到2731KP的排氣壓力，而在壓縮機有著同樣的吸引壓力（如表2）。因此，輸入GSHP系統壓縮機的功率比ASHP系統要小很多。這里指出，GSHP系統的總COP（如：總COPhp=5.9）要高于ASHP系統（如：COPhp=3.4），僅僅是前者的70%。這是因為GSH13、P系統運用了額外的功率來在地熱交換器中循環水。總體來說，熱泵系統循環效率很大程度受到了冷凝溫度的影響。換句話說，熱泵系統在冷凝溫度減少時更加有效率。這是因為熱泵系統消耗更少的能力來使冷凝溫度降低。圖7描繪了簡化過的GSHP以及ASHP系統的壓力焓圖表。如圖所示，GSHP系統功率消耗更加的少，因為冷凝器節省了更多的能量，這也說明了GSHP系統比ASHP功能更加好。4.結論此次試驗中，裝有垂直密型閉地熱交換器的GSHP系統用于一所大學的溫度調節。GSHP系統的COPhp和COP（總）用于評價制冷系統每天的工作。試驗表明COPhp和COP（總）為8.3和5.9。 GSHP的COP（總）要比COPhp更低，這是因為COP（總）包括了GSHP系統水循環泵以及風扇的能量降低。同時，在與ASHP的COP值比較當中，我們發現，GSHP系統的的COP（總）要高于ASHP系統74%。這大概是因為熱泵循環的冷凝溫度在GSHP系統中要低大概10攝氏度左右，這使得壓縮器耗費了較少的能量。這表明，從能源節省以及花費資金的角度考慮，GSHP系統在調節建筑冷卻中有著潛在的優勢，在GSHP系統中，我們發現地下溫度是一個常數，這大概也表示即使是在冬天的制熱系統中，它同樣有著優勢。