بررسي پمپ حرارتي زمين گرمايي انبساط مستقيم دي اكسيد كربن

Investigation of a direct-expansion ground source heat pump using carbon dioxide

در اين مقاله يك مدل عددي، جهت آناليز پمپ حرارتي زمين گرمايي انبساط مستقيم با استفاده از مبرد دي اكسيدكربن در سيكل فوق بحراني با در نظر گرفتن اثرات افت فشار مبرد در مبدل‌هاي حرارتي سيستم، در حالت پايدار توسعه داده شده است. حل عددي حاضر، آناليز سيستم در شرايط كاركرد مختلف را در دو بررسي جداگانه شامل حالتي كه طول حلقه مبدل زمين ثابت نگه داشته شده و حالتي كه بار گرمايشي مشخصي مدنظر باشد ارائه مي‌كند. با استفاده از شبيه سازي، ارزيابي مشخصه‌هاي سيستم مانند ظرفيت حرارتي و ضريب عملكرد سيستم در حالت اول و طول مورد نياز حلقه مبدل زميني و ضريب عملكرد سيستم در حالت دوم صورت گرفته است. جهت ارزيابي عملكرد سيستم، مطالعه‌اي پارامتريك بر تاثير پارامترهاي مختلف شامل اختلاف دماي زمين با دماي خروجي تبخيركننده، سرعت كمپرسور، دما و دبي جرمي آب ورودي به خنك كننده گاز، نسبت مساحت مبدل‌هاي حرارتي و دماي زمين انجام شده است. در هر دو بررسي مشخص گرديد كه در يك مقدار اختلاف دماي زمين با دماي خروجي تبخيركننده مشخص، مقدار بيشينه‌ي ضريب عملكرد سيستم وجود دارد. همچنين افزايش دور كمپرسور و دماي آب ورودي به خنك كننده گاز با كاهش ضريب عملكرد سيستم و افزايش دبي جرمي آب ورودي به خنك كننده گاز با افزايش ضريب عملكرد سيستم همراه است. نتايج حاصل از اين پژوهش شامل ظرفيت حرارتي، ضريب عملكرد و طول مورد نياز مبدل زميني مي‌تواند در طراحي و بهينه سازي يك پمپ حرارتي زمين گرمايي انبساط مستقيم مورد استفاده قرار گيرد.

This paper presents a steady state simulation model to analyze a direct expansion ground source heat pump that uses carbon dioxide as refrigerant in a transcritical cycle. The analysis considers pressure drop characteristic in heat exchangers of the system. The present numerical model has been developed to examine the system in different operating conditions in two separate cases. These cases include constant evaporator loop length and specific heating load. Then model evaluates the system based on coefficient of performance (COP) and heating capacity in the first case and COP and evaporator loop length in the second case. To examine the performance of the system, a parametric study is performed to investigate the effect of different parameters such as difference between soil temperature and evaporator outlet temperature, compressor speed, water inlet temperature, water mass flow rate, area ratio heat exchanger and soil temperature. In both studies, it can be concluded that in a specific temperature difference of the difference between soil temperature and the outlet temperature of the evaporator, there is a maximum value for COP. Also, increasing the compressor speed and the temperature of inlet water to the gas cooler is accompanied with the reduction of COP. Increasing the mass flow rate of inlet water to the gas cooler leads to increase in COP. The results of this study include heating capacity, COP and ground heat exchanger loop length can be used for design and optimization of a direct expansion ground source heat pump.