Janiszewski, Mateusz;Siren, Topias;Uotinen, Lauri;Oosterbaan, Harm;Rinne, Mikael
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.5
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pp.503-512
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2018
Globally there is an increasing need to reduce the greenhouse gas emissions and increase the use of renewable sources of energy. The storage of solar thermal energy is a crucial aspect for implementing the solar energy for space heating in high latitudes, where solar insolation is high in summer and almost negligible in winter when the domestic heating demand is high. To use the solar heating during winter thermal energy storage is required. In this paper, equations representing the single U-tube heat exchanger are implemented in weak form edge elements in COMSOL Multiphysics(R) to speed up the calculation process for modelling of a borehole storage layout. Multiple borehole seasonal solar thermal energy storage scenarios are successfully simulated. After 5 years of operation, the most efficient simulated borehole pattern containing 168 borehole heat exchangers recovers 69% of the stored seasonal thermal energy and provides 971 MWh of thermal energy for heating in winter.
The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a glass greenhouse was analyzed numerically. For this study, the gardening 16th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And, the heating load of the glass greenhouse selected was 576 GJ. BTES (Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modeling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump, controller. As a result of the analysis, the energy of 928 GJ from the flat plate solar collector was stored into BTES system and 393 GJ of energy from BTES system was extracted during heating period, so that it was confirmed that the thermal efficiency of BTES system was 42% in 5th year. Also since the heat supplied from the auxiliary boiler was 87 GJ in 5th year, the total annual heating demand was confirmed to be mostly satisfied by the proposed system.
The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a 1,320 m2 glass greenhouse was analyzed numerically, and the economic feasibility depending upon the number of boreholes was evaluated. For this study, the gardening 16th and 19th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And the heating load of the glass greenhouse selected was 1,147 GJ. BTES(Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The number of boreholes was selected from 25 to 150. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modelling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump and controller. As a result of the analysis, when the number of boreholes was from 25 to 50, the thermal efficiency of BTES system and the solar fraction was the highest. When the number of boreholes was from 25 to 50, it was analyzed that the payback period was from 5.2 years to 6.2 years. Therefore it was judged to be the number of boreholes of the proposed system was from 25 to 50, which is the most efficient and economical.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.1
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pp.28-34
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2019
Solar energy is one of the most abundant renewable energy sources on Earth but there are restrictions on the use of solar thermal energy due to the time-discrepancy between the solar-rich season and heating demand. In Europe and Canada, a seasonal solar thermal energy storage (SSTES), which stores the abundant solar heat in the summer and uses the heat for the winter heating load, is used. Recently, SSTES has been introduced in Korea and empirical studies are actively underway. In this study, a $2,000m^2$ flat plate type solar collector and $20,000m^2$ of borehole thermal energy storage (BTES) were studied for a greenhouse in Hwaseong City, which has a heating load of 2,164 GJ/year. To predict the dynamic performance of the system over time, it was simulated using the TRNSYS 18 program, and the solar fraction of the system with the control conditions was investigated. As a result, the solar BTES system proposed in this study showed an average solar fraction of approximately 60% for 5 years when differential temperature control was applied to both collecting solar thermal energy and discharging BTES. The proposed system simplified the configuration and control method of the solar BTES system and secured its performance.
This study reviews three eco-friendly energy towns with hybrid thermal energy supply systems and borehole thermal energy storage (BTES) in Canada and Denmark. The district heating and cooling systems were designed by using multi-source energy for the higher efficiency and reliability as well as environment. ADEU (Alexandra District Energy Utility) located at the developing area in the city of Richmond, Canada was designed to supply district energy with the installation of 726 borehole heat exchangers (BHEs) and a backup boiler using natural gas. DLSC (Drake Landing Solar Community) located in the town of Okotoks, Canada is a district system to store solar thermal energy underground during the summer season by seasonal BTES with 144 BHEs. Brædstrup Solpark district heating system located in Denmark has been conducted energy supply from multiple energy sources of solar thermal, heat pump, boiler plants and seasonal BTES with 48 BHEs. These systems are designed based on social and economic benefits as well as nature-friendly living space according to the city based energy perspective. Each system has the energy center which distribute the stored thermal energy to each house for heating during the winter season. The BHE depth and ground thermal storage volume are designed by the heating and cooling load as well as the condition of ground water flow and thermophysical properties of the ground. These systems have been proved the reliance and economic benefits by providing consistent energy supply with competitive energy price for many years. In addition, the several expansions of the service area in ADEU and Brædstrup Solpark have been processed based on energy supply master plan. In order to implement this kind of project in our country, the regulation and policy support of government or related federal organization are required. As well as the government have to make a energy management agency associated with long-term supply energy plan.
Understanding the thermohydraulic processes in the aquifer is necessary for a proper design of the aquifer thermal energy utilization system under given conditions. Experimental and numerical test were accomplished to evaluate the relationship between the geothermal heat exchanger operation and hydrogeological conditions in the open-loop geothermal system. Sand tank experiments were designed to investigate the open-loop geothermal system. Water injection and extract ion system as open-loop borehole heat exchanger was applied to observe the temperature changes in time at injection well, extraction well and ambient groundwater. The thermohydraulic transfer for heat storage was simulated using FEFLOW for two cases of extraction and injection phase operation in sand tank model. As one case, the movement of the thermal plume was simulated with variable locations of injection and extraction well. As another case, the simulation was performed with fixed location of injection and extraction well. The simulation and experimental results showed that the temperature distribution depends highly on the injected water temperature and the length of injection time and the groundwater flow and pumping rate sensitively affect the heat transfer.
The geothermal heat pump system is designed for cooling and heating for three stories building (2,435 $m^2$) includes total 79 heat pumps. Therefore, the monitoring system is installed for each floor and the data is automatically transmitted to the monitoring system. Heat exchange rate and temperature of a geothermal heat pump system have been monitored for a long period. The seasonal operation of geothermal heat pump shows the different shape of heat exchange rate for cooling and heating. Ground water flow can influence on heat exchange rate and thermal storage of the system. In order to define the hydraulic characteristics and groundwater temperature variation, the relationships among air temperatures, groundwater temperatures, water table, and precipitation are analysed.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.26
no.9
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pp.416-423
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2014
To verify different boundary conditions on the borehole wall, which are commonly used for generating g-function, the well-known TRNSYS simulation model, DST (Duct STorage), is employed. By letting the fluid circulation determine the borehole wall conditions, a DST-based g-function is induced with numerical processes proposed in this work. A new TRNSYS module is also developed to accommodate g-function data and predict dynamic outlet fluid temperatures. Results showed that the modified g-function, which is different from Eskilson's original g-function, is closer to the DST-based g-function. This implies that the uniform heat transfer rates over the height can be used for good approximation. In fact, simulations with the modified g-function showed similar results as the DST model, while Eskilson g-function case deviated from the DST model as time progressed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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