Modelling of borehole heat exchangers and heat transfer along horizontal connection pipes

Düber, Stephan; Fuentes Gutierrez, Raul; Vardon, Phil

doi:HT030887964

Modelling of borehole heat exchangers and heat transfer along horizontal connection pipes

Düber, Stephan^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stephan Düber

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Fuentes Gutierrez, Raul (Thesis advisor)^RWTH* ; Vardon, Phil (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09789
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/995213/files/995213.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Geomechanik und Untergrundtechnik (314310)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Nutzung der geothermischen Energie mit Erdwärmesonden (EWS) nimmt stetig zu. Es werden immer größere Anlagen mit Dutzenden bis Hunderten von EWS gebaut. Die Dimensionierung solcher Anlagen erfolgt zuverlässig auf Grundlage analytischer Berechnungsansätze. Für die Simulation und Optimierung der tatsächlichen Betriebsbedingungen können komplexere Modelle erforderlich sein, die auch in stationäre Zustände berücksichtigen. Außerdem sind bei großen EWS-Feldern in der Regel horizontale Verbindungsleitungen mit einer Gesamtlänge von mehreren Hundert Metern erforderlich, um die EWS mit Verteilerschächten und dem Gebäude zu verbinden. Die Wärmeübertragung entlang dieser Verbindungsleitungen wird oft nicht berücksichtigt. In dieser Arbeit wird ein hybrider Simulationsansatz für Erdwärmesonden (EWS) vorgestellt. Dieser Ansatz kombiniert bestehende Lösungen zur Simulation des Wärmetransports innerhalb des Bohrlochs und im umliegenden Erdreich. Der Wärmetransport wird dabei mithilfeanalytisch ermittelter g-Funktionen und eines Widerstandskapazitätsmodells für die EWS modelliert. Ein neuer Algorithmus verbessert die Berechnungsdauer von Langzeitsimulationen erheblich. Dabei wird der Simulationszeitraum in mehrere Perioden unterteilt, und der Einflussvergangener Perioden auf zukünftige Perioden wird basierend auf dem Faltungssatz mit der schnellen Fourier-Transformation berechnet. Auf der Grundlage von Monitoringdaten einer EWS-Anlage mit 40 Erdwärmesonden und einer Gesamtlänge der Verbindungsleitungen von 900 m Metern wird der Wärmetransportentlang der Verbindungsleitungen untersucht. In einer multiplen linearen Regressionsanalysewerden Parameter wie die Oberflächenart und die Sonneneinstrahlung über den Leitungen berücksichtigt. Die Analyse zeigt, dass die Sonneneinstrahlung den größten Einfluss auf den Wärmetransport entlang der Verbindungsleitungen hat. Im Kontext der kombinierten Simulation von Verbindungsleitungen und Erdwärmesonden(EWS) wird ein Vergleich von drei Untergrund- und drei Rohrmodellen unterschiedlicher Komplexität durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wird ein rechnerisch effizienter Ansatz vorgeschlagen, der eine neuartige Kombination etablierter stationärer Modelle für die EWS und die Verbindungsleitungen verwendet. Mit diesem Modell werden die Auswirkungen horizontaler Verbindungsleitungen auf den EWS-Betrieb in 25 Klimazonen untersucht. Es zeigt sich, dass die Berücksichtigung der Verbindungsleitungen zur größten Reduktion der Sondenlast in tropischen Klimazonen führt, gefolgt von gemäßigten, ariden und kontinentalen Klimazonen. Für bestehende EWS-Felder, bei denen die Verbindungsleitungen bei der Auslegung nichtberücksichtigt wurden, werden verschiedene Möglichkeiten zur Nutzung der Wärmegewinne entlang der Leitungen untersucht. Die Studie analysiert das Potenzial eines verlängerten Betriebs, erhöhter Lasten und einer optimierten Betriebsstrategie, um die Kapazitätsgewinne aus den horizontalen Verbindungsleitungen zu nutzen. Schließlich wird ein einfaches und schnelles Verfahren zur Berücksichtigung variabler thermischer Eigenschaften mittels der g-Funktion-Methode vorgestellt. Der Simulationszeitraumwird in mehrere Abschnitte unterteilt, die den Änderungen der thermischen Eigenschaftenentsprechen. Durch die Transformation der Temperaturantwort von einem Abschnitt zum nächsten und die anschließende Überlagerung können beliebige Variationen der Wärmeleitfähigkeitsparameter berücksichtigt werden. Die Berechnungszeit ist dabei deutlich kürzer als bei vergleichbaren numerischen Simulationen.

The use of geothermal energy with shallow borehole heat exchangers (BHEs) is growing steadily. BHEs are the underground components of heat pump systems that uses the ground as source or sink of thermal energy for conditioning of buildings. Larger systems with tens to hundreds of boreholes are being built. Analytical calculation approaches are successfully used for the design of such systems and mechanical plants. To simulate and optimise the actual operating conditions, more complex models that take into account transient conditions may be required. In addition, large BHE fields often require hundreds of meters of horizontal connection pipes to connect the BHE to the manifolds and the building. Heat transfer along these pipes is often neglected. This thesis presents a hybrid simulation approach for BHEs based on a novel combination of existing solutions for the simulation of heat transfer processes within the borehole and the surrounding ground. Heat transfer is modelled using a combination of analytically determinedg-functions and a borehole thermal resistance capacity model. The computational efficiency of long-term simulations is drastically increased by dividing the simulation time into multiple periods, where the influence of past periods on future periods is calculated using the FastFourier Transform. Based on monitoring data from a BHE field with 40 BHEs and a combined connection pipe length of 900 m, heat transfer along connection pipes is investigated. The heat transfer alongthe connection pipes is correlated with parameters such as surface types or solar radiation above the pipes using multiple linear regression analysis, showing that solar radiation above the pipes has the greatest effect. A comparison of three soil and three pipe models of varying complexity is carried out to investigate their suitability in the context of connection pipes and BHE simulation. Basedon the results, a computationally efficient approach is proposed using a novel combination of established steady-state models for the BHE and the connection pipes. The model isused to investigate the effect of horizontal connection pipes attached to a BHE for the 25most representative climate zones. The consideration of the connection pipes leads to thebiggest BHE load reduction in tropical climates, followed by temperate, arid and continentalclimates. In the case of existing BHE fields where the connection pipes have not been considered in the design, various options for the subsequent use of heat gains along the pipes are investigated. The study explores the potential of extended operation, increased loads and an optimised operating strategy to exploit the idle capacity gain from the horizontal connection pipes. Finally, a simple and fast methodology to account for changing thermal properties by using the g-function method is presented. The simulation time is divided into periods according to the changes in thermal properties. By transforming the temperature response from one period to the next and subsequent superposition, any changes in the thermal conductivity properties can be taken into account. The computational time is significantly shorter than comparable numerical simulations.

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