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伊拉克的天气条件下住宅所应用的地面耦合空调器的制作和测试
关键词：空气调节器；铜盘管；地面耦合热交换器；土壤空气热交换器；直接膨胀地面耦合热泵。
摘要：
在这篇文章中，以伊拉克纳西里耶市的天气为研究对象，对地面耦合空调系统进行了实验研究。通过使用两个容量为12000 Btu/h 的相同类型的空调系统（分体式空调），第一个系统使用了传统空调器，参考于传统型空调系统。它的冷凝器由长为13 m、直径为6.3 mm的管子构成，空气冷却。同时，另外一个系统（改进型空调器）参考于MAC，它通过将冷凝器埋在地下制冷，埋管深约3.5 m，长27.5 m，管径6.3 mm，以地面为散热器。众所周知，地下3 m深处温度是几乎不变的，在纳西里耶市测量发现地下3 m处全年温度为26.1℃。因此，与夏季相比，地下的温度要比周围环境的温度低，反之亦然，因此发生在冬季，这使地面成为地面热交换器的良好散热器。这两个系统从2019年4月底到2019年7月底的结果来看的话，改进型系统（MAC）的COP高于传统型系统（CAC）的COP，分别为（6.1-8.48）和（5.5-7.1）。发现改进后的系统消耗的电能更低。计算得出的系统回收成本周期为（8个月）
1．简介：
能源是非常重要的，有益于人类的一切活动。从广泛的角度看，它在发展社会的工业-技术、社会和经济部门方面发挥重要作用，成为一个国家创造财富的关键催化剂。在过去，能源消耗似乎高于正常需求，这必须通过能源管理技术来解决。事实上，找到清洁能源代替对环境产生影响的传统燃料是势在必行的。
供暖和制冷系统需求的增加导致了能量的进一步消耗。地球的能量是重要的能源，因为它在同一位置可用，不需要长距离运输。地面换热器消除了与换热器中结霜有关的问题。
地面耦合空调技术可以通过向地面释放热量或从地面吸收热量。从3 m的深度开始，一年中的地下温度保持恒定。温度恒定的原因是土壤热惯性增加，从而降低了温度波动对地球表面的影响。由于地表和地下温度的变化从这个深度开始，地下温度在夏季总是比室外温度低，在冬季总是比室外温度高
GCHE系统具有高效、环保、容量稳定、热舒适性好、空气质量好、易于控制、设备简单、长期性价比高、维护成本低、税收优惠、与地下机组无噪音等优点。但受过培训的技术人员和承包商的可用性有限，以及较高的初始成本是它的缺点。(GCHE)系统的性能取决于流体的流量、埋地管道的长度和深度、管道的材料类型、土壤与环境的温差、管道的直径、风机的额定功率、初始土壤温度以及管道的各种组合。
在地热热交换器的使用领域中，是否使用空气或液体来提供建筑物的制冷和供暖。V. Bansal等人进行了许多实验和数值研究。他们通过使用接地空气换热器（EPAHE），对阿杰梅尔市（印度西部）夏季建筑物的冷负荷进行了数值研究。该模型通过FLUENT程序开发，研究了运行参数如（风速和管道材料）对（EPAHE）系统热效率的影响，其长度为23.42 m，冷却范围为8.0至12.78℃。结果表明（EPAHE）系统的COP从1.9到2.9上升的速度范围从2.0变化到5.0 m/s。
E.Pulat（2009）等人在温和气候下对土耳其的（GSHP）系统进行了实验研究，来确定系统的COP。水平GHE回路由长20m，直径0.016 m，埋入地下2 m的管路组成。当热泵机组HPU用R134作制冷剂并连接到封闭的铜管上时，显示减少了加热或冷却时的能量消耗。整个系统和HPU的COP分别在（2.46-2.58和4.03-4.18）之间
Bassiouny（2009）等人通过使用FORTRAN程序开发的数值模型来求解数学模型，发现对于（0.1-0.35）m，纬度28.4°，在500W / m2太阳能时的烟囱宽度，在45°至70°倾斜角下可获得最佳流速密度。他们研究了在太阳烟囱系统中用于守恒方程式通风的共轭传热，通过有限差分控制体积法解决了该问题，并揭示了太阳辐射对体积流量和温度场的影响。
郑宗和（2011）等人利用MATLAB程序开发了数值地源热泵系统，利用有限元模拟三维模型，对土壤温度进行分析，得出管道周围的温度线分布和传热范围，直观地了解管道周围的传热性能。他们在u形管支架中心距分别为60 mm、80 mm和100 mm的情况下进行仿真，得出了上述结果。为了保证更大的热流，降低热短路现象发生的概率，可以在比较合适的地方保持较大的支架中心距离，即(100 mm-200mm)。
Silvia Cocchi et al（2013）等人用数值表示了一个模型，来模拟与GSHP系统集成的空调系统。为了改进尺寸，使用了TRNSYS 17软件。结论是，在对系统进行了5年以上的模拟之后，该建筑计划包括中央供暖系统，以提供生活热水并使用一个热泵和立式地热热交换器为建筑物供热，在夏季展示了该系统的最佳模拟布置，为14台垂直换热器串联，间距为10米，长度为100米。他们的结果表明，它可以减少总成本和运营成本的35%。
Mehmet Esen和Tahsin Yuksel(2013)通过实验讨论了替代能源和可再生能源，如热泵、太阳能收集器、地面能源和土耳其(Elazig)气候条件下的太阳能。其试验室(温室)的建造尺寸为(6米*4米*2.10 米)，然后确定花园住宅的供热负荷。为此，太阳能沼气和一个带有弹簧式地热换热器(水平形状)的地源热泵花园住宅供暖系统(BSGSHPGHS)，然后在2009年11月至2010年3月之间进行了广泛的实验。许多植物的生长所需的实验需要各种能源的温度为23°C，因此，各种能源已成功地用于花园测试。
Mathur (2016) 等人通过数值模拟讨论了斋浦尔市夏季运行期间（EATHE）系统的COP，并评估了土壤退化的程度。他们观察到（EATHE）操作中的重要问题之一是土壤的水分含量低和比热高，导致管道周围的热量积聚。他们的结果表明，夏季末的热饱和土壤可能使其在下一个夏季变得不寻常，而夏季进行夜间换气，夏季和冬季和夜间冬日操作模式的COP分别为3.68、4.23、6.65和5.01。
S.K.Soni等人通过实验讨论了在夏季使用地热交换器进行制冷应用的意义，因为白天地上温度会随着时间而改变。试图通过使用埋地铜冷凝管与传统的空调压缩机来提高（GSHP）系统的效率。实验表明，在雨季，DX-GCHP系统的效率要高于夏季，在水平和垂直配置下，夏季的能耗增加分别为（3.12％和3.41％）。
S.K. Soni（2016）等人通过实验研究了在传统空调的基础上蒸汽压缩的能耗降低，该空调在印度夏季温度最高为46°C，而地球温度在2.7m深度以下始终保持恒定在30°C左右。因此，与夏季相比，在雨天，AC的能耗会降低约4-5％。
Z.Gao（2016）等人通过实验和分析研究了合肥冬季典型气候条件下的连续条件及其对性能的影响。他们使用孔径为150 mm，间距为4 m，有效深度为100 m，占地面积约为1300 msup2;的管式换热器进行了实验。他们的研究结果表明，换热器运行1年和运行5年后，土壤温度分别升高了0.2°C ，0.9°C，因此，热交换器的性能下降，热泵的性能系数下降
Serageldin（2016）等人从理论上讨论了埃及（EAHE）系统的热性能。在参数研究中，已使用多种技术来求解数学模型，例如MATLAB代码和CFD模型。参数研究会影响不同的参数，例如管道材料，管道直径，管道长度，流速和管道空间。他们的结果表明，直径从2位增加到3位，空气温度从20.4℃下降到18.7℃。另外，当管长从5.45增加到7 m时，温度从19.7℃增加到19.9℃。当管子的面积从0.2平方米增加到0.5平方米时，空气温度从19.7℃变化到19.8℃。他们还研究了流体速度的影响，外部空气温度从20.4°C降低到19.2°C。
在炎热的气候下在摩洛哥的马拉喀什市，M.Khabbaz（2016）等人在城市气候几乎炎热的公寓楼中，通过数值和实验方式讨论了从地面到空气的换热器。地面换热器由三根长度为72 m，直径为15 cm的PVC管组成，分别埋在2.2至3.2 m的不同深度的地面中。尽管外部温度为40°C，但在25°C的温度下建筑物时仍能观察到近似的气温。为了限制年均温度和日均温度的膨胀，分别在20 m和70 m处找到了合适的长度。使用TRNSYS Simulation的结果表明，EAHX可以将最高气温分别降低到19.5°C和18.3°C。
在伊拉克Nasiriyah市的气候下，M.I. Hasan和S. W. Noori（2018）通过数值研究了许多参数，例如壁厚和管道材料对COP（EAHE）系统的影响。除了三种厚度[2,3和6] mm，研究中还使用了两种材料（钢和PVC）。验证后，M.I. Hasan和E.K. Jabbar在管长为50 m和管径为0.1016 m、风速范围、入口温度条件下对性能进行了分析。结果表明，与其他材料相比，钢材的热性能较低，可以忽略不计。
MI Hasan和SW Noori（2018）通过数值研究了一些设计和环境参数的影响，例如（管道材料，土壤含水量和管道壁厚）。系统对于建筑物的供热技术和被动冷却非常重要。使用三种类型的土壤（潮湿的土壤，饱和的土壤和干燥的土壤），两种管道材料分别是钢和PVC，另外三种厚度的管壁（2、3和6 mm）也是如此。模拟结果表明，与其他类型的土壤相比，饱和土壤具有最佳的EAHE性能。壁厚和管道材料对EAHE系统的COP没有影响。在伊拉克的纳西里亚市气候下，经度和纬度分别为45.8°E和31.7°N。 M.I.Hasan和S.W.Noori（2019）进行了数值研究，研究如何降低配备EAHE系统的建筑物的能耗。他们研究了三种系统，第一个系统由一层组成，并掩埋在房屋花园中3 m的深度，第二个系统由两层EAHE组成，分别位于两个深度3 m和4 m，第三个系统沿房屋区域埋藏3 m的深度。他们提供的结果为系统2节省了一年多的电费，达到376,329 IQD（$ 301.11）。
在本研究中，对容量为12,000 Btu/ h的分体式空调进行了改进，以使用地面作为散热器。通过实验比较了两个系统的性能：分别为常规空调和改进型空调（CAC和MAC），此外，在炎热的气候中使用地源热交换器（GSHP）来节省制冷应用中的能源。
2．地热能
地热能是储存在地球上的热能，它是通过火山活动，放射性衰变，温泉以及从地球表面吸收的太阳能而起源于地球最初形成的。温度的变化导致地球表面与其核心之间的地热能梯度，因为以热形式的热能传导从原子核移动到地表。
地热能具有较低的有害排放，特别是在建筑物的制冷和供暖等应用中，地热能具有成本效益和环境友好性，地热能有潜力帮助减轻化石所带来的全球变暖。地热资源足以满足人类对能源的需求，但只有极小一部分被利用，但仍在期望之中。
2.1、地偶热交换器(GCHE)的优缺点
地球温度稳定的原因是由于土壤的热惯性高，并且随着深度的增加，温度波动对地球表面的影响减小了。由于地表温度和地下温度变化之间的时间差，在足够的深度下，冬季的地下温度始终高于室外空气的温度，夏季则低于室外空气的温度。通过安装适当的GCHE系统，该温差可用于冬季的冬季供热和制冷。因此，该系统的优点是：高效，稳定的容量，良好的空气质量，更好的热舒适性，易于控制，需要简单的设备，维护成本低，环保且无噪音。它的缺点是：初始成本高，受过专业的培训人员和承包商的可用性有限。 GCHE系统的性能取决于空气或液体的流量，埋管的深度和长度（足以通过空气或液体在一定程度上检查热量），材料和管道直径，土与地之间的温差，环境和初始土壤温度。
3.问题描述
在本文中，已使用一种实验方法来研究以下描述的问题。使用地面作为空调冷凝器的散热器进行了实验。如图1所示，根据土壤的某些特性并将其埋在3.5 m的深处，对改进型空调的冷凝单元（称为MAC和符号II）进行了新设计。直径为27.5 m的铜线圈，直径为6.3 mm，如图[2]所示。测试室的尺寸为（2*2*2）m（W*L*H），并包含一个门（1*1）m，如图[3]所示。传统的空调器（称为CAC和符号I）是13m长的铜盘管，直径为6.3 mm。如图[4]所示，修改后的空调已连接至没有冷凝风扇的地面冷凝器，空调恒温器设置为24°C（当测试室温度低于24°C时，压缩机将被关闭）。如图所示，在地面回路冷凝器的入口和出口安装了压力表以测量R-22制冷剂的压力，在冷凝器和蒸发器的入口和出口处将热电偶连接到铜盘管上以另外测量R-22制冷剂的温度，我们已经使用流量计来测量流出空调的气流速度。如图[5]所示，使用五个热电偶测量测试室内的温度并连接到控制面板。
最后，传统空调系统和改进空调系统的制冷剂循环如图[6]所示。实验装置的示意图显示了十个垂直埋在地面上的传感器的存在，以测量地球的温度，传感器与另一个传感器之间的距离为35厘米。在3.5 m的深度处测量了地球温度，发现温度为26.1℃。如图[7]所示，所有热电偶读数都已由数据记录器记录。测试在白天时段（上午8:00am6.00pm）进行，并且读数在2019年4月下旬至7月底的不同日期进行记录。
4.实验步骤和设备的
实验中使用的以下设备：
A、空调：使用容量为（12,000）Btu / h的分体式空调。第一个通过空气冷却，而另一个通过地面冷却。
B、测试室：这是由PVC材料制成的微型模型，其特征是绝热材料。房间的尺寸为（2*2*2）m，包含一个小门，尺寸为（1*1）m。
C、冷凝器管：这些管被埋在地下，长约27.5 m，直径为6.3 mm，与第一个系统中使用的管相同。
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