Thermal design of jointed precast concrete energy piles

Abstract

Energy goestructures - geoenergi-konstruksjoner - er en type grunnvarmepumpe der konstruksjoner i bakken blir utnyttet til å hente ut eller lagre termisk energi i bakken. Energikonstruksjonene finnes i dag som energivegger, energituneller, eller energipeler, som er i fokus i denne oppgaven. Energikonstruksjonene er en gunstig tilnærming til oppvarming og nedkjøling av bygg da det benyttes konstruksjoner som allerede har en funksjon, og de stabile temperaturene i grunnen gir et godt grunnlag for effektiv, fornybar energi.

I denne oppgaven er det tatt i bruk en verifisert metode for å produsere semi-empririske dimensjonsløse temperaturrespons-funksjoner, g-funksjoner, for energipeler. En 3D FEM model ble laget og validert med feltdata, bestående av en betongpele, kollektorslangene inne i pelefundamentet, og den omkringliggende grunnen. Antagelser som ble gjort var isotropisk og homogene betong, kollektor, og jord-materialer med kun varmeledning som varmeoverføringsmekanisme. G-funksjoner kan brukes ved dimensjonering av termiske systemer i bakken. I denne oppgaven har blitt produsert g-funksjoner for forskjellige peledimensjoner, lengder, og anretning av kollektorslanger.

Bredde-lengde strørrelsesforhold mellom 30 og 130 har blitt undersøkt, noe som er høyere enn tidligere studert for energipeler. I tillegg har det blitt produsert responsfunksjoner for utviklingen av den termiske resistansen til betongen. Ved hjelp av disse responsfunksjonene av betongen kan man ta den transiente responsen til betongen, med daglige svingninger i termisk behov, med i betraktningen ved termisk dimensjonering av energipeler.

Randbetingelsene for modellens overflate som tilsvarer bakkeplanet ble i tillegg undersøkt. Modellen i denne oppgaven hadde en adiabatisk isolert overflate, og ble sammenlignet med lignende 3D FEM modell med konstant temperatur som randbetingelse. Modellene viste samsvarende verdier etter kort tid med Fo < 10, tilsvarende omtrent 100 timer, men ved lengre tid ga randbetingelsene store utslag. Adiabatisk isolering ga høyere temperaturrespons, og spesielt kortere peler ble påvirket mye. G-funksjonen kan dermed brukes for kortere estimering av temperaturen til varmebæreren og implementering i termisk responstesting, og kan gi konservative estimater for termisk dimensjonering ved langtidssimulering.

Energy geostructures, extracting and storing heat in the ground, are utilized as heat or sink to constructions. They exist as different constructions such as energy tunnels, energy walls, and energy piles, which are studied in this thesis. The energy geostructures provide cost-minimizing and efficient renewable energy.

In this thesis, a validated method to obtain semi-empirical dimensionless temperature response functions, g-functions, for driven square energy piles, has been adopted. A 3D FEM model was made and validated with field data, which comprised an energy pile of concrete with the pipes embedded and the ambient soil. Some assumptions made were isotropic and homogeneous material of the concrete, soil and pipes, and pure conduction in the concrete and soil. G-functions are utilized for the thermal design of ground source heat pumps. G-functions for different pile widths, lengths, and pipe configurations, have been produced and are presented in this thesis. Aspect ratios between 30 and 130 have been studied for energy piles, which is higher than previous work.

Concrete response functions have been produced, accounting for the transient behavior of the piles, which yields more accurate design fluid temperatures by considering the development of pile resistance in daily fluctuations of thermal load.

The ground level surface boundary condition has been studied. The 3D FEM model of this thesis was made with adiabatic insulation and compared with another model with a constant temperature boundary condition. The different models had similar values for Fo < 10, which corresponds to about 100 hours. After this, however, was there a large difference in the long term. Adiabatic insulation yields higher temperature response, and the difference was especially large with shorter piles. The g-functions of this paper can be utilized for interpretation of thermal response testing and short-term temperature calculations and can also give conservative estimates for long-term thermal design.