شبیه‌سازی عملکرد مبدل زمینی پمپ حرارتی زمین گرمایی تعبیه شده در شمع بتوتی ساختمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مکانیک، پژوهشکده توسعه و بهینه‌سازی فناوری‌های انرژی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

2 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران غرب، تهران، ایران

3 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس فنی دانشگاه تهران، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی از جمله فناوری‌های رو به رشدی هستند که در جهت استحصال انرژی برای مصارف مختلف به صورت گسترده استفاده می‌شوند. از جمله دلایل این کاربرد رو به رشد می‌تواند عواملی همچون بازدهی بالا، قابلیت چشمگیر در ذخیره انرژی و هزینه عملیاتی اندک باشد. در این مقاله، نوعی از پمپ حرارتی زمین گرمایی مطالعه خواهد شد که مبدل حرارتی زمینی آن در شمع بتونی ساختمان تعبیه شده است. استفاده از شمع‌های ساختمانی که به ستون انرژی نیز معروفند هزینه‌های حفاری چاه‌های گمانه متداول را کاهش می‌دهد. در این مطالعه برای ارزیابی و درک چگونگی عملکرد ستون‌های انرژی از دینامیک سیالات محاسباتی استفاده می‌شود و تأثیر پارامترهایی نظیر ضریب هدایت حرارتی ستون، قطر ستون، قطر لوله و تعداد حلقه‌های ستون با استفاده از آن بررسی می‌شوند. نتایج نشان می‌دهند افزایش در هر یک از این پارامترها منجر به افزایش بازدهی پمپ حرارتی زمین گرمایی می‌شود. علاوه بر این، افزایش تعداد حلقه‌های ستون می‌تواند بر افت فشار و همچنین مقدار توان مورد نیاز برای به جریان در آوردن سیال تأثیرگذار باشد. نتایج به دست آمده از این پژوهش می‌توانند برای طراحی یا بهینه‌سازی عملکرد پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی با مبدل حرارتی زمینی جاسازی شده در شمع‌های بتنی ساختمان، استفاده ‌شوند.

کلیدواژه‌ها


[1] S. M. Monsef Rad, k. Javaherdeh, Comprehensive Exergy Analysis of a Geothermal Heat Pump Using Low Temperature Resources in Ramsar, Journal of Energy Engineering & Management, Vol. 2, No. 1, pp. 48-57, 2012. (in Persian)
[2] B. Sanner, C. Karytsas, D. Mendrinos, L. Rybach, Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in Europe, Geothermics, Vol.32, No. 4–6, pp. 579-588, 2003.
[3] H. Yang, P. Cui, Z. Fang, Vertical-borehole ground-coupled heat pumps: A review of models and systems, Applied Energy, Vol. 87, No. 1, pp. 16-27, 2010.
[4] J. W. Lund, D. H. Freeston, T. L. Boyd, Direct utilization of geothermal energy 2010 worldwide review, Geothermics, Vol. 40, No. 3, pp. 159-180, 2011.
[5] A. M. Omer, Ground-source heat pumps systems and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, No. 2, pp. 344-371, 2008.
[6] M. L. McDaniel, Proposed design for a coupled ground-source heat pump/energy recovery ventilator system to reduce building energy demand, MS Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2011.
[7] A. Karimi, M. Sakhi factor, B. Ahmadpour, Investigating the Performance of Energy Converter Piles as a Building Heating and Cooling System, 2nd National Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran, October 2015. (in Persian)
[8] A. Carotenuto, P. Marotta, N. Massarotti, A. Mauro, G. Normino, Energy piles for ground source heat pump applications: comparison of heat transfer performance for different design and operating parameters, Applied Thermal Engineering, Vol. 124, pp. 1492-1504, 2017.
[9] A. Zarrella, G. Emmi, M. A. De Carli, Simulation-based analysis of variable flow pumping in ground source heat pump systems with different types of borehole heat exchangers: A case study, Energy Conversion and Management, Vol. 131, pp. 135-150, 2017.
[10] S. J. Cao, X. R. Kong, Y. Deng, W. Zhang, L. Yang, Z. P. Ye, Investigation on thermal performance of steel heat exchanger for ground source heat pump systems using full-scale experiments and numerical simulations, Applied Thermal Engineering, Vol. 115, pp. 91-98, 2017.
[11] H. Esen, M. Esen, O. Ozsolak, Modelling and experimental performance analysis of solar-assisted ground source heat pump system, Journal of Experimental and Theoretical Artificial Intelligence, Vol. 29, No. 1, pp. 1-17, 2017.
[12] C. K. Lee, Effect of borehole short-time-step performance on long-term dynamic simulation of ground-source heat pump system, Energy and Buildings, Vol. 129, pp. 238-246, 2016.
[13] J. Marmaras, J. Burbank, D. B. Kosanovic, Primary-secondary de-coupled ground source heat pump systems coefficient of performance optimization through entering water temperature control, Applied Thermal Engineering, Vol. 96, pp. 107-116, 2016.
[14] X. R. Kong, Y. Deng, L. Li, W. S. Gong, S. J. Cao, Experimental and numerical study on thermal performance of ground source heat pump with a set of designed buried pipes, Applied Thermal Engineering, Vol. 114, pp. 110-117, 2017.
[15] Z. Wang, F. Wang, Z. Ma, X. Wang, X. Wu, Research of heat and moisture transfer influence on the characteristics of the ground heat pump exchangers in unsaturated soil, Energy and Buildings, Vol. 130, pp. 140-149, 2016.
[16] D. Qi, L. Pu, F. Sun, Y. Li, Numerical investigation on thermal performance of ground heat exchangers using phase change materials as grout for ground source heat pump system, Applied Thermal Engineering, Vol. 106, pp. 1023-1032, 2016.
[17] S.E. Poulsen, M. Alberdi-Pagola, D. Cerra, A. Magrini, An experimental and numerical case study of passive building cooling with foundation pile heat exchangers in Denmark, Energies, Vol. 12, No. 2697, pp. 1-18, 2019.
[18] T. Brettmann, T. Amis, Thermal conductivity evaluation of a pile group using geothermal energy piles, in Proceeding of Geo-Frontiers Congress 2011, Dallas, Texas, United States, pp. 499-508, 2011.
[19] ANSYS, ANSYS CFX-Solver Theory Guide, ANSYS CFX Release, 13.0, 2010.
[20] J. D. Anderson, Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications, Frist Edition, McGrawhill Education, 1995.
[21] R. Markiewicz, Numerical and experimental investigations for utilization of geothermal energy using earth-coupled structures and new developments for tunnels, PhD Thesis, Vienna University of Technology, 2004.