The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a glass greenhouse was analyzed numerically. For this study, the gardening 16th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And, the heating load of the glass greenhouse selected was 576 GJ. BTES (Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modeling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump, controller. As a result of the analysis, the energy of 928 GJ from the flat plate solar collector was stored into BTES system and 393 GJ of energy from BTES system was extracted during heating period, so that it was confirmed that the thermal efficiency of BTES system was 42% in 5th year. Also since the heat supplied from the auxiliary boiler was 87 GJ in 5th year, the total annual heating demand was confirmed to be mostly satisfied by the proposed system.
In this research, optimum design of the combined solar collector, geothermal heat pump and thermal seasonal storage system for heating and cooling a sample greenhouse is studied. In order to optimize the system from technical point of view some new control strategies and functions resulting from important TRNSYS output diagrams are presented. Temperatures of ground, rock bed storage, outlet ground heat exchanger fluid and entering fluid to the evaporator specify our strategies. Optimal heat storage is done with maximum efficiency and minimum loss. Mean seasonal heating and cooling COPs of 4.92 and 7.14 are achieved in series mode as there is no need to start the heat pump sometimes. Furthermore, optimal parallel operation of the storage and the heat pump is studied by applying the same control strategies. Although the aforementioned system has higher mean seasonal heating and cooling COPs (4.96 and 7.18 respectively) and lower initial cost, it requires higher amounts of auxiliary energy either. Soil temperature around ground heat exchanger will also increase up to $1.5^{\circ}C$ after 2 years of operation as a result of seasonal storage. At the end, the optimum combined system is chosen by trade-off between technical and economic issues.
The heating performance of a solar thermal seasonal storage system applied to a 1,320 m2 glass greenhouse was analyzed numerically, and the economic feasibility depending upon the number of boreholes was evaluated. For this study, the gardening 16th and 19th zucchini greenhouse of Jeollanam-do agricultural research & extension services was selected. And the heating load of the glass greenhouse selected was 1,147 GJ. BTES(Borehole Thermal Energy Storage) was considered as a seasonal storage, which is relatively economical. The number of boreholes was selected from 25 to 150. The TRNSYS was used to predict and analyze the dynamic performance of the solar thermal system. Numerical simulation was performed by modelling the solar thermal seasonal storage system consisting of flat plate solar collector, BTES system, short-term storage tank, boiler, heat exchanger, pump and controller. As a result of the analysis, when the number of boreholes was from 25 to 50, the thermal efficiency of BTES system and the solar fraction was the highest. When the number of boreholes was from 25 to 50, it was analyzed that the payback period was from 5.2 years to 6.2 years. Therefore it was judged to be the number of boreholes of the proposed system was from 25 to 50, which is the most efficient and economical.
Janiszewski, Mateusz;Siren, Topias;Uotinen, Lauri;Oosterbaan, Harm;Rinne, Mikael
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.5
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pp.503-512
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2018
Globally there is an increasing need to reduce the greenhouse gas emissions and increase the use of renewable sources of energy. The storage of solar thermal energy is a crucial aspect for implementing the solar energy for space heating in high latitudes, where solar insolation is high in summer and almost negligible in winter when the domestic heating demand is high. To use the solar heating during winter thermal energy storage is required. In this paper, equations representing the single U-tube heat exchanger are implemented in weak form edge elements in COMSOL Multiphysics(R) to speed up the calculation process for modelling of a borehole storage layout. Multiple borehole seasonal solar thermal energy storage scenarios are successfully simulated. After 5 years of operation, the most efficient simulated borehole pattern containing 168 borehole heat exchangers recovers 69% of the stored seasonal thermal energy and provides 971 MWh of thermal energy for heating in winter.
Paradigm depending only on fossil fuel for building heat source is rapidly changing. Accelerating the change, as it has been known, is obligation for reducing green house gas coming from use of fossil fuel, i.e. reaction to United Nations Framework Convention on Climate Change. In addition, factors such as high oil price, unstable supply, weapon of petroleum and oil peak, by replacing fossil fuel, contributes to advance of environmental friendly renewable energy which can be continuously reusable. Therefore, current new energy policies, beyond enhancing effectiveness of heat using equipments, are to make best efforts for national competitiveness. Our country supports 11 areas for new renewable energy including sun light, solar heat and wind power. Among those areas, ocean thermal energy specifies tidal power generation using tide of sea, wave and temperature differences, wave power generation and thermal power generation. But heat use of heat source from sea water itself has been excluded as non-utilized energy. In the future, sea water heat source which has not been used so far will be required to be specified as new renewable energy. This research is to survey local heating system in Europe using sea water, central solar heating plants, seasonal thermal energy store and to analyze large scale central solar heating plants in German. Seasonal thermal energy store necessarily need to be equipped with large scale thermal energy store. Currently operating central solar heating system is a effective method which significantly enhances sharing rate of solar heat in a way that stores excessive heat generating in summer and then replenish insufficient heat for winter. Construction cost for this system is primarily dependent on large scale seasonal heat store and this high priced heat store merely plays its role once per year. Since our country is faced with 3 directional sea, active research and development for using sea water heat as cooling and heating heat source is required for seashore villages and building units. This research suggests how to utilize new energy in a way that stores cooling heat of sea water into seasonal thermal energy store when temperature of sea water is its lowest temperature in February based on West Sea and then uses it as cooling heat source when cooling is necessary. Since this method utilizes seasonal thermal energy store from existing central solar heating plant for heating and cooling purpose respectively twice per year maximizing energy efficiency by achieving 2 seasonal thermal energy store, active research and development is necessarily required for the future.
An investigation has been carried for the thermal characteristics of the seasonal storage installation in Cheju. It features the solar collector area of $340m^2$ and the storage capacity of $600m^3$. Four different types of solar collector systems are compared for their performance of collecting solar energy throughout the year. Of these, two are made of tubular shaped vacuum collectors and the others are flat plate collectors. Results indicate that each system could play an important role in exploiting solar energy depending on the temperature range in its operation. Especially, the vacuum collectors outperformed the others when the inlet temperatures of the collector loop were raised beyond $40m^2$. This became more conspicuous as the return temperatures from the storage tank rose reflecting the seasonal variation. Due to the large heat capacity of the storage tank, temperature changes were rather small compared to those in the collecting loop regardless of seasonal fluctuations.
Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) system can be very cost-effective and renewable energy sources, depending on site-specific parameters and load characteristics. In order to develop an ATES system which has certain hydrogeological characteristics, understanding of the thermo hydraulic processes of an aquifer is necessary for a proper design of an aquifer heat storage system under given conditions. The thermo hydraulic transfer for heat storage is simulated using FEFLOW according to two sets of pumping and waste water reinjection scenarios of heat pump operation in a two layered confined aquifer. In the first set of model, the movement of the thermal front and groundwater level are simulated by changing the locations of injection and pumping well in seasonal cycle. However, in the second set of model the simulation is performed in the state of fixing the locations of pumping and injection well. After 365 days simulation period, the temperature distribution is dominated by injected water temperature and the distance from injection well. The small temperature change is appears on the surface compared to other slices of depth because the first layer has very low porosity and the transfer of thermal energy are sensitive at the porosity of each layer. The groundwater levels and temperature changes in injection and pumping wells are monitored to validate the effectiveness of the used heat pump operation method and the thermal interference between wells is analyzed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.1
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pp.28-34
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2019
Solar energy is one of the most abundant renewable energy sources on Earth but there are restrictions on the use of solar thermal energy due to the time-discrepancy between the solar-rich season and heating demand. In Europe and Canada, a seasonal solar thermal energy storage (SSTES), which stores the abundant solar heat in the summer and uses the heat for the winter heating load, is used. Recently, SSTES has been introduced in Korea and empirical studies are actively underway. In this study, a $2,000m^2$ flat plate type solar collector and $20,000m^2$ of borehole thermal energy storage (BTES) were studied for a greenhouse in Hwaseong City, which has a heating load of 2,164 GJ/year. To predict the dynamic performance of the system over time, it was simulated using the TRNSYS 18 program, and the solar fraction of the system with the control conditions was investigated. As a result, the solar BTES system proposed in this study showed an average solar fraction of approximately 60% for 5 years when differential temperature control was applied to both collecting solar thermal energy and discharging BTES. The proposed system simplified the configuration and control method of the solar BTES system and secured its performance.
Park, Sungmin;Hwang, Kisup;Mon, Jongphil;Min, Dongmin
Journal of the Korean Society for Geothermal and Hydrothermal Energy
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v.14
no.3
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pp.1-7
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2018
In this paper, we designed a seasonal geothermal storage system and studied the applicability in the alluvial aquifer. We conducted a basic survey to apply this system to greenhouses actually operated in the Geum river basin alluvial aquifer. After choosing a potential area through electrical resistivity survey, the system parameters were set using drilling survey and pumping test result. We installed a system based on the factors, and operated for about 9 months. As a result, high temperature water(injection temperature $30^{\circ}C$) was stored at 22.5 Mcal ($1,609m^3$) for 3 months in cooling operation and 125 Mcal ($16,960m^3$) of low temperature water (injection temperature $7^{\circ}C$) were stored for 6 months in the remaining heating operation.
This study reviews three eco-friendly energy towns with hybrid thermal energy supply systems and borehole thermal energy storage (BTES) in Canada and Denmark. The district heating and cooling systems were designed by using multi-source energy for the higher efficiency and reliability as well as environment. ADEU (Alexandra District Energy Utility) located at the developing area in the city of Richmond, Canada was designed to supply district energy with the installation of 726 borehole heat exchangers (BHEs) and a backup boiler using natural gas. DLSC (Drake Landing Solar Community) located in the town of Okotoks, Canada is a district system to store solar thermal energy underground during the summer season by seasonal BTES with 144 BHEs. Brædstrup Solpark district heating system located in Denmark has been conducted energy supply from multiple energy sources of solar thermal, heat pump, boiler plants and seasonal BTES with 48 BHEs. These systems are designed based on social and economic benefits as well as nature-friendly living space according to the city based energy perspective. Each system has the energy center which distribute the stored thermal energy to each house for heating during the winter season. The BHE depth and ground thermal storage volume are designed by the heating and cooling load as well as the condition of ground water flow and thermophysical properties of the ground. These systems have been proved the reliance and economic benefits by providing consistent energy supply with competitive energy price for many years. In addition, the several expansions of the service area in ADEU and Brædstrup Solpark have been processed based on energy supply master plan. In order to implement this kind of project in our country, the regulation and policy support of government or related federal organization are required. As well as the government have to make a energy management agency associated with long-term supply energy plan.
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