مدلسازی عددی برای تحلیل پارامترهای گوناگون مبدل حرارتی زمینی به ‏منظور افزایش عملکرد هیت پمپ زمین‏ گرمایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه انرژی‌های نو و محیط زیست، دانشکدۀ علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

10.22059/ses.2023.351256.1017

چکیده

انتقال حرارت بین مبدل حرارتی زمین‌گرمایی و خاک در سیستم‌های هیت پمپ زمین‌گرمایی نقش اساسی در بازده کلی سیستم دارد. از این‌رو، در این مقاله با اضافه کردن موادی با ضریب انتقال حرارت بالا در مبدل‌های حرارتی عمودی مارپیچ، اثر آن‏ها روی بازده و دمای خروجی مبدل حرارتی بررسی شد. مقالۀ حاضر با استفاده از محیط COMSOL شبیه‏سازی عددی را برای مدل 1 بعدی-3 بعدی پمپ‏های حرارتی زمین‌گرمایی در حالت خنک‏کننده ارائه می‏کند. به خلاف مدل‌های مارپیچی رایج، این مدل با عمق کم و قطر زیاد با میله‌های فلزی مخصوص (Fins) طراحی شده است. لولۀ مارپیچ شبیه‌سازی‌شده دارای عمق 10 متر و قطر 1 متر است. به منظور جبران کاهش انتقال حرارت ناشی از عمق کمتر، تأثیر پارامترهای مختلف از جمله گام، هدایت حرارتی بر عملکرد حرارتی بررسی شده است . همچنین، به عنوان یک نوآوری، نوعی طرح نوآورانه متشکل از انواع متنوع میله‌های آلومینیومی افقی (Fins) در خاک متصل به لوله کاملاً (Finned pipe) مدل‌سازی شده است. پره‌ها نه تنها لوله را در داخل زمین محکم نگه می‌دارند، بلکه سرعت انتقال حرارت را به دلیل افزایش مساحت و سیستم هدایت حرارتی بالا تا 31 درصد بهبود می‌بخشند.
 
 [r1]؟؟؟

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of a Novel Spiral Type Ground Heat Exchanger for En-hancing Heat Transfer Performance of Geothermal Heat Pump

نویسندگان [English]

  • Reza Saeidi
  • Javad Aghaz
Department of Renewable Energies and Environment, Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

The spiral type one is more prominent, of which the vertical type ground heat exchange (GHE) is the most common in ground source heat pumps (GSHP) and on the purpose of this study as well. The present paper provides numerical simulation for 1D-3D model of the ground source heat pumps in cooling mode by using COMSOL environment. In contrary to popular spiral models, this model is designed with a low depth and high diameter with special metal rods (Fins). The simulated spiral pipe has 10 m in depth and 1 m in diameter. In order to compensate for the reduction in heat transfer due to the lower depth, the effect of different parameters such as velocity, pitch, thermal conductivity, and specific heat capacity in backfill material and ground on the heat performance is investigated. Furthermore, different velocity range is recommended for several pitches. In addition, as a novelty, an innovative design is modeled consisting of diverse type of horizontal aluminum rods (Fins) in the soil connected to the pipe completely (Finned pipe). The fins not only hold the pipe inside the ground firmly but also improve the heat transfer rate due to the area increase and the high thermal conductivity system up to 31%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heat Transfer
  • Vertical Ground Heat Exchanger
  • Geothermal Heat Pump

مراجع

  • Aslani A, Hamlehdar M, Saeedi R. Robustness of Norway Economy and Energy Supply/Demand. International Journal of Green Computing. 2017 Jul;8(2):1–19.
  • Hamledar M, Saeidi R, Aslani A. Analysis of the Robustness of Norway’s Economy and Energy Supply/Demand Fluctuations. In: s, editor. Economic Dynamics of Global Energy Geopolitics. IGI Global; 2019.
  • Hamledar M, Saeidi R, Aslani A. Analysis of the Robustness of Norway’s Economy and Energy Supply/Demand Fluctuations. In 2019. p. 215–41.
  • Izanloo M, Noorollahi Y, Aslani A. Future energy planning to maximize renewable energy share for the south Caspian Sea climate. Renew Energy [Internet]. 2021;175:660–75. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148121006844
  • Yousefi H, Hafeznia H, Yousefi-Sahzabi A. Spatial site selection for solar power plants using a gis-based boolean-fuzzy logic model: A case study of Markazi Province, Iran. Energies (Basel). 2018;11(7).
  • Noorollahi Y, Mohammadzadeh Bina S, Yousefi H. Simulation of Power Production from Dry Geothermal Well Using Down-hole Heat Exchanger in Sabalan Field, Northwest Iran. Natural Resources Research. 2016;25(2):227–39.
  • Zahedi R, Daneshgar S, Seraji MAN, Asemi H. Modeling and interpretation of geomagnetic data related to geothermal sources, Northwest of Delijan. Renew Energy. 2022 Aug;196:444–50.
  • Qi Z, Gao Q, Liu Y, Gao Z, Bai L. Effect of the circulation flow velocity in ground heat exchangers on system operation. 2014;583:2457–60.
  • Mohammadzadeh Bina S, Fujii H, Kosukegawa H, Farabi-Asl H. Evaluation of ground source heat pump system’s enhancement by extracting groundwater and making artificial groundwater velocity. Energy Convers Manag [Internet]. 2020;223:113298. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890420308372
  • Kong X ri, Deng Y, Li L, Gong W shen, Cao S jie. Experimental and numerical study on the thermal performance of ground source heat pump with a set of designed buried pipes. Appl Therm Eng. 2017;114:110–7.
  • Congedo PM, Colangelo G, Starace G. CFD simulations of horizontal ground heat exchangers : A comparison among different con fi gurations. Appl Therm Eng. 2012;33–34:24–32.
  • Cao S jie, Kong X ri, Deng Y, Zhang W, Yang L, Ye Z ping. Investigation on thermal performance of steel heat exchanger for ground source heat pump systems using full-scale experiments and numerical simulations. Appl Therm Eng. 2017;115:91–8.
  • Chong CSA, Gan G, Verhoef A, Garcia RG, Vidale PL. Simulation of thermal performance of horizontal slinky-loop heat exchangers for ground source heat pumps. Appl Energy. 2013;104:603–10.
  • Luo J, Zhao H, Gui S, Xiang W, Rohn J, Blum P. Thermo-economic analysis of four different types of ground heat exchangers in energy piles. Appl Therm Eng. 2016;108:11–9.
  • Yang W, Lu P, Chen Y. Laboratory investigations of the thermal performance of an energy pile with spiral coil ground heat exchanger. Energy Build. 2016;128:491–502.
  • Park S, Sung C, Jung K, Sohn B, Chauchois A, Choi H. Constructability and heat exchange efficiency of large diameter cast-in-place energy piles with various configurations of heat exchange pipe. Appl Therm Eng. 2015;90:1061–71.
  • Park S, Lee D, Choi HJ, Jung K, Choi H. Relative constructability and thermal performance of cast-in-place concrete energy pile: Coil-type GHEX (ground heat exchanger). Energy. 2015;81:56–66.
  • Yoon S, Lee SR, Go GH. Evaluation of thermal efficiency in different types of horizontal ground heat exchangers. Energy Build. 2015;105:100–5.
  • Bassiouny R, Ali MRO, Hassan MK. An idea to enhance the thermal performance of HDPE pipes used for ground-source applications. Appl Therm Eng. 2016;109:15–21.
  • Faizal M, Bouazza A, Singh RM. Heat transfer enhancement of geothermal energy piles. Renewable and Sustainable Energy Reviews [Internet]. 2016;57:16–33. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.065
  • Ghasemi-fare O, Basu P. A practical heat transfer model for geothermal piles. Energy Build [Internet]. 2013;66:470–9. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.07.048
  • Saeidi R, Noorollahi Y, Esfahanian V. Numerical simulation of a novel spiral type ground heat exchanger for enhancing heat transfer performance of geothermal heat pump. Energy Convers Manag. 2018 Jul 15;168:296–307.
  • Zahedi R, Babaee Rad A. Numerical and experimental simulation of gas-liquid two-phase flow in 90-degree elbow. Alexandria Engineering Journal. 2022 Mar;61(3):2536–50.
فصلنامه سیستم های انرژی پایدار
دوره 1، شماره 2
فروردین 1401
صفحه 147-159

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار