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1、安裝在學(xué)校建筑的地耦合熱泵系統(tǒng)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(tǒng)（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(dāng)中。同時，在175米深的24個鉆孔之下還有為GSHP系統(tǒng)所安裝的垂直地下熱泵交換器。為了分析GSHP系統(tǒng)的冷卻功能，我們在不同環(huán)境下進(jìn)行了操作，包括室內(nèi)溫度、地面溫度、水下溫度等對交換器進(jìn)行測試。同時，計算冷卻零件以及輸入功率來決定GSHP系統(tǒng)的冷卻功能。在65%的部分負(fù)載的情況下，GSHP系統(tǒng)的平均冷卻系數(shù)（COP）以及總體COP為8.3以及5.9，這證實GSHP系統(tǒng)比ASHP系統(tǒng)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(huán)能源的需求與日俱增。在各種可循環(huán)能源系統(tǒng)中國，地?zé)崮茉礋岜茫℅SHP）系統(tǒng)在比HVAC系統(tǒng)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(tǒng)的一大亮點。相比常規(guī)蒸汽壓縮熱泵系統(tǒng)設(shè)立在室外，GSHP系統(tǒng)則采用了地?zé)豳Y源，擁有了更穩(wěn)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(tǒng)有效利用了地?zé)崮茉?，相比普通的蒸汽壓縮系統(tǒng)提供了更高的能源效率。因此，根據(jù)1997年京都議定書，GSHP系統(tǒng)在建筑物環(huán)境調(diào)節(jié)方面有著強(qiáng)大的能源節(jié)省以及減少二氧化碳的排放。GSHP系統(tǒng)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(tǒng)吸收來自環(huán)境的熱量（如建筑物內(nèi)）并且通過地?zé)峤粨Q器傳導(dǎo)至地面，而諸如ASHP系統(tǒng)則會把熱量傳至大氣。因此，ASHP系統(tǒng)的COP值總體上被室外溫度很苛刻地限制著。 然而，地?zé)峤粨Q器的水循環(huán)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(tǒng)能夠有比ASHP系統(tǒng)更高的COP值。很多研究者都指出了通過計算來進(jìn)行比較ASHP和GSHP系統(tǒng)。這些研究表明，GSHP比ASHP是更好的能源利用系統(tǒng)，從而操作熱泵系統(tǒng)的冷卻和加熱單元。GSHP系統(tǒng)的功能很可能由諸多因素所影響，包括深度、長度、地?zé)峤粨Q器的型號、以及熱交換器的循環(huán)水流速度等。據(jù)報告稱，GSHP4、的最佳調(diào)節(jié)功能是基于計算機(jī)模擬技術(shù)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(tǒng)功能進(jìn)行評價的。在這些小規(guī)模的測試和應(yīng)用之中，他們設(shè)置了GSHP系統(tǒng)的一些原件，如壓縮機(jī)、熱交換器以及泵。然而，GSHP的COP低于常規(guī)熱泵系統(tǒng)，所以他們提議一些重要的實踐必須考慮到借此達(dá)到更佳功效。多爾蒂等人比較了GSHP系統(tǒng)加溫及冷卻功能的表現(xiàn)，其中運(yùn)用到了三種地?zé)峤粨Q器垂直地循環(huán)，水平密閉循環(huán)，槽微循環(huán)。在這個試驗中，垂直型的地下耦合熱泵系統(tǒng)被裝進(jìn)了一所大學(xué)建筑中。為了獲得GSHP系統(tǒng)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(jī)來滿足冷卻負(fù)載的需求。為了滿足地?zé)峤粨Q器循環(huán)水的穩(wěn)定溫5、度，鉆孔達(dá)到了175米的深度。考慮到了內(nèi)部溫度以及室外氣溫的相對溫度，地?zé)峤粨Q器的熱擴(kuò)散特征，循環(huán)水溫等參數(shù)。為了平定冷卻功能，GSHP系統(tǒng)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(tǒng)的功能，在韓國的釜山市某座大學(xué)里安裝了其裝置。建筑有六層高，GSHP系統(tǒng)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(tǒng)的構(gòu)成，元件規(guī)范總結(jié)在表1中。很清楚可以看到，GSHP系統(tǒng)由外部制冷元件，地?zé)峤粨Q器，內(nèi)部元件構(gòu)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(kuò)大6、裝置、一個四路閥門構(gòu)成。其中一臺壓縮器由逆變器控制以適應(yīng)冷卻回路的壓縮器輸入功率，這使得GSHP系統(tǒng)更加有效地減少功率耗費。板式熱交換器用于一臺交換地?zé)峤粨Q器水循環(huán)以及熱泵系統(tǒng)之間熱量的冷凝器上?？梢酝ㄟ^四路閥門控制制冷流向從而使用GSHP系統(tǒng)進(jìn)行制熱或制冷。在我們的進(jìn)程中，我們調(diào)整GSHP系統(tǒng)為冷卻模式。一個27KW的外部元件用以囊括了3到4個內(nèi)部元件（LRD-N725T，LG電子，韓國），功率為7.2KW。為地?zé)峤粨Q器準(zhǔn)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(jìn)行循環(huán)，從而壓縮地?zé)崮懿⒆鳛闊嵩椿蛏?。在冷卻模式中，熱量需要一個7、穩(wěn)定的空間（如建筑）來通過熱交換器進(jìn)行散熱。地?zé)峤粨Q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(yīng)了四個內(nèi)部元件來調(diào)研GSHP系統(tǒng)的冷卻功能（如圖2）。每一個內(nèi)部元件安裝在43.2平方米的辦公區(qū)域內(nèi)。為了調(diào)查地?zé)峤粨Q器中的熱交換表現(xiàn)，我們?yōu)榈責(zé)峤粨Q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?zé)峤粨Q器干擾。室內(nèi)、室外溫度以及相對濕度也在影響內(nèi)部元件制冷功率影響檢測范圍之內(nèi)。內(nèi)部元件冷卻功率是內(nèi)部元件輸入和輸出之間的焓的不同之處。熱泵系統(tǒng)的功率消耗由一支瓦特表（WT1600，Yokogawa，日本）8、進(jìn)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(tǒng)總功率消耗，其中包括熱泵以及水循環(huán)泵的能源耗費。所有的信息包擴(kuò)了溫度，相對濕度，功率消耗比率，記錄在了數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中（34970A，Agilent）。3.結(jié)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(huán)水的平均溫度、地?zé)峤粨Q器的表面溫度，距地下10米的地?zé)峤粨Q器1.59、-2.5米的地下溫度。循環(huán)水的溫度隨著外界溫度上升至22攝氏度，制冷負(fù)載增強(qiáng)。循環(huán)水的溫度很大的影響了地?zé)峤粨Q器的表面溫度，距離地?zé)峤粨Q器1.5-2.5米的溫度則是一個不大受影響的常數(shù)。這暗示著，地?zé)峤粨Q器的U管并不是受地?zé)峤粨Q器中的其他U管之間熱交換的影響U管之間的距離已經(jīng)被隔開了5米。3.2 GSHP系統(tǒng)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(tǒng)的冷卻功能。圖5首先展示了室外元件進(jìn)入和排出的循環(huán)水溫的變化。平均室外溫度達(dá)到了32.7攝氏度，進(jìn)入的循環(huán)水溫保持在21.5攝氏度這個常數(shù)值上，而排出的水溫則和冷卻負(fù)載一樣有很大的增幅。來自于地?zé)峤粨Q機(jī)的循環(huán)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(xiàn)處了冷卻功能，如下所示：PDF文檔中公式（1）Qsl是室內(nèi)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(tǒng)，包括了熱泵，水循環(huán)泵，室內(nèi)外的風(fēng)扇以及室內(nèi)元件。PDF文檔中公式（2）Wp和Wf是水循環(huán)泵以及風(fēng)扇的功率減少比率。熱轉(zhuǎn)換率Qsl由質(zhì)量流量率以及室內(nèi)元件進(jìn)出空氣之間的焓差異。為了決定質(zhì)量流速以及空氣的焓，體積流速率，溫度，相對濕度都被進(jìn)行了測量。圖6呈現(xiàn)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(tǒng)的COP。圖中表現(xiàn)了冷卻負(fù)載隨著時間平均值進(jìn)行著變化，冷11、卻負(fù)載的平均值觀察為19.1KW，只有GSHP系統(tǒng)完全負(fù)載（27KW）的65%。最后，熱泵系統(tǒng)的COP在65%實際冷卻負(fù)載的條件下計算為8.3。然而，熱泵系統(tǒng)在65%冷卻負(fù)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(tǒng)的冷卻模式中，熱量需要從室內(nèi)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(tǒng)，GSHP系統(tǒng)比它有著更高的COP，因為水通過地?zé)峤粨Q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(xiàn)出了GSHP系統(tǒng)和ASHP系統(tǒng)的功能。這里，ASHP系統(tǒng)（LRP-V2905B,LG電子，韓國）的總制冷功率和GS12、HP系統(tǒng)同時進(jìn)行了測試。表2中ASHP系統(tǒng)以60%的冷卻負(fù)載下進(jìn)行操作。可以看出，GSHP的COPhp（如：COPhp=8.3）比ASHP系統(tǒng)（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(jī)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ASHP系統(tǒng)。這使得熱泵循環(huán)在更低的排氣壓力和溫度下進(jìn)行。GSHP和ASHP系統(tǒng)有1620KPA到2731KP的排氣壓力，而在壓縮機(jī)有著同樣的吸引壓力（如表2）。因此，輸入GSHP系統(tǒng)壓縮機(jī)的功率比ASHP系統(tǒng)要小很多。這里指出，GSHP系統(tǒng)的總COP（如：總COPhp=5.9）要高于ASHP系統(tǒng)（如：COPhp=3.4），僅僅是前者的70%。這是因為GSH13、P系統(tǒng)運(yùn)用了額外的功率來在地?zé)峤粨Q器中循環(huán)水。總體來說，熱泵系統(tǒng)循環(huán)效率很大程度受到了冷凝溫度的影響。換句話說，熱泵系統(tǒng)在冷凝溫度減少時更加有效率。這是因為熱泵系統(tǒng)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(tǒng)的壓力焓圖表。如圖所示，GSHP系統(tǒng)功率消耗更加的少，因為冷凝器節(jié)省了更多的能量，這也說明了GSHP系統(tǒng)比ASHP功能更加好。4.結(jié)論此次試驗中，裝有垂直密型閉地?zé)峤粨Q器的GSHP系統(tǒng)用于一所大學(xué)的溫度調(diào)節(jié)。GSHP系統(tǒng)的COPhp和COP（總）用于評價制冷系統(tǒng)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(tǒng)水循環(huán)泵以及風(fēng)扇的能量降低。同時，在與ASHP的COP值比較當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)，GSHP系統(tǒng)的的COP（總）要高于ASHP系統(tǒng)74%。這大概是因為熱泵循環(huán)的冷凝溫度在GSHP系統(tǒng)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(jié)省以及花費資金的角度考慮，GSHP系統(tǒng)在調(diào)節(jié)建筑冷卻中有著潛在的優(yōu)勢，在GSHP系統(tǒng)中，我們發(fā)現(xiàn)地下溫度是一個常數(shù)，這大概也表示即使是在冬天的制熱系統(tǒng)中，它同樣有著優(yōu)勢。