Energy Efficiency Assessment of Pressure Losses in Horizontal Ground Heat Exchangers with Two-Dimensional Computational Simulations

Abstract

In this study horizontal ground heat exchangers with seven different geometric patterns were investigated for their energy efficiencies using computational simulations. The geometric patterns were designed to fit in an garden area of 30 m^2 (6mx5m) and the models were constructed two-dimensionally for the ease of computational calculations. The designs were compared to each other in terms of heat exchange surface areas, pressure losses, and energy efficiencies. To better facilitate the energy efficiency comparison of the designs the energy gain ratio (EGR) was used. It was described as the ratio of heat exchange surface area to pressure loss. The results showed that the Design-6 had the highest heat exchange surface area (6.9681m^2), the lowest pressure loss (88.9790kPa), as well as the highest EGR value of 0.0783 m^2 kPa^-1. However, since the Design-6 was designed to have too many pipe joints, whereas the other designs might be used as intact pipeline, the practical use of the Design-6 was thought to be risky from the operational maintenance point of view. The results were promising to help improving the project.

Keywords

• energy efficiency
• pressure loss
• modeling
• simulation
• ground heat exchanger

Yatay Toprak Isı Değiştiricilerdeki Basınç Kayıplarının İki Boyutlu Bilgisayar Simülasyonları ile Enerji Verimliliği Bakımından Değerlendirilmesi

Abstract

Bu çalışmada yedi farklı geometrik tasarıma sahip yatay toprak ısı değiştiricilerin enerji verimini etkileyen basınç kayıpları bilgisayar destekli simülasyonlar aracılığı ile incelenmiştir. 30 m^2’lik (6mx5m) bir bahçe alanında kullanılmak üzere tasarlanan modeller, denklemlerin hesaplama kolaylığı açısından, iki boyutlu olarak oluşturulmuştur. Her bir tasarım ısı değişim yüzey alanları, basınç kayıpları ve enerji verimlilikleri açısından karşılaştırılmıştır. Enerji verimlilikleri açısından karşılaştırılmaları ısı değişim yüzey alanlarının basınç kayıplarına oranı olarak tabir edilen enerji kazanım oranı değerleri üzerinden yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara bakıldığında Tasarım-6’nın en yüksek ısı değişim yüzey alanına (6,9681m^2), en düşük basınç kaybına (88,9790kPa) ve aynı zamanda en yüksek enerji kazanım oranına sahip olduğu (0,0783m^2 kPa^-1) görülmüştür. Her ne kadar diğer tasarımlara göre Tasarım-6 en enerji verimli gözükse de işletim ve bakım açısından değerlendirildiklerinde diğer tasarımlar yek pare olarak kullanılabileceklerken Tasarım-6’nın çok fazla bağlantı elemanı içermesinden dolayı pratik kullanımının riskli olduğu düşünülmektedir. Sonuçların projenin geliştirilmeye devam edilmesi açısından çok verimli olduğu görülmüştür.

Keywords

• Enerji verimliliği
• basınç kaybı
• modelleme
• benzetim
• toprak ısı değiştirici

References

1. Doğan H., Yılankırkan N. 2015. Türkiye’nin Enerji Verimliliği Potansiyeli ve Projeksiyonu. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 3 (1): 375-384.
2. Kesicki F., Yanagisawa A. 2015. Modelling the Potential for Industrial Energy Efficiency in IEA’s World Energy Outlook. Energy Efficiency, 8 (1): 155–169.
3. Economidou M., Todeschi V., Bertoldi P., Agostino D., Zangheri P., Castellazzi L. 2020. Review of 50 years of EU Energy Efficiency Policies for Buildings. Energy and Buildings, 225: 110322.
4. Staffell I., Brett D., Brandon N., Hawkes A. 2012. A Review of Domestic Heat Pumps. Energy & Environmental Science, 5 (11): 9291-9306.
5. Gan G. 2018. Dynamic Thermal Performance of Horizontal Ground Source Heat Pumps. The Impact of Coupled Heat And Moisture Transfer. Energy, 152: 877-887.
6. Liu X., Lu S., Hughes P., Cai Z. 2015. A Comparative Study of the Status of GSHP Applications in the United States and China. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 48:558-570.
7. Sarbu I., Sebarchievici C. 2014. General Review of Ground-Source Heat Pump Systems for Heating and Cooling of Buildings. Energy and Buildings, 70:441-454.
8. Banks D. 2012. An Introduction to Thermogeology: Ground Source Heating and Cooling. Wiley-Blackwell Baskı No:2, United Kingdom.

9. Karakoyun Y., Açıkgöz Ö., Dalkılıç A.S., Yumurtacı Z. 2020. An Experimental Investigation on Radiant Floor Heating Systems at Various Operating Conditions. Journal of Thermal Engineering, 6 (5): 751-771.
10. Esen H., İnallı M., Esen M., 2007. Numerical and Experimental Analysis of a Horizontal Ground-Coupled Heat Pump System. Building and Environment, 42:1126-1134.
11. Hepbaşlı A., Hancıoğlu E. 2001. Toprak Kaynaklı (Jeotermal) Isı Pompalarının Tasarımı, Testi ve Fizibilitesi. V. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, 3-6 Ekim 2001, İzmir.
12. Soğancı S., Tutkun M.O. 2019. Akış Analizleri (CFD) ve Mühendislik Süreçlerine Katkıları. 14. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 17-20 Nisan 2019, İzmir.
13. Bhutta M.M., Hayat N., Bashir M.H., Khan A.R., Khan S., Ahmad K.N. 2012. CFD Applications in Various Heat Exchangers Design: A Review. Applied Thermal Engineering, 32: 1-12.
14. Yoon S., Kim M.J., Jeon J.S., Jung Y.B. 2021. Significance Evaluation of Performance Factors on Horizontal Spiral-Coil Ground Heat Exchangers. Journal of Building Engineering, 35: 102044.
15. Pu L., Xu L., Qi D., Li Y., 2019. A Novel Tree-Shaped Ground Heat Exchanger for GSHPs in Severely Cold Regions. Applied Thermal Engineering, 146: 278-287.
16. Fujii H., Nishi K., Komaniwa Y., Chou N. 2012. Numerical Modeling of Slinky-Coil Horizontal Ground Heat Exchangers. Geothermics, 41: 55– 62.
17. Xiong Z., Fisher D. E., Spitler J.D. 2015. Development and Validation of a Slinky™ Ground Heat Exchanger Model. Applied Energy, 141:57-69.
18. Chong C.S.A., Gan G., Verhoef A., Garcia G.R., Vidale P.L. 2003. Simulation Of Thermal Performance Of Horizontal Slinky-Loop Heat Exchangers For Ground Source Heat Pumps. Applied Energy, 104:603-610.
19. Mirzanamadi R., Hagentoft C.E., Johansson P. 2020. Coupling a Hydronic Heating Pavement to a Horizontal Ground Heat Exchanger for Harvesting Solar Energy and Heating Road Surfaces. Renewable Energy, 147: 447-463.
20. Anonim, 2010. Geothermal Communities, https://geothermalcommunities.eu/assets/presentation/5.Course_GT.pdf (Erişim Tarihi: 18.03.2021)
21. Çengel Y., Ghajar A. 2019. Isı ve Kütle Transferi Esasları ve Uygulamaları. Palme Yayınevi Baskı No:4, s. 878, Ankara-Türkiye.