Experimental analysis and numerical simulation of a flat-panel ground heat exchanger

Worldwide, the innovation and environmental policies for energy saving in buildings and the reduction of greenhouse gas emissions have widely supported renewable energy technologies. Ground-source heat pumps (GSHPs) are regarded as a reliable technology and may represent an efficient and cost-effective solution for space heating and cooling, when the investment for ground heat exchangers is reasonable. In ground-coupled heat pump (GCHPs), a subset of GSHPs, a ground heat exchanger is required to thermally couple a heat pump with the ground. The ground heat exchanger usually consists of a piping system installed in vertical boreholes or in shallow diggings. Vertically coupled heat pumps benefit from the relatively stable temperature in the deep ground and uses geothermal energy from the earth. A horizontally coupled heat pump uses the seasonal heat storage in shallow soil therefore, the performance of horizontal ground heat exchangers (HGHEs) is strongly dependent on climatic conditions due to the low installation depth. A considerable amount of research has been devoted to the performance optimisation of GCHPs, in the last decades. More recently, a number of studies have dealt with the development of new configurations and new geometries for HGHEs, aiming to improve their efficiency. As part of these efforts, this thesis was dedicated to an innovative HGHE, called Flat-Panel, which was invented and developed at the University of Ferrara. This study dealt with the experimental analysis and the numerical simulation of Flat-Panels and it was intended to provide guidance on the behaviour and the performance of this novel HGHEs. The experimental analysis was carried out by means of a dedicated experimental setup equipped with two FlatPanel prototypes. Tests were conducted simulating the operation of a GCHP in different operating conditions (heating and cooling) and modes (continuous, discontinuous and pulsed). Very good performance was reached for both heating and cooling mode in comparison with the widespread installations of straight pipes or slinky coils. The performance was higher in heating mode due to the higher temperature difference between the working fluid and the undisturbed soil in summer. Moreover, according to other studies, seasonal thermal drifts were not measured for HGHEs, regardless of the amount of energy exchanged. The numerical analysis dealt with the simulation of heat transfer in soil due to Flat-Panels. A finite element numerical code was applied solving the unsteady-state heat transfer problem in a 2D domain. In view of this, the FlatPanel shape was modelled as a boundary condition. In order to further delve into particular aspects of HGHEs behaviour, the different heat transfer processes at the ground surface were modelled on the basis of the surface properties and a comprehensive weather dataset. Furthermore, the effect on numerical simulation of HGHEs of different boundary conditions at the ground surface was analysed. The ground surface energy balance model (GSEB), the equivalent surface heat flux and temperature were assigned as boundary conditions of the 1st, 2nd and 3rd kind in three different simulations, respectively. The results indicate that the use of the GSEB model is the preferable approach to the problem, not affecting the calculation time. The equivalent surface temperature could be considered as a reasonable simplification, although its correct estimation is a major issue. The results of the numerical simulation were compared with multiple experimental data sets in different operating conditions. Overall, the model produced a good agreement in terms of ground temperature variation due to the combined effect of the HGHE operation and the heat transfer process at the ground surface. In addition, a sensitivity analysis was carried out to evaluate the effect of variations in soil thermal conductivity.

Le recenti politiche ambientali, volte alla riduzione del fabbisogno energetico in edilizia ed alla riduzione delle emissioni di gas clima alteranti, hanno supportato il diffondersi delle tecnologie ad energia rinnovabile. Tra queste, le pompe di calore geotermiche si sono affermate come soluzione alternativa ai tradizionali sistemi per il riscaldamento e raffrescamento degli edifici, in virtù della loro provata affidabilità e dell’elevata efficienza. Sono attualmente disponibili diverse tipologie di pompa di calore geotermica che possono essere in primo luogo classificate in due sottocategorie: a circuito aperto e a circuito chiuso. Le pompe di calore geotermiche a circuito chiuso sono maggiormente diffuse e sono termicamente accoppiate al terreno, che è la sorgente/pozzo termico, per mezzo di scambiatori geotermici. Questi sono generalmente costituiti da un sistema di tubazioni in materiale plastico, che può essere installato in perforazioni verticali (fino a 200 m di profondità) o in posizione orizzontale all’interno di appositi sbancamenti e trincee superficiali (solitamente fino a 2 m). Le pompe di calore geotermiche accoppiate a scambiatori verticali beneficiano della favorevole temperatura del terreno alle basse profondità. All’incirca a 10 m dalla superficie infatti il terreno ha una temperatura quasi costante pari alla temperatura media annuale dell’aria, che aumenta all’aumentare della profondità secondo il gradiente geotermico locale. Al contrario, nel caso di scambiatori orizzontali, la pompa di calore è accoppiata termicamente ad una sorgente (il terreno superficiale) la cui temperatura oscilla stagionalmente al variare delle condizioni ambientali. In virtù di ciò, gli scambiatori verticali offrono prestazioni mediamente migliori, tuttavia l’elevato costo, rende comunque competitiva la più economica soluzione orizzontale per applicazioni residenziali di piccola taglia. Negli ultimi decenni, un considerevole sforzo è stato fatto per l’ottimizzazione delle prestazioni delle pompe di calore geotermiche, sia in ambito accademico che industriale. Di recente sono state sviluppate nuove configurazioni e geometrie per gli scambiatori orizzontali con l’obiettivo di aumentarne l’efficienza di scambio termico. Questa tesi si inserisce in questo ambito, essendo dedicata ad un innovativo scambiatore geotermico di tipo Flat-Panel, inventato e sviluppato presso l’Università degli Studi di Ferrara. L’analisi delle prestazioni di scambiatori Flat-Panels è stata condotta sia per via sperimentale sia impiegando tecniche di modellazione numerica, nell’intento di fornire indicazioni approfondite sul loro utilizzo in accoppiamento a pompe di calore geotermiche. Allo scopo è stato allestito un apparato sperimentale equipaggiato con due prototipi di Flat-Panel, presso il Dipartimento di Architettura dell’Università di Ferrara. Sono stati condotti diversi test simulando il funzionamento di una pompa di calore geotermica in differenti condizioni operative (riscaldamento e raffrescamento) e in diverse modalità (funzionamento continuo, discontinuo e pulsato). Con rifermento ai più comuni scambiatori orizzontali, il Flat-Panel ha fornito prestazioni molto buone sia in riscaldamento che raffrescamento. In particolare, un’ottima prestazione è stata ottenuta durante i test estivi, in virtù della maggiore differenza di temperatura tra il fluido termovettore ed il terreno termicamente indisturbato. Come riportato in letteratura in merito agli scambiatori orizzontali, anche per i Flat-Panels non sono stati osservati fenomeni di deriva termica nel terreno superficiale, indipendentemente dall’energia scambiata. L’analisi numerica ha riguardato la modellazione dello scambio termico nel terreno per mezzo di scambiatori di tipo Flat-Panel. Allo scopo è stato impiegato un modello numerico agli elementi finiti risolvendo lo scambio termico in regime transitorio in un dominio bidimensionale. Nel dominio di calcolo la particolare geometria del Flat-Panel è stata ricondotta ad una condizione al contorno. È stato inoltre sviluppato un modello del bilancio di energia alla superficie del terreno (condizione al contorno del terzo tipo) al fine di simulare dettagliatamente la variazione giornaliera e stagionale della temperatura del terreno superficiale, che è determinante per le prestazioni degli scambiatori orizzontali. In considerazione di ciò, l’analisi è stata approfondita con ulteriori simulazioni per valutare l’effetto sulla soluzione numerica di differenti condizioni al contorno alla superficie del terreno: il modello del bilancio di energia, un flusso termico equivalente ed infine una temperatura superficiale equivalente. I risultati indicano che l’utilizzo del modello del bilancio di energia è l’approccio da preferirsi, senza che questo comporti un particolare aggravio in termini di tempo di calcolo. L’utilizzo di una temperatura equivalente è una ragionevole semplificazione, sebbene la sua stima corretta sia piuttosto complessa. I risultati del modello numerico proposto sono stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti durante i test in diverse condizioni operative. Complessivamente il modello si è dimostrato affidabile nel calcolo della variazione di temperatura nel terreno determinato dall’effetto combinato dello scambio termico alla superficie del terreno e allo scambiatore. Infine, è stata svolta un’analisi di sensitività per valutare l’effetto della variazione della conduttività termica del terreno.