Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Thermal response tests: influence of convective flow in groundwater filled borehole heat exchanger
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Architecture and Water.
2010 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The main objective of this doctorial thesis was to investigate how thermally induced movements in the groundwater (natural convective flow) may influence the heat transport in borehole and surrounding bedrock in a groundwater filled borehole heat exchanger system. The purpose was also to determine if thermal response tests could be used to detect the convective influence and the effect on evaluated heat transfer parameters, effective bedrock thermal conductivity and borehole thermal resistance. In order to increase the knowledge about the natural convective influence in groundwater filled borehole heat exchangers, numerical 3D simulations in the computer fluid dynamic (CFD) software Fluent were conducted. It was shown that the thermally induced convective flow influenced the borehole thermal resistance independently of bedrock characteristics (solid or fractured). A larger convective heat flow (dependent on density gradient) resulted in a lower resistance. The density gradient and thereby the convective flow are affected by the water temperature level and the used heat injection or extraction rate. At a water temperature around 4ºC (maximum density), the borehole thermal resistance had its maximum value resulting in values close to stagnant water. In other working conditions the heat transfer could be up to 2.5 times greater than that of stagnant water. This was further investigated and confirmed by in-situ thermal response tests in two boreholes at the campus of Luleå University of Technology. Several multi-injection rate thermal response tests were performed, which is a test protocol where several test periods are performed in a row using different heat injection rates. With this protocol it was shown that natural convective flow may be seen to affect both the borehole thermal resistance and effective bedrock thermal conductivity. For the bedrock thermal conductivity it was shown that the convective influence was seen only for fractured bedrock. A larger convective heat flow resulted in a higher effective bedrock thermal conductivity. The numerical 3D simulations were also used to study some common approximations when modelling grouted boreholes to see if these would also be suitable for groundwater filled boreholes. The purpose was to find approximations that would allow for a simpler model for evaluation of thermal response tests and design of borehole heat exchanger systems. It was shown that using an equivalent radius model (one single pipe in the middle of the borehole) instead of the more complex u-pipe geometry was a good approximation, if the appropriate equivalent radius was used. For the total heat transfer, including the convective heat flow, the total heat transfer area should be the same as for the u-pipes. Another approximation that was tested was to use a boundary condition at the outer pipe wall instead of simulating the fluid flow inside the pipe and the heat flow through the pipe wall. It was shown that the two common boundary conditions, constant temperature and constant heat flux, gave similar results for total heat transfer calculations but quite different results for only conductive heat transfer calculations. Performed investigations showed that the convective influence could give large differences in evaluated borehole thermal resistance and effective bedrock thermal conductivity. It is therefore strongly recommended that thermal response tests are performed using similar heating or cooling conditions as the planned borehole system. In Sweden, most systems use heat extraction during part of the year. For that reason, heat extraction thermal response tests in groundwater filled boreholes were studied. It was shown that ordinary evaluation methods did not work due to the large variations in the value of the borehole thermal resistance during the test. Instead a new evaluation method was proposed, where the measurement time was divided into intervals, where each new interval allowed for a new borehole thermal resistance. The same numerical model was used as in the ordinary parameter estimation evaluation used for the other tests. The model was run manually, and each new borehole thermal resistance was chosen so that the calculated mean fluid temperature for that period matched the measured values. The intervals were recommended to be chosen between 4 to 10 hours depending on how fast the mean fluid temperature changed.

Abstract [sv]

Det huvudsakliga syftet med doktorsavhandlingen var att studera hur termiskt utlösta rörelser i grundvattnet (naturligt konvektivt flöde) påverkar värmetransporten i grundvattenfyllda borrhål och omkringliggande berg i ett system för bergvärme/kyla. Syftet var också att klargöra ifall termiska responstest kan användas för att upptäcka påverkan av det konvektiva flödet samt effekten på de utvärderade parametrarna för värmetransport; effektiv termisk konduktivitet i berget och borrhålets termiska resistans. För att öka kunskapen om hur konvektivt flöde påverkar värmeöverföringen i ett grundvattenfyllt borrhål gjordes numeriska 3D simuleringar i CFD (Computer Fluid Dynamics) med mjukvaran Fluent. Det visade sig att den naturliga konvektionen påverkade värdet på borrhålets termiska motstånd oavsett bergets karaktär (solitt eller sprucket). Detta motstånd minskade med ökande konvektivt flöde (beroende av densitetsgradienten) i borrhålet. Densitetsgradienten, och därmed konvektionen, påverkades av de uppnådda temperaturerna samt av det använda värmeflödet. Vid en vattentemperatur på 4ºC (maximal densitet) fick borrhålets resistans sitt maxvärde, vilket är i närheten för värdet för stillastående vatten. Under andra förhållanden kunde värmetransporten vara upp till 2,5 gånger högre, vilket sänkte resistansen med motsvarande faktor. Detta har studerats ytterligare med termiska responstest utförda i två borrhål vid Luleå tekniska universitet. Ett flertal flereffekts termiska responstest har körts, vilket är ett mätprotokoll där flera testperioder görs i en följd med olika tillförd värmeeffekt. Med detta protokoll kan påverkan av konvektivt värmeflöde upptäckas både för borrhålets termiska resistans och för den effektiva termiska konduktiviteten i berget. Det visade sig att den konvektiva påverkan enbart syntes i det konduktiva värdet i uppsprucket berget samt att ett större konvektivt värmeflöde ökade bergets effektiva värmekonduktivitet. De numeriska 3D simuleringarna användes även för att undersöka vissa vanliga förenklingar vid modellering av återfyllda borrhål, för att se om dessa också var lämpliga för grundvattenfyllda borrhål. Syftet var att finna förenklingar som möjliggör en enklare modell vid utvärdering av termiska responstest och vid dimensionering av system för bergvärme/kyla. Det visades att en modell med ekvivalent radie (borrhålsvärmeväxlaren ersätts av ett enskilt rör i mitten av borrhålet) istället för den mer komplexa geometrin med u-rör fungerande väl förutsatt att korrekt ekvivalent radie användes. För en total värmetransport, som tar med det konvektiva flödet, så ska den totala värmeöverförande ytan vara densamma som för u-rören. En annan förenkling som undersöktes var att använda ett randvillkor på yttre rörväggen istället för att simulera flödet inuti röret samt värmeflödet genom rörväggen. Det visades att de två vanliga randvillkoren, konstant temperatur och konstant värmeeffekt per kvadratmeter, gav likartade resultat vid användandet av total värmeöverföring men relativt olika resultat när endast konduktiv värmeberäkning användes. Det visade sig att ett konvektivt värmeflöde kunde ge relativt stora förändringar i de utvärderade värmetransportparametrarna. Det rekommenderades därför starkt att vid termiska responstest använda liknande mängd tillförd eller uttagen värme som i det planerade systemet. I Sverige använder de flesta system värmeuttag under delar av året. Därför har termiska responstest med värmeuttag ur grundvattenfyllda borrhål studerats. Det visade sig att vanliga utvärderingsmetoder inte gick att använda på grund av de stora variationerna i borrhålets termiska motstånd under mätningarna. Istället föreslogs en utvärderingsmetod där mättiden delades in i intervall och för varje intervall angavs ett nytt värde på borrhålsmotståndet. Samma numeriska modell som användes i den vanliga parameterutvärderingen för de andra mätningarna användes även här. Modellen kördes manuellt där varje nytt värde på borrhålets termiska resistans valdes så att den beräknande medelfluidtemperaturen för perioden matchade de uppmätta värdena. Det rekommenderas att använda intervall på 4 - 10 timmar beroende på hur snabbt medelfluidtemperaturen förändras under den aktuella perioden.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2010. , p. 31
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Keyword [en]
Civil engineering and architecture - Water engineering
Keyword [sv]
Samhällsbyggnadsteknik och arkitektur - Vattenteknik
National Category
Water Engineering Water Engineering
Research subject
Water Resources Engineering; Urban Water Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-17088Local ID: 18457b30-c54b-11df-a707-000ea68e967bISBN: 978-91-7439-143-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-17088DiVA: diva2:990084
Note
Godkänd; 2010; 20100921 (amg); DISPUTATION Ämnesområde: Vattenteknik/Water Resources Engineering Opponent: Professor Jeffrey D Spitler, Oklahoma State University, USA Ordförande: Professor Bo Nordell, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 5 november 2010, kl 10.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4559 kB)98 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4559 kBChecksum SHA-512
127db60b6c984e5c4e4dc391139efc5be500645c3c5c9203c957aeed43e2088ae2d07f7e18f8c9a9e08b0d319f8555778289cb95ac64a8088ea207d5d9988f20
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Gustafsson, Anna-Maria
By organisation
Architecture and Water
Water EngineeringWater Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 98 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 72 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf