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研究生： 郭治平
Chih-ping Kuo
論文名稱： 以台北盆地低溫地下水節省空調用電之最佳化研究
Optimization of Using Low-temperature Groundwater for Electricity Saving of Air-conditioner
指導教授： 廖洪鈞
Hung-jiun Liao
口試委員: 陳志南
Chee-nan Chen
楊國鑫
Kuo-hsin Yang
江維華
Wei-hua Chiang
周南山
none
鄭國雄
none
王文博
none
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2012
畢業學年度： 100
語文別： 中文
論文頁數： 327
中文關鍵詞： 台北盆地 、地下水 、省電 、空調 、最佳化 、熱島效應
外文關鍵詞： Taipei basin, Optimization, Groundwater, Electricity Saving, Air-conditioner, Heat-island effect
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    • 台北都會區因受盆地地形之影響，夏季大型空調系統排出之廢熱累積效應顯著，熱島效應日益嚴重，因此為了降低空調系統排到大氣中的廢熱量，本研究改用貯存在台北盆地底部礫石層大量、低溫且水質良好的地下水取代將廢熱排放到大氣的冷卻水塔系統，以來回循環方式冷卻空調系統。適逢目前盆地內大規模開挖工程，如地下捷運車站，常藉由深達礫石層之抽水井降低開挖時之上舉水壓，相當適合於開挖完成後應用於提供抽注循環地下水。本研究藉由結合地下水文地質、地下水力學與熱傳遞的礫石層水文數值模型模擬結果得出，含水層中的地下水處於極低速流動狀態，可將一般規模之捷運站體空調系統所產生廢熱帶離原地。另一方面，藉由在捷運站體進行的現地試驗與台灣科大校園內的現地與室內試驗，結果顯示以台北盆地景美礫石層地下水體冷卻空調系統的循環水，可取代冷卻水塔使空調系統順利運轉。為進一步同時節省冷氣壓縮機與抽水泵浦用電，再以板式熱交換器模型模擬各種循環地下水條件下所能達到之之冷卻水溫，以及所需之抽水泵浦和冷氣壓縮機用電，由模擬結果獲得之各種參數間關係進行最佳化後，找出最合適的熱交換器尺寸與板片數，以獲得同時節省抽水泵浦和冷氣壓縮機用電之功效。

    Urban heat-island effect is the most deeply concerned issues and getting worse in Taipei urban. The heat accumulating effect is also more significant due to its basin topography. The exhausted heat to air from cooling towers that air-conditioner systems using for cooling down indoor temperature also causes surrounding temperature increasing. To reduce the amount of the mentioned heat to the air, this research adopts circulating groundwater as an alternative cooling medium for the air-conditioner. The groundwater reservoir in the Chingmei gravel stratum of Taipei basin is plenty, flowing, and with low-temperature. Deep wells installed for pumping out high groundwater pressure head to reduce uplift force in excavation engineering are very suitable to be utilized here. From the numerical simulation of the aquifer combing hydrogeology, groundwater hydraulic mechanics, heat transferring, the groundwater is flowing with a slow speed. That can dissipate the heat generated by air-conditioning of a MRT station. In-situ tests in a MRT site were performed to calibrate the numerical model and estimate the ability of pumping, recharging, and heat transferring of the aquifer. Furthermore, the electricity consumption of the air-conditioner and pump were determined by a series in-situ tests in NTUST. The test results were adopted to perform the optimization of designing the plate heat exchanger to save the electricity consumption of entire air-conditioner system.

    中文摘要 I 英文摘要 II 誌 謝 III 目 錄 V 表 索 引 X 圖 索 引 XII 符號索引 XVII 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 5 2.1 熱島效應 5 2.2 台北盆地 7 2.2.1 盆地歷史 7 2.2.2 地形與地質 7 2.3 景美層地下水體 10 2.4 空調系統原理 12 2.4.1 冷凍空調運作基本原理 12 2.4.2 冷凍系統各元件 13 2.4.3 蒸汽壓縮冷凍循環系統之基本理論 16 2.4.4 標準蒸氣壓縮冷凍循環 17 2.4.5 實際蒸氣壓縮冷凍循環 19 2.4.6 實際冷凍循環與標準冷凍循環之差異 20 2.4.7 箱型空調系統 21 2.5 冷卻水塔 22 2.5.1 冷卻水塔種類 22 2.5.2 冷卻水塔構造 23 2.5.3 冷卻水塔耗水途徑 25 2.5.4 冷卻水塔散熱效能 26 2.5.5 冷卻水塔與退伍軍人症 28 2.6 變頻控制器(Inverter) 29 2.6.1 變頻器基本原理 29 2.6.2 變頻器之種類 29 2.6.3 變頻器的切換控制 30 2.6.4 變頻器轉速控制 30 2.6.5 變頻器的節能原理 30 2.6.6 變頻器使用注意事項 31 2.7 板式熱交換器構造及熱交換原理 31 2.8 以地層儲散熱原理 35 2.8.1 地源熱泵 35 2.8.2 循環式地下水系統 36 第三章 研究計畫 39 3.1 工法概念與形式 40 3.1.1 直接將地下水導入冷氣系統 41 3.1.2 將冷氣機熱交換器放入地層中 42 3.1.3 透過熱換器進行地下水與冷卻水熱交換 44 3.2 試驗項目 46 3.2.1 現地含水層抽注試驗 46 3.2.2 工法可行性現地試驗 46 3.2.3 系統效能提升與省電評估試驗 46 3.2.4 系統用電與熱交換系統最佳化設計 47 3.3 數值模擬項目 47 3.3.1 景美礫石層水文地質模型 47 3.3.2 景美礫石層熱傳模型 47 3.4 研究歷程與預期成果 47 第四章 景美礫石層地下水循環抽注能力評估 49 4.1 試驗場地概況 49 4.1.1 場地位置 49 4.1.2 場地下方地層概況 50 4.2 景美層供水能力 52 4.3 景美層回注能力試驗 52 4.3.1 試驗場地 52 4.3.2 試驗方法 52 4.3.3 試驗儀器 52 4.3.4 試驗結果 54 4.3.5 景美層注水井效率估算 58 4.4 景美層熱擴散試驗 64 4.4.1 試驗場地 64 4.4.2 儀器配置 64 4.4.3 試驗結果 67 第五章 水文地質與熱傳數值模型 69 5.1 水文地質概念模型 69 5.1.1 地下水數值模擬軟體 69 5.1.2 控制方程式 70 5.1.3 地形與地質資料 73 5.1.4 景美層地下水位資料 78 5.1.5 水文參數 79 5.1.6 模型邊界 82 5.1.7 模型水文參數律定 87 5.1.8 地下水流狀態 87 5.1.9 區域水文地質模型 89 5.1.10 現地試驗驗證 92 5.2 熱傳遞概念模型 92 5.2.1 熱傳遞數值模擬軟體 93 5.2.2 控制方程式 93 5.2.3 SHEMAT使用限制 98 5.2.4 參數設定 100 5.2.5 數值模擬結果 101 第六章 系統運轉之最佳化節電與效益評估 109 6.1 試驗環境概況 110 6.1.1 試驗標的 110 6.1.2 場址位置 111 6.1.3 地層剖面分布與水文情形 112 6.1.4 地下水質 114 6.1.5 試驗儀器 114 6.1.6 空調系統 114 6.1.7 循環地下水系統 117 6.1.8 循環冷卻水系統 118 6.1.9 熱交換系統 119 6.1.10 變頻控制系統 123 6.1.11 溫度量測系統 123 6.1.12 流量量測系統 124 6.1.13 水位量測系統 125 6.1.14 電力量測系統 125 6.2 試驗方式與步驟 127 6.2.1 板式熱交換器控制方程式 127 6.2.2 試驗構思與方法 131 6.2.3 試驗目標 136 6.2.4 理論熱交換器模型 136 6.2.5 壓縮機耗電與冷卻水溫間關係試驗 139 6.2.6 抽水泵浦耗電與循環地下水流量間關係試驗 141 6.2.7 循環地下水流量與進冷氣機冷卻水溫間關係 145 6.2.8 壓縮機耗電與抽水泵浦耗電關係 147 6.3 系統用電最佳化計算 150 6.3.1 率定試驗模型與推算其最佳化狀態 150 6.3.2 增加熱交換面積對省電量之提升 165 6.3.3 最佳化熱交換面積與板片數 174 6.3.4 可達同樣換熱效果但體積較小之熱交換器 176 6.3.5 不考慮抽水泵浦所需之熱交換系統 178 第七章 結論與建議 181 7.1 結論 181 7.2 建議 183 參考文獻 185

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