Badanie wpływu warunków brzegowych w symulacji procesu podziemnego magazynowania energii termicznej

• Autorzy: Wołoszyn J.

Warianty tytułu

EN

Research of boundary condition influence in the simulation of borehole thermal energy storage

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono badania wpływu rodzaju i miejsca przyjętych warunków brzegowych w symulacji procesu wymiany ciepła w podziemnym magazynie energii termicznej. Podziemny magazyn energii stanową górotwór o określonej pojemności cieplnej oraz otworowe wymienniki ciepła łączące magazyn z odbiorcą. Obiektem badań jest magazyn energii termicznej składający się z dziewięciu otworowych wymienników ciepła o konstrukcji pojedynczej U-rurki. Celem pracy jest zbadanie wpływ miejsca i rodzaju przyjętego warunku brzegowego w numerycznej symulacji procesu podziemnego magazynowania energii. Analizie poddano modele numeryczne z przyjętym na powierzchni bocznej obszaru obliczeniowego warunkiem brzegowym Dirichleta, Neumanna oraz Robina. O miejscu przyjęcia wymienionych warunków brzegowych decyduje promień i głębokość rozpatrywanego obszaru obliczeniowego. Do realizacji celu pracy zastosowano technikę planowania eksperymentu oraz metodologię powierzchni odpowiedzi. Obliczenia numeryczne przeprowadzono z wykorzystaniem pakietu ANSYS stosując oryginalny element skończony o wielu stopniach swobody (MDF).

EN

The paper presents research on the influence of the assumed boundary conditions in the simulation of the heat transport process in the borehole thermal energy storage. The borehole thermal energy storage consisted of two basic elements: a geological medium guaranteeing thermal capacity of the storage, and a single U-tube borehole heat exchanger, which links energy storage with the consumer. The object of the research is the borehole thermal energy storage consist of nine U-tube borehole heat exchanger. The aim of the work is to examine the influence of the place and type of the boundary condition assumed in the numerical simulation of the borehole thermal energy storage. Models were analysed with the Dirichlet, Neumanna and Robin boundary condition assumed on the lateral surface of the computational domain. The radius and depth of the considered calculation domain determine the place of application of the above-mentioned boundary conditions. The design of experiment and the response surface methodology were used to achieve the objectives of this work. Numerical calculations were carried out using the ANSYS package with a new original finite element with multi degrees of freedom (MDF).

Słowa kluczowe

PL

modelowanie transportu ciepła; modelowanie transportu masy; warunek brzegowy; magazynowanie energii termicznej; BTES

EN

heat transport modelling; mass transport modelling; boundary condition; thermal energy storage; BTES

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 36, nr 67
• Strony: 82--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Wołoszyn J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Systemów Energetycznych i Urządzeń Ochrony Środowiska

Bibliografia

• 1. Bidarmaghz A., Narsilio G. A., Johnston I. W., Colls S.: The importance of surface air temperature fluctuations on long-term performance of vertical ground heat exchangers. „Geomechanics for Energy and the Environment” 2016, Vol. 6(i), p. 35–44.
• 2. Carslaw H.S., Jaeger J.C.: Conduction of heat in solids. 2d ed. New York: Oxford University Press; 1959.
• 3. Catolico N., Ge S., McCartney J. S.: Numerical modelling of a soil-borehole thermal energy storage system. „Vadose Zone Journal” 2016, Vol. 15, No. 1, p. 1-17.
• 4. Dai L. H., Shang Y., Li X. L., Li S. F.: 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” 2016, Vol. 87, p. 1121–1129.
• 5. Diersch H.-J. G., Bauer D., Heidemann W., Rühaak W., & Schätzl P.: Finite element modeling of borehole heat exchanger systems Part 1. Fundamentals. „Computers & Geosciences” 2011, Vol. 37(8), p. 1122–1135.
• 6. Diersch H.-J. G., Bauer D., Heidemann W., Rühaak W., Schätzl P.: Finite element modeling of borehole heat exchanger systems. Part 2: Numerical simulation. „Computers & Geosciences” 2011, Vol. 37(8), p. 1136–1147.
• 7. Dincer I., Rosen M.A.: Thermal energy storage systems and applications. Chichester, John Wiley & Sons, 2002. ISBN: 978-0-470-74706-3.
• 8. Gao L., Zhao J., Tang Z.: A review on borehole seasonal solar thermal energy storage. „Energy Procedia” 2015, Vol. 70, p. 209–218.
• 9. Hein P., Kolditz O., Görke U. J. U.-J., Bucher A., Shao H.: A numerical study on the sustainability and efficiency of borehole heat exchanger coupled ground source heat pump systems. „Applied Thermal Engineering” 2016, Vol. 100, p. 421–433.
• 10. Ingersoll L.R., Plass H.J. Theory of the ground pipe source for the heat pump. „ASHVE Transaction” 1948, Vol.54, p. 339–348.
• 11. Lanahan M., Tabares-Velasco P. C.: Seasonal thermal-energy storage: A critical review on BTES systems, modeling, and system design for higher system efficiency. „Energies” 2017, Vol. 10, p. 743.
• 12. Oppelt T., Riehl I., Gross U.: Modelling of the borehole filling of double U-pipe heat exchangers. „Geothermics” 2010, Vol. 39, No. 3, p. 270–276.
• 13. Ozudogru T. Y., Ghasemi-Fare O., Olgun C. G., Basu P.: Numerical modeling of vertical geothermal heat exchangers using finite difference and finite element techniques. „Geotechnical and Geological Engineering” 2015, Vol. 33, No. 2, p. 291–306.
• 14. Rad F. M., Fung A. S.: Solar community heating and cooling system with borehole thermal energy storage - Review of systems. „Renewable and Sustainable Energy Reviews” 2016, Vol. 60, p. 1550–1561.
• 15. Wołoszyn J., Gołaś A.: Modelling of a borehole heat exchanger using a finite element with multiple degrees of freedom. „Geothermics" 2013, Vol. 47, p. 13-26.
• 16. Wołoszyn, J.: Global sensitivity analysis of borehole thermal energy storage efficiency on the heat exchanger arrangement. „Energy Conversion and Management " 2018, Vol. 166, p. 106–119.
• 17. Wołoszyn J., Gołaś A.: Experimental verification and programming development of a new MDF borehole heat exchanger numerical model. „Geothermics” 2016 Vol. 59, p. 67–76.

Uwagi

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