Impact of soil freezing on the thermal performance of geothermal borehole heat exchangers across Canadian climates
Notice bibliographique
Résumé
This study evaluates the thermal performance of geothermal borehole heat exchangers (BHEs) in various Canadian locations during winter, focusing on soil freezing effects. Using a computational fluid dynamics approach, it examines how soil porosity and thermal conductivity influence BHEs’ thermal performance. Ninety case studies across nine Canadian zones assessed these effects under winter conditions. The RNG k-ɛ turbulent model tracked fluid flow, and the solidification model monitored ice formation. Soil temperature fluctuations along the ground depth were incorporated using user-defined function codes. Coefficients of performance (COP) were calculated for heat pump thermal performance. Results showed substantial soil freezing around the borehole in Saskatchewan and Manitoba. The BHE systems in Alberta and Manitoba had the highest thermal resistance, while those in Saskatchewan and Prince Edward Island had the lowest. Increasing soil porosity from 0.4 to 0.55 and decreasing thermal conductivity from 2.0 to 1.385 W/mK led to up to 40% and 58% increases in ice formation, respectively. The COP of the heat pump in British Columbia was maximized, reflecting the peak temperature of the outlet fluid from the BHE. By incorporating site-specific climatic data and addressing gaps in existing standards, this research enhances geothermal system guidelines with practical design recommendations. Practical application This study provides built environment professionals with valuable insights into optimizing geothermal borehole heat exchangers (BHEs) for cold climates, particularly across various Canadian regions. By incorporating site-specific soil and climatic data, the research identifies key factors, such as soil porosity and thermal conductivity, that influence system performance. The findings will guide professionals in designing more efficient BHE systems, reducing ice formation, and improving heat pump efficiency. These design enhancements ensure that geothermal systems operate effectively in cold climates, contributing to sustainable heating solutions in residential and commercial buildings.
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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 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,002 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 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 ».