A novel steel-pipe energy pile is introduced, in which the deformed rebars for main reinforcing are replaced with steel pipes in a large diameter cast-in-place energy pile. Here, the steel pipes act as not only reinforcements but also heat exchangers by circulating the working fluid through the hollow hole in the steel pipes. Under this concept, the steel-pipe energy pile can serve a role of supporting main structures and exchanging heat with surrounding mediums without installing additional heat exchange pipes. In this study, the steel-pipe energy pile was constructed in a test bed considering the material properties of steel pipes and the subsoil investigation. Then, the thermal performance test (TPT) in cooling condition was conducted in the constructed energy pile to investigate thermal performance. In addition, the thermal performance of the steel-pipe energy pile was compared with that of the conventional large diameter cast-in-place energy pile to evaluate its applicability. As a result, the steel-pipe energy pile showed 11% higher thermal performance than the conventional energy pile along with much simpler construction processes.
Cooling and Heating system using Geothermal energy in the country has shown rapid development in the research and business field during about 10 years. However, like other renewable energy sources, high initial construction cost is acting as an obstacle to apply widely. Therefore Energy pile system(Heat Exchanger inserted inside the structure pile) that can save about 25 % initial construction cost has been studied in European countries and recently being studied in our country. Therefore, KPECO(Korea Electric Power Corporation) is also studying energy pile system to improve cooling & heating system in substation that install about 200 pile. KPECO is aimed to make energy pile design, construction and maintenance standards because substation has good applicability. In this study, we studied to make new grout material and design program to make optimized design & counstruction method of energy pile system. And planing to peform field test for energy pile system in a 154 kV substation to obtain long-term behavior and efficiency of the system.
Agibayeva, Aidana;Lee, Deuckhang;Ju, Hyunjin;Zhang, Dichuan;Kim, Jong R.
Structural Engineering and Mechanics
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제77권6호
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pp.753-763
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2021
Feasibility studies of a reinforced concrete (RC) deep pile foundation system with the compressed air energy storage (CAES) technology were conducted in previous studies. However, those studies showed some technical limitations in its serviceability and durability performances. To overcome such drawbacks of the conventional RC energy pile system, various steel-concrete composite pile foundations are addressed in this study to be utilized as a dual functional system for an energy storage medium and load-resistant foundation. This study conducts finite element analyses to examine the applicability of various composite energy pile foundation systems considering the combined effects of structural loading, soil boundary forces, and internal air pressures induced by the thermos-dynamic cycle of compressed air. On this basis, it was clearly confirmed that the role of inner and outer tubes is essential in terms of reliable storage tank and better constructability of pile, respectively, and the steel tubes in the composite pile foundation can also ensure improved serviceability and durability performances compared to the conventional RC pile system.
The energy pile, used for both structural foundations and heat exchangers, brings about heat exchange with the ground formation by circulating a working fluid for heating and cooling buildings. As heat exchange occurs in the energy pile, thermal stress and strain is generated in the pile body and surrounding ground formation. In order to investigate the thermo-mechanical behavior of an energy pile, a comprehensive experimental program was conducted, monitoring the thermal stress of a cast-in place energy pile equipped with five pairs of U-type heat exchanger pipes. The heating and cooling simulation both continued for 30 days. The thermal strain in the longitudinal direction of the energy pile was monitored for a 15 operation days and another 15 days monitoring followed, without the application of heat exchange. In addition, a finite element model was developed to simulate the thermo-mechanical behavior of the energy pile. A non-linear contact model was adopted to interpret the interaction at the pile-soil interface, and thermal-induced structure mechanics was considered to handle the thermo-mechanical coupled multi-field problem.
Tulebekova, Saule;Zhang, Dichuan;Lee, Deuckhang;Kim, Jong R.;Barissov, Temirlan;Tsoy, Viktoriya
Structural Engineering and Mechanics
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제71권4호
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pp.363-375
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2019
A renewable energy storage pile foundation system is being developed through a multi-disciplinary research project. This system intends to use reinforced concrete pile foundations configured with hollowed sections to store renewable energy generated from solar panels attached to building structures in the form of compressed air. However previous research indicates that the compressed air will generate considerable high circumferential tensile stresses in the concrete pile, which requires unrealistic high hoop reinforcement ratio to avoid leakage of the compressed air. One possible solution is to utilize fiber reinforced concrete instead of placing the hoop reinforcement to resist the tensile stress. This paper investigates nonlinear structural responses and post-cracking behavior of the fiber reinforced concrete pile subjected to high air pressure through nonlinear finite element simulations. Concrete damage plasticity models were used in the simulation. Several parameters were considered in the study including concrete grade, fiber content, and thickness of the pile section. The air pressures which the pile can resist at different crack depths along the pile section were identified. Design recommendations were provided for the energy storage pile foundation using the fiber reinforced concrete.
In this study, a series of thermal numerical analysis was conducted through the ground condition and the length and shape of the energy pile. In order to investigate the effect of the thermal properties of ground condition, grout and pile type on heat transfer efficiency in the U-type heat exchanger in energy pile, thermal numerical analysis was done by using ABAQUS. ABAQUS, a finite element analyzing program, was employed to evaluate the temperature distribution on the cross section of energy pile system incorporating HDPE - grout - pile - Ground condition which consists of clay, sand, rock type soil and ground water.
Ground source heat pump(GSHP) systems have been attracted as high-efficient energy-saving technology, but the building clients and designers have hesitated to use GSHP systems which is a expensive initial installation and a uncertain economic feasibility. Therefore In order to reduce the initial cost, many researchers have focused on the energy-pile system using the structure of the building as a heat exchanger. Even though many of experimental studies for energy pile system have been conducted, there was not enough data of a quantitative evaluation with the economic analysis and comprehensive analysis for energy-pile. In this study, the feasibility study for the energy pile system with a barrette pile was conducted by the performance analysis and LCC assessment.
Ground source heat pump systems (GSHP) can achieve higher performance of the system, by supplying more efficient heat source to the heat pump, than the conventional air-source heat pump system. But building clients and designers have hesitated to use GSHP systems, due to expensive initial cost, and uncertain economic feasibility. In order to reduce the initial cost, many researches have focused on the energy-pile system, using the structure of the building as a heat exchanger. Even though several experimental studies for the energy-pile system have been conducted, there was not enough data of quantitative evaluation with economic analysis and comprehensive analysis for the energy-pile. In this study, a prediction method has been developed for the energy pile system with barrette pile, using the ground heat transfer model and ground heat exchanger model. Moreover, a feasibility study for the energy pile system with barrette pile was conducted, by performance analysis and LCC assessment. As a result, it was found that the heat exchange rate of a barrette pile was 2.55 kW, and the payback period using LCC analysis was 8.8 years.
Geothermal heat pump system has been spotlighted as an efficient building energy system, because it has great potentials for reducing energy in building air conditioning and reducing $CO_2$ emissions. However, higher initial cost is a barrier to the promotion of its use. Energy-pile and energy-slab are known as low cost ground heat exchangers comparing with conventional ground heat exchangers, because they utilize building structures as ground heat exchangers. This paper presents the daily cooling performance of a geothermal heat pump system with energy-pile and energy-slab. The energy-piles and the energy-slabs are connected to heat pump units in parallel. The cooling capacity of the system was nearly constant due to the stability of the ground heat exchangers. The stability of the energy-pile was a little higher than that of the energy-stab as a heat sink.
In Korea, Apartment houses recently occupy over 80% of all buildings. Ground source system has to be designed to consider feature of apartment house. Most apartment houses use PHC pile to get a bearing power of the soil. Therefore, the purpose of this study is to evaluate performance of ground source heat pump system utilizing energy pile under apartment. Object of experiment is low-energy experiment apartment in Song-do and Energy Pile are applied to 80%, 100% energy reduction model for heat-source. First, performance evaluation of Energy Pile geothermal system was done during summer season. As a result, The COP(coefficient of performance) about geothermal heatpump was approximately 5-6 while cooling. In winter season, Long experiment was performed because it was very important to evaluate ground condition for long time. During heating experiment, Indoor room set temperature was $20^{\circ}C$ and kept constant by heating. Coefficient of performance for heat pump and overall system was calculated. It was 3.5-4.5 for COP and 2.5-3.7 for system COP.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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