Heat transfer computational methods which can also be applied to geothermal field of study for energy saving and environmental benefits

Abstract

The current work is focused on the Ground Source Heat Pump Systems (GSHPSs) coupled to closed vertical ground loop. Several factors that affect the system’s performance are examined. Two different approaches are developed. In the first one, an overall view of system’s performance is studied using GLD 2009, GLHEPRO 4.0a and TRNSYS 17. The system is examined as a total of unbreakably connected parts. A parametric analysis is performed to examine the influence of undisturbed ground temperature, Ground Heat Exchanger (GHE) length and borehole separation distance to system’s operational characteristics, so as to cover given building loads. In the second one, the operation of parts is examined independently of the system. The borehole thermal resistance is examined through different types of analysis such as analytical correlations, commercial software GLD 2009 and 2-D finite element analysis through COMSOL 4.0a. Despite the different type of analysis, the deviations are small and that is why borehole thermal resistance output values are considered satisfactory. In addition, MATLAB codes are built to simulate the operation of heat pump and open circuit cooling tower that may be included in a Hybrid Ground Source Heat Pump System (HGSHPS). By studying heat pump’s refrigeration cycle, alternative refrigerant mixtures to R-410A are proposed. Furthermore, the performance of cooling tower is evaluated with the ratio pressure drop per packing height for four packings. The results are generally applicable to the estimation of the performance of these devices and not restricted only to geothermal applications. Moreover, a HGSHPS coupled to a closed circuit cooling tower is studied. A new strategy is developed to control this system so as to minimize its electric power consumption. Despite the fact that it is designed considering only the net cooling period, it is a well-promising policy because it is based on the continuous monitoring of system’s previous hourly state, so as to adjust its operation to the following hour (feedback).

Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στα συστήματα αβαθούς γεωθερμίας που έχουν κατακόρυφο κλειστό κύκλωμα γεωεναλλακτών. Πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος εξετάζονται. Δύο διαφορετικές προσεγγίσεις αναπτύσσονται. Με την πρώτη, η απόδοση του συστήματος εξετάζεται συνολικά χρησιμοποιώντας τα λογισμικά GLD 2009, GLHEPRO 4.0a και TRNSYS 17. Το σύστημα εξετάζεται ως ένα σύνολο από αναπόσπαστα συνδεδεμένα τμήματα. Μια παραμετρική ανάλυση εκτελείται για να μελετηθεί η επίδραση της αδιατάρακτης θερμοκρασίας του εδάφους, του μήκους του γεωεναλλάκτη και της απόστασης των γεωτρήσεων στα λειτουργικά χαρακτηριστικά του συστήματος έτσι ώστε να καλυφθούν τα δεδομένα φορτία του κτηρίου. Με τη δεύτερη, η λειτουργία των τμημάτων του συστήματος εξετάζεται ανεξάρτητα. Η θερμική αντίσταση της γεώτρησης μελετάται με διαφορετικά είδη ανάλυσης όπως με αναλυτικές σχέσεις, με το εμπορικό λογισμικό GLD 2009 και με μια δισδιάστατη ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων μέσω του COMSOL 4.0a. Παρά τα διαφορετικά είδη ανάλυσης, οι αποκλίσεις είναι μικρές και γι’ αυτό τα αποτελέσματα της θερμικής αντίστασης της γεώτρησης θεωρούνται ικανοποιητικά. Επιπλέον, αναπτύσσονται κώδικες ΜΑΤLAB οι οποίοι προσομοιώνουν τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας και του ψυκτικού πύργου ο οποίος μπορεί να συμπεριλαμβάνεται σε ένα υβριδικό σύστημα αβαθούς γεωθερμίας. Μελετώντας τον ψυκτικό κύκλο της αντλίας θερμότητας, προτείνονται εναλλακτικά ψυκτικά μέσα για το R-410A. Επίσης, η απόδοση του ψυκτικού πύργου εκτιμάται με το λόγο της πτώσης πίεσης προς το ύψος του πληρωτικού υλικού για τέσσερα εξεταζόμενα πληρωτικά υλικά. Τα αποτελέσματα είναι γενικά εφαρμόσιμα στην εκτίμηση της απόδοσης αυτών των συσκευών και δεν περιορίζονται μόνο στις γεωθερμικές εφαρμογές. Ακόμα, μελετάται ένα υβριδικό γεωθερμικό σύστημα με ψυκτικό πύργο κλειστού κυκλώματος. Μια νέα στρατηγική αναπτύσσεται για να ελεγχθεί η λειτουργία του συστήματος ώστε να ελαχιστοποιηθεί η κατανάλωση της ηλεκτρικής του ενέργειας. Παρά το γεγονός ότι σχεδιάζεται μόνο για την περίοδο αποκλειστικής ψύξης, είναι μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική διότι βασίζεται στη συνεχή παρακολούθηση του συστήματος την προηγούμενη ώρα έτσι ώστε να προσαρμόσει τη λειτουργία του την αμέσως επόμενη (ανάδραση).