Experimental and theoretical investigations on solar heating and ground source heat pump systems

As one of the main goals of this decade is to limit global warming and all emissions related to human activities, the generation of energy through renewable energy sources (RES) plays a crucial role in creating a sustainable future. Regarding the production of domestic hot water (DHW) and space heating (SH) in the residential sector, the development of heat pumps combined with solar collectors can clearly contribute in the generation of clean energy, leading to lower emissions and thus reducing the impact on the environment. The aim of this thesis is an analysis of the fluid properties and of the typical operation conditions in different periods of the year of the horizontal ground source heat pump (HGSHP) combined with solar collectors located at the test facility of the department of civil and mechanical engineering of DTU. An experimental investigation of the heat transfer between soil and ground loop heat exchanger is also carried out by using a soil sample box. Different parameters such as the heat exchange capacity rate (HECR) and the pipe soil contact resistance (PSCR) are investigated in order to gain deeper understanding of the heat exchange with different operating conditions. The measurement box analysis shows that the heat transfer is mainly affected by the temperature level of operation, by the initial soil temperature and by the inlet temperature of the water in the loop, and that it better occurs in charging operating mode than in soil discharging mode. HECRcharging varies between 5.3 W/K and 6.3 W/K, while PSCRcharging,average = 0.007 m2K/W. Regarding the GSHP combined with solar collectors, the analysis shows that the density and the specific heat of the fluid in the ground loop are function of the temperature at which the heat transfer between soil and ground occurs. Equations that describe the temperature dependence are obtained. Moreover, the charging operating mode is studied and compared with the discharging operating mode of the GSHP by considering the monthly hours and the energy flows. July is the month with the highest number of charging monthly hours (299 h), while January is the month with the highest number of discharging monthly hours (295 h). A model of the HGSHE is developed on Transient System Simulation Tool (TRNSYS) software and different parameters, such as the PSCR and the fluid properties, are implemented by taking into account the results from the analysis of the HGSHE and from the experimental investigation of the soil box. The Kusuda equation is used to calculate important parameters for the starting temperature profiles of the soil for the simulations performed. The temperature difference between inlet and outlet of the GSHE is analysed by considering the measured and calculated values from the model. Results show that the average temperature difference between measured and calculated values differs for less than 1K for both simulations performed.

Poiché uno dei principali obiettivi di questo decennio è quello di limitare il riscaldamento globale e tutte le emissioni legate alle attività umane, la generazione di energia attraverso fonti energetiche rinnovabili (FER) gioca un ruolo cruciale nella creazione di un futuro sostenibile. Riguardo la produzione di acqua calda sanitaria (ACS) e il riscaldamento degli ambienti nel settore residenziale, lo sviluppo di pompe di calore combinate con collettori solari può chiaramente contribuire alla generazione di energia pulita, portando a minori emissioni e riducendo così l'impatto sull'ambiente. Lo scopo di questa tesi è l'analisi delle proprietà del fluido e delle condizioni di funzionamento tipiche in diversi periodi dell'anno della pompa di calore a sonde geotermiche orizzontali combinata con collettori solari situata presso il dipartimento di Ingegneria civile e meccanica del DTU. Inoltre, è svolta un'indagine sperimentale sullo scambio di calore tra il terreno e la sonda geotermica, utilizzando un campione di suolo. Diversi parametri, come l’heat exchange capacity rate (HECR) e la resistenza di contatto tra tubo e suolo, “pipe soil contact resistance (PSCR)”, sono stati analizzati con diversi esperimenti al fine di ottenere una comprensione più approfondita dello scambio di calore in diverse condizioni operative. Dall’analisi sul campione di suolo si nota che il trasferimento di calore è principalmente influenzato dal livello di temperatura considerato, dalla temperatura iniziale del suolo e dalla temperatura di ingresso dell'acqua nella sonda, e si verifica meglio in modalità di carica del suolo, “charging mode”, che in modalità di scarico del terreno. “discharging mode”. I risultati ottenuti per la carica del suolo sono: HECRcharging varia tra 5.3 W/K e 6.3 W/K, mentre PSCRC,average = 0.007 m2K/W. Per quanto riguarda la pompa di calore a sonde geotermiche orizzontali combinata con collettori solari, l'analisi fatta mostra che la densità e il calore specifico del fluido nella sonda sono funzione della temperatura a cui avviene lo scambio termico tra suolo e terreno. Equazioni che descrivono la dipendenza dalla temperatura sono state ricavate. Inoltre, la modalità di “charging mode” è stata studiata e confrontata con la modalità di “discharging mode”, considerando le ore mensili e i flussi termici. Luglio è il mese con il maggior numero di ore mensili di carica del suolo (299 h), mentre gennaio è il mese con il maggior numero di ore mensili di scarica del suolo (295 h). Un modello del sistema pompa di calore/collettori solari è realizzato con il software TRNSYS e diversi parametri, come la “PSCR” e le proprietà del fluido, sono implementati tenendo conto dei risultati sulle analisi fatte e delle indagini sperimentali sul campione di suolo. L'equazione di Kusuda viene utilizzata per calcolare parametri importanti per i profili iniziali di temperatura del suolo per le simulazioni effettuate. La differenza di temperatura tra l'ingresso e l'uscita della sonda geotermica viene calcolata considerando i valori misurati e calcolati dal modello. I risultati mostrano che la differenza di temperatura media tra valori misurati e calcolati differisce di 1K per entrambe le simulazioni effettuate.