Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/10123
Title: Heat transfer in borehole heat exchangers and the contribution of groundwater flow
Authors: Liuzzo Scorpo, Alberto
Keywords: ground-source heat pumpsgroundwater flowthermal response testnumerical solutionssonde di calore accoppiate al terrenoflusso delle acque di faldatest di risposta termicasoluzioni numeriche
Issue Date: 24-Apr-2014
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The exploitation of geothermal heat by ground source heat pumps is presently growing throughout Europe and the world. In Italy, at the end of 2010, borehole heat exchangers covered most of the 30% of the total energy used for space conditioning, showing an increase of 50%compared to 2005. The forecasts for 2015 suggest a further increase in the direct uses of the geothermal heat exceeding 50% compared to 2010 and a corresponding increase in the geothermal energy consumption. The possibility to design plants with higher efficiency and lower costs of installation and operation is required, to support the growth of the ground source heat pump systems and the consequent diffusion of the exploitation of the geothermal resources. Research and better knowledge of the processes involved in the heat transfer between the borehole heat exchanger and the surrounding ground is crucial to predict the behavior of the plant-geothermal source interaction in any possible operational condition. The knowledge of the hydrogeological characteristics of the specific site where the plant has to be installed is also essential to prevent over- or under-sizing of the heat exchanger(s) due to a rough design. Over the years, several analytical solutions have been proposed to calculate the temperature distribution around a borehole heat exchanger during operation. The infinite line source analytical model considers an infinite linear heat source which exchanges heat with the surrounding ground by conduction only. Other models, based on the infinite linear heat source, have been later developed, considering also the contribution to the conductive heat transfer due to groundwater flow. The presence of flowing water around a borehole heat exchanger implies forced convection, resulting in an increased efficiency of the heat transfer between the ground and the borehole heat exchanger. Studying this process may suggest new ways to improve the efficiency and to reduce the cost of ground source heat pump systems. In this thesis, the contribution of groundwater flow in the heat transfer process between borehole heat exchangers and surrounding ground has been investigated, in order to increase the theoretical knowledge as well as to improve the existing design tools. Two-dimensional models have been considered, taking into account the actual cylindrical geometry of the borehole. The groundwater flow has been modeled as steady, horizontal and with variable flow rates, in order to encompass most of the real ground source heat pump applications. Gravitational effects, i.e. the effects of a possible natural convection, have been neglected. The results suggest that in the considered range of Darcy number, the calculation of the heat transfer efficiency is not affected if Darcynian model is used to describe the velocity field, although the viscous effects, and consequently the formation of the hydraulic boundary layer, are neglected. Calculations made using numerical simulations are compared with an analytical solution which takes into account forced convection due to groundwater flow and based on the linear heat source model. The regions of space and time where this analytical solution is affected by the effects of the line source assumption, in both cases of single- and multiple-borehole(s) systems, have been defined. The potential of the thermal response test analysis as a tool to predict the spacing between boreholes when groundwater flow occurs has been investigated, defining and studying the Influence Length as function of groundwater flow rate. The results suggest that even relatively low flow rates allow to reduce significantly the spacing between boreholes in the perpendicular direction with respect to groundwater flow. The distance from the borehole where the temperature disturbance becomes not-significant (Influence Length) is roughly predictable by thermal response test analysis. The study of the Influence Length may be a useful tool in the design of dissipative multiple-boreholes systems, as well as in areas with a high density of single-borehole plants, to reduce the spacing avoiding thermal interferences. Moreover, an expeditious, graphical method to estimate the hydraulic conductivity of the ground by thermal response test analysis has been proposed. An example of application of the methodology is presented, taking into account experimental data as well as plausible hydrological and petrological assumptions when the data are unavailable. The obtained result is in agreement with the hydraulic conductivity range reported in literature for the type of substrate considered in the example. In order to verify this method, further inv1estigations and developments are required. In fact, the graphs used in the procedure presented in this work are referred to specific borehole conditions (borehole filled by groundwater) and are based on two-dimensional models (i.e. end-effects and natural convection are neglected). Besides, the assumptions required to compensate the unavailable data imply that the method cannot be considered verified. Finally, further studies are suggested in order to improve and develop the proposed methods.
Negli ultimi anni, l’utilizzo del calore geotermico tramite pompe di calore accoppiate al terreno sta aumentando significativamente in tutta Europa e in generale nel mondo. In Italia, alla fine del 2010, le sonde geotermiche coprivano più del 30% dell’energia totale utilizzata per riscaldamento e raffrescamento degli edifici, mostrando un aumento del 50% rispetto al 2005. Le previsioni per il 2015 suggeriscono un ulteriore aumento degli utilizzi diretti del calore geotermico maggiore del 50% rispetto al 2010 e un analogo incremento del consumo di energia geotermica in generale. Con l’aumento della diffusione di questa tecnologia, e quindi un maggior sfruttamento di tale risorsa, aumenta anche la necessità di progettare impianti con la massima efficienza possibile e con bassi costi di installazione ed esercizio. La comprensione dei processi coinvolti nel trasferimento di calore tra sonda geotermica e terreno circostante è fondamentale per prevedere il comportamento degli impianti. Anche la conoscenza delle caratteristiche idrogeologiche del sito specifico nel quale l’impianto deve essere installato è essenziale al fine di evitare un’errata progettazione che può causare sovra- o sotto-dimensionamento della sonda. Nel corso degli anni, diverse soluzioni analitiche sono state proposte per calcolare la distribuzione di temperatura attorno alla sonda geotermica durante il suo utilizzo. Il modello analitico della sorgente di calore lineare e infinita considera lo scambio di calore che avviene per sola conduzione attorno ad una sorgente di raggio infinitesimo e di lunghezza infinita. Altri modelli successivi a questo e anch’essi basati sulla sorgente di calore lineare ed infinita, tengono conto anche del contributo convettivo dovuto al flusso dell’acqua di falda. La presenza di un flusso di acqua attorno ad una sonda geotermica, infatti, comporta convezione forzata e, di conseguenza, un aumento dello scambio di calore tra sonda e terreno. Per questo motivo, lo studio degli effetti di tale processo è un fattore chiave per riuscire a migliorare l’efficienza degli scambiatori di calore accoppiati al terreno. Questa tesi presenta lo studio del contributo del flusso delle acque di falda sul processodi scambio termico tra sonde geotermiche e terreno circostante, al fine di incrementare la conoscenza teorica e migliorare gli strumenti di progettazione già esistenti. Per raggiungere questo scopo ci si è serviti di modelli numerici bi-dimensionali che tengono conto della reale geometria cilindrica della sonda. Il fusso delle acque di falda è stato assunto come stazionale e orizzontale. Al fine di includere la maggior parte delle applicazioni geotermiche reali, un vasto range di portate è stato preso in considerazione. Gli effetti gravitativi, e quindi i possibili effetti di convezione naturale, sono stati invece trascurati. Sono stati confrontati i risultati del calcolo del trasferimento di calore ottenuti utilizzando rispettivamente l’equazione di Darcy e l’equazione di Darcy-Brinkman per descrivere il campo di velocità dell’acqua di falda attorno alla sonda. Le conclusioni raggiunte suggeriscono che utilizzando il modello di Darcy, il risultato risulta comunque sufficientemente accurato per i numeri di Darcy considerati, nonostante gli effetti viscosi, e quindi la formazione dello strato-limite fluidodinamico, vengano trascurati. I risultati delle simulazioni numeriche sono stati comparati con un modello analitico che prevede convezione forzata, dovuta al flusso di falda, attorno ad una sorgente di calore lineare ed infinita. Sono quindi state definite le regioni dello spazio e del tempo dove tale soluzione analitica è soggetta agli effetti della linearit`a della sorgente, sia nel caso di sonda singola, sia nel caso di campo-sonde. Sono inoltre state studiate le potenzialità dell’analisi del test di risposta termica come strumento per prevedere la spaziatura tra le sonde in funzione della portata del flusso dell’acqua di falda. I risultati suggeriscono che portate relativamente modeste, permettono una riduzione significativa della spazitura tra le sonde in direzione perpendicolare rispetto a quella di scorrimento dell’acqua di falda. Sfruttando l’analisi del test di risposta termica, è possibile stimare approssimativamente la distanza dalla sonda alla quale il disturbo di temperatura diventa trascurabile (distanza di influenza). Lo studio di questa distanza di influenza pu`o essere un utile strumento per la progettazione di sistemi dissipativi composti da sonde multiple, così come nelle aree con un’alta densità di impianti a sonda singola, al fine di ridurre la spaziatura tra le sonde, evitando allo stesso tempo l’insorgere di interferenze termiche tra sonde adiacenti. Inoltre è stato proposto un metodo grafico e speditivo per la stima della conducibilità idraulica del substrato tramite l’analisi del test di risposta termica. È stato presentato un esempio dell’applicazione di questa metodologia utilizzando sia dati sperimentali sia assunzioni plausibili di carattere idrologico e petrologico, quando non è stato possibile avvalersi di dati sperimentali. I risultati ottenuti sono in accordo con i valori di conducibilità idraulica proposti in letteratura per il tipo di substrato dell’esempio. Per poter verificare l’affidabilità di questo metodo, ulteriori studi e sviluppi sono sono necessari. Infatti, i grafici utilizzati nella procedura presentata in questa tesi, si riferiscono a specifiche condizioni della sonda (acqua di falda come materiale di riempimento) e sono inoltre basati su modelli bi-dimensionali (trascurando quindi gli effetti di fine-pozzo e il contributo della convezione naturale). Infine vengono forniti suggerimenti riguardo ulteriori studi che consentirebbero di migliorare e sviluppare ulteriormente le metodologie proposte.
Description: 2012/2013
URI: http://hdl.handle.net/10077/10123
NBN: urn:nbn:it:units-12545
Appears in Collections:Ingegneria civile e architettura

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Liuzzo-Scorpo_phd.pdfphd thesis7.99 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record


CORE Recommender

Page view(s)

579
checked on Feb 17, 2018

Download(s)

627
checked on Feb 17, 2018

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons