Модель температурного поля как фактор совершенствования системы оптимального управления теплонасосной установкой с горизонтальным грунтовым коллектором

Алексей Валерьевич Щенятский; Константин Сергеевич Шаталов; Ольга Михайловна Шаталова

doi:10.22213/2410-9304-2023-3-132-143

Авторы

А. В. Щенятский ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
К. С. Шаталов ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
О. М. Шаталова ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2023-3-132-143

Ключевые слова:

горизонтальные грунтовые теплообменники, температурное поле, теплонасосные системы, оптимальное управление, моделирование

Аннотация

Статья посвящена вопросам организации систем управления теплонасоными установками (ТНУ). ТНУ предназначены для использования низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в тепло- и холодоснабжении. Важное значение для повышения энергоэффективности приобретают ТНУ с горизонтальными грунтовыми теплообменниками (ГГТО). Конструктивные параметры и режимы эксплуатации ТНУ с ГГТО в высокой мере определяются состоянием температурного поля (ТП) грунта. Моделирование ТП для грунтовых коллекторов ТНУ представляет предмет большого числа научных публикаций. Представленный в зарубежных публикациях научный задел по вопросам моделирования ТП среды размещения ГГТО ориентирован на использование ТНУ в режиме холодоснабжения и/или в режиме теплоснабжения в условиях незначительного снижения температуры, исключающего промерзание грунта. Для климатических условий, характеризуемых длительным периодом отрицательных температур воздуха и промерзания грунта, состояние ТП грунта имеет критически важное значение для эффективности и надежности ТНУ, определяющее как принципиальное решение о целесообразности ТНУ, так и оптимальные конструктивные параметры ГГТО и режимы эксплуатации ТНУ. Цель исследования состояла в приложении сложившихся методов аналитической теории теплопроводности для разработки модели ТП грунта - среды размещения ГГТО ТНУ, применимой для инженерных расчетов основных конструктивных параметров ГГТО, а также для определения годового удельного теплового потока как важного параметра в системе оптимального управления ТНУ. В основу разработки модели положено условие о двухэлементной структуре массива грунта: под коллектором и над коллектором; содержание функции удельного теплового потока раскрыто через параметр «относительная избыточная температура», который представлен для случаев полуограниченного тела (массив грунта под коллектором) и пластины (массив грунта над коллектором). Предложенная модель была реализована на примере двух регионов РФ; полученные результаты позволили определить минимальную гарантированную возможность применения ТНУ для теплоснабжения в заданных климатических условиях. Представленная в статье модель может быть использована в качестве контекста при дальнейших исследованиях ключевых параметров производительности ГГТО ТНУ и оптимизации режимов эксплуатации ТНУ.

Биографии авторов

А. В. Щенятский, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор технических наук, профессор

К. С. Шаталов, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

аспирант

О. М. Шаталова, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

доктор экономических наук, доцент, Институт экономики УрО РАН (Удмуртский филиал)

Библиографические ссылки

Bergman T.L., Lavine A.S., Incropera F.P., Dewitt D.P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer; John Wiley & Sons: New York, NY, USA, 2011.

Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Высш. школа, 1967. 600 с.

Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: дис.. д-ра техн. наук: 05.23.03. Новосибирск, 2006. 432 с.

Тимофеев Д. В. Разработка метода расчета теплонасосных систем с грунтовым теплообменником для определения их энергетического ресурса: дисс. … канд. техн. наук: 2.1.3. Москва, 2021. 120 с.

Сапрыкина Н. Ю. Совершенствование методики расчета систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии: дисс. … канд. техн. наук: 05.23.03. Астрахань, 2020. 149 с.

Сапрыкина Н. Ю., Яковлев П. В. Совершенствование методики прогнозирования температурных режимов породного массива вокруг низкопотенциальной геотермальной скважины // Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации. 2019. № 3(16). С. 16-25.

Кротов В. М. Совершенствование методики расчета первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта: дисс. … канд. техн. наук: 05.23.03. Тюмень, 2011. 139 с.

Liu, Q., Tao, Y., Shi, L., Zhou, T., Huang, Y., Peng, Y., Wang, Y., Tu, J. Parametric optimization of a spiral ground heat exchanger by response surface methodology and multi-objective genetic algorithm, Applied Thermal Engineering, 2023, Vol. 221, 119824.DOI10.1016/j.applthermaleng.2022.119824.

Li C., Mao J., Zhang H., Xing Z., Li Y., Zhou J. Numerical simulation of horizontal spiral-coil ground source heat pump system: Sensitivity analysis and operation characteristics, Applied Thermal Engineering, 2017, Vol. 110, pp. 424-435. DOI10.1016/j.applthermaleng.2016.08.134.

Bulmez, A.-M., Ciofoaia, V., N˘astase, G., et al. Numerical Investigation on Auxiliary Heat Sources for Horizontal Ground Heat Exchangers.Buildings 2022, 12, 1259. https://doi.org/10.3390/buildings12081259.

Yang W., Xu R., Wang F., Chen S., Experimental and numerical investigations on the thermal performance of a horizontal spiral-coil ground heat exchanger, Renewable Energy, vol. 147, part 1, 2020, pp. 979-995, ISSN 0960-1481, https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.09.030.

Zeng C., Yuan Y., Xiang B., Cao X., Zhang Z., Sun L. Thermal and infrared camouflage performance of earth-air heat exchanger for cooling an underground diesel generator room for protective engineering, Sustainable Cities and Society, vol. 47, 2019, 101437, ISSN 2210-6707, https://doi.org/10.1016/j.scs.2019.101437.

Lebbihiat N., Atia A., Arıcı M., Meneceur N., Hadjadj A., Chetioui Y. Thermal performance analysis of helical ground-air heat exchanger under hot climate: In situ measurement and numerical simulation, Energy, Vol.254, Part C, 2022, 124429, ISSN 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124429.

Widiatmojo A, Chokchai S, Takashima I, Uchida Y, Yasukawa K, Chotpantarat S, Charusiri P. Ground-Source Heat Pumps with Horizontal Heat Exchangers for Space Cooling in the Hot Tropical Climate of Thailand. Energies. 2019; 12(7):1274. https://doi.org/10.3390/en12071274.

Congedo P.M., Colangelo G., Starace G. CFD simulations of horizontal ground heat exchangers: A comparison among different configurations, Applied ThermalEngineering, 2012, Vol. 33-34, 2012, pp. 24-32. DOI10.1016/j.applthermaleng.2011.09.005.

Dasare R., Saha S. Numerical study of horizontal ground heat exchanger for high energy demand applications. Applied Thermal Engineering, 2015, vol. 85, pp. 252-263.DOI 10.1016/j.applthermaleng.2015.04.014.

Al-Ameen, Y., Ianakiev, A., Evans, R. Recycling construction and industrial landfill waste material for backfill in horizontal ground heat exchanger systems. Energy, 2018, 151, pp. 556-568. DOI 10.1016/j.energy.2018.03.095.

Fujii, H., Nishi, K., Komaniwa, Y., Chou, N. Numerical modeling of slinky-coil horizontal ground heat exchangers. Geothermics, 2012, 41, pp. 55-62. DOI 10.1016/j.geothermics.2011.09.002.

Gan, G. Dynamic thermal performance of horizontal ground source heat pumps - The impact of coupled heat and moisture transfer.Energy, 2018, 152, pp. 877-887. DOI 10.1016/j.energy.2018.04.008.

Tang F., Nowamooz H. Sensitive analysis on the effective soil thermal conductivity of the Thermal Response Test considering various testing times, field conditions and U-pipe lengths. Renewable Energy, 2019, 143: 1732-1743. DOI10.1016/j.renene.2019.05.120.

Tang, F.-J. Numerical investigation on the ground heat exchanger installed in shallow depth soils.

Jeon, J.-S., Lee, S.-R., and Kim, M.-J.A modified mathematical model for spiral coil-type horizontal ground heat exchangers.Energy, 2018, 152, pp. 732-743. DOI 10.1016/j.energy.2018.04.007.

Wang, D., Lu, L., and Cui, P. A new analytical solution for horizontal geothermal heat exchangers with vertical spiral coils.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 100, pp. 111-120.DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.001.

Xiong, Z., Fisher, D.E., and Spitler, J.D. Development and validation of a Slinky (TM) ground heat exchanger model. Applied Energy,2015, 141, pp. 57-69. DOI 10.1016/j.apenergy.2014.11.058.

Kupiec, K., Larwa, B., Gwadera, M. Heat transfer in horizontal ground heat exchangers. Applied Thermal Engineering, 2015, 75, pp. 270-276.м DOI10.1016/j.applthermaleng.2014.10.003.

Li, H., Nagano, K., Lai, Y. Heat transfer of a horizontal spiral heat exchanger under groundwater advection.International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55, pp. 6819-6831. DOI 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.06.089.

Lamarche L. Horizontal ground heat exchangers modelling. Applied Thermal Engineering, 2019, 155, pp. 534-545. DOI 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.006

Tang, F.-J. Numerical investigation on the ground heat exchanger installed in shallow depth soils: A thesis submitted in partial fulfillment for the degree of PhD in the Doctoral School of MSII; University of Strasbourg, 2019. 236 p. Available at: https://theses.hal.science/tel-02528548/preview/TANG_Fujiao_2019_ED269.pdf (accessed 01.03.2022).

Atam, E., Helsen, L. Ground-coupled heat pumps: Part 2 - Literature review and research challenges in optimal design. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 54, 1668-1684. DOI 10.1016/j.rser.2015.07.009.