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系統識別號 U0026-1607201821281000
論文名稱(中文) 台灣地源熱泵之垂直式地埋管換熱特性及應用潛力研究——以台南實地實驗為例
論文名稱(英文) Study on Heat Exchange Properties and Application Potential of Closed Loop Vertical GCHE of GSHP System in Taiwan -- Taking Experiments in Tainan as Examples
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 建築學系
系所名稱(英) Department of Architecture
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生(中文) 李鵬
研究生(英文) Peng Li
學號 N78023016
學位類別 博士
語文別 中文
論文頁數 114頁
口試委員 指導教授-林憲德
口試委員-林子平
口試委員-鄭政利
口試委員-黃國倉
口試委員-黃志弘
口試委員-黃瑞隆
中文關鍵字 地埋管  地溫  地源熱泵  蓄能  混合式地源熱泵  建築節能 
英文關鍵字 Ground Coupled Heat Exchanger  Underground Temperature  Ground Source Heat Pump  Energy Storage  Hybrid Ground Source Heat Pump  Building Energy Conservation 
學科別分類
中文摘要 摘要
地下一定深度之土壤,其溫度年波動很小,可視為恆定。該溫度值,夏季比地表環境溫度低,冬季比地表環境溫度高,理論上而言,可以利用此土壤蓄能用來輔助建築物實現暖房或冷房,降低建築空調能耗。地源熱泵就是一項利用土壤蓄能之技術。
在各種類型地源熱泵中,地埋管式應用較多,可與建築空調或冷熱水系統相結合,達成節能之目的。目前,在台灣地埋管式地源熱泵相關研究尚很缺乏。本研究整理出台灣主要地溫資料,並在台南實地鑿井60m深,埋入4組垂直式地埋管,用熱水爐制取熱水或用冷卻水塔制取冷水來模擬空調負荷,並將其注入地埋管中進行系列熱交換實驗。本研究鑿井地點位於台南市歸仁區六甲里中正南路1段2496號內政部建築研究所性能實驗中心區內,佔地約10×10公尺。本研究考慮地埋管在實際工程之應用可能,設計多種實驗組合,相關實驗數據與資料可作為台灣地源熱泵應用之基礎數據,供學界和業界進一步研究使用。
根據本研究文獻調查與系列實驗之結果可知,在台灣因主要都會區地溫普遍偏高,夏季利用土壤源地冷能源輔助空調冷房或制取冷水,並無明顯節能優勢,但利用地下水之地冷能源,則有一定節能潛勢,特別是宜蘭、屏東等地,地下水資源豐富,局部地溫可低至22℃左右,具有較好利用價值。在冬季,因地溫較高,土壤源之能量用於冬季暖房或熱水系統則具有較大節能潛勢。土壤源地源熱泵系統運行過程中,冬夏季負荷均衡程度對系統永續性有重要影響。地下水源地源熱泵系統則因地下水流動可帶走熱量,因此對冬夏季負荷均衡度之要求相對較低。
本研究就地源熱泵之垂直式地埋管熱交換特性進行了長達六個月的實驗,時間跨度包括夏冬兩季,實驗內容包括多種實際工程可能遇到之情形。本研究進行之實驗內容主要為七類,包括:
1)初始地溫測量(A類);
2)地溫變化監測(B類);
3)恆定功率連續熱交換實驗(C類、D類);
4)恆定溫度連續熱交換實驗(E類);
5)地溫恢復監測實驗(F類);
6)間歇熱交換實驗(G類);
7)夜間及冬季“蓄冷”熱交換實驗(H類、I類)。
以上各類實驗累計進行30餘次。這些實驗模擬之情形,是地源熱泵在實際工程中遇到之常見狀況,實驗結果將會成為台灣地區地源熱泵系統設計與計算之重要參考。恆定功率熱交換實驗結果可作為地源熱泵冷水系統設計之參考依據;恆定溫度熱交換實驗可作為地源熱泵空調系統設計之參考依據;夜間與冬季“蓄冷”熱交換實驗可作為混合式地源熱泵系統之參考依據;地溫測量、地溫變化監測、地溫恢復監測以及間歇熱交換實驗可作為地源熱泵系統永續運行評估之參考依據。
根據本研究系列實驗結果結合地源熱泵在台灣建築空調或冷熱水系統之應用,得出如下結論。
(1) 實驗地點地溫偏高:實驗地點地下50m深度土層平均地溫為27.45℃,略高於嘉南地區平均地溫。
(2) 土層累積熱量不易擴散,實驗過程中地溫明顯上升:實驗地點之地下12m以下為不透水粘土層,其土層保溫蓄熱能力較強,地溫恢復過程十分緩慢。
(3) 熱交換過程中地溫變化呈對數函數特徵,熱交換前5~6小時地溫變化幅度大,約20~23小時後,地溫變化趨於平穩:各次熱交換實驗中,地溫變化最快的階段主要是實驗剛剛開始之5~6小時期間,這之後,地溫變化幅度明顯變小。大約20~23小時以後,土層溫度變化便趨於緩慢,土層溫度每小時溫差變化已經小於0.1℃。
(4) 特定條件下,雙U管熱交換效率優於單U管:在恆定功率熱交換實驗中,雙U管優勢並不明顯,但在恆定溫度熱交換及夜間及冬季“蓄冷”實驗中雙U管熱交換效率明顯優於單U管。
(5) 特定條件下,地埋管中循環水流量大小與熱交換效率正相關:在恆定功率熱交換實驗中,循環水流量大小對地埋管熱交換效率沒有影響;在恆定溫度熱交換、夜間及冬季“蓄冷”實驗中循環水流量大小與熱交換效率正相關。
(6) 特定條件下,地埋管換熱量會逐漸降低:在恆定功率熱交換實驗中,根據熱力學第一定律能量守恆原理,地埋管換熱量與設置之恆定功率值相等;在恆定溫度熱交換實驗中,隨著地埋管熱交換不斷延續,地溫逐漸上升,導致地埋管熱交換效率逐漸下降。
(7) 地下土層溫度恢復過程漫長:實驗地點地溫恢復是一個漫長之過程,且很難恢復到天然原始地溫數值。
(8) 間歇運行可有效降低地溫變化幅度:地埋管在間歇運行條件下,地溫上升幅度小於同等條件連續運行模式下之地溫上升幅度。恆定功率熱交換模式下,間歇運行策略不會對運行換熱量產生影響;恆定溫度熱交換條件下,間歇運行策略可降低地埋管出水溫度,這將會有助於提升系統熱交換效率。
(9) “蓄冷”過程中,外氣濕球溫度高低與地埋管熱交換效率負相關:外氣濕球溫度高低與地埋管熱交換效率負相關,濕球溫度越高,熱交換效率越低,濕球溫度越低,熱交換效率越高。在冬季“蓄冷”潛力方面,以台南為例,台南近年冬季濕球溫度低於17℃之小時數均在1300小時以上,有較大冬季“蓄能”之潛力。
(10) 地源熱泵利用需要做全週期評估,以確定其永續性和經濟性:地源熱泵系統設計時,務必在一個完整系統運行週期內做計算或模擬,以評估地溫變動幅度,並採取有效措施保證冷熱負荷均衡,確保系統永續高效運行。
(11) 可利用混合式地源熱泵作為平衡冷熱負荷之方法:台灣很多建築冬夏季空調冷熱負荷不均衡,混合式地源熱泵可作為一種技術手段,使得注入地下之“熱能”或“冷能”相平衡,從而保證系統之永續性。
英文摘要 Extended Abstract

SUMMARY
Ground Source Heat Pump(GSHP) is a widely used technology. GSHP with closed loop vertical Ground Coupled Heat Exchanger(V-GCHE) is very common type and has very stable performance, which can be used in building’s air conditioning or hot/cold water system to save energy. However, the research of this type of GSHP is still lack in Taiwan. This paper, with the purpose to find proper way to utilize the GSHP technology, provides the geothermal temperature of different areas in Taiwan and analyzes the heat exchange properties in closed loop V-GCHE on the basis of series of experiments launched in Tainan, where 4 Boreholes with 60m depth were drilled for a six-month research. Conclusions of this study include: 1) underground temperature of experimental site is a little high, average temperature is 27.56 ℃ in 53.5m depth; 2) heat in soil diffuses very slowly, and the accumulation of heat causes rise of the underground temperature; 3) in experiments, underground temperature changes obviously in first 5-6 hours but keeps approximately the same after 20-23 hours; 4) under certain conditions, thermal transfer efficiency of double-U type of GSHE is better than single-U type; 5) intermittent heating can increase the sustainability of the system; 6) a whole period assessment is necessary to ensure the sustainability and economic feasibility; 7) Hybrid-GSHP can be used in Taiwan to balance the unbalanced cooling or heating load of AC systems in many buildings.
論文目次 摘要 I
Extended Abstract V
誌 謝 XI
目錄 XIII
表目錄 XV
圖目錄 XVII
符號 XXI
第一章 緒論 1
第一節 研究緣起 1
第二節 研究背景 6
第三節 地源熱泵形式和台灣地源熱泵應用條件 9
第四節 混合式地源熱泵 13
第五節 研究步驟與方法 17
第六節 研究成果 18
第二章 實驗地點與實驗系統設計 19
第一節 實驗地點 19
第二節 實驗系統設計 20
第三章 實驗場地完工後狀況 25
第四章 測試設備及設備校驗 27
第一節 重要儀器之配合使用情形 27
第二節 設備校驗 28
第五章 實驗數據分析 31
第一節 實驗信息匯總 31
第二節 初始地溫測量 37
第三節 地溫變化監測 39
第四節 地埋管熱交換實驗之恆定功率連續熱交換實驗 45
第五節 地埋管熱交換實驗之恆定溫度連續熱交換實驗 55
第六節 地埋管熱交換實驗之地溫恢復監測實驗 61
第七節 地埋管熱交換實驗之間歇熱交換實驗 67
第八節 地埋管熱交換實驗之夜間及冬季“蓄冷”熱交換實驗 73
第六章 結論 89
參考文獻 93
中文文獻 93
英文文獻 96
附錄 97
附錄1、水路系統圖 98
附錄2、電路系統圖 99
附錄3、地層土壤與地下水分佈報告 100
附錄4、水量計檢定結果通知書 101
附錄5、標準溫度計校正報告 102
附錄6、鑿井施工進度記錄 106
參考文獻 參考文獻
中文文獻
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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2018-07-23起公開。
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