Simulation study of a semi-deep ground source heat pump system for a new residential building
Wallin, Andrei (2020)
Diplomityö
Wallin, Andrei
2020
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899824
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899824
Tiivistelmä
Semi-deep (~800 m) ground source heat pump systems have potential for application in dense urban areas, where the lack of space renders the typical shallow systems (~300 m) unprofitable. The aim of this thesis was to perform initial evaluation of the technical potential of such system covering the heating and cooling demand of a new residential building. In the process building load profiles were generated with IDA-ICE, and a previously developed numerical coaxial borehole heat exchanger model implemented in Apros was validated. System operation was simulated with the Apros heat exchanger model coupled with a heat pump model.
800 m deep borehole heat exchangers were found to sustain a specific heat load of 32-35 W/m, depending on grout heat transfer coefficient, without mean heat carrier fluid temperature dropping below 0 °C during 50 years of operation. In practice four 800 m boreholes could then sustainably supply building heating demand at heat pump coverage of 66 % power and 99 % energy. However, thermal interaction between boreholes may increase the required number of boreholes unless it is mitigated by adequate safety distances and/or ground regeneration.
Covering the building’s cooling load exclusively by free cooling using the heat carrier fluid circulating in the boreholes was deemed unfeasible, since the heat carrier temperatures during summer exceed those likely required by the cooling system. Partial free cooling coverage is possible, but the potential electricity savings are relatively low due to low cooling energy consumption of the building. Utilization of free cooling is also in conflict with possible ground regeneration, which further increases heat carrier temperatures during summer.
Introducing regenerative heat during summer was found to increase ground temperatures pronouncedly at higher levels (0-200 m), possibly due to the chosen flow direction in the heat exchanger. Further study regarding the effect of flow direction should be conducted.
The coaxial borehole heat exchanger simulation model was found to have potential for both short-term and long-term simulations of undisturbed boreholes, but further development is required to more accurately account for the effect of groundwater natural convection on heat transfer, as well as to thermal interaction between boreholes, among other things. Keskisyvää (~800 m) maalämpöä voidaan potentiaalisesti hyödyntää tiheään rakennetussa kaupunkiympäristössä, jossa tyypilliset matalat (~300 m) lämpökaivot ovat kannattamattomia. Tässä diplomityössä kartoitettiin keskisyvän maalämpöjärjestelmän potentiaalia kattaa uuden kerrostalon lämmitys- ja jäähdytysenergiantarve. Rakennuksen kulutusprofiilit laskettiin IDA-ICE-ohjelmistolla, ja aiemmin kehitetty Apros-ohjelmassa toteutettu koaksiaalimaalämmönvaihdinmalli validoitiin. Järjestelmän toimintaa simuloitiin lämpökaivomalliin kytketyllä lämpöpumppumallilla.
800 metriä syvien lämpökaivojen todettiin toimivan noin 32-35 W/m huipputeholla, riippuen porareiän täyttömateriaalin lämmönsiirtokertoimesta, ilman että maapiirin nesteen keskilämpötila putoaa alle 0 °C:n 50 vuoden kuluessa. Siten neljän 800 m lämpökaivon voitiin todeta riittävän kattamaan rakennuksen lämmönkulutus kestävästi, kun lämpöpumppu oli mitoitettu 99 % energiankulutusta vastaavalle 66 % osateholle. Käytännössä neljä lämpökaivoa on kuitenkin optimistinen arvio, mikäli kaivojen lämpövaikutusta toisiinsa ei saada minimoitua riittävillä etäisyyksillä tai maaperän regeneraatiolla.
Rakennuksen koko jäähdytystarvetta ei kyetä kattamaan vapaajäähdytyksellä maapiiriä hyödyntäen, sillä kesäisin kiertonesteen lämpötila kohoaa ajoittain liian korkeaksi jäähdytysjärjestelmän vaatimaan lämpötilaan nähden. Osavapaajäähdytyksellä voi saavuttaa säästöjä kylmäkoneen sähkönkulutuksessa. mutta potentiaalisesti saavutettu säästö on pieni johtuen rakennuksen suhteellisen pienestä jäähdytysenergian tarpeesta. Lisäksi on huomionarvoista, että vapaajäähdytyksen käyttö ja maaperän lämmön regenerointi ovat ristiriidassa, sillä regeneraatio nostaa maapiirin nesteen lämpötilaa kesäisin.
Ilmanvaihdon ulostuloilmasta voidaan kesäisin ottaa lämpöä maaperän regenerointiin korkeammassa lämpötilassa kuin ulkoilmasta. Esimerkkisimulaatiossa regeneraation havaittiin nostavan maaperän lämpöjä enemmän ylemmissä osissa, johtuen suuremmasta lämpötilaerosta kiertonesteen ja maaperän ylempien osien välillä, sekä mahdollisesti kiertonesteen virtaussuunnasta.
800 m deep borehole heat exchangers were found to sustain a specific heat load of 32-35 W/m, depending on grout heat transfer coefficient, without mean heat carrier fluid temperature dropping below 0 °C during 50 years of operation. In practice four 800 m boreholes could then sustainably supply building heating demand at heat pump coverage of 66 % power and 99 % energy. However, thermal interaction between boreholes may increase the required number of boreholes unless it is mitigated by adequate safety distances and/or ground regeneration.
Covering the building’s cooling load exclusively by free cooling using the heat carrier fluid circulating in the boreholes was deemed unfeasible, since the heat carrier temperatures during summer exceed those likely required by the cooling system. Partial free cooling coverage is possible, but the potential electricity savings are relatively low due to low cooling energy consumption of the building. Utilization of free cooling is also in conflict with possible ground regeneration, which further increases heat carrier temperatures during summer.
Introducing regenerative heat during summer was found to increase ground temperatures pronouncedly at higher levels (0-200 m), possibly due to the chosen flow direction in the heat exchanger. Further study regarding the effect of flow direction should be conducted.
The coaxial borehole heat exchanger simulation model was found to have potential for both short-term and long-term simulations of undisturbed boreholes, but further development is required to more accurately account for the effect of groundwater natural convection on heat transfer, as well as to thermal interaction between boreholes, among other things.
800 metriä syvien lämpökaivojen todettiin toimivan noin 32-35 W/m huipputeholla, riippuen porareiän täyttömateriaalin lämmönsiirtokertoimesta, ilman että maapiirin nesteen keskilämpötila putoaa alle 0 °C:n 50 vuoden kuluessa. Siten neljän 800 m lämpökaivon voitiin todeta riittävän kattamaan rakennuksen lämmönkulutus kestävästi, kun lämpöpumppu oli mitoitettu 99 % energiankulutusta vastaavalle 66 % osateholle. Käytännössä neljä lämpökaivoa on kuitenkin optimistinen arvio, mikäli kaivojen lämpövaikutusta toisiinsa ei saada minimoitua riittävillä etäisyyksillä tai maaperän regeneraatiolla.
Rakennuksen koko jäähdytystarvetta ei kyetä kattamaan vapaajäähdytyksellä maapiiriä hyödyntäen, sillä kesäisin kiertonesteen lämpötila kohoaa ajoittain liian korkeaksi jäähdytysjärjestelmän vaatimaan lämpötilaan nähden. Osavapaajäähdytyksellä voi saavuttaa säästöjä kylmäkoneen sähkönkulutuksessa. mutta potentiaalisesti saavutettu säästö on pieni johtuen rakennuksen suhteellisen pienestä jäähdytysenergian tarpeesta. Lisäksi on huomionarvoista, että vapaajäähdytyksen käyttö ja maaperän lämmön regenerointi ovat ristiriidassa, sillä regeneraatio nostaa maapiirin nesteen lämpötilaa kesäisin.
Ilmanvaihdon ulostuloilmasta voidaan kesäisin ottaa lämpöä maaperän regenerointiin korkeammassa lämpötilassa kuin ulkoilmasta. Esimerkkisimulaatiossa regeneraation havaittiin nostavan maaperän lämpöjä enemmän ylemmissä osissa, johtuen suuremmasta lämpötilaerosta kiertonesteen ja maaperän ylempien osien välillä, sekä mahdollisesti kiertonesteen virtaussuunnasta.