3722

Рис. 5. Зависимость безразмерной температуры Θ от критерия Fo при значениях безразмерного

активного (теплового) потока Q

5. Сопоставление результатов расчета с действующей установкой. Проверка адек-

ватности модели проводилась сопоставлением расчетных значений с результатами замеров параметров действующей комплексной установки NIBE F 1145-12, работающей на предприятии по переработке молочно-кислой продукции в Астраханской области (рис. 6).

Рис. 6. Сопоставление результатов расчетов

с действующей установкой

Представленные на графике данные распределения температур в пласте получены расчетным методом. Пунктирные линии соответствуют значениям замеренных температур на забое скважины. Вершины кривых — это рассчитанные температуры на забое скважины. Сопоставление результатов расчета и измерений показывают, что в летний период на момент фиксирования значений расчет составил примерно 17 0С, замеренная — 18 0С. Зимой: расчетная — −10 0С, фактическая — −7 0С. Отклонения замеренных и расчетных значений при работе установки в режиме теплоснабжения составили 1—2 0С, в режиме кондиционирования — 3 0С. На основании полученных результатов можно сделать вывод об удовлетворительной сходимости результатов, полученных в ходе натурных исследований, с результатами численного моделирования.

6. Методика расчета изменения температуры грунтового массива. Предложена ме-

тодика проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования с учетом долговременной эксплуатации геотермальной скважины и представлен анализ технико-

111

Научный журнал строительства и архитектуры

экономических параметров основных конструкторско-технологических решений. Порядок выполнения расчетов методики представлен на рис. 7.

Рис. 7. Порядок выполнения расчетов

Сформированы графики данных для расчета количества скважин с учетом природноклиматических условий района проектированияи результатов исследований по грунтам (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость количества скважин от потребляемой энергии теплового насоса с коэффициентом трансформации тепла не менее 2

Методика расчета позволяет на стадии проектирования выявить энергоэффективное исполнение расчета и осуществить прогнозирование длительной эксплуатации теплового насоса с течением времени. Постановку задачи проектирования можно отобразить в виде блоксхемы (рис. 9).

Выводы

1. Выявлено снижение температурного напора в призабойной части пласта геотермальных скважин, используемых как нетрадиционный источник тепла в системах теплоснабжения и кондиционирования, обусловленных нестационарными тепловыми нагрузками, определяемыми климатическими условиями.

112

Рис. 9. Блок-схема технико-экономических параметров оптимизации компоновочных решений системы теплоснабжения и кондиционирования

с использованием низкопотенциальной геотермальной энергии

Температура грунтового пласта скважины при однопоточном режиме с момента первого включения теплового насоса повышается, а на 3-м году эксплуатации стабилизируется. В период простоя понижение температуры компенсируется фоновым тепловым потоком и стремится к фоновой температуре, но увеличивается в среднем на 2—3 0С, с последующим годом эксплуатации температура увеличивается и остается неизменной на протяжении всего периода. Выход на квазистационное состояние объясняется тем, что работающая скважина является лишь возмущающим фактором в фоновом температурном поле Земли. При подводе тепловой поток отдает тепло скважине. После перерыва тепловой насос начинает работу с параметрами предыдущего этапа, а именно с увеличенной температурой пласта, что положительно сказывается на работе теплоэнергетической установки. При знакопеременном режиме: очевидно, что при отводе тепла пласт охлаждается, а при подводе нагревается, но последовательное реверсирование теплового насоса приводит к появлению системы тепловых волн, которые обусловливают изменение температуры скважины и влияют на техникоэкономические параметры оборудования.

Результаты исследования позволили прийти к выводу о том, что ежегодное падение грунтовой температуры будет постепенно сокращаться в условиях регенерации. Процесс регенерации позволяет компенсировать «недостающие» величины тепловой нагрузки. При этом объем грунтового массива, подверженного изменению температурного режима, будет

113

Научный журнал строительства и архитектуры

расширяться с каждым годом. Положительным фактом следует считать то, что в режиме с регенерацией стабилизация наступает раньше, чем при однопоточном режиме.

2.Обобщены полученные результаты исследования теплообменных процессов между теплоносителем и грунтом в геотермальной скважине с учетом долгосрочной ее эксплуатации, систем теплоснабжения и кондиционирования в циклических режимах и получены критериальные зависимости для расчета температурных напоров, учитывающие климатическую цикличность тепловых нагрузок.

3.Разработана методика проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования, использующих нетрадиционный источник энергии с применением геотермальных скважин. Методика учитывает долгосрочную эксплуатацию скважин в сезонном циклическом режиме работы систем теплоснабжения и кондиционирования с выявленным в результате исследования изменением температурных напоров, определяющих динамическое изменение коэффициента трансформации тепла установленных тепловых насосов.

Библиографический список

1.Васильев, В. Г. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России [Электронный ресурс] / В. Г. Васильев // АВОК. Теплоснабжение. — 2007. — № 5. — Режим доступа: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3685.

2.Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: дис. … д-ра тех. наук: 05.23.03 / Васильев Григорий Петрович. — М., 2006. — 423 с.

3.Денисова, А. Е. Моделирование тепловых процессов в грунтовой тепловой трубе теплонасосной системы тепло- и хладоснабжения / А. Е. Денисова, А. В. Мармусевич // Труды Одесского политехнического университета. — 2006. — № 1 (25). — С. 65—69.

4.Ибрагимов, Э. В. Опыт использования тепловых насосов в качестве систем термостабилизации грунта в криолитозоне / Э. В. Ибрагимов, Я. А. Кроник, Г. П. Пустовойт // ОФМГ. — 2015. — №5. — С. 23—26.

5.Кидрук, М. И. Моделирование работы грунтового коллектора теплового насоса [Электронный ресурс] / М. И Кидрук // Прогресс—XXI: энергосберегающие системы: официал. сайт компании. — Режим доступа: http://progress21.com.ua/ru/news/poleznaya-informatsiya/item/35-modelirovanie-i-optimizatsiya-sistem-teplosnabzheniya- zdanij-s-ispolzovaniem-vozobnovlyaemykh-istochnikov-tepla-teplovoj-nasos-i-solnechnyj-kollektor.

6.Костиков, А. О. Влияние теплового состояния грунта на эффективность теплонаносной установки с грунтовым теплообменником / А. О. Костиков, Д. Х. Харлампиди // Энергетика: Экономика, технология, экология. — 2009. — № 1. — С. 32— 40.

7.Лыков, А. В. Теория теплопроводности / А. В. Лыков. — М.: Высш. шк., 1967. — 600 с.

8. Малых, В. В. Методика расчета грунтового аккумулятора / В. В. Малых, С. Н. Удалов, А. А. Захаров // Материалы науч.-практ. конф. «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных зданий» / Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 19—20 марта. — Новосибирск, 2013. — С. 317—318.

9.Мацевитыи, Ю. М. Восстановление теплового потенциала грунта за счет выбора рациональных режимов работы теплонасосной системы / Ю. М. Мацевитыи, В. А. Тарасова, Д. Х. Харлампиди // Тезисы докладов и сообщении XIV Минского междунар. форума по тепло- и массообмену. — Минск, 2012. — Т. 1. — С. 736—739.

10.Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии: [утв. и введ. в действие указанием Москомархитектуры от 31.01.2011 № 8]. — М.: ГУП «НИАЦ». — №2001. — 32 с.

11.Сапрыкина, Н. Ю. Исследование факторов, влияющих на работу грунтовых тепловых насосов при длительных сроках эксплуатации / Н. Ю. Сапрыкина // Известия КГАСУ. — 2018. — № 2 (44). — С. 177—183.

12.Сапрыкина, Н. Ю. Исследование формирования температурного поля грунта при эксплуатации геотермальных тепловых насосов в условиях влияния грунтовых вод / Н. Ю. Сапрыкина, П. В. Яковлев // Вестник ВГТУ. — 2017. — № 2 (46). — С. 27—37.

13.Сапрыкина, Н. Ю. Влияние фильтрационного потока грунтовых вод на температурное поле грунта при многолетней эксплуатации низкопотенциальных геотермальных скважин / Н. Ю. Сапрыкина, П. В. Яковлев // Материалы IX Междунар. науч.-практ. конф. проф.-преп. состава, молодых ученых и студентов «Перспективы социально-экономического развития стран и регионов» (24—25 октября 2017 г., Астрахань). — Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ», 2017. — С. 55—60.

14.Сапрыкина, Н. Ю. Моделирование температурного поля грунта при многолетней эксплуатации низкопотенциальных геотермальных скважин / Н. Ю. Сапрыкина, П. В. Яковлев // Сб. тр. 6-го Междунар. науч. форума молодых ученых, студентов и школьников «Потенциал интеллектуально одаренной молодежи

114

Выпуск № 4 (52), 2018 ISSN 2541-7592

развитию науки и образования» (25—28 апреля 2017 г., Астрахань). — Астрахань: ГАОУ АО ВО «АГАСУ»,

многотрубными вертикальными грунтовыми теплообменниками / С. О. Филатов // Экология и промышлен-

http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.03.045.

18.Eskilson, P. Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes: PhD Thesis / P. Eskilson. — Sweden: University of Lund, 1987. — 264 p.

19.Monzó, P. A Study of the Thermal Response of a Borehole Field in Winter and Summer [Электронный ресурс] / P. Monzó, J. Acuña, P. Mogensen, B. Palm // International Conference on Applied Energy (ICAE), Jul 1—4. — Pretoria, South Africa, 2013. — Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/279871831_A_STUDY_ OF_THE_THERMAL_RESPONSE_OF_A_BOREHOLE_FIELD_IN_WINTER_AND_SUMMER.

20.Nordell, B. Large-Scale Utilization of Renewable Energy Requires EnergyStorage [Электронный ресурс]

/B. Nordell, M. Grein, M. Kharseh // International Conference for Renewable Energies and Sustainable Development, May, 21—24. — Université Abou Bekr, 2007. — Режим доступа: https://pdfs.semanticscholar.org/ da96/bf2fb1f4bce80f7f7e12b1b16fc54afd6699. pdf.

21.RETScreen ® International. Ground-source Heat Pump Project Analysis: Chapter // RETScreen ® Engineering & Cases Textbook. — Ministryof Natural Sources of Canada, 2005. — 70 p.

References

1.Vasil'ev, V. G. Geotermal'nye teplonasosnye sistemy teplosnabzheniya i effektivnost' ikh primeneniya v klimaticheskikh usloviyakh Rossii / V. G. Vasil'ev // AVOK. Teplosnabzhenie. — 2007. — № 5. — Available at: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3685.

2.Vasil'ev, G. P. Teplokhladosnabzhenie zdanii i sooruzhenii s ispol'zovaniem nizkopotentsial'noi teplovoi energii poverkhnostnykh sloev zemli: dis. … d-ra tekh. nauk: 05.23.03 / Vasil'ev Grigorii Petrovich. — M., 2006. — 423 s.

3.Denisova, A. E. Modelirovanie teplovykh protsessov v gruntovoi teplovoi trube teplonasosnoi sistemy teplo- i khladosnabzheniya / A. E. Denisova, A. V. Marmusevich // Trudy Odesskogo politekhnicheskogo universiteta. — 2006. — № 1 (25). — S. 65—69.

4.Ibragimov, E. V. Opyt ispol'zovaniya teplovykh nasosov v kachestve sistem termostabilizatsii grunta v kriolitozone / E. V. Ibragimov, Ya. A. Kronik, G. P. Pustovoit // OFMG. — 2015. — № 5. — S. 23—26.

5.Kidruk, M. I. Modelirovanie raboty gruntovogo kollektora teplovogo nasosa / M. I Kidruk // Progress— XXI: energosberegayushchie sistemy: ofitsial. sait kompanii. — Available at: http://progress21.com.ua/ ru/news/poleznaya-informatsiya/item/35-modelirovanie-i-optimizatsiya-sistem-teplosnabzheniya-zdanij-s- ispolzovaniem-vozobnovlyaemykh-istochnikov-tepla-teplovoj-nasos-i-solnechnyj-kollektor.

6.Kostikov, A. O. Vliyanie teplovogo sostoyaniya grunta na effektivnost' teplonanosnoi ustanovki s gruntovym teploobmennikom / A. O. Kostikov, D. Kh. Kharlampidi // Energetika: Ekonomika, tekhnologiya, ekologiya. — 2009. — № 1. — S. 32— 40.

7.Lykov, A. V. Teoriya teploprovodnosti / A. V. Lykov. — M.: Vyssh. shk., 1967. — 600 s.

teplofiziki im. S. S. Kutateladze SO RAN, 19—20 marta. — Novosibirsk, 2013. — S. 317—318.

9.Matsevityi, Yu. M. Vosstanovlenie teplovogo potentsiala grunta za schet vybora ratsional'nykh rezhimov raboty teplonasosnoi sistemy / Yu. M. Matsevityi, V. A. Tarasova, D. Kh. Kharlampidi // Tezisy dokladov i soobshchenii XIV Minskogo mezhdunar. foruma po teplo- i massoobmenu. — Minsk, 2012. — T. 1. — S. 736—739.

10.Rukovodstvo po primeneniyu teplovykh nasosov s ispol'zovaniem vtorichnykh energeticheskikh resursov i netraditsionnykh vozobnovlyaemykh istochnikov energii: [utv. i vved. v deistvie ukazaniem Moskomarkhitektury ot 31.01.2011 № 8]. — M.: GUP «NIATs». — № 2001. — 32 s.

11.Saprykina, N. Yu. Issledovanie faktorov, vliyayushchikh na rabotu gruntovykh teplovykh nasosov pri dlitel'nykh srokakh ekspluatatsii / N. Yu. Saprykina // Izvestiya KGASU. — 2018. — № 2 (44). — S. 177—183.

12.Saprykina, N. Yu. Issledovanie formirovaniya temperaturnogo polya grunta pri ekspluatatsii geotermal'nykh teplovykh nasosov v usloviyakh vliyaniya gruntovykh vod / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev // Vestnik VGTU. — 2017. — № 2 (46). — S. 27—37.

13.Saprykina, N. Yu. Vliyanie fil'tratsionnogo potoka gruntovykh vod na temperaturnoe pole grunta pri mnogoletnei ekspluatatsii nizkopotentsial'nykh geotermal'nykh skvazhin / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev //

115

Научный журнал строительства и архитектуры

Materialy IX Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. prof.-prep. sostava, molodykh uchenykh i studentov «Perspektivy sotsial'no-ekonomicheskogo razvitiya stran i regionov» (24—25 oktyabrya 2017 g., Astrakhan'). — Astrakhan': GAOU AO VO «AGASU», 2017. — S. 55—60.

14. Saprykina, N. Yu. Modelirovanie temperaturnogo polya grunta pri mnogoletnei ekspluatatsii nizkopotentsial'nykh geotermal'nykh skvazhin / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev // Sb. tr. 6-go Mezhdunar. nauch. foruma molodykh uchenykh, studentov i shkol'nikov «Potentsial intellektual'no odarennoi molodezhi razvitiyu nauki i obrazovaniya» (25—28 aprelya 2017 g., Astrakhan'). — Astrakhan': GAOU AO VO «AGASU», 2017. — S. 29—33.

15. Fedyanin, V. Ya. Ispol'zovanie gruntovykh teploobmennikov v sistemakh teplosnabzheniya /

V.Ya. Fedyanin, M. K. Karpov // Polzunovskii vestnik. — 2006. — № 4. — S. 98—103.

16.Filatov, S. O. Chislennoe modelirovanie i analiz energeticheskikh parametrov teplovogo nasosa s mnogotrubnymi vertikal'nymi gruntovymi teploobmennikami / S. O. Filatov // Ekologiya i promyshlennost'. — 2013. — № 3. — S. 61—66.

J. Acuña, P. Mogensen, B. Palm // International Conference on Applied Energy (ICAE), Jul 1—4. — Pretoria, South Africa, 2013. — Available at: https://www.researchgate.net/publication/279871831_A_STUDY_OF_THE_THERMAL_ RESPONSE_OF_A_BOREHOLE_FIELD_IN_WINTER_AND_SUMMER.

20. Nordell, B. Large-Scale Utilization of Renewable Energy Requires Energy Storage / B. Nordell, M. Grein, M. Kharseh // International Conference for Renewable Energies and Sustainable Development, May, 21—24. — Université Abou Bekr, 2007. —Availableat:https://pdfs.semanticscholar.org/da96/bf2fb1f4bce80f7f7e12b1b16fc54afd6699. pdf.

21. RETScreen ® International. Ground-source Heat Pump Project Analysis: Chapter // RETScreen ® Engineering & Cases Textbook. — Ministryof Natural Sources of Canada, 2005. — 70 p.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE MODES OF THE OPERATION OF A GEOTHERMAL WELL WITH THE SYSTEMS OF HEAT SUPPLY AND AIR CONDITIONING IN COMBINATION WITH A THERMAL PUMP

ON THE TEMPERATURE OF A SOIL LAYER

N. Yu. Saprykina1, М. Ya. Panov2

Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering 1

Russia, Astrakhan

Voronezh State Technical University 2

Russia, Voronezh

1Senior lecturer of the Dept. of Engineering Systems and Ecology, tel.: +7-927-661-48-60, e-mail: nadin_id@ mail.ru

2D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business, tel.: (473)271-53-21

Statement of the problem. We discuss the problem of the influence of the operation modes of the heat supplyand conditioning systems in combination with the heat pump on the temperature of the soil massif and the development of a methodology for improving the design of these systems taking into account the long-term operation of the heat pump system from a low-potential heat source in a cyclic mode using criteria dependencies for the calculation of well operation parameters.

Results. A description is given of the change in the temperature of the reservoir of the soil massif under the operating conditions of theheat pump in two modes: only for heat supply and alternating heat supply / cooling (air conditioning) for 5 years.

Conclusions. A decrease in the temperature head in the bottomhole part of the geothermal well isrevealed, which is used as an unconventional heat source in heat supply and conditioning systems caused by non-stationarythermal loads determined by climatic conditions.

Keywords: heat pump, temperature field, design method, criteria equations.

116

DOI 10.25987/VSTU.2018.52.4.011

УДК 536.491

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГРУНТОВОГО МАССИВА

ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЦИКЛИЧЕСКИМ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫМ ТЕПЛОВЫМ ПОТОКОМ (РЕГЕНЕРАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ)

Н. Ю. Сапрыкина1, М. Я. Панов2

Астраханский государственный архитектурно-строительный университет 1 Россия, г. Астрахань

Воронежский государственный технический университете 2 Россия, г. Воронеж

1Ст. преп. кафедры инженерных систем и экологии, тел.: +7-927-661-48-60, e-mail: nadin_id@mail.ru

2Д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения и нефтегазового дела, тел.: (473)271-53-21

Постановка задачи. Рассматривается задача восстановления пластовой температуры грунтового массива при знакопеременном режиме работы систем теплоснабжения и кондиционирования в комплексе с тепловым насосом с учетом их длительной сезонной циклической работы.

Результаты. Установлено, что ежегодное падение грунтовой температуры будет постепенно сокращаться в условиях регенерации. Процесс регенерации позволяет компенсировать «недостающие» величины тепловой нагрузки. Положительным фактом является то, что в режиме с регенерацией стабилизация температурного поля грунтового массива наступает раньше, чем при однопоточном режиме.

Выводы. Выявлена стабилизация температурного поля в условиях работы теплового насоса со знакопеременным тепловым активным потоком (с регенерацией температурного поля грунтового массива) уже на втором году эксплуатации.

Ключевые слова: тепловой насос, регенерация пластовой температуры грунта, коэффициент регенерации, температурное поле.

Введение. Технологические особенности теплового насоса, применяемого в разных отраслях промышленности, сельского хозяйства, пищеперерабатывающей промышленности, в культивационных сооружениях позволяют использовать это оборудование как в режиме теплоснабжения, так и в режиме холодоснабжения [1, 2, 11].

Как правило, использование разных технологических режимов сезонно. Зимой — на теплоснабжение, летом — холодоснабжение (кондиционирование). Обычно в применяемых технологических режимах на объектах раздельные схемы получения теплоты и холода, при этом полученная теплота рабочего тела в большинстве случаев рассматривается как отходы и утилизируется в окружающую среду.

Температурное поле грунтового массива может меняться в зависимости от режимов работы. Характеристика изменения температурных волн в зависимости от режима эксплуатации теплового насоса рассмотрена в исследованиях [4, 5, 12]. Известно, что при работе установки только на нагрев или только на охлаждение заметные изменения температурного фона грунта, отражающиеся на технико-экономических показателях теплового насоса, проявляются на 5-й год эксплуатации [3, 13]. В связи с этим для сохранения проектных параметров гелиоэнергетической установки и теплового баланса грунта необходимо комбинировать на-

© Сапрыкина Н. Ю., Панов М. Я., 2018

117

Научный журнал строительства и архитектуры

правление тепловых потоков, то есть оптимальным режимом является чередование «теплоснабжение — кондиционирование».

Натурными исследования доказано, что при установке геотермальных тепловых насосов в первый год наблюдается значительная нагрузка на пласт (происходит значительное изменение температуры относительно пластовой), первые три года происходит «приработка» скважины (т. е. незначительное непрерывное изменение температуры), а затем и ее истощение. Под термином «истощение» многими авторами понимается работа скважины с установившейся температурой пласта на стенке обсадной колонны, существенно отличающейся от фоновой пластовой температуры. К сожалению, в большинстве случаев натурные замеры не применимы из-за труднодоступности объекта исследования, находящегося на значительной глубине.

1. Моделирование температурного поля грунта знакопеременного режима работы теплового насоса. График действительного режима работы теплового насоса для каждого объекта и региона может различаться. При разработке математической модели нестационарного режима работы теплового насоса выделены следующие особенности: во-первых, тепловой поток постоянно меняется по случайному закону, определяемому внешними факторами, включая климатические, технологические особенности работы оборудования и т. д.; вовторых, грунт имеет значительную тепловую инерцию, сглаживая как минимум суточные колебания температуры. Эти особенности позволили заменить в модели действительную нагрузочную кривую на дискретные участки с постоянной, средней за расчетный период тепловой нагрузки (рис. 1).

Рис. 1. Представление усредненных нагрузок в условиях постановки решаемой задачи

2. Граничные условия работы теплового насоса в знакопеременном режиме. В от-

личии от [6, 14—20], в условиях знакопеременной работы (сезон на тепло, сезон на охлаждение) начальные условия для первого и второго этапов будут тождественны выражениям [10]

споправкой на направление теплового потока. Отличные начальные условия будут начиная

с3-го этапа.

Третий этап — включение теплового насоса в реверсивном режиме относительно 1-го этапа. При изменении направления теплового потока происходит регенерация тепла в пласте, т. е. если на первом этапе производится подвод тепла, на втором — отвод тепла, то на третьем снова подвод. Таким образом, третий этап — включение теплового насоса после перерыва — сложное температурное поле, получившееся после остывания пласта ( 1 < < 2), накладывается тепловой поток с противоположным знаком, изменяющий поле температур. Начальные условия имеют вид:

118

где t3 — температура грунта третьего этапа (период реверсивного режима), 0С. Граничные условия первого рода выражения [9] тождественно равны. Второго рода, в условиях знакопеременных режимов работы:

Второго рода, тепло Земли, тепловой поток считаем постоянным:

где q (τ) —тепловой поток через поверхность Земли в окружающую среду, Вт/м2.

Как отмечалось выше, нестационарный режим работы теплового насоса, определяемый климатическими условиями и технологической историей производства, приводит к изменению граничных условий. Для количественного описания знакопеременных режимов работы теплового насоса, в рамках исследовательской работы предложено ввести коэффициент регенерации kр, который определяется следующим образом:

где Qподвод — количество подведенного потока в холодный период года, Вт/м2; Qотвод — количество отведенного потока в теплый период года, Вт/м2.

Следует отметить, что диапазон изменения коэффициента регенерации возможен только в соотношении 0—1. Ввиду разности температурных климатических особенностей регионов и особенностей работы теплового насоса значения коэффициента регенерации при обработке необходимо принимать по модулю.

3. Расчетная модель систем теплоснабжения и кондиционирования (холодоснабжения) при работе теплового насоса со знакопеременным направлением теплового по-

тока. В силу обратимости рабочего процесса тепловой насос может работать эффективно как в режиме теплоснабжения объекта в холодное время, так и в режиме хладоснабжения в жаркое время года (кондиционирование помещений). Как правило, в большинстве случаев тепло, образованное вторично, не используется и утилизируется в атмосферу. С экономической точки зрения целесообразнее направлять это тепло обратно в скважину, обеспечивая восстановление температурного поля с целью повышения термодинамической эффективности теплонасосного оборудования. Построение температурного поля будет учитывать обратимость процесса и рассчитываться с учетом действующего коэффициента регенерации kр.

На рис. 2а представлены усредненные тепловые характеристики теплового насоса при работе в знакопеременном режиме. Условиями расчета определено чередование периодов включения теплового насоса (рис. 2б) с периодами остановки с цикличностью, определяемой временем года. Время достижения квазистационарного режима определяется расчетом и находится в пределах пяти лет, что также подтверждается эксплуатационными параметрами действующих скважин. Предельные состояния температуры пласта достигаются к моменту завершения цикла, т. е., например, к окончанию отопительного сезона, в связи с чем расчетные значения, используемые для определения эксплуатационных характеристик, фиксировались на этот момент времени. Чередование режимов отвода тепла (работа системы теплоснабжения зимой) и подвода тепла (работа системы кондиционирования воздуха летом) соответствует различным температурным режимам пласта. Следует отметить, что знакопеременный режим работы теплового насоса сопровождает регенерацией тепла в пласте, и в идеальных условиях лучшим можно считать нулевой баланс, когда количество отобранного из

119

Научный журнал строительства и архитектуры

пласта тепла зимой равно количеству подведенного тепла летом. То есть даже в адиабатном режиме температура пласта не должна изменяться в долгосрочной перспективе. Определено чередование периодов включения теплового насоса. На рис. 2б представлена схема основных этапов работы теплового насоса в знакопеременном режиме («+» — подвод нагрузки в скважину, «─» — отвод).

Рис. 2. Схема нагрузок теплового насоса при знакопеременном режиме: а) расчетная модель; б) основные этапы работы теплового насоса

Моделирование процессов изменения теплового поля грунтового массива в условиях знакопеременного нестационарного теплового потока представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует физико-математического описания сложного температурного поля, сформировавшегося под действием разнообразных нестационарных механизмов, определяющих процесс теплосбора (теплоотвода), включая внешние климатические условия, параметры теплового насоса, изменение характеристик грунта [10].

4. Результаты изменения температурного поля при воздействии циклическим знакопеременным по направлению тепловым потоком (с регенерацией). На рис. 3—4

представлены графики изменения температурных полей в условиях чередования активной нагрузки, когда тепловой насос работает круглогодично. Расчеты велись в диапазоне активных величин от 100 и −25 Вт/м2, коэффициент регенерации kр = 0,25. Результаты работы первого этапа (6 месяцев) работы теплонасосной установки со знакопеременным направлением потока, изображены на рис. 3.

На втором этапе (1 год) вводится другая по направлению активная нагрузка и вид тепловой волны сильно отличается от предыдущего этапа (рис. 4), приобретая выраженную форму тепловой волны.

Характер распределения температур (рис. 4а) также радиальный (от оси скважины), но имеет отличие по значениям температур грунта. На удалении 10—15 м от скважины сохранились следы теплового воздействия первого цикла в виде зон повышенной температуры (выше фоновых значений), на расстоянии 7—8 м от оси скважины температура понижается со значительным градиентом (рис. 4б). С учетом последующих этапов работы теплового насоса в режиме чередования «отвод — подвод», картина изменения температурного поля следующая: учитывая преобладание подвода тепла (kр = 0,25), прогнозируемо происходит рост температуры на забое скважины Tоси, по сравнению с первым этапом работы (6 месяцев)

120