Experimental and Numerical Investigation of Thermal Dispersion and its Significance for Designing Groundwater Heat Pump (GWHP) Systems

Abstract

Groundwater heat pump (GWHP) systems are not always efficient and sustainable. GWHP systems generally generate thermal plumes in the aquifer, which can adversely affect the system performance and the subsurface environment. The prediction of thermal plumes is therefore a matter of great concern in the design stage. The plumes can propagate in saturated porous media by conduction, advection, and dispersion. Thermal dispersion, however, has been underestimated in the subsurface heat transport processes by making use of default values in the numerical simulator or solute dispersivity as thermal dispersivity, without any field-based evaluation. These conventions or assumptions can play a crucial role in assessing thermal impacts of GWHP systems but they have not been fully examined so far. Field and numerical studies were performed on the alluvial aquifer to investigate the importance of thermal dispersivity in GWHP systems. Numerical analysis indicates that thermal dispersivity has a great effect on the temperature distribution as well as the extent of thermal plume. Observed data also show that mechanical thermal dispersion can dominates over thermal diffusion even under the natural groundwater flow. Field-based model was modified to analyze the role of aquifer properties. The sensitivity analysis confirms and advances the previous finding that hydrodynamic parameters affect thermal plume development, and thereby reveals that aquifer properties composing mechanical thermal dispersion are of great importance for predicting thermal plumes of GWHP systems. A laboratory-scale experimental system was designed to control flow and temperature boundary conditions, and investigate the thermal dispersion behavior in porous media under forced flow field by injected water. Transport experiments using two different heat sources as tracers were conducted in saturated coarse sand (d50 = 1.28 mm) at various background flow velocities (Re < 0.52). Experimental and analytical results describe the scatter in the relationships between thermal dispersion coefficients and thermal front velocities with conduction dominant regime, nonuniform flow field, and heterogeneous thermal properties. Numerical results indicate that injected water greatly increases flow velocities and thermal dispersion coefficients, and thus makes the regions near the injection well stay in transition zone or convection dominant regime. Therefore, mechanical thermal dispersion becomes important even at low flow velocity. Additional heat tracer tests were performed to investigate the validity of the general assumption that transverse thermal dispersivity is one–tenth of longitudinal one, and to analyze its impacts on thermal plume propagation. Experimental results confirm that such assumption can be violated. Numerical results show that the effect of dispersivity ratio is time-dependent, anisotropic, and varying with injection rates. These results indicate that the thermal dispersivity ratio can be significant for assessing the long-term environmental impacts of large-scale GWHP plants. Therefore, evaluation and reflection of dispersivity magnitude and ratio are necessary in the design stage of GWHP plants for sustainability. This work describes the significance and role of thermal dispersion when using groundwater as energy resources. The findings of this work can have a significant implication on the heat transport in saturated porous media as well as the efficient and sustainable use of shallow groundwater.

개방형 지열 시스템은 항상 효율적이고 지속 가능한 것은 아니다. 개방형 시스템은 대수층에 열 플룸을 생성시켜 시스템 효율과 지중 환경에 악영향을 미칠 수 있으므로 그에 대한 예측은 설계 단계에서 매우 중요한 문제이다. 생성된 열 플룸은 포화된 다공성 매질 내에서 전도, 이류 및 분산에 의해 이동할 수 있다. 그러나 열 분산은 현장 기반의 평가없이 수치 모델의 기본값이나 용질의 분산도를 열 분산도로 사용함으로써 지중 열 전달 과정에서 과소평가되어왔다. 이러한 관행이나 가정은 개방형 지열 시스템의 열적 영향을 평가하는데 결정적인 역할을 할 수 있지만, 지금까지는 완전히 검증되지 않았다. 충적 대수층에 대한 현장 및 수치 연구를 수행하여 개방형 지열 시스템에서 열 분산도의 중요성을 조사하였다. 수치적 분석은 열 분산도가 열 플룸의 범위뿐만 아니라 온도 분포에도 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 관측된 자료는 또한 자연적인 지하수 흐름 하에서도 기계적 열 분산이 열 확산에 비해 우세할 수 있음을 보여준다. 현장 기반 모델을 수정하여 대수층 특성의 역할을 살펴보았다. 민감도 분석을 통해 수력학적 변수들이 열 플룸의 발달에 영향을 준다는 선행 연구 결과를 확인하고 발전시켜, 기계적 열 분산을 구성하는 대수층 특성들이 개방형 시스템의 열 플룸을 예측하는데 매우 중요하다는 것을 밝혔다. 흐름 및 온도에 대한 경계 조건을 제어하고 주입수로 인해 교란된 유동장에서 다공성 매질을 통한 열 분산 거동을 규명하고자 실내실험장치를 제작하였다. 두 개의 다른 열원을 사용하는 추적자 실험을 포화된 조립질 모래(d50 = 1.28 mm)에서 다양한 배경 유속(Re < 0.52)과 함께 수행하였다. 실험 및 해석 모델은 열 분산 계수와 열 전달 속도 사이의 관계에 나타나는 산란을 전도 지배 영역, 불균일한 속도장 및 불균질한 열 물성에 의해 설명할 수 있음을 보여준다. 수치 모의 결과는 주입수가 유속 및 열 분산 계수를 크게 증가시킴으로써 주입정 주변 지역을 전이대나 대류 지배 영역에 머물게 한다는 것을 나타낸다. 따라서 낮은 유속에서도 기계적 열 분산이 중요해진다. 횡 방향 열 분산도가 종 방향 열 분산도의 10 분의 1이라는 일반적인 가정의 타당성을 조사하고 이러한 가정이 열 플룸 전파에 미치는 영향을 분석하기 위해 추가적인 열 추적자 시험을 수행하였다. 실험 결과는 일반적인 가정이 위배될 수 있음을 확인한다. 수치 모델은 열 분산도 비율의 영향이 시간에 의존적이고 이방성을 가지며 주입량에 따라 달라진다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 열 분산도 비율이 대규모 시설의 장기 환경 영향 평가에 중요할 수 있음을 나타낸다. 그러므로 개방형 지열 시스템의 설계 단계에서는 지속 가능성을 위해 분산도의 크기와 비율을 평가하고 이를 반영해야 한다. 본 연구는 지하수를 에너지 자원으로 활용할 때의 열 분산의 중요성과 역할에 대해 기술한다. 본 연구의 결과들은 천부 지하수의 효율적이고 지속가능한 사용뿐만 아니라 포화된 다공성 매질에서의 열 거동에도 중요한 함의를 지닌다.