Numeryczne modelowanie szybkości migracji ciepła w gruntowym wymienniku ciepła w glebach nienasyconych

• Autorzy: Sławiński D.

Warianty tytułu

EN

Numerical modelling velocity of thermal energy migration in 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. Powoduje to obniżenie wydajności pracy zastosowanej pompy ciepła. Problem wynika głównie z braku pogłębionych badań dotyczących wpływu ogrzewania i wilgotności na pracę gruntowego wymiennika w glebie nienasyconej. W pracy wykorzystano kompleksowy model numeryczny ośrodka porowatego rozwiązujący w sposób symultaniczny bilans masy, pędu i energii. Parametry modelu oparte są na lokalnych warunkach klimatycznych. Odwzorowano numerycznie 8-godzinną pracę pojedynczego otworu z występującą w gruncie migracją wód podskórnych. Uzyskane wyniki porównano z przypadkiem, w którym grunt jest wysycony. Wyniki odczytano dla czterech charakterystycznych punktów wokoło otworu. Wielkości odniesione zostały do objętości sześciennej gruntu. Zaobserwowano dużą dynamikę zmian poszczególnych strumieni w trakcie pracy wymiennika. Wykonano przegląd prac o podobnej tematyce opublikowanych w ostatnim czasie.

EN

The heat transfer efficiency of ground heat exchangers (GHE) in many projects decreases by long time exploitation. This results in the decrease of performance of the heat-pump system. This is mainly because of lacking of the deep research about the heat and moisture transfer influence on the GHE in unsaturated soil. In this work, a comprehensive numerical porous model containing the balance of mass, momentum and energy was used. The parameters of the model are based on local climatic conditions. The 8-hours operation of the ground heat exchanger with migration of moisture in unsaturated soil has been numerically mapped. Results from unsaturated soil we have been compared with results of saturated model. The size of streams have been references to cubic volume of ground. We have been observed high speed of changing parameters in based streams. A review of works on similar topics recently published has been made.

Słowa kluczowe

PL

gruntowy wymiennik ciepła; gleby niewysycone; CFD

EN

ground heat exchanger; unsaturated soil; computational fluid dynamics

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 2
• Strony: 20--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sławiński D.

• Zakład Energetyki Rozproszonej Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku

Bibliografia

• [1] Ahmed T., Reservoir Engineering Handbook, Elsevier Inc. Oxford 2010.
• [2] Cao Shi-Jie, Kong X-Ri, Investigation on thermal performance of steel heat exchanger for ground source heat pump systems using fullscale experiments and numerical simulation, Applied Thermal Engineering 115 (2017), 91-98.
• [3] Cullin J. R, Spitler J. D., A computationally efficient hybrid time step methodology for simulation of ground heat exchangers, Geothermics 40 (2011), 144-156.
• [4] Dai L. H., Shang Y., Li X. L., 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.
• [5] Darkawa J., Su W, Chow D. H. C., Heat dissipation effect on a borehole heat exchanger coupled with a head pump, Applied Thermal Engineering, 60 (2013), 243-241.
• [6] Guan Y., Zhao Xi, Wang G., 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.
• [7] Hein P., Kolditz O., Görke U. J., A numerical study on the sustainability and efficiency of borehole heat exchanger coupled ground source heat pump systems, Applied Thermal Engineering 100 (2016), 421-422.
• [8] Jahangir M. H., Sarrafha H., Kasaeian A., Numerical modelling of energy transfer in underground borehole heat exchanger within unsaturated soil, Applied Thermal Engineering 132 (2018), 697-707.
• [9] Kačur J., Mihala P., Tóth M., Numerical modelling 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.
• [10] Koohi-Fayegh S., Rosen M., Long-term study of vertical ground heat exchangers with varying seasonal heat fluxes, Geothermics 75 (2018) 15-25.
• [11] Linlin Z., Lei Zh, Liu Y., Songtao Hu, Analyses on soil temperature responses to intermittent heat rejection from BHEs in soils with groundwater advection, Energy and Buildings 107 (2015) 355-365.
• [12] Ngo C. C, Lai F. C., Heat transfer analysis of soil heating systems, International Journal of Heat and Mass Transfer 52 (2009) 6021–6027.
• [13] Ocłoń P., Cisek P., Pilarczyk M., Taler D., 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.
• [14] Platts A. B., Cameron D. A., Ward J., Improving the performance of Ground Coupled Heat Exchangers in unsaturated soils, Energy and Buildings 104 (2015) 323-335.
• [15] Sani A. K., Singh R. M., Response of unsaturated soils to heating of geothermal Energy pile, Renewable Energy, https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.11.032
• [16] Sławiński D., Badania numeryczne i eksperymentalne dla potrzeb systemu nadzorującego prace wentylatorów w wymiennikach ciepła, Instal 2 (2017), 27-31.
• [17] Sławiński D., termiczna adaptacja pionowego gruntowego wymiennika ciepła w wyniku oddziaływania cyklicznych obciążeń cieplnych, Instal 7-8 (2018)
• [18] Vafai K., Handbook of porous media, Taylor & Francis, London 2005.
• [19] Wang Zh, Wang F., Ma Zh, Reserch 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.
• [20] Wołoszyn J., Gołaś A., Modelling of a borehole heat exchanger using a finite element with multiple degrees of freedom, Geothermics 47 (2013), 13-26.
• [21] Yang H., Cui P., Fang F., Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of models and systems, Applied Energy 87 (2010), 16-27.
• [22] Zhang Ch, Guo Z., Liu Y., A review on thermal response test of ground-coupled heat pump systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 40 (2014), 851-867.
• [23] Zhang Ch., Wang Y., Liu Y., Computational methods for ground thermal response of multiple borehole heat exchangers: A review, Renewable Energy 127 (2018), 461-473.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).