Sustainability, climate resiliency, and mitigation capacity of geothermal heat pump systems in cold regions
Notice bibliographique
Résumé
Geothermal heat pump (GHP) systems have recently gained popularity in providing heat to buildings. In this study, the short-term and long-term performance of closed-loop horizontal GHP systems in cold regions and the effectiveness of seasonal balancing were investigated. A period of 50 years was simulated to cover the life of a conventional system. A repeating block of heat exchangers at three depths was modeled in a series of 3D multi-physics finite element simulations. Two operation modes were defined, representing the non-balanced mode and the seasonal balancing through the injection of lake water in summer. The climate conditions at the ground surface were explicitly modeled by defining a temperature boundary condition. A novel AI framework was developed to generate the projections of ground surface temperatures from air temperature and other atmospheric variables. An artificial neural network was trained using the air and ground temperature measurements at the nearby weather station. Several training approaches were compared to minimize prediction errors. The model was then used to convert the air temperatures from downscaled outputs of the CanESM2 climate model into surface temperatures. Finite element models, representing the two operation modes under three climate change scenarios and various heat exchanger spacing, were simulated and verified by comparing the resulting ground temperatures with the local measurements. The outputs were processed into extraction power, thermal output, and carbon emissions. Results suggest that in order to attain a stable heat extraction throughout a year, heat exchangers should be placed at depths that are not affected by seasonal variations of surface conditions. Simulations revealed thermal depletion and its inverse correlation with heat exchanger spacing. The seasonal balancing operation approach showed enhancement in total thermal output by 55%. The system was found to be resilient when subjected to the major climate pathways. In a rough estimate based on the average carbon footprint of electricity production in Canada, a system with 100 heat exchangers was found to save up to 800 tons and 1300 tons of equivalent CO2 emissions over its life, under the non-balanced and balanced operation modes, respectively.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».