PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Niestacjonarna analiza wymiany ciepła w gruntowym wymienniku ciepła posadowionym na gruntach niewysyconych

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
EN
Unstationary thermal analysis of the vertical heat ground exchanger within unsaturated soils
Języki publikacji
PL
Abstrakty
PL
Wydajność wymiany ciepła w gruntowych wymiennikach ciepła (GHE) w wielu projektach zmniejsza się wraz z długością czasu eksploatacji. Zaobserwowano duże wahania temperatury w trakcie ładowania wymiennika oraz w trakcie naturalnego stygnięcia. Problem wynika głównie z braku pogłębionych badań dotyczących wpływu ogrzewania oraz migracji wilgotności na pracę gruntowego wymiennika w glebie nienasyconej. W pracy wykorzystano model numeryczny ośrodka porowatego z przepływem płynu wieloskładnikowego. Opis matematyczny wyposażono w dodatkowe strumienie, opisujące wymianę ciepła w elementach podsypki oraz szkielecie modelu porowatego. Odwzorowano geometrycznie oraz matematycznie porowatość gruntu. Wprowadzono definicję temperatury całkowitej. Wyniki porównano z symulacjami wykonanymi dla modelu rozwiązującego klasyczne równanie wymiany ciepła. Model weryfikowano na danych pomiarowych odczytanych dla 3 czujników zamontowanych na różnej głębokości jednego otworu oraz przy różnych przedziałach czasowych. Parametry modelu są oparte na lokalnych warunkach klimatycznych w Jabłonnej w okolicy Warszawy. Odwzorowano numerycznie 24 godzinną pracę pojedynczego otworu. Uzyskane wyniki wykazały dużo większą zbieżność z danymi pomiarowymi niż te uzyskane dla klasycznego modelu opisującego wymianę ciepła. Punktem krytycznym przyjętego modelu był dobór współczynników opisujących opory przepływu i-tych składników w ośrodku porowatym oraz poszczególne człony składowe zaproponowanej definicji temperatury całkowitej. Rozszerzoną dyskusje przeprowadzono w punkcie dotyczącym weryfikacji modelu. Wykonano przegląd prac o podobnej tematyce opublikowanych w ostatnim czasie.
EN
The efficiency of heat exchange in ground heat exchangers (GHE) in many projects decreases throughout their service life. Large temperature fluctuations were observed during feeding of the exchanger and during its natural cooling. This problem stems mainly from the lack of in-depth studies on the impact of heating and humidity migration on the operation of ground heat exchanger in unsaturated soil. In our work we applied a numerical model of a porous medium with multi-component fluid flow. The mathematical description was expanded with additional streams describing the exchange of thermal energy in the backfill material and the structure of the porous model. Ground porosity was mapped geometrically and mathematically. We introduced the definition of total temperature. The results were compared with the simulations performed for the model solving the classic heat exchange equation. The model was verified on the measurement data read for 3 sensors installed at different depths of one hole and at different time intervals. The parameters of the model are based on local climatic conditions of Jabłonna near Warsaw. 24-hour operation of a single hole has been numerically mapped. The results proved a much greater convergence with the actual data than those obtained for the classic model describing heat exchange. The critical point of the model was the selection of coefficients describing the flow resistance of i-components in the porous medium and the individual components of the adopted definition of the total temperature. Extended discussions were carried out in the section on model verification. We also performed a review of works on similar topics published recently.
Czasopismo
Rocznik
Tom
Strony
24--30
Opis fizyczny
Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wzory
Twórcy
  • The Szewalski Institute of Fluid Flow Machinery, Polish Academy of Sciences, Gdańsk
Bibliografia
  • [1] D. Sławiński, Numerical estimation of the thermal power available at a ground heat exchanger built on loamy silt, Acta Energetica 1/34 (2018) 12-17.
  • [2] C. C. Ngo, F. C. Lai, Heat transfer analysis of soil heating systems, International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 6021–6027.
  • [3] J. Kačur, P. Mihala, M. Tóth, Numerical modeling of heat exchange and unsaturated-saturated flow in porous media, Computers and Mathematics with Applications (2018) (in press) https://doi.org/10.1016/j.camwa.2018.06.009.
  • [4] P. Ocłoń, P. Cisek, M. Pilarczyk, D. Taler, Numerical simulation of heat dissipation processes in underground power cable system situated in thermal backfill and buried in a multi-layered soil, Energy Conversion and Management 95 (2015) 352-370.
  • [5] Z. Linlin, Z. Lei, Y. Liu, H. Songtao, Analyses on soil temperature responses to intermittent heat rejection from BHEs in soils with groundwater advection, Energy and Buildings 107 (2015) 355-365.
  • [6] Z. Wang, F. Wang, Z. Ma, Research of heat and moisture transfer influence on the characteristics of the ground heat pump exchangers in unsaturated soil, Energy and Buildings 130 (2016) 140-149.
  • [7] Yanling Guan, Xiaoli Zhao, Guanjun Wang, 3D dynamic numerical programing and calculation of vertical buried tube heat exchanger performance of ground – source heat pumps under coupled heat transfer inside and outside of tube, Energy and Buildings 139 (2017) 186-196.
  • [8] A. K. Sani, R. M. Singh, Response of unsaturated soils to heating of geothermal energy pile, Renewable Energy, https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.11.032
  • [9] Ch. Lia, P. J. Cleall, J. Mao, J. J Munoz-Criollo, Numerical simulation of ground source heat pump systems considering unsaturated soil properties and groundwater flow, Applied Thermal Engineering 139 (2018) 307-316.
  • [10] M. H. Jahangir, H. Sarrafha, A. Kasaeian, Numerical modelling of energy transfer in underground borehole heat exchanger within unsaturated soil, Applied Thermal Engineering 132 (2018), 697-707.
  • [11] M. H. Jahangir, M. Ghazvini, F. Pourfayaz, A numerical study into effects of intermittent pump operation on thermal storage in unsaturated porous media, Applied Thermal Engineering 138 (2018) 110-121.
  • [12] L. H. Dai, Y. Shang, X. L. Li, Analysis on the transient heat transfer process inside and outside the borehole for a vertical U-tube ground heat exchanger under short-term heat storage, Renewable Energy 87 (2016), 1121-1129.
  • [13] Ansys Fluent, User’s Guide, Ansys Inc. April 2009.
  • [14] J. Darkwa, W. Su, D.H.C. Chow, Heat dissipation effect on a borehole heat exchanger coupled with a head pump, Applied Thermal Engineering, 60 (2013), 243-241.
  • [15] M. Hruška, Ch. Clauser, R. W. de Doncker, Influence of dry ambient conditions on performance of underground medium-voltage DC cables, Applied Thermal Engineering 149 (2019) 1419-1426.
  • [16] Karsten Pruess, numerical simulation of multiphase tracer transport in fracture geothermal reservoirs, Geothermics 31 (2002) 475-499.
  • [17] Yan Gao, Rui Fan, HaiShan Li, Thermal performance improvement of a horizontal groundcaupled heat exchanger by rainwater harvest, Energy and Buildings 110 (2016) 302-313.
  • [18] K. Vafai, Handbook of porous media, Taylor & Francis, London 2005.
  • [19] T. Ahmed, Reservoir Engineering Handbook, Elsevier Inc. Oxford 2010.
  • [20] J. Kondracki, Regional geography of Poland, WNT, 2002.
  • [21] A. Alrtimi, M. Rouainia, S. Haigh, Thermal conductivity of a sandy soil, Applied Thermal Engineering 106 (2016) 551-560.
  • [22] Y. Li, Xu Han, Zh. Xiaosong, S. Geng, Ch. Li, Study of performance of borehole heat exchanger considering layered subsurface based on field investigations, Applied Thermal Engineering 126 (2017) 296-304.
  • [23] Y. Guo, G. Zhang, S. Liu, Investigation on the thermal response of full-scale PHC energy pile and ground temperature in multi-layer strata, Applied Thermal Engineering 143 (2018) 836-848.
  • [24] B. Bouhacina, R. Saim, H. F. Oztop, Numerical investigation of a novel tube design for the geothermal borehole heat exchanger, Applied Thermal Engineering 79 (2015) 153-162.
  • [25] Di Qi, Liang Pu, Zhenjun Ma, Lei Xia, Yanzhong Li, Effects of ground heat exchangers with different connection configurations on the heating performance of GSHP systems, Geothermics 80 (2019) 20-30.
  • [26] Giuseppe Brunetti, Hirotaka Saito, Takeshi Saito, A computationally efficient pseudo-3D model for the numerical analysis of borehole heat exchangers, Applied Energy 208 (2017) 1113-1127.
  • [27] A. B. Platts, D. A. Cameron, J. Ward, Improving the performance of Ground Coupled Heat Exchangers in unsaturated soils, Energy and Buildings 104 (2015), 323-335.
  • [28] Thomas Mimouni, Fabrice Dupray, Lyesse Laloui, Estimating the geothermal potential of heat-exchanger anchors on a cut-and-cover tunnel, Geothermics 51 (2014) 380-387.
  • [29] Rui Fan, Yiqiang Jiang, Yang Yao, A study on the performance of a geothermal heat exchanger under coupled heat conduction and groundwater advection, Energy 32 (2007) 2199-2209.
  • [30] Xinguo Li, Jun Zhao, Qian Zhou, Inner heat source model with heat and moisture transfer in soil around the underground heat exchanger, Applie Thermal Engineering 25 (2005), 1565-1577.
Uwagi
PL
Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-7cf8981a-6149-4de9-9623-75e685a6c651
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.