Performance of ground-source heat pump systems in cold regions: a case study

Ali Fatolahzadeh, Hartmut Holländer, Pooneh Maghoul, Rob Sinclair

In the proceedings of: GeoSt. John's 2019: 72nd Canadian Geotechnical Conference

Session: Sustainable Geotechnics

ABSTRACT: Ground-source heat pump (GSHP) systems are known to be environmentally-friendly technology for heat and air conditioning purposes. The thermal capacity of GSHPs depends on site conditions and are specific to the system parameters. Numerical simulations, e.g., finite element analysis can be used to predict the performance of such systems, by taking most of these parameters into account. In this study, the ground heat exchangers of a closed-loop GSHP system in Winnipeg Smart Park at the University of Manitoba were simulated in 3D, using COMSOL. Two operational scenarios were studied. The simulations calculated the maximum heat extraction and injection powers of 1.8 kW and 1.2 kW per exchanger, respectively. The results indicate that the performance of exchangers varies throughout the year, and such simulations can be a useful tool for calculation of system capacity for different configurations.

RÉSUMÉ: Les systèmes de pompes à chaleur géothermiques sont connus comme des technologies écoresponsables pour la climatisation. La capacité thermique des systèmes géothermiques dépend des conditions du site et, spécifiquement, aux paramètres de tels systèmes. Des simulations numériques peuvent être utilisées pour prédire leur performance en prenant en compte la plupart de leurs paramètres. Dans cette étude, les échangeurs de chaleur utilisés dans un système GSH en boucle fermée, au Smart Park de Winnipeg à l'Université du Manitoba, ont été modélisés en 3D à l'aide du logiciel de calcul COMSOL. Deux scénarios opérationnels ont été étudiés. Les simulations ont calculé que les puissances maximales d'extraction et d'injection de chaleur atteignent 1,8 kW et 1,2 kW par échangeur, respectivement. Les résultats indiquent que la performance des échangeurs varie tout au long de l'année et de telles simulations peuvent être un outil utile pour calculer la capacité du système dans différentes configurations.

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