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研究生: 陳家瑞
Chia-jui Chen
論文名稱: 地源熱泵空調系統建置過程與性能初探
Approaches on the Construction and Performance of Cooling System Integrated with Ground Source Heat Pump
指導教授: 江維華
Wei-Hwa Chiang
口試委員: 林怡均
Yi-Jiun Lin
張杰
Chieh Chang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 設計學院 - 建築系
Department of Architecture
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 109
中文關鍵詞: 地底溫度地源熱泵熱交換器空調冷房地底散熱
外文關鍵詞: Underground temperature, Ground source heat pump, Ground heat exchanger, Cooling air-conditioning, Underground heat dissipation
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台北地區屬副熱帶季風氣候,較高的年均溫與四季均潮濕的空氣,加上溫室效應與熱島效應的影響,夏季平均溫度逐年增加且時間也增長,進而加大冷房負荷所需的用電量。除了透過優化空調設備之效能,減少其造成的耗能外,也必須積極的找尋或是整合新能源。其中又以淺層地源(ground source)的利用,為近年來熱環境控制上最受矚目的省能技術之一,隨著地球能源與環境問題的日益惡化,地源冷暖房空調系統的高效能與無汙染性最具研究潛力。
本研究探討地源冷房空調實驗設施之建置,並進行地源熱泵空調設備之初步性能驗證。系統建置與地底環境監測結果,可作為日後設定系統型式及熱交換器埋設之參考;地源熱泵之試驗結果,則提供了系統耗能與地底散熱能力的資訊,了解其在地質近似地區的應用潛力。
測得地表至-5m處為地底溫度變化最為劇烈的範圍,平均變化幅度約8℃,-6m至-10m之平均變化幅度縮小至約1.5℃,-11m以下範圍則接近恆溫,平均溫度均略低於 24℃,變化幅度不超過0.2℃。地源熱泵性能試驗透過室內預期溫度控制來改變空調熱負荷量,當室內平衡溫度為30℃時,熱負荷的移入導致地底溫度上升了1.3℃,其在20小時後完全散熱,回復至實驗前的地底溫度。在該試驗條件下,能以啟停比4:20的比例運行(工作4小時:停止20小時),符合系統每日開啟的期望。


Taipei City is located in the subtropical monsoon climate zone. The average summer temperature increases annually and the duration of summer lengthens because of humid air throughout the year, the greenhouse effect, and the urban heat island phenomena. Consequently, the energy required for air-conditioning continues to rise. In addition to optimizing the performance of air-conditioners and reducing power consumption, alternative energy should be searched or integrated with enthusiasm. In recent years, most attention is devoted to the utilization of shallow ground sources, which are one of the energy-saving techniques based on thermal environment control. As the conditions of earth energy and environments continue to deteriorate, ground source heat pump air-conditioning systems demonstrate high efficiency, zero pollution, and great research potential.
This study investigated the construction of the ground source cooling air-conditioning experiment facility. In addition, the performance of the ground source heat pump air-conditioning equipment was preliminarily verified. The results of system construction and underground environment monitoring can serve as future reference for system type setup and thermal exchanger installation. The experiment results of the ground source heat pump provide information regarding system energy consumption and underground dissipation efficiency, which can be used to identify the application potential in regions of similar geological properties.
The most drastic changes of underground temperatures were measured five meters below the earth surface, with an average change of 8℃. The average temperature change measured at six to ten meters underground was approximately 1.5℃. The temperature measured 11 meters underground was almost constant. The average temperature was slightly lower than 24℃, with a variation less than 0.2℃. In addition, the performance experiment of the ground source heat pump controlled the expected indoor temperature to change the thermal load of the air-conditioner. When the indoor equilibrium temperature was 30℃, the input of thermal load increased the underground temperature by 1.3℃. The increased temperature was fully dissipated after 20 hours, restoring to the initial underground temperature. Under these experiment conditions, the startup/shutdown ratio was 4:20 (4-hr startup:20-hr shutdown), which fulfilled the expectation that the system could be utilized on a daily basis.

中文摘要 ……………………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要 ……………………………………………………………………………Ⅱ 致謝 …………………………………………………………………………………Ⅳ 目錄 …………………………………………………………………………………Ⅴ 圖表索引 ……………………………………………………………………………Ⅷ 第一章 緒論 …………………………………………………………1 1-1 研究動機及目的 ………………………………………………………………1 1-2 研究內容及範圍 ………………………………………………………………2 第二章 文獻回顧 ……………………………………………………3 2-1 台灣氣候環境概述 ……………………………………………………………3 2-1-1 氣候條件 ……………………………………………………………………3 2-1-2 都市熱島效應 ………………………………………………………………3 2-2 地底環境特性 …………………………………………………………………5 2-2-1 台北地區地質概述 …………………………………………………………5 2-2-2 台北盆地地下水位觀測結果 ………………………………………………6 2-2-3 地底溫度特性 ………………………………………………………………6 2-3 地源熱泵空調系統概論 ………………………………………………………9 2-3-1 地源熱泵空調系統之發展 …………………………………………………9 2-3-2 地源熱泵空調系統工作原理 ………………………………………………10 2-3-3 淺層地源在台灣之應用 ……………………………………………………11 2-4 熱泵機組 ………………………………………………………………………14 2-4-1 熱泵機組運作原理 …………………………………………………………14 2-4-2 熱泵機組製冷理論基礎 ……………………………………………………15 2-5 冷卻水塔 ………………………………………………………………………16 2-5-1 冷卻水塔運作原理 …………………………………………………………16 2-5-2 冷卻水塔性能評估 …………………………………………………………16 第三章 地源冷暖房空調系統實驗設備 ……………………………18 3-1 實驗空間基礎資料 ……………………………………………………………18 3-1-1 自然氣候條件 ………………………………………………………………18 3-1-2 實驗室空間條件及既有設備 ………………………………………………19 3-2 地源冷暖房空調系統 …………………………………………………………22 3-2-1 規劃構想(地源熱泵及地中管系統) ………………………………………22 3-2-2 外部環境及相關設備建置 …………………………………………………26 3-2-3 水循環式地源熱泵建置過程及相關設備 …………………………………27 3-3 監控系統功能介紹 ……………………………………………………………34 3-3-1 監控系統相關設備 …………………………………………………………34 3-3-2 監控軟體使用介紹 …………………………………………………………37 第四章 地源冷房空調系統性能測試 ………………………………42 4-1 地底環境觀測 …………………………………………………………………42 4-1-1 量測儀器與測量方式 ………………………………………………………42 4-1-2 地底環境量測結果與分析 …………………………………………………46 4-1-3 地底溫度量測分析結論 ……………………………………………………49 4-2 水循環式地源熱泵系統平衡調整 ……………………………………………50 4-2-1 系統能力概況 ………………………………………………………………50 4-2-2 系統平衡測試 ………………………………………………………………51 4-3 水循環式地源熱泵試驗結果與分析 …………………………………………53 4-3-1 試驗條件說明 ………………………………………………………………53 4-3-2 試驗結果與分析 ……………………………………………………………54 第五章 結論與建議 …………………………………………………64 5-1 結論 ……………………………………………………………………………64 5-1-1 系統建置 ……………………………………………………………………64 5-1-2 地底環境量測結果 …………………………………………………………64 5-1-3 水循環式地源熱泵試驗結果 ………………………………………………65 5-2 建議 ……………………………………………………………………………66 5-2-1 後續研究與建議 ……………………………………………………………66 参考文獻 ………………………………………………………………67 附錄 ……………………………………………………………………70 附錄A - 原有氣冷分離式變頻冷氣室內外機及全熱交換器詳細資訊 …………70 附錄B – 氣循環式地中管建置過程及相關設備 …………………………………72 附錄C – 氣循環式地中管系統各項監控設備與切換機制 ………………………78 附錄D – 水循環式地源熱泵系統初期試驗 ………………………………………81 附錄E – 水循環式地源熱泵各試驗條件之實驗結果 ……………………………88 授權書

中文文獻
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英文文獻
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其他文獻
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