In this study, a test bed was constructed in order to evaluate thermal efficiency of the energy pile which carries out combined roles of a structural foundation and of a heat exchanger. The energy pile in this study is designed as a large-diameter drilled shaft equipped with the heat exchange pipes which configures a W-shape and an S-shape. The drilled shaft reached to the depth of 60 m whilst the heat exchange pipes were installed to about 30 m deep from the ground surface. The W-shaped and S-shaped heat exchange pipes were installed in the opposite sections of the same drilled shaft. In-situ thermal response tests were performed for both the shapes of heat exchange pipes. To avoid underestimating the thermal performance due to hydration heat of concrete inside the drilled shaft, the in-situ thermal response tests for the energy pile were performed after four weeks since the installation of the energy pile.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.17
no.2
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pp.173-182
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2005
The Performance of U-tube ground heat exchanger for geothermal heat Pump systems depends on the thermal properties of the soil, as well as grout or backfill materials in the borehole. In-situ tests provide a means of estimating some of these properties. In this study, in-situ thermal response tests were completed on two vertical boreholes, 130 m deep with 62 mm diameter high density polyethylene U-tubes. The tests were conducted by adding a monitored amount of heat to water over a $17\~18$ hour period for each vertical boreholes. By monitoring the water temperatures entering and exiting the loop and heat load, overall thermal conductivity values of grout/soil formation were determined. Two parameter estimation models for evaluation of thermal response test data were compared when applied on the same temperature response data. One model is based on line-source theory and the other is a numerical one-dimensional finite difference model. The average thermal conductivity deviation between measured data and these models is of the magnitude $1\%$ to $5\%$.
Studies of the thermal properties of various rock types obtained from several locations in Korea have revealed significant differences in thermal conductivities in the thermal response test (TRT), which has been applied to the design of a ground-source heat pump system. In the present study, we aimed to compare the thermal conductivities of the samples with those obtained by TRT. The thermal conductivities of soil and rock samples were 1.32W/m-K and 2.88 W/m-K, respectively. In comparison, the measured TRT value for thermal conductivity was 3.13W/m-K, which is 10% higher than that of the rock samples. We consider that this difference may be due to groundwater flow because abundant groundwater is present in the study area and has a hydraulic conductivity of 0.01. It is natural to consider that the object of TRT is to calculate the original thermal conductivity of the ground, following the line source theory. Therefore, we conclude that the TRT applied to a domestic standing column type well is not suitable for a line source theory. To solve these problems, values of thermal conductivity measured directly from samples should be used in the design of ground-source heat pump systems.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.21
no.1
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pp.512-520
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2020
Recently, the applications of the standing column well (SCW) ground heat exchanger (GHX) have increased significantly in Korea as a heat transfer mechanism of ground source heat pump systems (GSHP) because of its high heat capacity and efficiency. Among the various design and operating parameters, bleeding was found to be the most important parameter for improving the thermal performance, such as ground thermal conductivity and borehole thermal resistance. In this study, a bleeding analysis model was developed using the thermal response test data, and the effects of bleeding rates and bleeding locations on the thermal performance of anSCW were investigated. The results show that, when the ground water flows into the top of anSCW, the time variation of circulating water temperature decreased with increasing bleeding rate, and the ground thermal conductivity increases by as much as 179% with a 30% bleeding rate. When the ground water flows into the bottom of the SCW, the circulating water temperatures become almost constant after the increase in the beginning time because the circulating water exchanges heat with the ground structure before mixing with the ground water at the bottom.
Line source model is commonly used in analyzing the data obtained from thermal response test to estimate the effective soil formation thermal conductivity. In the application of line source model some part of initial data must be ignored in order to achieve more accurate result. The period of time for this initial data is called initial ignoring time(IIT) in this paper. However there has been no definite rule in determining this initial ignoring time. Therefore line source model requires experienced analyzer to select the useful data, which is somewhat subjective. One method often suggested is the calculation of IIT with non dimensional time $\tau=5$. However, this is a very theoretical result derived from a system of perfect line source model, which is somewhat different from the real system. A new method to determine IIT is presented in this study. This method requires error estimation first and IIT can be decided from the results of error estimation. This method is applied in the analysis of field test data and shows better result than the one obtained from the method using non dimensional time mentioned above as shown in Table 2.
Use of geothermal energy has been increased for its economical application and environmentally friendly utilization. Particularly, for energy piles, a spiral coil type ground heat exchanger (GHE) is more preferred than line type GHEs such as U and W shaped GHEs. A PHC energy pile with spiral coil type GHE was installed in an area of partially saturated dredged soil deposit, and a thermal response test (TRT) was conducted for 240 hours under a continuous operation condition. Besides, remolded soil samples from different layers were collected in the field, and soil specimens were reconstructed according to the field ground condition. Non-steady state probe methods were conducted in the lab, and ground thermal conductivity and thermal diffusivity were measured for the different soil layers. An equivalent ground thermal conductivity was calculated from the lab test results and it was compared with the field TRT result. The difference was less than 5%, which advocates the use of an equivalent ground thermal conductivity for the multi-layered ground. Furthermore, this paper also represents an equivalent ground thermal diffusivity evaluation method which is another very important design parameter.
The objective of this report is to determine the difference of thermal response that grouted two different materials, and compare the simulation result of the length of total ground heat exchanger length that using the ground thermal conductivity. And also to know heat exchange variation of ground heat exchanger temperature that measured with various test depth. The result shows that the test hole grouted with water permeable material got better thermal response than grouted with water impermeable material. However, with consideration of ingnore for the initial 12 hour data, the test hole grouted with impermeable material has larger thermal conductivity than the other. By former thermal conductivity, simulated data by engineering program shows only 3.4% difference or less. This result shows that ground thermal conductivity is not the main variables for the design program of ground heat exchanger. At the cooling or heating mode, base on the depth of -150m, the ground heat exchanger has best temperature at $-90{\sim}-60m$ and than getting worse because of entering water heat exchanged with leaving water in the same hole.
Line source method of borehole system assumes the entire surrounding medium is uniform. However, thermal properties of grouting region are considerably different from those of surrounding soil. In this study we investigate the effect of grouting materials on the solution of line source method with the aid of numerical analysis. This numerical model generates the temperature of borehole fluid with which line source solution can be obtained. Then this solution can be compared with input condition of numerical model. The results of this comparison show that thermal conductivity and borehole thermal resistance of line source solution are approximately 86% and 91% of the input condition of numerical model. Chart method is developed in this study to find the numerical input conditions (thermal conductivity and borehole thermal resistance) from the line source solution. Thermal response test of test borehole is conducted, the results of which are approximately consistent with the Chart method. Thermal property changes of grouting materials on the line source solution are also examined.
Ground-coupled heat pump system has attracted attention as a promising renewable energy technology due to its improving energy efficiency and eco-friendly mechanism for space cooling and heating. Pipes buried in the ground play a role of direct thermal interaction between circulating fluid inside the pipe and surrounding soils in the geothermal exchange system. However, both complexities of turbulent flow coupling thermal-hydraulic phenomena and very long aspect ratio of the pipe make it difficult to model the heat exchange system directly. Energy balance for fluid flow inside the pipe was derived to model thermal-hydraulic phenomena, and one-dimensional pipe element was proposed through Galerkin formation and time integration of the equation. Developed element is combined to pre-developed FEM code for THM phenomena in porous media. Numerical results of Thermal Response Test showed that line-source model overestimates equivalent thermal conductivity of surrounding soils due to thermal interaction between adjacent pipes and finite length of the pipe. Thus, inverse analysis for the TRT simulation was conducted to present optimal transformation matrix with utmost convergence.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.5C
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pp.177-183
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2012
The use of energy pile foundation has been increased for economic utilization of geothermal energy. In particular, a coil-shaped ground heat exchanger (GHE) is preferred than conventional U-shaped heat exchanger to ensure better efficiency of heat exchange rate. This paper presents experimental results by changing different pitch spaces of spiral coils. Joomunjin sand was filled in a steel box of which the size was $5m{\times}1m{\times}1m$. Thermal response tests (TRTs) were conducted to measure the ground thermal conductivity with temperatures of circulating water using line source model and ring coil model. Experimental results and analytical solutions were compared to validate the applicability of these models. Ring coil model showed more accurate similar results with experimental data rather than line source model and cylindrical source model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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