A Small-Scale the Vertical Earth Heat Exchanger Geothermal Energy System

Abstract

The vertical earth heat exchanger (VHE) is a simple device providing a closed circuit for a fluid to take heat from the first tens/hundreds of meters of ground and to feed the cold side (evaporator) of a heat pump. Different types of VHE have evolved using coaxial tubes or U-tubes inserted into the ground in backfilled drill holes. Tube dimensions up to 10 cm diameter and probe lengths up to 100 m are the most common. Space heating and warm-water supply for a single-family dwelling with 12 KW capacity can be provided by two or three VHE's about 50 m in length. Long-term performance characteristics and the perturbations of the natural temperature field of VHE systems must be known for licensing decisions. Based on the results of field and theoretical studies, key performance parameters like fluid circulation velocity and ground thermal conductivity are identified and the necessary distance between VHE installations is discussed. It is concluded that VHE systems offer an interesting alternative energy source especially if coupled with a simple solar recharge unit.

O trocador de calor vertical (VHE) é um dispositivo simples que estabelece um circuito fechado para que um fluido retire calor nas primeiras dezenas/centenas de metros de profundidade e alimente o lado frio (evaporador) de uma bomba de calor. Tipos diferentes de VHE foram desenvolvidos utilizando tubos coaxiais ou em forma de U, que são introduzidos em perfurações no terreno as quais são novamente preenchidas. Dimensões do tubo de até 10 cm de diâmetro e comprimento das sondas de até 100 m são as mais comuns. Calefação e fornecimento de água morna, para uma residência familiar com capacidade de 12 KW, podem ser atendidas com dois ou três trocadores de calor com cerca de 50 m de comprimento. As características de funcionamento a longo prazo e as perturbações do campo natural de temperatura dos sistemas de trocadores de calor, devem ser conhecidas para efeitos de licenciamento. Com base nos resultados dos estudos experimentais e teóricos são identificados neste trabalho, alguns parâmetros importantes, tais como velocidade de circulação dos fluidos e condutividade térmica do terreno. A distância necessária entre os trocadores de calor é discutida. Conclui-se que os sistemas VHE oferecem uma interessante fonte de energia alternativa especialmente se acoplados com uma unidade de recarga solar.