Application of geothermal energy in buildings has been gaining popularity as it provides the benefits of both heating and cooling a building. Among the various types of geothermal energy systems, ground-coupled heat pump system is the most commonly applied one in South Korea. A ground heat exchanger plays an important role as a heat source in winter and a heat sink in summer. For the stable operation of a ground-coupled heat pump system, a ground heat exchanger should be sized so that it provides sufficient heating and cooling energy. Heating and cooling energies generated in ground heat exchangers mainly depend on the temperature difference between the heating medium in ground heat exchangers and the surrounding ground. In addition, the performance of ground heat exchangers influences the change in ground temperature. Therefore, it is necessary to consider this interrelation between the change in the ground temperature and the performance of ground heat exchanger for an accurate estimation of its performance. However, previous thermal analysis models for ground heat exchangers are not competent enough to allow a complete understanding of this interrelation. Therefore, this study proposes a three-dimensional equivalent, transient ground heat exchanger analysis model. First, a previous thermal analysis model for ground heat exchangers, including an analytical model, a g-function, and a numerical model are analyzed. Next, to overcome the limitations of the previous models, a three-dimensional equivalent, transient ground heat exchanger model is proposed. Finally, this study validated the proposed model with the measurement data of the thermal response test, sandbox test, and TRNSYS DST model. All validation results showed a good agreement. These findings helped us to investigate the thermal performance of ground heat exchangers more accurately than the analytical models, and faster than the numerical models. Furthermore, the proposed model contributes to the design of ground heat exchangers by considering the different operation conditions of buildings.
Generally, ground-source heat pump (GSHP) systems have a higher performance than conventional air-source systems. However, the major fault of GSHP systems is their expensive boring costs. Therefore, it is important issue that to reduce initial cost and ensure stability of system through accurate prediction of the heat extraction and injection rates of the ground heat exchanger. Conventional analysis methods employed by line source theory are used to predict heat transfer rate between ground heat exchanger and soil. Shape of ground heat exchanger was simplified by equivalent diameter model, but these methods do not accurately reflect the heat transfer characteristics according to the heat exchanger geometry. In this study, a numerical model that combines a user subroutine module that calculates circulation water conditions in the ground heat exchanger and FEFLOW program which can simulate heat/moisture transfer in the soil, is developed. Heat transfer performance was evaluated for 3 different types ground heat exchanger(U-tube, Double U-tube, Coaxial).
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.03a
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pp.213-220
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2010
This study presents a numerical simulation model of vertical ground heat exchangers, considering unsaturated hydro static ground conditions induced by the ground water table fluctuation. Heat transfer in ground and grout is modeled by a 3-D FEM transient conductive heat transfer model, where heat transfer between circulating fluid and heat exchanging pipe is treated as 1-D quasi steady state forced convective elements. To take into account the unsaturated ground condition, soil thermal conductivity and heat capacity which are dependent on the matric suction are applied to ground elements. Parametric studies considering various ground water table conditions are conducted to investigate the influence of unsaturated hydro static ground condition on the mean heat exchange rate of ground heat exchanger. Simulation results considering water table fluctuation show 60~100% of mean heat exchange rate for a saturated soil condition and 125~208% of that for a dry soil condition. Thus consideration of unsaturated soil condition is substantially recommended for more accurate design and performance evaluation for ground heat exchangers.
Effluent ground water overflow in deep and broad ground space building. Temperature of effluent ground water is in $12{\sim}20^{\circ}C$ annually and the quality of that water is as good as living water. Therefore if the flow rate of effluent ground water is sufficient as source of heat pump, that is good heat source and heat sink of heat pump. Effluent ground water contain the thermal energy of surrounding ground. So this is a new application of ground source heat pump. In this study open type and close type heat pump system using effluent ground water was installed and tested for a church building with large and deep ground space. The effluent flow rate of this building is $800{\sim}1000ton/day$. The heat pump capacity is 5RT each. The heat pump cooling COP is $4.9{\sim}5.2$ for the open type and $4.9{\sim}5.7$ for close type system. The system cooling COP is $3.2{\sim}4.5$ for open type and $3.8{\sim}4.2$ for close type system. This performance is up to that of BHE type ground source heat pump.
Effluent ground water overflow in deep and broad ground space building. Temperature of effluent ground water is in $12{\sim}20^{\circ}C$ annually and the quality of that water is as good as living water. Therefore if the flow rate of effluent ground water is sufficient as source of heat pump, that is good heat source and heat sink of heat pump. Effuent ground water contain the thermal energy of surrounding ground. So this is a new application of ground source heat pump. In this study open type and c lose type heat pump system using effluent ground water was installed and tested for it church building with large and deep ground space. The effluent flow rate of this building is $800{\sim}1000$ ton/day. The heat pump capacity is 5RT each. The heat pump cooling COP is $4.9{\sim}5.2$ for the open type and $4.9{\sim}5.7$ for close type system. The system cooling COP is $3.2{\sim}4.5$ for open type and $3.8{\sim}4.2$for close type system. This performance is up to that of BHE type ground source heat pump.
Effluent ground water overflow in deep and broad ground space building. Temperature of effluent ground water is in $12{\sim}20^{\circ}...$ annually and the quality of that water is as good as well water. Therefore if the flow rate of effluent ground water is sufficient as source of heat pump, that is good heat source and heat sink of heat pump. Effuent ground water contain the thermal energy of surrounding ground. So this is a new application of ground source heat pump. In this study open type and close type heat pump system using effluent ground water was installed and tested for a church building with large and deep ground space. The effluent flow rate of this building is $800{\sim}1000\;ton/day$. The heat pump capacity is 5RT. The heat pump heating COP was $3.85{\sim}4.68$ for the open type and $3.82{\sim}4.69$ for the close type system. The system heating COP including pump power is $3.0{\sim}3.32$ for the open type and $3.32{\sim}3.84$ for close type system. This performance is up to that of BHE type ground source heat pump.
Open loop or ground water heat pump systems are the oldest of ground-source systems. Standing column wells can be used as highly efficient ground heat exchanger in geo-thermal heat pump systems, where hydrological and geological conditions are suitable. These systems require some careful considerations for well design, ground water flow, heat exchanger selection etc This paper describes 9round water temperature variations, performances in heat ins and cool ing mode and the results of ground water analysis.
Kang, Shin-Hyung;Lee, Kwang Ho;Do, Sung Lok;Choi, Jong Min
Journal of the Korean Society for Geothermal and Hydrothermal Energy
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v.15
no.2
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pp.10-16
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2019
In this study, the present regulation of heat metering for the ground source heat pump was investigated. The ground source heat pump has been adopting the heat metering system used in the district heating system for estimating the heating and cooling energy production amount. The accuracy of the present heat metering systems for a water to water ground source heat pump is low, because the system for district heating has a relatively high temperature range comparing with the ground source heat pump operating conditions. Even though the heat amount for the building side should be measured, the heat absorption and extraction amount from or to the ground was measured for the water to air ground source heat pump due to the difficulty of estimating the air side heating and cooling capacity in the present regulation. It is highly recommended to validate the heat metering system to have reliability for the ground source heat pump and develop the system to be applicable water to air ground source heat pump.
The design of a ground-source heat pump system includes specifications for a ground loop heat exchanger where the heat transfer rate depends on the thermal conductivity of the ground. To evaluate this heat transfer property, in-situ thermal response tests on four vertical test boreholes with different grouting materials were conducted by adding a monitored amount of heat to water over various test lengths. By measuring the water temperatures entering and exiting the loop, water flow rate, and heat load, effective thermal conductivity values of the ground were determined. The effect of increasing thermal conductivity of grouting materials from 0.82 to 1.05 W/m$^{\circ}C$ resulted in overall increases in effective ground thermal conductivity by 25.8% to 69.5%.
The Effluent ground water overflows in deep and broad ground space building. Temperature of effluent ground water is in 12$\sim$18$^{\circ}C$ annually and the quality of that water is as good as living water. Therefore if the flow rate of effluent ground water is sufficient as source of heat pump, that is good heat source and heat sink of heat pump. Effuent ground water contain the thermal energy of surrounding ground. So this is a new application of ground source heat pump. In this study open type and close type heat pump system using effluent ground water was installed and tested for a church building with large and deep ground space. The effluent flow rate of this building is 800$\sim$1000 ton/day. The heat pump capacity is 5RT each. The heat pump system heating COP was 3.0$\sim$3.3 for the open type and 3.3$\sim$3.8 for the close type system. The heat pump system cooling COP is 3.2$\sim$4.5 for the open type and 3.8$\sim$4.2 for close type system. This performance is up to that of BHE type ground source heat pump.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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