Модель нестаціонарних теплових процесів в ґрунтовій теплонасосній системі

Abstract

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. В роботі доведено технічну можливість створення автономної системи альтернативного теплопостачання для енергозберігаючих технологій з можливістю використання ґрунтової енергії з урахуванням екологічних вимог. Обґрунтовано, що використання запропонованих систем є перспективним напрямком для України, яка відчуває дефіцит власних енергоресурсів, бо дає можливість підвищити частку заміщення органічного палива та зменшити об’єм теплових викидів в довкілля. Розроблена математична модель теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання теплонасосної системи на базі відновлювальної енергії (ґрунтової енергії) та вторинної енергії (скидних вод) з урахуванням екологічних вимог (недопущення переохолодження ґрунту при роботі ґрунтових трубок та шкоди вегетації рослинності, відповідно), що дозволяє обирати раціональний режим роботи системи при сезонних кліматичних змінах та технологічних умовах. Виконано числове моделювання теплових процесів в елементах теплообмінного обладнання теплонасосної системи з використанням ґрунтових та скидних вод та визначено енергетичну й екологічну ефективність системи при змінних кліматичних та технологічних чинниках. Аналіз і узагальнення результатів розрахунку теплонасосних систем теплопостачання з використанням альтернативної енергії на основі запропонованої математичної моделі з урахуванням екологічних вимог (недопущення термічної релаксації ґрунту) дозволяє урахувати зміну градієнта температур навколо ґрунтового теплообмінника й більш точно визначати тепловий потік від кожної ділянки ГТ. Встановлено, що для теплових насосів з ґрунтовими теплообмінниками максимальний коефіцієнт заміщення традиційного палива становить 75 %, а економічно доцільна кількість ґрунтових теплообмінників становить 9 шт. Теплові насоси з використанням скидних вод можуть повністю замістити традиційні системи теплопостачання. Для індивідуальних споживачів можна рекомендувати ТНС з ГТ, при цьому, необхідно передбачати резервне джерело енергії для підвищення надійності теплозабезпечення.

One of the main directions for improving heat supply systems is the tendency to switch to low-temperature heating systems by using heat pump units is the tendency of implementation the low-temperature heating systems based on the use of heat pump units. In the work, the main attention is focused on the improvement of thermal parameters and circuit design features of elements of the heat pump system of heat supply using soil energy. For this purpose, the toolkit of mathematical modelling of processes in ground heat pumps is applied, taking into account the climatic conditions of Ukraine. The paper proves the technical possibility of creating an autonomous system of alternative heat supply for energy-saving technologies with the possibility of using ground energy, taking into account environmental requirements. It is substantiated that the use of the proposed systems is a promising direction for Ukraine, which is experiencing a shortage of its own energy resources, because it provides an opportunity to increase the share of organic fuel substitution and reduce the volume of heat emissions into the environment. A mathematical model of heat processes in the elements of the heat exchange equipment of the heat pump system based on renewable energy (soil energy) and secondary energy (wastewater) was developed, taking into account environmental requirements (preventing hypothermia of the soil during the operation of soil pipes and damage to vegetation, respectively), which allows choosing a rational mode of operation of the system under seasonal climatic changes and technological conditions. Numerical modelling of heat processes in elements of the heat exchange equipment of the heat pump system using groundwater and waste water was performed, and the energy and environmental efficiency of the system under variable climatic and technological factors was determined. Analysis and generalization of the calculation results of the heat pump heat supply systems using alternative energy based on the proposed mathematical model, taking into account environmental requirements (preventing thermal relaxation of the soil) allows to take into account the change in the temperature gradient around the soil heat exchanger and more accurately determine the heat flow from each section of the heat exchanger. It has been established that for heat pumps with soil heat exchangers, the maximum substitution ratio of the traditional fuel is 75 %, and the economically feasible quantity of soil heat exchangers is 9 units. Heat pumps using waste water can completely replace traditional heat supply systems. For individual consumers, it is possible to recommend heat pump units with soil heat exchangers, at the same time, it is necessary to provide a backup source of energy to increase the reliability of heat supply.