1、安装在学校建筑的地耦合热泵系统冷却功能摘要这篇报告展示了韩国某校安装的液体制冷型地下热泵系统（GSHP）的冷却功能。此次评估实在2007年的实际操作之下完成的。10个热泵零件被安装在建筑当中。同时，在175米深的24个钻孔之下还有为GSHP系统所安装的垂直地下热泵交换器。为了分析GSHP系统的冷却功能，我们在不同环境下进行了操作，包括室内温度、地面温度、水下温度等对交换器进行测试。同时，计算冷却零件以及输入功率来决定GSHP系统的冷却功能。在65%的部分负载的情况下，GSHP系统的平均冷却系数（COP）以及总体COP为8.3以及5.9，这证实GSHP系统比ASHP系统在更低温的冷凝器条件下更加
2、有效。1. 介绍随着石油燃料消耗量的不断增加，新的循环能源的需求与日俱增。在各种可循环能源系统中国，地热能源热泵（GSHP）系统在比HVAC系统占用更少的空间将其逐步淘汰的情况下，成为了有效的建筑物能源系统的一大亮点。相比常规蒸汽压缩热泵系统设立在室外，GSHP系统则采用了地热资源，拥有了更稳定的温度范围。并且，在冬季，地面温度总体上要比气温高，而在夏季则低于气温，这使得GSHP系统有效利用了地热能源，相比普通的蒸汽压缩系统提供了更高的能源效率。因此，根据1997年京都议定书，GSHP系统在建筑物环境调节方面有着强大的能源节省以及减少二氧化碳的排放。GSHP系统利用了地层温度在加热和冷却模式中
3、分别作为了热源。在冷却模式中，GSHP系统吸收来自环境的热量（如建筑物内）并且通过地热交换器传导至地面，而诸如ASHP系统则会把热量传至大气。因此，ASHP系统的COP值总体上被室外温度很苛刻地限制着。 然而，地热交换器的水循环作为了热能的冷凝器，其温度约比室外低10摄氏度，这样GSHP系统能够有比ASHP系统更高的COP值。很多研究者都指出了通过计算来进行比较ASHP和GSHP系统。这些研究表明，GSHP比ASHP是更好的能源利用系统，从而操作热泵系统的冷却和加热单元。GSHP系统的功能很可能由诸多因素所影响，包括深度、长度、地热交换器的型号、以及热交换器的循环水流速度等。据报告称，GSHP
4、的最佳调节功能是基于计算机模拟技术的。然而，先前的所有研究都是基于实验室或者住宅房中队GSHP系统功能进行评价的。在这些小规模的测试和应用之中，他们设置了GSHP系统的一些原件，如压缩机、热交换器以及泵。然而，GSHP的COP低于常规热泵系统，所以他们提议一些重要的实践必须考虑到借此达到更佳功效。多尔蒂等人比较了GSHP系统加温及冷却功能的表现，其中运用到了三种地热交换器垂直地循环，水平密闭循环，槽微循环。在这个试验中，垂直型的地下耦合热泵系统被装进了一所大学建筑中。为了获得GSHP系统鉴于能源消费总量获得更大的效率，采用压缩器控制的压缩机来满足冷却负载的需求。为了满足地热交换器循环水的稳定温
5、度，钻孔达到了175米的深度。考虑到了内部温度以及室外气温的相对温度，地热交换器的热扩散特征，循环水温等参数。为了平定冷却功能，GSHP系统的COP取决于输入功率以及冷却功率。2 实验步骤及操作方法为了评估GSHP系统的功能，在韩国的釜山市某座大学里安装了其装置。建筑有六层高，GSHP系统为1、2两层提供制热和制冷功能，总面积1193平方米。图片2描述了GSHP系统的构成，元件规范总结在表1中。很清楚可以看到，GSHP系统由外部制冷元件，地热交换器，内部元件构成。在这次研究中，总共有10个外部元件（LRW-2900D，LG电子，韩国）安装到位，每个外部元件由水制冷型交换器、两个压缩器、一个扩大
6、装置、一个四路阀门构成。其中一台压缩器由逆变器控制以适应冷却回路的压缩器输入功率，这使得GSHP系统更加有效地减少功率耗费。板式热交换器用于一台交换地热交换器水循环以及热泵系统之间热量的冷凝器上。可以通过四路阀门控制制冷流向从而使用GSHP系统进行制热或制冷。在我们的进程中，我们调整GSHP系统为冷却模式。一个27KW的外部元件用以囊括了3到4个内部元件（LRD-N725T，LG电子，韩国），功率为7.2KW。为地热交换器准备了高密度聚乙烯管。水在聚乙烯管以及泵（ILP 100-250,Hyosung-Ebara公司，韩国）中进行循环，从而压缩地热能并作为热源或散热。在冷却模式中，热量需要一个
7、稳定的空间（如建筑）来通过热交换器进行散热。地热交换器使用了密闭垂直型（U型）并且利用了24个175米深的钻孔。钻孔之间间距为5米。我们选择了一个外部元件，它对应了四个内部元件来调研GSHP系统的冷却功能（如图2）。每一个内部元件安装在43.2平方米的办公区域内。为了调查地热交换器中的热交换表现，我们为地热交换器安装了T形热电偶，距离地下管道表面有1.52.5米，从而测量地下温度而不易被地热交换器干扰。室内、室外温度以及相对湿度也在影响内部元件制冷功率影响检测范围之内。内部元件冷却功率是内部元件输入和输出之间的焓的不同之处。热泵系统的功率消耗由一支瓦特表（WT1600，Yokogawa，日本）
8、进行计量。我们同时安装了另一只瓦特表（WMT-340S,Micronics，韩国）用于测量GSHP系统总功率消耗，其中包括热泵以及水循环泵的能源耗费。所有的信息包扩了温度，相对湿度，功率消耗比率，记录在了数据获取系统中（34970A，Agilent）。3.结果以及研究3.1 地下温度档案图片3展示了每天2.5-3.0米地下的平均温度，室外温度测量是在2007年3月21日到9月30日之间测量的。在2.5-5.0米深度的温度很大程度受室外温度影响。然而，地下10米处的温度则保持在162摄氏度左右，而不大受外界的影响。图片4展示了循环水的平均温度、地热交换器的表面温度，距地下10米的地热交换器1.5
9、-2.5米的地下温度。循环水的温度随着外界温度上升至22摄氏度，制冷负载增强。循环水的温度很大的影响了地热交换器的表面温度，距离地热交换器1.5-2.5米的温度则是一个不大受影响的常数。这暗示着，地热交换器的U管并不是受地热交换器中的其他U管之间热交换的影响U管之间的距离已经被隔开了5米。3.2 GSHP系统的冷却功能我们选择了8月16日室外最热的一天来考验GSHP系统的冷却功能。图5首先展示了室外元件进入和排出的循环水温的变化。平均室外温度达到了32.7摄氏度，进入的循环水温保持在21.5摄氏度这个常数值上，而排出的水温则和冷却负载一样有很大的增幅。来自于地热交换机的循环水温比室外的空气要低
10、很多，这和空气制冷热泵的在夏天的效果是相似的。功能总效率值则体现处了冷却功能，如下所示：PDF文档中公式（1）Qsl是室内温度减少率，Wc是压缩器的功率减少率。然而，在这个试验中，我们定义了一个新的COP值来研究冷却功能系统，包括了热泵，水循环泵，室内外的风扇以及室内元件。PDF文档中公式（2）Wp和Wf是水循环泵以及风扇的功率减少比率。热转换率Qsl由质量流量率以及室内元件进出空气之间的焓差异。为了决定质量流速以及空气的焓，体积流速率，温度，相对湿度都被进行了测量。图6呈现了每天的冷却功率，功率减少率，以及2007年8月16日的热泵系统的COP。图中表现了冷却负载随着时间平均值进行着变化，冷
11、却负载的平均值观察为19.1KW，只有GSHP系统完全负载（27KW）的65%。最后，热泵系统的COP在65%实际冷却负载的条件下计算为8.3。然而，热泵系统在65%冷却负载时总体COP计算为5.9。3.3 比较GSHP和ASHP的冷却功能在热泵系统的冷却模式中，热量需要从室内元件通过压缩器排出。因此，ASHP的COP很大程度受到外部气温的影响。而不同于ASHP系统，GSHP系统比它有着更高的COP，因为水通过地热交换器用于降低压缩器的热量，使得温度低于室外10摄氏度左右。表2呈现出了GSHP系统和ASHP系统的功能。这里，ASHP系统（LRP-V2905B,LG电子，韩国）的总制冷功率和GS
12、HP系统同时进行了测试。表2中ASHP系统以60%的冷却负载下进行操作。可以看出，GSHP的COPhp（如：COPhp=8.3）比ASHP系统（如：COPhp=3.9）要大210%。这么大的落差是由于GSHP的水储备使得压缩机的温度远远低于ASHP系统。这使得热泵循环在更低的排气压力和温度下进行。GSHP和ASHP系统有1620KPA到2731KP的排气压力，而在压缩机有着同样的吸引压力（如表2）。因此，输入GSHP系统压缩机的功率比ASHP系统要小很多。这里指出，GSHP系统的总COP（如：总COPhp=5.9）要高于ASHP系统（如：COPhp=3.4），仅仅是前者的70%。这是因为GSH
13、P系统运用了额外的功率来在地热交换器中循环水。总体来说，热泵系统循环效率很大程度受到了冷凝温度的影响。换句话说，热泵系统在冷凝温度减少时更加有效率。这是因为热泵系统消耗更少的能力来使冷凝温度降低。图7描绘了简化过的GSHP以及ASHP系统的压力焓图表。如图所示，GSHP系统功率消耗更加的少，因为冷凝器节省了更多的能量，这也说明了GSHP系统比ASHP功能更加好。4.结论此次试验中，装有垂直密型闭地热交换器的GSHP系统用于一所大学的温度调节。GSHP系统的COPhp和COP（总）用于评价制冷系统每天的工作。试验表明COPhp和COP（总）为8.3和5.9。 GSHP的COP（总）要比COPhp更低，这是因为COP（总）包括了GSHP系统水循环泵以及风扇的能量降低。同时，在与ASHP的COP值比较当中，我们发现，GSHP系统的的COP（总）要高于ASHP系统74%。这大概是因为热泵循环的冷凝温度在GSHP系统中要低大概10摄氏度左右，这使得压缩器耗费了较少的能量。这表明，从能源节省以及花费资金的角度考虑，GSHP系统在调节建筑冷却中有着潜在的优势，在GSHP系统中，我们发现地下温度是一个常数，这大概也表示即使是在冬天的制热系统中，它同样有着优势。
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