Розробка та створення ґрунтового сезонного акумулятора теплоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 662.995, 536.242

Спеціальність 05.14.06 «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ТА СТВОРЕННЯ ГРУНТОВОГО СЕЗОННОГО

АКУМУЛЯТОРА ТЕПЛОТИ

Бєляєва Тетяна Геннадіївна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ

Науковий керівник-доктор технічних наук, професор член-кореспондент НАН України Басок Борис Іванович Інститут технічної теплофізики НАН України, заступник директора інституту з наукової роботи

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Нікітенко Микола Іванович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Забарний Георгій Миколайович, Інститут відновлюваної енергетики НАН України, завідувач відділу

Захист відбудеться 03.06. 2010 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розісланий 29.04.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук О.І. Чайка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

теплофізичний ґрунтовий акумулятор

Актуальність теми. Вичерпаність традиційних паливних ресурсів та погіршення екології довкілля надає актуальності дослідженням по відновлюваній та нетрадиційній енергетиці і необхідності залучення в енергетичний баланс України екологічно чистих джерел енергії.

Перспективним напрямком є використання теплоти сонячної енергії для комунального теплопостачання, яке може забезпечити чималі потреби в теплоті навіть в умовах територій помірного клімату. Здебільшого методи використання теплової енергії сонця загалом економічно ефективні, однак частка застосування теплової сонячної енергії доволі мала. Значно підвищити ефективність використання сонячної енергії можливо при наявності сезонного (часовий проміжок літо-зима) акумулятора великої теплової ємності.

Проблема надлишку теплоти в літній період, коли потреби в ній зменшуються, актуальна для діючих теплогенеруючих підприємств (ТЕЦ). Вона також може бути вирішена шляхом акумулювання цих надлишків з їх використанням в опалювальний період.

В зв'язку з цим, розробка та створення ефективного сезонного ґрунтового акумулятора теплоти є актуальною науковою задачею, а її практична реалізація може значно зменшити використання традиційних енергоносіїв для теплопостачання та поліпшити екологічні показники довкілля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно з планами науково-дослідних робіт «Дослідження перехідних процесів нестаціонарного тепломасообміну та розробка комбінованих схем ґрунтового акумулювання теплоти» (2004-2006 рр., номер державної реєстрації 0103U005532), «Створення експериментальної теплонасосної установки з термальним ґрунтовим акумулятором для автономного теплопостачання» (2007 р., 0107U004905), «Дослідження теплотехнічних процесів та розробка рекомендацій стосовно сезонного ґрунтового акумулювання-розрядки теплоти для когенераційних ТЕЦ та індивідуальних об'єктів» (2006-2008 р., 0106U004507), «Створення експериментальної установки та теплонасосної технології теплопостачання промислових приміщень з використанням теплоти ґрунту», шифр 6.08.1 (2008-2009 рр., 0108U007829), проекту "Впровадження енергоощадних технологій сезонного акумулювання сонячної енергії та теплоти когенераційних установок для теплопостачання" в рамках комплексної програми наукових досліджень НАН України "Науково-технічні основи вирішення проблем енергозбереження ("Енергозбереження") (2006-2008 рр., 0106U004507), у яких автор була виконавцем окремих розділів.

Мета та завдання роботи. Метою роботи є дослідження процесів теплообміну в системі «теплообмінники - ґрунт» при акумулюванні та вилученні теплоти і на цій основі розробка та створення ефективного ґрунтового сезонного акумулятора теплоти. Для досягнення поставленої мети були поставлені такі основні задачі:

- аналіз теплофізичних процесів акумулювання та вилучення теплоти системами «теплообмінник - ґрунт» та «сукупність теплообмінників - ґрунт» в необмеженому ґрунтовому масиві;

- визначення умов організації ефективної роботи сезонного ґрунтового акумулятора;

- визначення та оптимізація технологічних показників сезонних ґрунтових акумуляторів;

- розроблення експериментального сезонного ґрунтового акумулятора;

- визначення економічної доцільністі створення теплонасосних систем теплопостачання з ґрунтовими сезонними акумуляторами.

Об'єкт дослідження -система «теплообмінники - ґрунтовий масив».

Предмет дослідження - процеси теплопровідності при акумулюванні та вилученні теплоти

Методи дослідження - теплофізичне та чисельне моделювання, інженерні розрахунки, експеримент, дослідно-промислові випробування.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше з використанням розрахунково-аналітичної моделі на основі інтегрального методу вирішення задач нестаціонарної теплопровідності в необмеженому просторі проведені розрахунки процесів ґрунтового акумулювання теплоти та її вилучення. Встановлено умови енергетично оптимального сезонного (за 180 днів) розповсюдження теплоти при декілька річних циклах послідовного акумулювання - вилучення.

Для системи «вертикальний теплообмінник - ґрунт» розроблено алгоритм управління роботою теплообмінника в режимі подекадного перервного (день-ніч) акумулювання. Виявлено низьку ефективність акумулювання одиночним теплообмінником.

Для системи «сукупність вертикальних теплообмінників - ґрунт» встановлено, що значне покращення характеристик акумульованої енергії та підвищення температурного рівня можливі шляхом створення зустрічно спрямованих теплових потоків, що досягається при певному системному розташуванні вертикальних теплообмінників свердловинного типу в ґрунтовому масиві.

2. Визначені умови раціональної організації та ефективної роботи ґрунтового акумулятора, що дає можливість підвищити його тепловий потенціал та забезпечити практично повне вилучення накопиченої енергії. Розроблено метод розрахунку ефективного ґрунтового акумулятора теплоти.

3. Вперше вирішена задача з визначення співвідношень розмірів основної області акумулювання, при яких досягається мінімальний розмір буферної області для різних форм основної області акумулювання.

4. Проведені розрахунки з визначення глибин річних змін температури у ґрунті з використанням статистичних даних та регресивного аналізу їх обробки. За результатами розрахунків вперше складено карту глибин річних змін температур на території України.

Практичне значення роботи.

Результати проведених досліджень були використані: - при розробці проекту та створенні пілотної експериментально промислової теплонасосної установки з ґрунтовим акумулятором теплоти для опалення приміщень корпусу ІТТФ НАН України;

- при створенні нових ґрунтових теплообмінників для вилучення природної теплоти ґрунту та її подальшого використання в системах теплопостачання на основі теплового насосу (ООО «Сантехнік-ЛТД»);

- при розробці теплонасосної технології теплопостачання промислових приміщень з використанням теплоти ґрунту (Міністерство промислової політики України);

- при розробці ефективних схем низькотемпературних систем опалення в комунальній теплоенергетиці при використанні літньої надлишкової теплоти когенераційної ТЕЦ при незмінних паливних ресурсах;

- при розробці проектної пропозиції теплоавтономного самодостатнього житлового будинку, який споживає накопичену в ґрунтовому акумуляторі сонячну енергію для опалення та гарячого водопостачання (програма «Енергозбереження»).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці програм та проведені розрахунків процесів ґрунтового акумулювання-вилучення теплоти для систем «теплообмінник - ґрунт» та «сукупність теплообмінників - ґрунт» з використанням розрахунково-аналітичної моделі на основі інтегрального методу вирішення задач нестаціонарної теплопровідності в необмеженому просторі, складанні методу розрахунку ефективного сезонного акумулятора, проведенні розрахунків з визначення оптимальної форми основної області акумулювання та з визначення глибин річних змін температури у ґрунті з використанням статистичних даних та регресивного аналізу їх обробки, а також участі в розробці проекту та будівництві експериментально - промислового ґрунтового акумулятора теплоти.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи були представлені на 2-8 міжн. конф. «Нетрадиційна енергетика у XXI столітті» (АР Крим, 2002-2008 р.), 4-й і 5-й міжн. конф. «Проблеми промислової теплотехніки» (Київ, 2005, 2007 рр.), 5-му Мінському міжн. форумі по тепломасообміну (Мінськ, 2004 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано у 28 статтях, збірниках праць та тез міжнародних наукових конференцій, у тому числі в 12 статтях видань ВАК України та в 3 патентах.

Структура та об'єм дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Загальний об'єм дисертації складає 160 сторінок машинописного тексту, серед яких 69 рисунків та 19 таблиць. Бібліографія містить 74 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі описано сучасний стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, вказано особистий внесок здобувача та відомості про апробацію результатів дисертації.

Перший розділ містить аналіз світового та вітчизняного досвіду створення та використання різних типів сезонних акумуляторів теплоти, існуючих методів їх розрахунку. Відмічені фізико-математичні особливості методів аналізу та складнощі розрахунків, які полягають у громіздкому математичному апараті для опису процесів теплопровідності в необмеженому середовищі.

Ґрунтове акумулювання здійснюється за допомогою трубних систем, якими циркулює проміжний теплоносій. Технічні рішення трубних систем наведено на рис. 1. Елементарні розрахунки на основі теплового балансу показали, що перепад температур в теплообміннику не перевищує 1 ^оС і тому було прийнято, що розповсюдження теплоти відбувається переважно в радіальному напрямку і рівняння Біо-Фурьє для процесів акумулювання теплоти має вигляд:

Рис. 1. Схеми ґрунтових теплообмінників, а - вертикальний коаксіальний, б - вертикальний U-подібний, в - сферичний.

Для аналізу процесів акумулювання - вилучення теплоти вертикальними теплообмінниками була застосована розрахунково-аналітична модель, складена на основі інтегрального методу розв'язку задач акумулювання-вилучення теплоти в необмеженому ґрунтовому масиві, запропонованого проф. А.І. Накорчевським. Використовуються підходи теорії пограничного шару, розробленої Прандтлем, Карманом, Польгаузеном, коли значення характеристик на необмеженій відстані від джерела збурювання переносяться на зовнішню границю шару кінцевої товщини, в нашому випадку - на кінцеву відстань. Основні складові моделі :

1) поліноміальне рівняння розподілу температур в ґрунтовому масиві:

(1)

2) рівняння зміни температури масиву при r = R₀:

(2)

3) рівняння збереження енергії теплоносія:

(3)

4) рівняння теплопередачі через стінку теплообмінника:

(4)

5) рівняння збереження акумульованої ґрунтом теплоти:

6) додаткове рівняння, яке зв'язує коефіцієнт тепловіддачі по стінці з його еквівалентним значенням на поверхні:

(6)

Цих шість рівнянь достатньо для находження функцій:



При крайових умовах у формі:

Зазначено, що у випадку акумулювання теплоти сонячної енергії відбуваються стрибкоподібні зміни її інтенсивності на протязі кожного дня роботи, що пов'язані з регулярними перервами в роботі сонячних колекторів через невелику тривалість світового дня. Урахування цих перерв веде до розриву всіх функцій, які знаходяться, крім R (t, z) і різкої зміни густини теплового потоку від максимального значення до нульового й навпаки. Через велику швидкість розповсюдження температурних збурень відбувається швидка перебудова температурного профілю в відповідності зі зміною параметра А_м при незмінних R та Ei. При припиненні подачі теплоти у ґрунт q₀=0, що відповідає розподілу температур (1) при А_м=0, відбувається падіння Т₀ згідно (2), а потім починається "дрейф" накопиченої теплоти при Ei = const і збільшення R (t, z). Відновлення акумулювання теплоти веде до різкого збільшення А_м і Т_0.

Для відпрацювання цієї особливості при розрахунках було прийнято декадний режим акумулювання у відповідності з роботою сонячних колекторів: акумулювання теплоти відбувається впродовж 8 годин найбільшої інтенсивності сонячної радіації на добу з перервою 16 годин на протязі восьми діб безперервно, далі дві доби - неробочі. Десять таких діб складають декаду, три декади - місяць, 18 декад - річний сезон акумулювання. Процес вилучення раніше акумульованої теплоти розглядався як безперервний.

У другому розділі проведено верифікацію розрахунково-аналітичної моделі шляхом зіставлення з рішенням повної спряженої задачі гідродинаміки і теплообміну в системі «свердловина-грунт» в циліндричній системі координат за допомогою пакету моделюючих програм Phoenics. Для розрахунків процесу використана стандартна k- - модель. Параметри взаємодіючих систем, початкові і граничні умови повністю співпадали з прийнятими в розрахунково-аналітичній моделі. При порівнянні значень температури (рис. 2) було встановлено достатню узгодженість (максимальна розбіжність результатів склала 0,5%) та збіжність розрахункових даних за обома методиками, що підтверджує адекватність і повноту розрахунково-аналітичної моделі для процесів акумулювання теплоти.

На рис. 3 наведено графік зміни радіусу розповсюдження теплоти при акумулюванні в початковий період, розрахованого за обома методиками. Розбіжність за значеннями складає 0,8%. Виходячи з цього, було визначено фізичне поняття «радіус розповсюдження теплоти». Це та радіальна відстань від осі циліндричного теплообмінника до області ґрунтового масиву, де різниця між поточною локальною температурою і температурою незбуреного ґрунту знаходиться в діапазоні від 0,01 ^оС до 0,1 ^оС, що для середньорічної середньої температури на глибині більше 6…8 м відповідає діапазону 0,05%...1%.

Рис. 2. Зіставлення значень розподілу температури,

1- пакетом PHOENICS, 2- розрахунково-аналітична модель.

Рис. 3. Зміна радіусу розповсюдження теплоти,

1-Т=10,1 єС, 2-Т=10,01 єС (пакет PHOENICS); 3- розрахунково-аналітична модель.

Аналіз результатів розрахунків системи «теплообмінник - ґрунт» при q₀ = const чи T_в = const показав, що через 1 - 2 години від початку акумулювання радіус акумульованої теплоти R>?, що обумовлено високим опором ґрунтів та порівняно низьким максимально можливим температурним напором, який практично повністю «виробляється» поблизу теплообмінника за невеликий проміжок часу, а подальше «закачування» теплоти в ґрунт здійснюється з кінцевим потенціалом, який майже не відрізняється від початкової температури ґрунту, що при строгому виконанні енергетичного балансу неминуче веде до R>?.

Для запобігання необмеженого розповсюдження теплоти в ґрунтовому масиві, в рамках системи рівнянь (1-6), було розроблено алгоритм керування роботою теплообмінника, який забезпечує незмінність області акумульованої теплоти. Це можливо при зменшенні в часі густини теплового потоку. Але у випадку акумулювання теплоти сонячної радіації в неробочий для сонячних колекторів час відбувається природний дрейф ґрунтової теплової області і збільшення її розмірів. Характер зміни основних параметрів процесів акумулювання, природного дрейфу теплоти та відновлення акумулювання, які розраховані для системи «теплообмінник - ґрунт», при початкових q₀=1000 Вт/м², Т₀=50 єС наведено на рис. 4.

Рис. 4. Характер зміни основних параметрів,

а- при акумулюванні (8 годин), б - при дрейфі теплоти (16 годин), в - при поновлені акумулювання (8 годин), г - при акумулюванні впродовж 6 діб, q₀, 10 Вт/м², Е_i, 10⁷ Дж

Результати розрахунків показали, що кінцевий радіус акумульованої енергії (через 180 діб), не дивлячись на керування процесом, збільшився удвічі порівняно з заданим. Таким чином, природний дрейф теплоти веде до регулярного розширення області акумулювання, і відповідно до суттєвого зниження кінцевого потенціалу енергії.

Обмежити розповсюдження акумульованої теплоти можливо тільки при керуванні процесом впродовж всіх 24 годин на добу, при застосуванні добових акумуляторів, але і в цьому випадку, як показали розрахунки, середній потенціал акумульованої енергії складе 20% від вихідного теплового напору. Якщо враховувати необхідність постійного коректування значення q₀, стає очевидним, що використання одиночного теплообмінника для вирішення задач довгострокового акумулювання теплоти є малоефективним.

Визначено, що суттєво підвищити потенціал акумульованої енергії можлива тільки при створенні зустрічно направлених теплових потоків, розмістивши в ґрунті систему з k=mn теплообмінників, наприклад, на прямокутній дільниці з незмінним кроком L (рис. 5).

При цьому створюється основний масив акумулювання з постійним об'ємом та високою температурою і буферний масив з об'ємом, що постійно збільшується внаслідок безперервного розповсюдження теплоти в необмеженому ґрунтовому масиві та температурою, яка змінюється від температури основної області до температури ґрунту. При збільшені ємності основного масиву вплив буферної області зменшується і ефективність акумулятора зростає. Коефіцієнт ефективності використання основної області акумулювання визначається таким чином:

З ростом кількості теплообмінників m і n значення з підвищується.

Рис. 5. План та переріз сукупності теплообмінників при акумулюванні

На відміну від системи «одиночний теплообмінник - ґрунт» взаємодія системи «сукупність теплообмінників - ґрунтовий масив» здійснюється за схемою : теплообмінник - основна область - буферна область - ґрунтовий масив. Використовуючи розрахунково-аналітичну модель, складені основні розрахункові залежності для наведених систем. Для системи «теплообмінник - основна область акумулювання» - рівняння розподілу температури у ґрунті та рівняння зміни температури в ґрунті, аналогічно (1), (2). Для системи «теплообмінник-основна область-буферна область»:

Рівняння теплового балансу:

Густина теплового потоку, яка поглинається буферною областю:

Для системи «буферна область - ґрунтовий масив»:

Рівняння розподілу температури у ґрунті:

Радіус буферної області:

Тепловміст буферної підобласті визначається виразом:

Тепловміст основної області:

Коефіцієнт ефективності акумульованої енергії визначається відношенням її кількості з найбільшим потенціалом до загальної кількості:

Виявлено, що при акумулюванні теплоти сонячної радіації системою теплообмінників, коли припиняється їх робота (q₀=0), оскільки профіль температур в буферній підобласті максимально наповнений, його перебудова не відбувається. Темп зміни Т_с(t) визначається рівнянням:

Вилучення теплоти з акумулятора звичайно здійснюється безперервно при постійній густині теплового потоку q₀ та характеризується рівнянням:

Найбільш перспективно використання сезонного акумулятора теплоти для енергоємних споживачів, наприклад, для селища на кілька тисяч мешканців. Результати розрахунку сезонного ґрунтового акумулятора, утвореного системою теплообмінників, на прикладі теплозабезпечення селища на 6 тис. мешканців показали, що накопиченої та вилученої теплоти сонячної енергії у кількості Еi=0, 1361?10¹⁵Дж достатньо для опалення та гарячого водопостачання впродовж 180 діб. Для акумулювання та наступного вилучення цієї кількості теплоти достатньо використання підземної частини земельної ділянки площею 1 га, тоді як для одержання такої ж кількості теплоти за технологією «сонячних ставків» необхідно мати басейн з дзеркалом у 25 га.

Розраховано схему розміщення сонячних колекторів та ґрунтового акумулятора на спортивному майданчику селища. Параметри системи теплообмінників, розміщених на майданчику 100х100 м²: m=n=51; L = 2 м; Z = 100 м. Теплофізичні властивості ґрунту відповідають підзолистому. Густина теплового потоку q₀ = (380 - 20*dec) Вт/м², (dec -номер декади: 1, 2,…18). На рис.6 наведено динаміку процесу в першу декаду акумулювання. Показники в кінці 18 декади: R_s =26.55м, Т_с = 49.24 °С; Ei =0.1361•10¹⁵ Дж. Динаміка безперервного вилучення теплоти при q₀ = 53 Вт/м² = const наведено на рис.7. Різниця (Т_с - Т_в) знаходилась в межах 4°С і температура теплоносія знизилась від 45.32 °С до 5.88 °С. Значення R_s при вилученні теплоти збільшилось на 4 м і дорівнювало 30.91 м. Якість одержаної енергії характеризується коефіцієнтом перетворення теплового насосу, значення якого виявилося доволі високим.

Рис. 6. Динаміка процесу акумулювання в першу декаду, 1 - Ei, 10¹¹ Дж; 2 - T_в, °С; 3 - Т_c, °С; 4 - з_о · 10; 5 - R_s, м;

Рис. 7. Динаміка безперервного вилучення теплоти,

1 - - qs, Вт/м²; 2 - R_s, м; 3 - Т_c, °С; 4 - T_в, °С; 5 - е

Проведені дослідження свідчать про перспективність рішення задач акумулювання-вилучення теплоти сукупністю вертикальних теплообмінників. Основні переваги порівняно з одиночним теплообмінником наступні: відпадає необхідність в добових акумуляторах; не потрібно керування процесом; суттєво підвищується якість акумульованої енергії; величина коефіцієнту ефективності може досягати значень 0,4-0,5 і більше, тоді як при одиночному він завжди 0.

Досліджено використання невеликих теплових ємностей (наприклад, сферичної форми) з рівномірним розподілом температур для споживачів невеликої теплової потужності, наприклад, для індивідуального будинку. Такі ємності будуть виконувати функцію основного теплового масиву. Вони заповнюються водою з твердою насадкою чи без неї. Можуть бути використані ємності природного походження. Одержані результати розрахунків ємного акумулятора для індивідуального будинку підтвердили, що основне теплове навантаження лягає на ґрунтовий масив, а негативний вплив теплового опору стінки водяної ємності суттєво знижує температурний потенціал акумульованої ґрунтом теплоти. Для повного вилучення теплоти водяну ємність треба розмістити на глибині Z > (R+h) від поверхні ґрунту, де h -товщина шару річних змін температури в ґрунті. Реалізацію такого заглиблення водяної ємності важко здійснити. Можливі схеми з мілким закладанням водяної ємності, тоді необхідні великі витрати на теплоізоляційні роботи. В кожному конкретному випадку з вибору того чи іншого акумулятора визначальними є економічні розрахунки.

Третій розділ присвячений дослідженням щодо методу створення ефективного сезонного акумулятора теплоти. Проведені розрахунки з визначення оптимальної форми основної області акумулювання з найбільшим потенціалом акумульованої енергії, який буде при мінімальному тепловмісті буферної області. Виявлено, що найменші розміри буферної області будуть у випадку рівномірного по V_o розподілу Т_о(t). Це досягається організацією однакового теплового навантаження на кожний теплообмінник, однотипністю останніх, незмінним кроком L їх розташування, однаковим потенціалом проміжного теплоносія й малим перепадом його температур на вході й виході кожного теплообмінника. Проведений аналіз стандартних форм основної області акумулювання у вигляді прямокутного паралелепіпеда, циліндра і кулі показав, що перевагу слід віддати формі прямокутного паралелепіпеда через просту організацію рівномірного розподілу теплового навантаження по об'єму основної області, а оптимальна форма відповідає кубу. Для акумуляторів з малим числом теплообмінників більш компактною є шестикутна схема. При порівнянні шестикутної та прямокутної схем було виявлено, що при однакових площах основної області периметр квадрата на 7,3% більше периметра шестикутника, а при однакових площах комірок на один теплообмінник співвідношення між кроками розташування теплообмінників L₆ і L₄ буде L₆ = 1.096 L₄.

Проведено екстраполяційний регресивний аналіз річних змін температур ґрунту. Вихідними даними для аналізу були відомості про середньомісячні температури ґрунту, зафіксовані на різних глибинах протягом десятків років, які систематично оброблялися організаціями Гідрометеослужб. Для України такі відомості є за 70-річний період. На рис. 8 наведено приклад ліній змін середньомісячних температур по глибині для м. Києва. Спостерігається тенденція зниження різниці екстремальних значень температур ґрунту з збільшенням глибини. Крім того, аналіз виявив незалежність від глибини середньорічних температур для кожного масиву вимірювання і значення температури відповідно до глибини можна визначити як середньоарифметичне середньорічних температур. Для визначення глибин застосовано регресивний метод оцінки. За результатами розрахунків складена карта (рис. 9).

Як видно з рис.9, має місце тенденція підвищення температури в південному напрямі від 8^оС (м. Овруч) до 16^оС (с. Магарач). Межа, яка поділяє області з температурою до 9^оС і більш 10^оС проходить по лінії Харків - Полтава - Кременчук - границя між Черкаською та Кіровоградської областями та границя між Вінницькою та Одеською областями - р. Дністер до верхів'я. Щодо значень глибин, то вони змінюються в північній від цієї лінії частині від 3,9 м (смт. Любишев) до 5,0 м (м. Вінниця). До особливих регіонів відноситься територія Прикарпаття-Карпат - Закарпаття. Наприклад, там зустрічаються Н=5,2 м, Т=8,8^оС (смт. Яворів) і Н=3,9 м, Т=11,2^оС (смт. Берегово). Такі перепади обумовлені складністю рельєфу місцевості. Для Криму також характерно різка різниця в значеннях Н для степової та гористої місцевості

В четвертому розділі описано експериментальну теплонасосну установку для теплопостачання приміщень, створену в Інституті технічної теплофізики НАН України (рис.10), яка призначена для проведення досліджень ефективності різних систем теплопостачання на основі теплонасосних технологій. Підігрів теплоносія для цих систем здійснюється тепловими насосами за рахунок теплоти ґрунту, яка накопичується влітку в ґрунтовому акумуляторі та ґрунтовому колекторі.

При розробці ґрунтового сезонного акумулятора бралося до уваги те, що це досить об'ємна споруда, яка потребує значних витрат. Тому всі розрахунки проводилися з точки зору мінімізації цих витрат.

Кількість і розміри теплообмінників визначалися, виходячи з мінімальної вартості та мінімальних втрат теплоти. Було визначено геометрію акумулятора у вигляді правильного шестикутника, проведені оптимізаційні розрахунки з визначення геометричних та технологічних характеристик акумулятора, оціночні розрахунки теплообміну при течії нагрітого теплоносія в вертикальному U- подібному ґрунтовому теплообміннику і процесу теплообміну в системі «теплообмінник - ґрунт».

Рис. 10. Принципова схема теплонасосної установки з ґрунтовим акумулятором теплоти, ТН - теплові насоси, модуль 1 - ґрунтовий акумулятор теплоти, модуль 2 - ґрунтовий колектор теплоти, К_св - вимірювальні свердловини, С_в.р. - робочі свердловини

Проведений аналіз з вибору найбільш оптимальної схеми ґрунтового теплообмінника, що визначалась відношенням теплообмінного периметра до витрат на його створення, показав, що U- подібний теплообмінник є найбільш прийнятним. Він відрізняється відносно низькою вартістю, простотою виготовлення, монтажу і наступною експлуатацією. Для оціночного розрахунку теплообміну при течії нагрітого теплоносія в вертикальному U- подібному ґрунтовому теплообміннику і в системі «теплообмінник-ґрунт» проведено чисельне моделювання спряженої пласкої (двомірної в декартовій системі координат) задачі програмним пакетом Phoenics. Для розрахунків динаміки процесу застосована стандартна k- модель турбулентності, яка описується системою рівнянь: нерозривності потоку рідини, руху та теплообміну потоку рідини, теплопровідності для твердого тіла (для стінки труби теплообмінника и для ґрунтового масиву). Додатково для опису турбулентного режиму течії теплоносія до загальної системи додаються рівняння для кінетичної енергії турбулентності та для швидкості дисипації.

При проведенні розрахунків було прийнято: тривалість опалювального періоду -180 діб, період акумулювання - 180 діб, температура теплоносія при акумулюванні на вході в ґрунтовий теплообмінник 50^оС, при вилученні - 10^оС. Характеристика ґрунту (глина з вологим піском): глибина річних змін температури -5 м, температура -8 ^оС, теплопровідність - 1,42 Вт/м•К, теплоємність-1,15•10³ Дж/кг, густина-1,84•10³ кг/м³. Визначені об'єми основної V₀ =402 м³ та буферної V_s=15501 м³ областей акумулювання та їх тепловий вклад, максимальне значення температури основної області в кінці акумулювання Т_c,max=28 °C, кількість акумульованої теплоти Е_а=17,85·10¹⁰Дж Середня потужність акумулятора при вилучені теплоти склала 11,5 кВт.

За результатами розрахунків одержані зміни температурних полів при акумулюванні та вилучені теплоти в залежності від часу та початкових теплофізичних властивостей ґрунту і теплоносія (рис.11) та графіки розподілу температури ґрунту при акумулюванні та вилученні теплоти при різних швидкостях теплоносія на вході в ґрунтовий теплообмінник (рис. 12) і значення температур теплоносія на виході з ґрунтового теплообмінника при акумулюванні та вилучені теплоти(рис.13).

а

б

Рис.11 . Поля температур при акумулюванні (а) впродовж 6 місяців та вилученні (б) впродовж 6 місяців теплоти U-подібним теплообмінником

Рис.12. Розподіл температури в ґрунтовому масиві, а -при акумулюванні, б - при вилученні теплоти, швидкість теплоносія на вході в ґрунтовий теплообмінник:

1- w=0,1 м/с; 2 - w=0,2 м/с; 3 - w=0,5 м/с; 4 - w=0,7 м/с; 5- w=1,0 м/с,

6 - w=0,1 м/с (при акумулюванні w=1,0 м/с)

а

б

Рис. 14. Характер зміни температура теплоносія на виході з ґрунтового U-подібного теплообмінника, при акумулюванні (а) та вилученні (б) теплоти при різних його швидкостях на вході:1- w=0,1 м/с; 2 - w=0,2 м/с; 3 - w=0,5 м/с; 4 - w=0,7 м/с; 5- w=1,0 м/с.

Зазначено, що при використанні U-подібного теплообмінника виникає неповне заповнення бурового простору свердловини. Для максимального наближення теплообмінного периметру теплообмінника до

окружності свердловини в експериментальному акумуляторі були застосовані двох та трьохпетлеві схеми U-подібних теплообмінників.

За результатами розрахунків експериментальний ґрунтовий акумулятор складається з 7 вертикальних свердловин з зануреними в них U- подібними ґрунтовими теплообмінниками, які розташовані в вершинах та в центрі правильного шестикутника з кроком L = 2,5 м. Глибина свердловин - 20,5 м, діаметр свердловини 150 мм. (рис. 15).

Рис. 15. Схема ґрунтового сезонного акумулятора

Теплообмінники з'єднані між собою послідовно. Як об'єкт акумулювання обраний ґрунтовий масив на території ІТТФ НАН України. Для вимірювання температури ґрунтового масиву були пробурені додатково контрольні свердловини (1,2,3,9) глибиною 25 м. У процесі буріння відібрані зразки ґрунту з різної глибини для визначення теплофізичних властивостей ґрунту. Використовуючи методики й установки ІТТФ НАН України, були визначені питома теплоємність проб ґрунту й коефіцієнт теплопровідності.

Виготовленні ґрунтові теплообмінники різних U- подібних конструкцій з поліетиленових труб, оснащені датчиками і приборами виміру температури , були занурені у свердловини. Над ними були обладнані колодязі, в які виведені труби теплообмінників для підводу та відводу теплоносія, проводка з виходами датчиків температури для подальшого підключення через кабель до восьмиканальних приборів виміру та контролю температури УКТ-38-Щ4. Для зменшення впливу теплових режимів поверхневих шарів ґрунту на процеси в акумуляторі та зменшення втрат теплоти був створений теплозахисний щит товщиною до1,2 м.

Проведений техніко-економічний аналіз витрат при використанні теплонасосних систем теплопостачання для різних споживачів в комунальному секторі та порівнювальний аналіз з системами опалення, які використовують газ і електроенергію, показав, що річні витрати на енергоносії нижче, ніж у традиційних систем і систем електроопалення, розрахованих по самому сприятливому нічному тарифу. При однаковому виробленні теплоти витрати палива у 1,7 рази нижчі, ніж для системи традиційного теплопостачання з використанням газу, і у 4,5 рази нижчі, ніж для системи електроопалення.

Встановлено, що використання теплонасосних систем для комунального теплопостачання України має не тільки технічні та екологічні переваги порівняно з традиційними системами теплопостачання, але й економічно вигідним для деяких споживачів при діючих сьогодні тарифах і цінах на енергоносії (рис.16).

Рис. 19. Залежність собівартості 1 Гкал від системи теплопостачання

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз процесів акумулювання - вилучення теплоти в необмеженому ґрунтовому масиві вертикальними одиночними трубними та сферичним теплообмінниками та системою теплообмінників з використанням розрахунково-аналітичної моделі.

Для системи «вертикальний теплообмінник - ґрунт» розроблено алгоритм управління роботою теплообмінника в режимі подекадного перериваного (день-ніч) акумулювання. Виявлено низьку ефективність акумулювання одиночним теплообмінником.

Для системи «сукупність вертикальних теплообмінників - ґрунт» встановлено, що значне покращення характеристик акумульованої енергії та підвищення температурного рівня можливі створенням зустрічно спрямованих теплових потоків, що досягається при певному системному розташуванні вертикальних теплообмінників свердловинного типу в ґрунтовому масиві.

2. Визначені умови раціональної організації та ефективної роботи ґрунтового акумулятора, що дає можливість підвищити його тепловий потенціал, забезпечити практично повне вилучення накопиченої енергії. Складено метод розрахунку ефективного ґрунтового акумулятора.

3. Вперше вирішена задача з визначення співвідношень розмірів основної області акумулювання, при яких досягається мінімальний розмір буферної області, для різних форм основної області акумулювання.

4. Проведені розрахунки з визначення глибин річних змін температури у ґрунті з використанням статистичних даних та регресійного аналізу їх обробки. За результатами розрахунків вперше складена карта глибин річних змін температур на території України.

5. За результатами проведених досліджень створений пілотний експериментальний сезонний ґрунтовий акумулятор потужністю 11,5 кВт для підігріву теплоносія системи опалення частини приміщень корпусу №1 ІТТФ НАН України в тепловому насосі.

6. Проведена техніко-економічна оцінка доцільності використання теплонасосних систем теплопостачання показала, що такі системи мають не тільки технічні і екологічні переваги порівняно з традиційними системами, але для ряду споживачів є економічно вигідними при діючих тарифах і цінах на енергоносії.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

А_м, В,- параметри;

a_м - коефіцієнт температуропровідності ґрунтового масиву, м²/с;

c_в, c_м - коефіцієнти питомої теплоємності теплоносія та ґрунтового масиву Дж/(кг·К);

D, d - діаметр, м;

E - кількість акумульованої теплоти, Дж;

G_в - масова витрата теплоносія, кг/с;

H, h - висота, м;

L - довжина, м;

N - теплова потужність, Вт;

q - густина теплового потоку, Вт/м²;

q₀ -густина теплового потоку на зовнішній поверхні труби, Вт/м²;

q_м -густина теплового потоку від ґрунтового масиву, Вт/м²;

R, r - радіус, м;

R₀ - радіус теплообмінника, м;

R_ст - внутрішній радіус труби-теплообмінника, м;

Т - температура, °С;

T₀ - температура на зовнішній поверхні К;

Т_в - температура теплоносія, К;

T_ст - температура внутрішній поверхні труби;

T_м - температура ґрунтового масиву, К;

V - об'єм, м³;

v - швидкість руху теплоносія, м/с;

б_ст - коефіцієнт тепловіддачі на внутрішній стінки труби, Вт/(м²•К);

з - коефіцієнт ефективності;

л_м - коефіцієнт теплопровідності ґрунтового масиву, Вт/(м·К);

л_ст - коефіцієнт теплопровідності стінки труби, Вт/(м·К);

с_м -густина ґрунтового масиву, кг/м³;

ф -інтервал часу, с.

СПИСОК ОСНОВНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бєляєва Т.Г. Системи теплопостачання на основі вилучення природної теплової енергії ґрунту / Беляева Т.Г. // Комунальна теплоенергетика України: стан, проблеми, шляхи модернізації. Колективна монографія.- Київ, 2007, т.2, с.495-504.

2. Накорчевский А.И. Проблемы грунтового аккумулирования теплоты и методы их решения / Басок Б.И., Беляева Т.Г. // Пром. теплотехника.-2003.-Т. 25-№ 3-С. 42-50. (складання програм та проведення розрахунків процесів акумулювання та вилучення теплоти)

3. Накорчевский А.И. Моделирование аккумулирования-разряжения теплоты в неограниченном грунтовом массиве / Басок Б.И., Беляева Т.Г. // Труды V Минского международного форума по тепломассообмену-2004.-Т. 3- С. 3 - 21. (складання програм, проведення розрахунків, підготовка матеріалів до публікації)

4. Накорчевский А. И. Регрессионный анализ глубин годовых флуктуаций температур в верхних слоях грунта / Беляева Т. Г. // Пром. теплотехн. 2005. Т. 27. № 6. С. 86-90. (проведення розрахунків по визначенню глибин річних змін температури у ґрунті з використанням статистичних даних та регресійного аналізу їх обробки, складання карти, , підготовка матеріалів до публікації)

5. Накорчевский А.И. Эффективность схемных решений при грунтовом аккумулировании теплоты / Басок Б.И., Беляева Т.Г. // Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії як альтернативні первинним. Збірник наук. статей, Львів, 2005, С. 236-240. (проведення розрахунків, участь в розробці схемних рішень)

6. Накорчевский А.И. Технологические показатели различных схем грунтового аккумулирования теплоты / Басок Б.И., Беляева Т.Г. // Теплоэнергетика. 2006. №3. С.29-35. ( проведення аналізу роботи теплообмінників і співставлення показників їх роботи)

7. Накорчевский А.И. Некоторые аспекты использования теплоты солнечной радиации для коммунального теплоснабжения / Басок Б.И., Беляева Т.Г. // Известия РАН. Энергетика. 2007. №1. С.86-95. (проведення розрахунків, участь в розробці технічних рішень, підготовка матеріалів до публікації)

8. Недбайло А.Н. Автоматизированное измерение температуры при помощи аппаратно-программного комплекса / [Коломейко Д.А., Беляева Т.Г., Декуша Л.В.] // Пром. теплотехника. - 2007. - Т. 29, № 4 - С. 114 - 119. (участь в розробці схеми та технічного рішення для більш точного та швидкого вимірювання температур за допомогою розробленого пристрою, підготовка матеріалів до публікації)

9. Накорчевский А.И. Извлечение возобновляемой теплоты терриконов / Недбайло А.Н., Беляева Т.Г. // Пром. теплотехника. - 2007. - Т. 29, № 7 - С. 22 - 26.( участь в розробці технічних рішень та проведення розрахунків щодо вилучення відновлювальної теплоти з ґрунту та вугільних териконів)

10. Басок Б.И. Экспериментальный модуль гелиогеотермальной установки для теплоснабжения / [Накорчевский А.И., Беляева Т.Г., Недбайло А.Н., Чалаев Д.М., Голуб И.С.] // Пром. теплотехника. - 2006. - Т. 28, № 1 - С. 69 - 78.(участь в розробці схеми установки, проведення розрахунків та аналізу техніко-економічних показників, підготовка матеріалів до публікації)

11. Басок Б.И. Анализ экономической эффективности теплонасосных систем теплоснабжения / [Беляева Т.Г., Рутенко А.А., Лунина А.А.] // Пром. теплотехника. - 2008. - Т. 30, № 4 - С. 56 -63. (проведення розрахунків та їх аналіз, підготовка матеріалів до публікації )

12. Городничий В.Е. Сорока Д.В., Басок Б.И., Беляева Т.Г., Рутенко А.А. Экономическая эффективность системы отопления на базе тепловых насосов малой мощности / [Сорока Д.В., Басок Б.И., Беляева Т.Г., Рутенко А.А.]. // Пром. теплотехника. - 2008. - Т. 30, № 6 - С. 89 -94. (проведення розрахунків та їх аналізу, підготовка матеріалів до публікації )

13. Пат. 42349 Україна МПК Е 03 В 3/00. Спосіб вилучення теплоти води з водозабірної свердловини / Долінський А.А., Басок Б.І., Бєляєва Т.Г., Кужель Л.М., Накорчевський А.І., Хибина М.А.,Ткаченко М.В., Кочешев І.О.; заявник Інститут технічної теплофізики НАН України.-№200902423; заявл.18.03.09; опубл.25.06.09. Бюл. №12.

14. Пат. 44191 Україна МПК F 24 D 3/00. Спосіб вилучення теплоти колодязної води / Долінський А.А., Басок Б.І., Кужель Л.М., Бєляєва Т.Г., Ткаченко М.В., Коба А.Р., Недбайло О.М.; Інститут технічної теплофізики НАН України.-№200903143; заявл.03.04.09; опубл.25.09.09. Бюл. №12.

15. Беляева Т.Г. Оценка экономической целесообразности использования тепловых насосов в коммунальной теплоэнергетике Украины / [Рутенко А.А., Ткаченко М.В., Басок О.Б.] // Пром. теплотехника. - 2009. - Т. 31, № 5 - С. 81 -87. (проведення розрахунків та їх аналізу, підготовка матеріалів до публікації)

16. Луніна А.О. Експериментальна теплонасосна установка з грунтовим колектором для автономного теплопостачання і кондиціювання /[Тесля А.І., Коба А.Р., Недбайло А.М., Бєляєва Т.Г., Хибина М.А., Ткаченко М.В. ] // Пром. теплотехника. - 2009. - Т. 31, № 7 - С. 13 -17. (участь в розробці схеми установки, проведення розрахунків).

17. Беляева Т.Г. Экономические аспекты использования тепловых насосов для теплоснабжения / [Рутенко А.А., Ткаченко М.В., Басок О.Б.] // Пром. теплотехника. - 2009. - Т. 31, № 7 - С. 34 -835 . (проведення розрахунків економічних показників та їх аналізу)

АНОТАЦІЯ

Бєляєва Т.Г. Розробка та створення сезонного ґрунтового акумулятора теплоти. - Рукопис. Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 «Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика» / Інститут технічної теплофізики Національної академії наук України. - Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню проблем, пов'язаних з організацією ефективного сезонного ґрунтового акумулятора теплоти. В представленій роботі відображено аналіз процесів акумулювання-вилучення теплоти в необмеженому ґрунтовому масиві вертикальним одиночним трубним, сферичним та системою теплообмінників з використанням розрахунково-аналітичної моделі. Визначені умови раціональної організації та ефективної роботи ґрунтового акумулятора, що дає можливість підвищити його тепловий потенціал та забезпечити практично повне вилучення накопиченої енергії. Складено метод розрахунку ефективного ґрунтового акумулятора теплоти. Використовуючи розроблений метод, створено експериментально-промислову теплонасосну установку з ґрунтовим сезонним акумулятором теплоти.

На основі регресивного аналізу масиву багаторічних середньомісячних температур ґрунту на різних глибинах визначені глибини річних змін температури в верхніх шарах ґрунту на території України, які знаходяться в межах 5-7 м з температурою від 8 ^оС (в північній частині) до 16,5 ^оС ( на півдні). За результатами розрахунків складена карта глибин річних змін температур на території України.

Проведений техніко-економічний аналіз доцільності створення і експлуатації теплонасосних систем теплопостачання показав, що такі автономні системи теплопостачання не тільки мають технічні і екологічні переваги, але для ряду споживачів є економічно вигідними при діючих тарифах та цінах на енергоносії.

Ключові слова: сезонне акумулювання теплоти, ґрунтовий вертикальний теплообмінник, вилучення теплоти ґрунту.

АННОТАЦИЯ

Беляева Т.Г. Разработка и создание грунтового сезонного аккумулятора. - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика» / Институт технической теплофизики Национальной академии наук Украины. - Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению задач по разработке и созданию эффективного сезонного грунтового аккумулятора теплоты. Используя расчетно-аналитическую модель, проведено математическое моделирование динамики процессов аккумулирования-извлечения теплоты в неограниченном грунтовом массиве вертикальным одиночным теплообменником и совокупностью теплообменников. Подтверждение адекватности расчетно-аналитической модели получено путем ее сопоставления с решением полной сопряженной задачи гидродинамики и теплообмена в системе «скважина-грунт» в цилиндрической системе координат пакетом моделирующих программ PHOENICS.

Рассмотрено влияние регулярных длительных перерывов в роботе, что характерно при аккумулировании солнечной энергии. Выявлена необходимость управления процессом. Разработан алгоритм управления

процессом для системы «теплообменник - грунт» в режиме подекадного прерывистого (день-ночь) аккумулирования. Установлена низкая эффективность работы одиночных теплообменных устройств. Параметры аккумулирования существенно повышаются при организации встречно направленных тепловых потоков при групповом размещении теплообменников в грунте. Представлен пример расчета для теплового обеспечения поселка на 6 тысяч жителей.

Сформулированы основные принципы создания и разработан метод расчета эффективного грунтового сезонного аккумулятора большой тепловой емкости. При исследовании технологических показателей разных форм области аккумулирования - в виде шара, цилиндра, прямоугольного параллелепипеда - установлено, что наиболее оптимальной является последняя. При такой форме нагрузка равномерно распределяется по объему основной области. Для аккумуляторов с малым числом теплообменников наиболее компактной является форма шестиугольника.

Проведен статистический анализ и определены глубины годовых изменений температур на территории Украины, которые находятся в пределах 5-7 м с температурой от 8 ^оС (в северной части) до 16,5 ^оС (на юге). По полученным данным составлена карта.

Разработан и создан экспериментально-промышленный грунтовой сезонный аккумулятор теплоты мощностью 11,5 кВт, аккумулированная теплота которого служит для подогрева в тепловом насосе теплоносителя, идущего в систему отопления части помещений корпуса №1 Института технической теплофизики НАН Украины.

Проведеная технико-экономическая оценка целесообразности использования теплонасосных систем для теплоснабжения показала, что системы имеют не только технические и экологические преимущества по сравнению с традиционными системами, но и для ряда потребителей являются экономически выгодными при действующих тарифах и ценах на энергоносители.

ANNOTATION

Belyaeva T. G. Development and creation of soil seasonal accumulator of heat. - Manuscript.

The thesis for degree of candidate of technical science on the speciality 05.14.06 “Technical thermophysics and industrial thermoenergetics. The Institute of Engineering Thermophysics of National academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is conducted researches on development and creation of effective seasonal soil accumulator of heat. Work of heat-transfer apparatuses of the ground heat storage is analyzed. A calculation-analytical model is used for the mathematical modelling of dynamics of processes of accumulation- exception of heat at single and groups their location in a storage massif. Completeness and adequacy of the developed calculation-analytical model was tested by comparison with the decision of the complete attended task of hydrodynamics and heat exchange in the system «hole-soil» in the cylindrical system of co-ordinates by the package of designing software of PHOENICS.

Modelling of prolonged processes of accumulation of solar heat energy in the soil massif taking into account interrupted work of solar collectors and natural drift of heat in a soil and next abstract of the accumulated heat from soil of a heat pump. An algorithm is developed providing invariability of region of distribution of heat. It is attainable at the declining in time closeness of thermal stream. Low efficiency of work of single heat-exchange devices is set.

...