Modeling of the temperature field in the soil massive for different operating modes of the ground source heat pump

Abstract

The paper considers modeling the influence of the operating modes of the ground source heat pump for heating and air conditioning systems using geothermal source of energy from borehole on the temperature of the soil formation around the borehole with the account of climate conditions of Ukraine. The proposed methodology of modelling of the ground source heat pump with the account of reversible direction of heat flow for heating and cooling work modes contributes to the field of energy system models. The ultimate goals are to obtain criterion dependencies for calculating the operating parameters of a geothermal borehole and to develop a methodology for designing geothermal boreholes taking into account their long-term operation in a cyclic mode. The idea behind the method allows high spatial and temporal resolution as well as the inclusion of the technical details of the power system and formation the temperature of the soil massive around the borehole for the climate conditions of the Ukraine and South-East Regions of Europe. The novelty of this method is the usage of a parametric approach is chosen to analyze different reversible operating modes of the ground source heat pump for heating and cooling. This provides insights on the systematic effects of ground source heat pump operation with regeneration with limitation on reaching negative temperatures at the bottom of the borehole, which can lead to ice formation, an increase in the volume of soil massive during freezing and destruction of pipelines. The article describes the change in the temperature of the soil mass under the operating conditions of a heat pump in two modes - stationary and with alternating "heat supply - cooling (air conditioning)" for long-term operation. Based on the obtained results it was revealed that when a geothermal borehole operates with an alternating direction of heat flow (with regeneration), the long-term consequences of operation associated with the deviation of the soil massive temperature from the background value are reduced. The additional novelty aspect of modelling was obtained for the operating parameters of a geothermal source of energy with the account of longterm reversible operating mode of the heat pump. The energy balance model is well suited for the analysis of temperature in the bottom part of the geothermal boreholes was revealed for heating and air conditioning systems due to the non-stationary thermal loads determined by climatic conditions of the Ukraine and South-East Regions of Europe. The obtained results may serve as a new approach to optimization technical and economic indicators of geothermal boreholes during operation of the ground source heat pump operating with the account of reversible direction of heat flow for heating and cooling work modes to have continuous improvement of energy efficiency.

У цій статті виконано моделювання впливу режимів роботи ґрунтового теплового насоса систем опалення та кондиціонування з використанням геотермального джерела енергії зі свердловини на температуру ґрунтового пласта навколо свердловини з урахуванням кліматичних умов України. Запропонована методологія моделювання ґрунтового теплового насоса, з урахуванням реверсивного напрямку теплового потоку для режимів роботи опалення та охолодження, є внеском у методи моделювання енергетичних систем. Кінцевою ціллю є отримання критеріальних залежностей для розрахунку робочих параметрів геотермальної свердловини та розробка методики проектування геотермальних свердловин з урахуванням їх тривалої експлуатації в циклічному режимі. Ідея, що лежить в основі методу, передбачає високу просторову та часову роздільну здатність, а також включення технічних деталей системи живлення та формування температури ґрунтового масиву ґрунту навколо свердловини для кліматичних умов України та Півдня. Східні регіони Європи. Новизна цього методу полягає в тому, що для аналізу різних оборотних режимів роботи ґрунтового теплового насоса для опалення та охолодження обрано використання параметричного підходу. Це дає уявлення про систематичні ефекти роботи ґрунтового теплового насоса з регенерацією з обмеженням досягнення негативних температур на дні свердловини, що може призвести до утворення льоду, збільшення об’єму ґрунтового масиву при промерзанні та руйнування трубопроводи. У статті описано зміну температури ґрунтового масиву за умов роботи теплового насоса в двох режимах – стаціонарному та зі змінним «теплопостачання – охолодження (кондиціонування)» для тривалої роботи. На основі отриманих результатів виявлено, що при роботі геотермальної свердловини зі змінним напрямком теплового потоку (з регенерацією) зменшуються віддалені наслідки експлуатації, пов’язані з відхиленням температури ґрунтового масиву від фонового значення. Отримано додаткову новизну моделювання робочих параметрів геотермального джерела енергії з урахуванням тривалого оборотного режиму роботи теплового насоса. Модель енергетичного балансу добре підходить для аналізу температури в придонній частині геотермальних свердловин, виявлено для систем опалення та кондиціонування повітря через нестаціонарні теплові навантаження, що визначаються кліматичними умовами України та південно-східних регіонів. Європи. Отримані результати можуть слугувати новим підходом до оптимізації техніко-економічних показників геотермальних свердловин при експлуатації ґрунтового теплового насоса, що працює з урахуванням реверсивного напрямку теплового потоку для режимів роботи опалення та охолодження, для постійного підвищення енергоефективності.