Parametryczna analiza porównawcza sond gruntowych współpracujących z pompami ciepła

• Autorzy: Sandler S. , Białko B.

Identyfikatory

DOI

10.15199/9.2016.11.3

Warianty tytułu

EN

Comparative Parametric Study of Ground Borehole Heat Exchangers for Cooperation with Heat Pump Systems

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono modele numeryczne pracy sond gruntowych typu U oraz pierścieniowej. Modele zweryfikowano, porównując obliczone parametry pracy z wynikami własnych badań eksperymentalnych sond rzeczywistych o głębokości 30 m i standardowych parametrach geometrycznych i przepływowych. Wyniki obliczeń dały zadowalającą dokładność - rozbieżność wyniosła 4% oraz 19% odpowiednio dla sondy typu U i pierścieniowej. Opracowane modele wykorzystano do obliczeń oporu cieplnego i hydraulicznego sondy typu U i pierścieniowej o głębokości 30 m. Obliczenia wykonano przy stałych wartościach średnicy odwiertu o strumieniu masy czynnika roboczego oraz zmiennych średnicach ramion U-rury oraz rury zewnętrznej i wewnętrznej wymiennika pierścieniowego. Otrzymane wyniki pokazały, że zwiększenie średnic rur obu wymienników skutkuje mniejszymi wartościami oporu cieplnego Ref i hydraulicznego ∆pL. W zakresie analizowanych geometrii U-rury osiągały Ref= 0,0612 K∙m/W i ∆pL = 150,47 Pa/m, a wymienniki pierścieniowe charakteryzował o 94% niższy opór hydrauliczny wynoszący ∆pL = 9,05 Pa/m i podobna wartość oporu cieplnego Ref= 0,071 K m/W. Przeanalizowano efekt bocznego przewodzenia ciepła w sondach gruntowych. Wyeliminowanie bocznego efektu cieplnego zmniejsza opór cieplny o <1% w porównaniu z wymiennikami standardowymi.

EN

In this paper we propose a numerical model of U-pipe and annular BHE operation. The proposed models have been verified by comparing calculated operational parameters with our own experimental study of actual heat exchangers of 30-m depth and standard geometric and flow characteristics. Results show sufficient agreement - the discrepancy is 4% and 19% for U-pipe and annular BHE cases, respectively. The proposed models are used for determination of thermal and hydraulic resistances of U-pipes and annular BHEs with the depth of 30 m. Calculations are performed under constant borehole diameter and mass flow rate of the working fluid and varying diameters of U-pipe legs and external/internal pipes of the annular BHE. Obtained results show that increasing pipe sizes for both U-pipe and annular heat exchangers causes the thermal resistance Ref and the hydraulic resistance ∆pL to fall. Within the range of analyzed parameters the most effective U-pipe geometry has Ref of 0.0612 K m/W and ∆pL = 150.47 Pa/m, and the most effective annular BHE has a 94% lower hydraulic resistance (∆pL = 9.05 Pa/m) and similar thermal resistance of 0.071 K∙m/W. The effect of thermal shunting on BHE operation is also studied. Eliminating thermal shunting yields less than 1% lower thermal resistance compared to standard BHEs.

Słowa kluczowe

PL

pionowy wymiennik gruntowy; analiza porównawcza; pompa ciepła

EN

borehole heat exchanger; comparative study; heat pump

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 47, nr 11
• Strony: 455--461, 470
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sandler S.

• doktorantka, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska

autor

Białko B.

• Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska

Bibliografia

• [1] Acuna Jose. “Distributed thermal response tests - New insights on U-pipe and Coaxial heat exchangers in groundwater-filled boreholes”. K.TH School of Industrial Engineering and Management: Sztokholm. 2013.
• [2] Andrews R. V. 1955. “Solving conductive heat transfer problems with electrical-analog shape factors”. Chemical Engineering Process 51(2): 67.
• [3] Beier Richard A. i inni. 2013. “Borehole resistance and vertical temperature profiles in coaxial borehole heat exchangers”. Applied Energy 102(2): 665-675.
• [4] Beier Richard, A. i inni. 2012. “Vertical temperature profiles and borehole resistance in a U-tube borehole heat exchanger”. Geothermics 44 (10): 23-32.
• [5] Białko B., Z. Królicki, S. Sandler, B. Zajączkowski. 2014. “Analiza modyfikacji konstrukcyjnych wybranych sond gruntowych do sprężarkowych pomp ciepła”. Chłodnictwo & Klimatyzacja 4(184): 26-30.
• [6] Carslaw H. S. i J. C. Jaeger “Conduction of Heat in Solids”. Oxford Science Publications. Great Britain. 1955.
• [7] De Carli Michele i inni]. 2010. “A computational capacity resistance model (CaRM) for vertical ground-coupled heat exchangers”. Renewable Energy 35(7): 1537-1550.
• [8] Farouki O. T.1981. “Thermal properties of soils“. United States Army Corps Of Engineers: Cold Regions Research and Engineering Laboratory. Hanover, New Hampshire, U.S.A.
• [9] Kostowski E. i inni. „Zbiór zadań z przepływu ciepła”. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej: Gliwice. 2003.
• [10] Li Yong i inni. 2014. “Evaluation of thermal short-circuiting and influence on thermal response test for borehole heat exchanger”. Geothermics 50(4): 136-147.
• [11] Monzo P. M. 2011. “Comparison of different Line Source Model approaches for analysis of Thermal Response Test in a U-pipe Borehole Heat Exchanger”. KTH School of Industrial Engineering and Management:- Sztokholm.
• [12] Platell Peter. 2006. “Developing work on ground heat exchangers”. ECOSTOCK Conference Proceedings: New Jersey.
• [13] Rehau. 2012. „Dolne źródła ciepła Raugeo do pomp ciepła. Informacja techniczna”.
• [14] Shah R. K.., A. L. London. 1978. “Laminar flow convection in ducts: a source book for compact heat exchanger analytical data”. Academic Press: Nowy Jork.
• [15] Shah R. K„ D.P. Sekulic. 2003. „Fundamentals of heat exchanger design”. Jon Wiley & Sons: Nowy Jork.
• [16] Smuczyńska M. 2011. „Rynek pomp ciepła w Polsce”. InstalReporter Luty(3): 16-20.
• [17] Wood C. J„ H. Liu i S. B. Riffat. 2012. “Comparative performance of ‘U-tube’ and ‘coaxial’ loop designs for use with a ground source heat pump”. Applied Thermal Engineering 37(5): 190-195.
• [18] Zanchini E., S. Lazzari i A. Priarone. 2010. „Effects of flow direction and thermal short-circuiting on the performance of small coaxial ground heat exchangers”. Renewable Energy 35(6): 1255-1265.
• [19] Zeng H„ N. Diao i Z. Fang. 2003. “Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers”. International Journal of Heat and Mass Transfer 46(23): 467-4481.