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Ανάπτυξη Λογισμικού Για Την Διαστασιολόγηση Κατακόρυφου Γεωεναλλάκτη Κατά Ashrae
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: . . . .
ASHRAE
:
...: 3503
: 2006-08
: . . .
: . ,
2006
1.
2.
3.
4.
5. :
. . .
6. : .
7. :
ASHRAE
8. :
9. :
3503 10. :
-
11. :
, 2005 12. :
, 2006 13. :
2006-08
15. : . : 73
. : 34
. : 2
. : 7
. : -
. : -
16. :
14. : . , , , , , . .
.
,
.
.
, .
, , , .
, , .
17. :
18. : 19. :
, . , , , .
, , . , , . , , .
, . , ..., . . , , , , .
i
1 ....................................................................................................................... 1
1.1 ...................................................................................................... 1
1.2 ...................................................................... 2
1.3 ............................................................ 2
2 ............................................................................................ 5
2.1 ......................................................................................................... 5
2.2 ......................................................................................................... 6
2.3 ........................................................................................ 10 2.3.1 .................................................................................................... 11 2.3.2 ........................................................................................... 13 2.3.3 ............................................................................................. 17
3 .......................................................... 19
3.1 ....................................................................................................... 19
3.2 .............................................. 20
3.3 ..................................................................... 22
3.4 ............................................................. 24
4 ................ 27
4.1 ............................................................................... 28 4.1.1 ................................................................................ 30 4.1.2 .................................................................................... 35
4.1.2.1 ...................... 39 4.1.2.2 ...... 43 4.1.2.3 ............. 44
5 .......................................................................... 49
5.1 ........................................................................................................ 50
5.2 .................................................... 51
5.3 - ..................................................... 53
ii
5.3.1 ................................................................................................................. 53 5.3.2 ................................................................................................................. 54 5.3.3 .................................................................................................................. 55
5.4 .......................................... 57
5.5 ........................................... 59
5.6 .............................................................. 60
5.7 ....................................................................... 62 5.7.1 ................................................................................................................. 62 5.7.2 ................................................................................................................. 63
6 .................................................................................................................................... 67
7 ....................................................................................................... 71
.................................................................................................................... 73
1
1
1.1
. , .
( ) , - - . , , , .
, , , ( ) . , [1].
W.Carrier 1902. , . Carrier . , 1911, . - .
() 1930. 1940, , [2].
2
1.2
, , . . . , , :
. ,
, ( ). .
. , , .
. - . , , -.
, , [2].
1.3
, . , :
I. :
3
, . , -, , ..
, . , .
II.
: ( ) ( )
, . - .
, . , . - , , .
III.
. , , :
, .
. , - .
. - , .
:
4
Split Units.
, , , , . [2].
5
2
2.1
1852 W. Thomson, , , . , . 1880 , . 1928 T.G. Haldane , - .
, , Southern California Edison Co. . 1050 kW (COP), 2,5.
1940 , , . . . 1970, 850.000 . - , 1980 , 30% . , , , . 1990 , . , 1980.
, , , . , - . , , / [3].
6
2.2
. , 2.1. , Th, T. Q W, :
h cQ Q W= + (2.1)
n, Th. :
h
WnQ
= (2.2)
W
Qc Qc
Qh Qh
W
Th Th
Tc Tc
2.1:
, , , - ,
7
, . , 2.1 , Qh Qc . . , , . , . , , , , . , - Qh Qc W, Qh/W , 2 . , - , - COP (coefficient of performance) COPh COPc . :
h
hQCOPW
= (2.3) :
ccQCOPW
= (2.4)
1 :
1h cCOP COP= + (2.5)
. , , .
. .
8
, . . .
, Carnot, Carnot . -- (T-s) 2.2 . 1 2. 3. , Qh . 3, 4 1 Qc.
2.2: - (T-s) - Carnot [3]
Carnot, :
9
h c
h h
Q QWQ Q
= = (2.6)
:
h c
h
T TT
= (2.7) , 1 2 T-s, :
11 2
AA A
= + (2.8)
COPh COPc :
1 2
1
h hh
h c h c
Q TA ACOPQ Q A T T
+= = = (2.9)
:
2
1
c cc
h c h c
Q TACOPQ Q A T T
= = = (2.10)
, . Carnot , . , . . , - . , , , . , . 5 oC
10
20 oC . COPh=293/15=19,5. 1 kW 19,5 kW . .. 5 , COPh=298/25=11,9. . 6 . COPh , [4].
2.3
. , . , (radiators), (convectors), -. - .
/ , . - , (fan-coils), -. . [5]. 2.3 2.4 . :
11
2.3 : [1]
2.4 : [1]
2.3.1
. , ( , .., ) .
12
, - . , . , , - , . , . , . , - .
. . - . , , . , . , , , .
. . , , , [4]. 2.5 , .
13
2.5: [1].
2.3.2
:
. ,
14
, . , - () () . 2.6 2.7 2.8 - - .
3 2
4 1
2.6 :
: 41
4 1 . 12
, 2 . 23
2 3.
15
2.7 : - [4]
2.8 : - [4] 34
3 .
Qc Qh [4].
:
12 h2-h1 ( ) 23 h2-h3 ( ) 34
16
41 h1-h4 ( ) :
2 3
2 1hh hCOPh h
= (2.11)
:
1 4
2 1ch hCOPh h
= (2.12)
. , . , - [5]:
, ( 2.9, 2).
, ( 2.9, 1).
(-) . ( 2.9, 2-3 4-1).
.. , ( 2.9, 3)
, , , .
17
2.9: - [5]
2.3.3
, . - , . , . , , , , , . , , .
, , , . - , , , , . , .
, , . - , . , , R12 R21,
18
, .
, . , , . , , , . , , , . , [3].
19
3
3.1
, , , (Ground-Source Heat Pumps). , , . , , , . , . , , , .
3.1: [9]
, , , , . :
20
, , , . - .
3.2
, -. , . , -, - . -, , . - -, , . , DX (Direct expansion). , -, , -- , .
. , . , -, , . - U , . 12 40 50 200 , . - , , , , . , - .
21
3.2: (- -) [10]
, , . , , , . :
()
3.3: [11] 4 -. , , . ( ) - . ,
22
, 30 60 cm. , .
. 20% 30% .
3.4: - [12]
- , - . , , [6].
3.3
, , . , - , , . , , , , , .
23
. , , -, . , ( - ), - -, , .
3.5 : [13]
,
, , . - . , . - .
. - . , . , . - . , , ,
24
, [6].
3.6: [13]
. , , , , , , , [6].
3.4
. , , , . , . - .
- -, , .
25
- . , - , . . (PVC) . - 19 25 mm. (30 40 mm) . - .
, , - , -, , -. , , . - , .
3.7: [14]
. , , . , - , . - -. 4,5 . 10 C .
26
, , .
:
. , - , . . . , . . . , - , [6].
3.8: [14]
27
4
, - . , . , - . , -, . , , - . . , . . , , .
. , , . , , ( -) ( ). , . / , , . , - .
. . , .
28
. Carslaw Jaeger. Ingersoll .
. - . , , . - , . , , .
, , . . , . . [6].
4.1
Ingersoll . - , , L, R - tg tw. :
( )g wL t tqR= (4. 1)
L, , - .
29
, . , , :
_
1( ) ( )
2
a ga h h b m gm gd sch
wi wog p
q R q W R PLF R R FL t tt t
+ + + = + (4.2)
:
_
1( ) ( )
2
a ga c c b m gm gd scc
wi wog p
q R q W R PLF R R FL t tt t
+ + + = + (4.3)
scF :
Lc : [ m] Lh : [ m]
mPLF :
aq : [ kW]
lcq : [ kW]
lhq : [ kW]
gaR : [ mK/W]
gmR : [ mK/W]
gdR : [ mK/W]
bR : [ mK/W]
gt : [ ]
pt : [ ]
wit : [ ]
wot : [ ] _
cW : [ kW] _
hW : [ kW]
4.2 4.3, - . , ,
30
(qa), , , , . , , 4 .
4.2 4.3. , . , , , . , , , - [6].
4.1.1
4 ( ). (Rga, Rgm Rgd). . , Rb . , , Rb . :
-
:
. . .R R R R = + + (4.4)
31
R
R
R
4.1:
-, , , , . , , . - rin, :
.. .
12 in is
Rr = (4.5)
.R : [ mK/W]
: [ W/m2K] rin : [ m]
, , 2300 W/m2K . , , , . , - , , .
, U , . , , , . ,
32
, , , :
is oD n D= (4.6) n , U, , U, Do, ( ) - .
du-tube
Dbore
1 2 3
du-tube
Dbore
du-tube
Dbore
4.2: -
4.4 :
. .
..
.
ln
2
out is
in is
rr
Rk
= (4.7)
.R : [ mK/W]
rout.is. : [ m] rin.is. : [ m] k. : [ W/mK]
4.1 , Wirsbo-evalPEX.
33
4.1: Wirsbo-evalPEX [15]
x (mm)
(mm)
(W/mK) 12x1,8 8,4 0,4 14x2,0 10 0,4 16x2,0 12 0,4 18x2,0 14 0,4 18x2,5 13 0,4 20x2,0 16 0,4 25x2,3 20,4 0,4 32x2,9 26,2 0,4 40x3,7 32,6 0,4
, 4.4,
:
. ...
ln
2
bore
out is
rr
Rk
= (4.8)
.R : [ mK/W]
rbore : [ m] rout.is. : , - [ m] k. : [ W/mK]
4.2 U. , -, . , , , .
-, . , . - - .
34
4.2 : [8]
A/A [W/mK] 1 (40% ) 1,211 2 0,606 3 () 0,735 4 1,050 5 2,100 6 1,500 7 100 Kp 1,200 8 5 Kp 0,700 9 , 0,380 10 , 1,5 1,100 11 , 3 1,100 12 , 6 1,150 13 , 8 1,250 14 0,090 15 1,280 16 0,520 17 0,090 18 1,200
19 ,1 1,270
20 (10% ) 0,720 21 (15% ) 0,790 22 (20% ) 1,440 23 (40% ) 1,150 24 (5% ) 0,430 25 (80% ) 0,940
26 (5% ) 0,550
27 (10% ) 0,850
28 (15% ) 1,200
29 - 1,150 30 - 0,720 31 - 0,940 32 - 1,440 33 - 0,430 34 - 0,790 35 1,500 36 0,700 37 2,00
. ,
35
, , . , 3 5 - . , . , , . , [6].
4.1.2
, -. , , . . , , , 4.3 - . . -, , . - 4.3 , - 80% . , 80% .
4.2 4.3 . Carslaw Jaeger , g, - Fourier:
24 g
ois
a tF
d = (4.9)
36
4.3: [6]
(W/mK)
80%
(W/mK)
cp (J/kgK)
(kg/m3)
(10% ) 5,20% 1,900 - 5,190 2,250 - 3,285 879 2643
(25% ) 5,20% 1,900 - 5,190 2,595 - 3,630 879 2643
8,56% 1,900 - 4,670 2,595 - 3,805 - 2803 - 3124 8,56% 1,385 - 4,840 1,555 - 2,420 502 2563 8,56% 2,075 - 2,420 - 712 - 879 2883 () 8,56% 1,555 - 2,765 - 754 2963
( .) 8,56% 2,075 - 3,63 - 754 2963
5,60% 2,075 - 3,285 2,075 - 2,940 921 2883 5,60% 2,075 - 3,46 - 879 2723
- 1,900 - 2,940 - - - - 1,555 - 6,225 2,765 - 6,225 879 2723 - 2803 - 1,385 - 6,225 2,420 - 3,805 921 2403 - 2803 - 6,400 - 837 2082 - 2162 1,70% 2,075 - 3,460 - 1005 2563 - 2723 - 1,385 - 2,420 - - - (25% )
1,05% 1,035 - 3,980 1,730 - 3,115 879 2082 - 2643
( )
1,05% 1,0350 - 3,980 1,035 - 1,555 879 2082 - 2643
(25% )
1,05% 1,035 - 3,980 1,385 - 2,420 879 2082 - 2643
( )
1,05% 1,035 - 3,980 1,035 - 1,385 879 2082 - 2643
21,4% 1,730 - 5,705 2,250 - 3,460 921 2563 - 2803 0,9% 2,075 - 5,535 2,075 - 3,285 921 2723 - 5,190 - 6,920 - 837 2563 5,1% 2,075 - 4,495 2,420 -3,805 - 2723 - 3204 - 1,555 - 2,595 - 921 2723 - 2803
37
, Carslaw Jaeger - . 3 , 10 (3650 ) qa, (30 ) qm, 4 (0,167 ) qd. :
1=3650
2=3650+30=3680 f=3650+30+0,167=3680,167
Fourier 4.9 :
F0f=4f/dis2 (4. 10) F01=4(f1)/ dis2 (4. 11) F02=4(f2)/ dis2 (4. 12) Fourier -
G. G, Fo = 0,248e13,643G. 4.1. , - G, Fourier , G. Fourier 4.10, 4.11 4.12.
, G , :
f 1
gaGR =
g
Gk
(4. 13)
1 2
gmGR =
g
Gk
(4. 14)
38
2
gdGR =gk
(4. 15)
G
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2
G
Fou
rier
4.1: Fourier- G [6]
-
U. 2% 11 lt/min. - 1,02, . , . U, . , 38 mm 180 240 .. . 180 , 90 , 60 . [6].
39
4.1.2.1
. . - . . , , . , , - .
, . , . - , . , , -. , .
, . , . , , , .
, , , . , - , . - , . , . , , .
40
, - . - , Austin, Gehlin van Gelder Witte [7]. , , , , , , .
, . , .. , , 50 2000 W.
, Austin Gehlin [7]. . , . . - . , (buffer) (0,5 m3), - , , . - , .
( ) , ( ) . , 4 6 oC - . . . [7]. (
41
) , :
p out in-(m c (T -T ))k=4 H s
i
(4. 16)
s :
p out in p out inf 2
o
-(m c (T -T )) (m c (T -T ))4T = ln4 r
bsur
Rt Tk H H
+ +
i i
(4. 17)
, :
2
05t r (4. 18)
k : [W/mK]
mi
: [kg/s] cp : [kJ/kgK] Tout : [oC] Tout : [oC] : [m] s : f : [oC] sur : [oC] Rb : [/Wm] : Eulers t : [s] ro : [m] : [ m2/s]
42
4.3: [7]
4.2: - [7]
43
4.1.2.2 4.2 4.3
, , , - , - . (PLFm), - , :
( 4 )24m
a h PLF o o h
=
(4. 19) , , , . , . , - . , .
, :
6
1(4 ) /n
nh
o o
=
=
(4. 20) o , - , . , , .
(qa), . , . , , . :
44
1 1
8760 /
c hlc cis lh his
c ha
COP COPq h q hCOP COPq
h yr
+ + =
(4. 21)
qlc qlh
. COPh COPc , hh hc, .
. , . (, ) . PLF . :
_
c d cW PLF W= (4. 22) PLFd
. , , . , PLFd , ( ), ( ) [6].
4.1.2.3 4.2 4.3 .
, .
. ,
45
, , . , , , . , , 10 15C tg, 5 10C . . . , , -5 .
tp . , (Lc, Lh). - 0,5-3C 10 4.2 4.3. , 4.2 4.3 - .
, , . . , . , ( ). ( -) .
, (dsep). - , - :
46
1 2stored
pp sep
Qtc d L= (4. 23)
,
, ( ).
- 6 . , 6 , - - .
. , qa . , , 10 . , 4 3 3,5 ( ). 1m ( 3 4 m, 4 5 m .). dsep, 2,5 ( 6 , 3 7,5 ). , . , 1m . :
2 2. . .( ) ( )p rQ c L r r t = (4. 24)
Q. : : cp :
47
L : ( )
ro, ri : tr : -
r cp k/, .
, . , - , (r). Ingersoll :
2rXa = (4. 25)
:
01
2 3 4 50 1 2 3 4 5( ) lnx a a X a X a X a X a X X = + + + + + (4. 26)
0=-0,57721 3= 0,05519 1= 0,99999 4=-0,00976 2=-0,24991 5= 0,00107
1
48
( )2a
rg
q I Xtk L
= (4. 28)
aq : [ kW]
I(X) : kg. : [ W/mK] L : [ m]
( ) 4.24, 4.25, 4.26, 4.27, 4.28
4.23, . , 4 -. , , . 4. , , :
4 3 2 10,5 0,25 0,1p plN N N Nt t
+ + + = (4. 29)
tpl 4 1, 2, 3, 4 . [6].
, 3x4 2 4, 6 3 , 4 2. , 4.29 :
2 0,5 6 0,25 4 0,53 4p pl pl
t t t+ + = =
49
5
GSHPEDL1.0 7 . :
1. (Beginingform) 2. (changeprices) 3. (pricenew) 4. (Thermalresistancebore) 5. (Thermalresistanceofground) 6. (final) 7. (heatpumpsthatused)
isopen. , Visual Basic . , MSCOMCT2.OCX WINDOWS\ SYSTEM32. cd . , .
1
3
2
4 5 6 7
50
5.1
(Beginingform), - . 4 . , Pricenew . , changeprices, , , . , , , Windows, - Windows.
5.1:
51
5.2
(changeprices), . , . Beginingform .
5.2:
, , , - , , . , . , Climaveneta.
, , . Wirsbo. ,
52
, - .
, . -. , , . . . , . . , , 80% , . , , 0, , - .
53
5.3 -
(pricenew),
. , . - , (Thermalresistancebore) . , .
5.3.1
15 . - . - , . /, -. , - . .
. . , - . , , . , , . , . . . , . , , .
54
5.3: - ( )
5.3.2
, . , , . . , , . , - , , - . -, , , .
, PLF. , , , . . .. , - . , ,
55
.
5.4: - ( )
5.3.3
, . . - , , . , - , . , - , 1/3 1/4 -, . , .
. , . - , , . . - , .
, , . PLFm
56
, , , . qa , .
5.5: - ( )
57
5.4
(Thermalresistancebore), . , . . . . , . , , - , - . -, , .
, 4.4 4.8 . , 2 U. , . , :
.( 10) 1,1 D d = + + [cm] (5.1) D : [cm] d. : ( ) [cm]
10 , , 1,1 , . :
.n dD
= [cm] (5.2) D : [ cm] d. : ( ) [ cm]
58
n :
d
D
5.6:
5.7:
59
5.5
(Thermalresistanceofground), - . , , , , , , . .
5.8:
60
5.6
(final), - . , . . , , 1,02, tg. - , - . , , . -5, , . .
5.9:
. 4,5 6 . , . , 1, 2, 3 4 . 5 5.10 4 -
61
1 1 4 . 1, 2, 3 4 . , - . , .
d
5.10:
62
5.7
(heatpumpsthatused), . , . 2 .
5.7.1
1 , . 1 . . 1 pricenew. , 6 , . . , , , .
5.11: ( )
63
5.7.2
o 5 . , 1 , - . 2, , 3, . 4 . , 5 , - , . , .
5.12: ( )
3 . 1
final. , 5.11, 5.12, 5.13 5.14 .
64
5.13:
5.14:
65
5.15:
5.16:
66
67
6
- . , . . , , , , -, . 2 -. , , (/), .
, (Demo) , Ground Source Heat Pump Software (GchpCalc 4.1) . [6], , GSHPEDL 1.0.
, . 6.1:
[kW(Mbtu/h)] Z
0 - 4 4 - 8 8 - 12 12 - 16 16 - 20 20 - 24
1 2,3 (8) 2,3 (8) 10,6 (36) 4,4 (15) 2,3 (8) 2,3 (8) 38,4 2 1,5 (5) 1,5 (5) 5,3 (18) 2,3 (8) 1,5 (5) 1,5 (5) 10,8 3 3,5 (12) 3,5 (12) 11,1 (38) 5,9 (20) 2,9 (10) 3,5 (12) 20,1 4 2,9 (10) 2,9 (10) 7 (24) 2,9 (10) 2,9 (10) 2,9 (10) 83,5 5 6,7 (23) 6,7 (23) 15,5 (53) 5,3 (18) 6,2 (21) 6,7 (23) 28,8 6 5,3 (18) 5,3 (18) 12,3 (42) 2,9 (10) 4,4 (15) 5,3 (18) 36,4 7 4,4 (15) 4,4 (15) 9,4 (32) 2,3 (8) 3,5 (12) 4,4 (15) 39,7
68
6.2:
[kW(Mbtu/h)] Z
0 - 4 4 - 8 8 - 12 12 - 16 16 - 20 20 - 24
1 0 0 18,2 (62) 26 (89) 0 0 165,5 2 0 0 17 (58) 25 (85) 0 0 178,6 3 0 0 13,5 (46) 10,6 (36) 6,2 (21) 0 117 4 0 0 7,6 (26) 5,3 (18) 4,4 (15) 0 83,5 5 0 0 5,9 (20) 10,6 (36) 26,4 (90) 0 69,3 6 0 0 18,2 (62) 16,4 (56) 0 0 142,1 7 0 0 9,7 (33) 6,4 (22) 0 0 138,7
6.3: GSHPEDL 1.0
[6]
GSHPEDL 1.0 [oC(F)] 7,2 (45) 7
- [oC(F)] 29,4-35 (85-95) 30-35
Qa [kW(Mbtu/h)] -15,21(-51,9) -15,21 PLFm 0,27 0,27 [mK/W(hftF/ Btu)] 0,063 (0,11) 0,063
[oC(F)] 16,6 (62) 16,6 Rga [mK/W(hftF/ Btu)] 0,144 (0,25) 0,144 Rgm [mK/W(hftF/ Btu)] 0,179 (0,31) 0,179 Rgd [mK/W(hftF/ Btu)] 0,109 (0,19) 0,109 [m(ft)] 6,1 (20) 6,1 5x6 5x6 [m(ft)] 2198,8 (7214) 2153,3 - -2%
, ,
4.2. , , - (COPh, COPc), (qa) . , Fourier, ,
69
, , GSHPEDL 1.0, . , . , GSHPEDL 1.0 , Fourier (qa), 2283,6 m (+3,8%). 6.4: GchpCalc 4.1 GSHPEDL 1.0
GCHPCalc 4.1
GSHPEDL 1.0 [oC(F)] 7,2 (45) 7
- [oC(F)] 29,4-35 (85-95) 30-35
[W/mK(Btu/hftF)] 1,72 (1) 1,720
[mK/W(hftF/ Btu)] 0,127 (0,219) 0,127
[oC(F)] 16,6 (62) 16,6
[W/mK(Btu/hftF)] 2,070 (1,2) 2,070
[m2/day(ft2/day)] 0,074 (0,8) 0,074
Rga [mK/W(hftF/ Btu)] - 0,170Rgm [mK/W(hftF/ Btu)] - 0,184Rgd [mK/W(hftF/ Btu)] - 0,155 [m(ft)] 6,1 (20) 6,1 5x6 5x6 5/7 5/7 [m(ft)] 2685,3 (8810) 2951,7 +9,9%
GCHPCalc 4.1
, , -. , GCHPCalc 4.1 Rga, Rgm Rgd . , 2 - , ,
70
, , .
71
7
. , , - , . , -, , , . , - .
. 70% , . , 15 oC - , - . , , - 30% 40%, -, (ENERGY STAR). , , [16]. :
(COPc) (COPh), .
, ,
.
.
72
[6]:
-
-
. , , . , , - .
- . access, , , , . , - , Fourier, . , , 2300 W/m2K -, , - .
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pump/gsheatpumps.cfm [14] http://www.iaheatpump.org/lake.html [15] http://www.wirsbo.com [16] http://www.nyserda.org/programs/geothermal/default.asp