Modeling of thermal processes in vertical heat exchangers of ground-source heat pump

Abstract

The basic directions for perfection heat supply systems are the tendency of transition to the low-temperature heating systems based at application heat pump installations. We consider heat supply systems with ground-source heat pump. The paper considers modeling the efficiency of ground-source heat pumps with the account of Ukrainian climate conditions. The paper presents the energy performance criteria which show the way to rational implementation of ground-source heat pumps for heating. A computational model based at non-stationary heat exchange processes in elements of ground-source heat pumps is developed. Generalization and analysis of theoretical and experimental dates allow establishing nature of dependence thermophysical properties on temperature in soil around ground heat exchangers during long term operation of the system. Numerical simulation of thermal processes in vertical ground pipes for ground-source heat pump working with low-temperature heating systems has been worked out. The results of numerical modeling demonstrated perfection and technical adaption of ground-source heat pump for low-temperature heating systems with rational using ground energy potential. The novelty of our method is complex usage theoretical and experimental results which enable to prevent freezing in the ground during long term exploitation This provides insights at effects of different resource mixes and may serve as a new approach to analysis of future heat pump systems using ground source energy development. The proposed method contributes to the field of creation and implementation the sustainable heating technologies using renewable energy sources. The ground heat exchange pipes quantities that are necessary for effective operation heat pump installation, capacity and coefficient of performance with the account of climate conditions are calculated.

Одним із основних напрямів удосконалення систем теплопостачання є тенденція переходу до низькотемпературних систем опалення шляхом застосування теплонасосних установок. В роботі основна увага зосереджена на удосконаленні теплових параметрів і схемно-конструктивних особливостей елементів теплонасосної системи теплопостачання з використанням енергії ґрунту. Для цього застосовано інструментарій математичного моделювання процесів в ґрунтових теплових насосах з урахуванням кліматичних умов України. У статті наведено критерії енергетичної ефективності, які показують шляхи раціонального застосування ґрунтових теплових насосів для теплопостачання промислових і індивідуальних споживачів. Розроблено розрахункову модель нестаціонарних процесів теплообміну в елементах ґрунтових теплових насосів. Шляхом числового моделювання визначені оптимальні технічні параметри теплонасосної системи з ґрунтовими теплообмінниками. На основі узагальнення та аналізу теоретичних та експериментальних результатів дослідження встановлено характер залежності теплофізичних властивостей джерела енергії для теплового насосу та зміни температурного поля в грунті навколо ґрунтових теплообмінників під час тривалої експлуатації системи. Виконано чисельне моделювання теплових процесів у вертикальних ґрунтових трубах теплового насоса, результати якого підтвердили високу надійність технічної адаптації ґрунтового теплообмінного контуру теплового насосу для систем низькотемпературного опалення для раціонального використанням енергії ґрунту. Новизна нашого інструментарію полягає в комплексному використанні методів числового моделювання та експериментальних результатів, які дозволяють попередити явище промерзання ґрунту навколо ґрунтових трубок при тривалому періоді експлуатації системи. Визначено граничні параметри впливових чинників, які попереджають негативний вплив теплонасосної системи на довкілля, можна вважати можна інноваційним підходом до створення надійних теплонасосних систем, які раціонально використовують природні ресурси, що позитивно впливає на розвиток паливно-енергетичного комплексу. Запропонована методологія сприяє створенню та впровадженню технологій надійного теплопостачання з використанням відновлюваних джерел енергії.