Skirtingos konfigūracijos geoterminio šildymo vertikalių kolektorių 2D ir 3D modeliavimas

Abstract

U- tipo geoterminio šildymo kolektoriai yra patys populiariausi. Tačiau kolektorių gamintojai eksperimentiniais tikslais kuria novatoriškas konfigūracijas, siekiant pagerinti šilumos mainus tarp grunto ir kolektoriaus [21]. Šiame darbe apžvelgiamos sekliojo geoterminio šildymo sistemos, geoterminio šildymo kolektorių parametrų skaičiavimo artutiniai metodai, pateikiamas Terra6 ir Terra12 eksperimentinių kolektorių palyginimas su tradiciniais U- tipo. Jie palyginami taikant du modelius: dvimatį (2D) ir trimatį (3D). Dvimatis modelis buvo sudarytas keturioms kolektorių konfigūracijoms, o trimatis viengubam ir dvigubam U- tipo bei Terra6 kolektoriams. Darbe aprašytos naudotos metodikos, kuriant kompiuterinius geoterminio šildymo kolektorių modelius "Comsol multiphysics" paketu. Paskaičiuotos kolektorių šiluminės varžos, artinant kolektoriaus vamzdžius link gręžinio centro, bei palyginti 2D ir 3D modelių atvejais gaunami rezultatai. Gautos vidutinės išorinės kolektoriaus sienelės temperatūros, keičiant pratekančius šilumos srautus ir grunto šiluminius parametrus. Palyginti stacionaraus ir nestacionaraus modeliavimo rezultatai dvimačiam modeliui. Ištirta šilumos srauto priklausomybė, bei išilginiai temperatūrų profiliai viengubam ir dvigubam U- tipo bei Terra6 kolektoriams. Viengubam U- tipo kolektoriui gauta šilumos srauto priklausomybė nuo grunto šiluminių parametrų. Padarytos išvados.

U- type borehole heat exchangers (BHE) are the most popular configuration. However, the manufactures are trying to develop innovative heat exchangers designs [21], to improve heat transfer between soil and BHE. This thesis gives an overview of the shallow geothermal heating systems, analytical solutions of modelling BHE thermal properties, presented Terra6 and Terra12 comparision versus traditional U- type BHEs. They are compared by two modeling methodologies: 2D and 3D. Two dimensional model was made for four BHE configurations, and three- dimensional only for U- type and Terra6 BHE's. This methodologies are discribed by creating BHE models with "Comsol multiphysics" software. Estimated BHE thermal resistance and compared 2D and 3D models results. Calculated average temperature of the inner BHE wall by changing heat fluxes and soil thermal properties. Compared stationary and transient modeling results for two- dimensional model. Investigated heat flux dependency and temperatures profiles along BHE pipes for single U- type and Terra6 collectors. Discussed simulation results and made substantianal findings.