مقايسه‌ توزيع دماي خاك در راستاي محوري (عمق) و شعاعي در مبدل‌هاي حرارتي زميني يو شكل و لوله‌هاي هم‌ مركز

Comparison of axial and radial soil temperature distribution in U-tube and coaxial borehole heat exchangers

در مقاله‌ي حاضر تغييرات برحسب زمان دماي خاك، حول مبدل‌هاي حرارتي زميني پمپ‌هاي حرارتي زمين‌گرمايي در دو راستاي محوري (عمق) و شعاعي بررسي شده‌است. تغييرات توزيع دماي خاك اطراف مبدل‌هاي حرارتي زميني، نقش مهمي در عملكرد حرارتي، مصرف برق و ضريب عملكرد پمپ‌هاي حرارتي زمين‌گرمايي دارد؛ بنابراين پژوهش حاضر به مدل‌سازي عددي و سه‌بعدي وابسته به زمان دو مبدل حرارتي يوشكل و لوله‌هاي هم‌مركز با هدف بررسي تأثير آن‌ها بر توزيع دماي خاك پرداخته‌است. شبيه‌سازي با نرم‌افزار انسيس فلوئنت 16 و بر مبناي روش حجم كنترل انجام شده‌است. عملكرد دو مبدل براي نرخ‌هاي جرمي مختلف سيال خنك‌كن كندانسور (در مصارف تابستاني پمپ حرارتي زمين‌گرمايي)، با يكديگر مقايسه گرديده‌است. طبق نتايج، ميزان نرخ انتقال حرارت به زمين در مبدل لوله‌هاي هم‌مركز، در مقايسه با مبدل يوشكل در نرخ‌هاي جرمي سيال خنك‌كننده كندانسور معادل با 0/8، 1 و 1/2 كيلوگرم بر ثانيه، به ترتيب حدود 5/34، 11/9 و 16/5 درصد بيشتر است. با بررسي تأثير دو مبدل بر توزيع دماي خاك بعد از 93 روز، مشاهده مي‌شود كه تأثير مبدل يوشكل بر توزيع دماي عمق‌هاي كمتر از 36/6 متر از زمين، بيشتر است درحالي‌كه مبدل لوله‌هاي هم‌مركز توزيع دماي خاك لايه‌هاي عميق‌تر را بيشتر تحت تأثير قرار مي‌دهد.

Dynamic variation of surrounding soil temperature in axial (depth) and radial directions of vertical type geothermal heat pump (heat exchangers are investigated here. This soil temperature distribution for borehole heat exchangers plays an important role in thermal operation, electricity consumption and coefficient of performance of geothermal heat pump. Thus the transient 3-dimensional numerical modeling of U-tube and coaxial borehole heat exchangers are investigated to find the temperature distribution around the buried pipes. The simulation is performed using ANSYS FLUENT 16.0 software based on the finite volume method. The effects of various parameters are studied and modeling results for the cooling application of heat pump are obtained for different mass flow rates of condenser cooling water. Results show that the injection heat transfer rate to the ground in summer, in the coaxial borehole heat exchanger at mass flow rates of 0.8, 1, 1.2 kg/s are 5.34%, 11.9%, 16.5% higher than U-tube borehole heat exchanger respectively. Moreover, after 93 days, the vertical temperature distribution of the soil for U-tube heat exchanger shows a significant variation mainly at depths less than 36.6 meters while the coaxial heat exchanger greatly affects the soil temperature distribution even in higher depths.