A ground-loop heat exchanger in a ground source heat pump system is an important unit that determines the thermal performance of a system and its initial cost. The Size and performance of this heat exchanger is highly dependent on ground thermal properties. A proper design requires certain site-specific parameters, most importantly the ground effective thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the undisturbed ground temperature. This study was performed to investigate the effect of some parameters such as borehole lengths, various grouting materials and U-tube configurations on ground effective thermal conductivity. In this study, thermal response tests were conducted using a testing device with 9-different ground-loop heat exchangers. From the experimental results, the length of ground-loop heat exchanger affects to the effective thermal conductivity. Among the various grouting materials, the bentonite-based grout with silica sand shows the largest thermal conductivity value.
The objectives of this paper are to estimate the ground thermal conductivity by ground heat exchangers in two different places - Chooncheon and Wonjoo, and to analyze the effect of ground thermal conductivity on the ground thermal diffusivity and the size of the ground heat exchanger. In Chooncheon area, a single-U type HDPE pipe (25mm diameter) with borehole diameter of 150mm, length of 150m is installed. In Wonjoo area, a single-U type HDPE pipe (40mm diameter) with borehole diameter 150mm, length of 200m is installed. It is found that the ground thermal conductivities are estimated as 2.69 $W/m^{\circ}C$ and 2.99 $W/m^{\circ}C$ in Chooncheon and Wonjoo, respectively. It is also found that the ground heat exchanger size is reduced by 8.6% with 25% increase of ground thermal conductivity, and increase by 11.8% with 25% decrease of ground thermal conductivity.
Geothermal heat pump(GHP) systems have been shown to be an environmentally-friendly, efficient alternative to traditional cooling and heating systems in both residential and commercial applications. Although some experimental work related to performance evaluation of GHP systems with vertical borehole ground heat exchangers for commercial buildings has been done, relatively little has been reported on the performance simulation of these systems. The aim of this study is to evaluate the cooling and heating performance of the GHP system with 30 borehole ground heat exchangers applied to an commercial building($1,210m^2$) in Seoul. For this purpose, a typical design procedure was involved with a combination of design parameters such as building loads, heat pump capacity, circulating pump, borehole diameter, and ground effective thermal properties, etc. The cooling and heating performance prediction of the system was conducted with different prediction methods and then each result is compared.
To obtain the physical properties of grout materials, that is the thermal conductivity and viscosity, which are used for backfilling ground heat exchangers, nine bentonite grouts and cement grouts being adapted in the United State have been considered in this study. The bentonite grouts show that the thermal conductivity and viscosity increase with the content of bentonite or filler (silica sand). The saturated cement grouts appear to possess much higher thermal conductivity than the saturated bentonite grouts, and the reduction of thermal conductivity in the cement grouts after drying specimens is less than the case of the bentonite grouts. To investigate the performance of cement grouts, fifteen samples were prepared by varying the water/cement ratio and the amount of sand and bentonite added into the cement mortar. Maintaining the moisture content of grouts is a crucial factor in enhancing the efficiency of ground heat exchangers.
This paper proposes an optimum pipe material (PVC vs. PE) design & selection for open loop ground heat exchangers. Heat exchange efficiency and/or workability, and the need for trench insulation were investigated by comparing EWT (cooling mode) of each system. CFD simulations for the PVC and PE pipe with the same inner diameter show similar EWT. This is because the PVC pipe has a small thickness but a low thermal conductivity as compared to the PE pipe, and thus these two properties tend to offset each other. However, a hypothetically insulated pipe led to a meaningful drop of EWT. This means pipe insulation is of importance in performance of ground heat exchangers. From analyzing climate data and system operation, it is not advantageous to insulate trench pipes due to construction difficulties and ground temperature characteristics that are seasonally varied.
A ground-loop heat exchanger for the ground source heat pump system is the core equipment determining the thermal performance and initial cost of the system. The size and performance of the heat exchanger is highly dependent on the ground thermal properties - the ground effective thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the undisturbed ground temperature. Nowadays, precast concrete piles using steel reinforced precast concrete piles - energy piles - are used to reduce the installing cost of the ground-loop heat exchanger. We were carried out some tests to investigate the effects of some parameters such as borehole length, grouting materials and U-tube configuration of the energy piles. 4 concrete piles, each measuring $250mm{\sim}400mm$ in diameter and approx. 10m in length, and rigged with single spiral and 3 U-tube loop of $16mm{\times}2.3mm$ PB piping. The thermal response tests were conducted using a testing device for 4-different ground-loop heat exchangers. During the heating period, the energy piles absorb the heat of 0.89kW to 1.37kW.
International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration
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제16권4호
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pp.109-116
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2008
Ground temperature restoration characteristics are the crucial factors to evaluate whether a ground source heat pump system can keep long time steady operation. They are mainly dependent on soil thermal properties, layout of pile group, operation/shutoff ratio, cooling/heating load, thermal imbalance ratio and so on. On the one hand, several types of vertical pile foundation heat exchangers are intercompared to determine the most efficient one by performance test and numerical method. On the other hand, according to the layout of pile group of a practical engineering and running conditions of a GSHP system in Shanghai, the temperature distribution during a period of five years is numerically studied. The numerical results are analyzed and are used to provide some guidance for the design of large-scale GSHP system.
Among the various ground source heat pump systems, vertical-type heat pump systems have been distributed greatly. Most of the vertical-type ground source heat pump systems have been designed based on the Korean Ministry of Knowledge Economy Announcement in Korea. In this study, the design process of the vertical-type ground source heat pump system in the announcement was analyzed, and the effects of the design parameters on the ground loop heat exchanger were investigated. Borehole thermal conductivity was the highest dominant design parameter for ground loop heat exchangers. The borehole thermal conductivity was changed according to the pipe and grout thermal conductivity. For optimal design of the ground heat pump system, it is highly recommended that the design process in the announcement will be revised to adopt the various tubes and grout which have higher thermal conductivity. In addition, the certification standard for heat pump unit should be revised to develop the heat pump with a small flow rate.
The purpose of this study is to present the simulation results and an overview of the performance assessment of the Ground-Source Heat Pump(GSHF) system. The calculation was performed for two design factors: the spacing between boreholes and the depth of the vertical ground heat exchangers. And the simulation was carried out using the thermal simulation code TRNSYS with new model of water to water heat pump developed by this study. As a result, it was anticipated that the yearly mean COPs of heat pump for heating and cooling are about 3.7 and 5.8 respectively and the heat pump can supply 100% of heating and cooling load all the year around.
The purpose of this study is to present the simulation results and an overview of the performance assessment of the Ground-Source Heat Pump(GSHP) system. The calculation was performed for two design factors. the spacing between boreholes and the depth of the vertical ground heat exchangers. And the simulation was carried out using the thermal simulation code TRNSYS with new model o( water to water heat pump developed by this study. As a result, it was anticipated that the yearly mean COPs of heat pump for heating and cooling are about 3.7 and 5.8 respectively and the heat pump can supply 100% of heating and cooling load all the year around.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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