A numerical investigation of thermal performance of coaxial steel geothermal energy piles in Norwegian cold-climate and soft ground conditions

Abstract

Geotermisk energi er en fornybar energikilde som kan utnyttes for oppvarming og avkjøling av bygninger gjennom geotermiske varmepumper. I de siste årene har det blitt populært å implementere geotermiske varmevekslere i allerede nødvendig kunstruksjon i bakken, som for eksempel fundamentpeler. Imidlertid er utnyttelsen av geotermiske energipeler fremdeles ikke utforsket i Norge.

Som en del av denne masteroppgaven blir kalibreringen og parameteriseringen av en 3D numerisk modell for koaks stålenergipeler beskrevet. Den numeriske modellen ble kalibrert og validert med data fra gjennomførte termiske respons tester (TRT) på koaksiale stålenergipeler i felt i Malvik, Norge. Felteksperimentene ble utført av Norges geotekniske institutt (NGI).

Kalibreringen av modellen innebar å integrere feltdata for å nøyaktig representere grense- og startbetingelser ved å inkludere målt temperaturprofil i løsmassene, lufttemperatur og innløpsvannstemperatur. Løsningsprosedyrene i simuleringene ble justert for å gjenskape de totrinns TRT som ble utført i felt. Som et resultat viste en av simuleringene god overensstemmelse med feltdatatene, noe som muliggjorde bruk av modellen for langtids- og parametriske analyser.

Langtidssimuleringene viser at designet for koaksiale stålenergipeler legger til rette for rask varmeoverføring mellom det varmebærerende mediumet (HCF) og omkringliggende løsmasser. Som en konsekvens opplever løsmassene rundt testpelene temperaturforstyrrelser som er proporsjonale med vanntemperaturen inne i pelen under aktiv sirkulasjon av det varmebærerende mediumed. Simuleringene viser at uten tilførsel av varmebærerende medium synker temperaturen i vannet inne i pelen og løsmassene til den opprinnelige temperaturen. I tillegg viser de numeriske simuleringene at systemets termiske effektivitet i stor grad avhenger av de termiske egenskapene til de omkringliggende løsmassene, men at systemets termiske effekt kan forbedres ved å benytte en økende innløpstemperatur under drift.

Resultatene fra denne masteroppgaven har som mål å bidra til vurderingen av mulig bruk av koaksiale stålenergipeler i norske grunnforhold.

Geothermal energy has is a renewable energy source that can be used for building heating and cooling through ground source heat pump (GSHP) technology. In recent years combining underground structures such as foundation piles with ground heat exchangers has gained global popularity. However, the utilization of geothermal energy piles remains unexplored in Norway.

As a part of this thesis, the calibration and parameterization of a 3D numerical model for coaxial steel energy piles are described. The numerical model was calibrated and validated against data collected from conducted Thermal Response Test (TRT) on in-situ coaxial steel energy piles in Malvik, Norway. The field experiments were conducted by the Norwegian Geotechnical Institute (NGI).

The calibration of the model involved integrating field data to accurately represent boundary and initial conditions by including measured ground temperature, air temperature, and inlet water temperature. The solution procedures of the simulations were adjusted to replicate the two-stage TRT performed in the field. As a result, one of the pile simulations showed good agreement with the field results, enabling its use for long-term and parametric analyses.

The long-term simulations show that the coaxial steel energy pile design facilitates rapid heat transfer between the HCF and the surrounding soil. Consequently, the soil surrounding the test piles experiences a temperature disturbance proportional to the water temperature within the pile during the period of active water injection. The simulations show that, in the absence heat carrier fluid inflow, the temperature of the water in the pile and the surrounding soil decrease to the initial ground temperature. Additionally, the numerical simulations show that the thermal efficiency of the system is largely dependent on the thermal properties of the surrounding soil but can be improved by utilizing an increasing inlet temperature during operation.

The findings of this thesis aim to contribute to evaluating the potential utilization of coaxial steel energy piles in Norway’s cold climate and soft ground conditions.