CC BY
33
УДК 536.491
Сапрыкина Надежда Юрьевна
старший преподаватель
E-mail: nadin_id@mail.ru
Астраханский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 414056, Россия, г. Астрахань, ул. Татищева, д. 18
Исследование факторов, влияющих на работу грунтовых тепловых насосов при длительных сроках эксплуатации
Аннотация
Постановка задачи. Цель исследования - выявить факторы, влияющие на работу грунтовых тепловых насосов при длительных сроках эксплуатации. Для эффективной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником при проектировании должны быть выбраны оптимально благоприятные условия и месторасположения будущих скважин.
Результаты. Основные результаты исследования состоят в том, что ежегодное падение грунтовой температуры будет постепенно сокращаться в условиях знакопеременного режима. Процесс регенерации позволяет компенсировать «недостающие» величины тепловой нагрузки. При этом объем грунтового массива, подверженного изменению температурного режима, будет расширяться с каждым годом.
Выводы. Значимость полученных результатов для строительной отрасли состоит в том, что полученные результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований могут служить научной основой проектирования и технико-экономической оценки геотермальных ТНУ с учётом долговременных прогнозов параметров их работы, а также с учётом циклической работы ТНУ.
Ключевые слова: температура грунта, температурное поле, тепловой насос, геотермальная скважина, активная нагрузка, регенерация.
Введение
Технологические особенности теплонасосных установок (ТНУ) применяемые в отраслях промышленности, сельского хозяйства, пищеперерабатывающей и культивационных сооружениях, позволяют использовать это оборудование, как в режиме теплоснабжения, так и в режиме хладоснабжения [1-3, 14-15]. Как правило, использование разных технологических режимов сезонно. Зимой - тепло, летом - холод (кондиционирование). Обычно, 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 грунта меняться в зависимости от режимов работы ТНУ. Характеристика изменения температурных волн в зависимости от режима эксплуатации теплового насоса отражены в исследованиях [4-6]. Известно, что при работе установки только на нагрев или только на охлаждение заметные изменения температурного фона грунта, отражающиеся на технико-экономических показателях (ТЭП) теплового насоса, проявляются на 5-й год эксплуатации [7-8].
Расчетные режимы
Рассматривая вопросы выбора расчётных режимов работы теплоэнергетического комплекса для системы отопления и кондиционирования, определения начальных и граничных условий при выбранных технологических режимах теплового насоса (рис. 1), предложена модель тепломассообменных процессов в пласте в зоне влияния вертикальной геотермальной скважины, включая нестационарную теплопроводность и перенос тепла фильтрационным потоком грунтовых вод [9-10]. Исследованы несколько режимов работы ТНУ (рис. 2) [11]:
- нестационарный (режим № 1) - технологический режим, когда установка работает только на тепло (только на охлаждение);
- знакопеременный (режим № 2) - технологический режим, когда установка работает в отопительный период и межсезонье - на тепло, летом - на кондиционирование (охлаждение).
Рис. 1. Принципиальная схема системы отопления и кондиционирования: ТНУ - теплонасосная установка; СО - система отопления; СК - система кондиционирования; РК - распределительный коллектор; Р - тепловой поток; 2фон - фоновый поток земли
1 № У № /X
© 1 ©1 © >7 © т © *
1 1 3 4 5 г
1 У и IX
© # © IV © [© нг © X
в ю е 0 т
1 2 ) ; 5
ГЛ
а)
лл
б)
Рис. 2. Расчетная схема периодов работы ТНУ по этапам: I - 6 мес.; II - 1 год; III - 1,5 года; IV - 2 года; V - 2,5 года; VI - 3 года;
VII - 3,5 года; VIII - 4 года; IX - 4,5 года; X - 5 лет. а) в одном технологическом режиме; б) в двух технологических режимах одновременно
Для получения результатов было выбрано время достижения квазистационарного режима и определялось расчётом и находится в пределах 5 лет, что также подтверждается эксплуатационными параметрами действующих скважин [7, 9-11].
Условиями расчёта определено чередование периодов включения ТНУ с периодами её остановки с цикличностью, определяемой временем года, без изменения направления теплового потока (рис. 2а). Знаком «+», отмечена нагрузка, положительные значения (подвод в скважину). На рисунке 2б знаком «+» - подвод «активной» нагрузки в скважину, знак «—» - отвод. Стоит отметить, что под понятием «активная нагрузка» понимается та, преобладающая нагрузка, которая необходима для выполнения основной задачи оборудования на данный период эксплуатационного периода. Например, [12] установка ТНУ предназначена для круглогодичной эксплуатации, с применением процессов холодоснабжения и сезонного теплоснабжения - зимой отопление, летом охлаждение цеха по переработке молочной продукции. Встречаются случаи [13] эксплуатации установки, работающей одновременно на тепло и на охлаждение в один и тот же период. Тогда, такая «активная» нагрузка может выступать в качестве подвода в геотермальную скважину тепла, либо холода и наоборот.
Формирование температурного поля грунта
Предельные состояния температуры пласта достигаются к моменту завершения цикла, т.е., например, к окончанию отопительного сезона, в связи, с чем расчётные значения, используемые для определения эксплуатационных характеристик
фиксировались на этот момент времени. Диапазон плотностей тепловых потоков также определялся условиями эксплуатации действующих скважин и ограничивался от 100 до 500 Вт/м2. Результаты исследования отражены на рис. 3.
а) б) в)
Рис. 3. Изменение температурного поля: а) при подводе «активной» нагрузки в течение 6 месяцев; б) в режиме «простоя» оборудования; в) при знакопеременном режиме на период 1-го года эксплуатации
На рис. 4 показаны результаты исследования с момента первого включения ТНУ до установления квазистационарного режима.
При работе оборудования 6 месяцев наблюдается резкий скачок температуры (рис. 4а), что связано, с внешним возмущающим фактором на грунт. Этим факторов и выступает «активная» нагрузка. Из рис. 4а видно, что за 2 года работы теплового насоса в одном технологическом режиме (режим № 1), температура грунта, сформированная с помощью «возмущающего» фактора в среднем увеличивается на 2°С (диапазон зависит от величины активной тепловой нагрузки). В отключенном режиме ТНУ, фоновая температура грунта в среднем увеличилась от 1,5 до 2°С. Циклическое повторение режимов подвода тепла с «простоями» (т.е. когда тепловой насос не совершает никакой работы) приводит к эффекту аккумулирования тепла, компенсируемого фоновыми тепловыми потоками. Квазистационарное состояние, соответствующее циклическому режиму без дальнейшего роста температур наступает на этапе - 2,5 года, в режиме «простоя» - 3 года (рис. 4а).
Рис. 4. Изменение температуры пласта в зависимости от технологического режима: а) в нестационарном режиме б) в знакопеременном режиме подводе тепла
Исследования показали, что, при знакопеременном режиме, изменение температуры по циклическому закону достигается раньше (рис. 4б), чем при нестационарном режиме. Таким образом, через 2,5 года наступает квазистационарное состояние, когда сезонные изменения входят в установившийся циклический режим. Очевидно, что при отводе тепла
пласт охлаждается, а при подводе нагревается, но последовательное реверсирование теплового насоса приводит к появлению системы тепловых волн, которые приводят к изменениям температуры скважины и влияют на технико-экономические параметры оборудования. В связи с этим, для сохранения проектных параметров гелиоэнергетической установки и теплового баланса грунта, необходимо комбинировать направление тепловых потоков, то есть оптимальным режимом является чередование отопление/кондиционирование. Распределение температур в грунте, может положительно сказаться на долговременной эксплуатации грунта.
Неоспоримым фактором, влияющих на работу грунтовых тепловых насосов и на температуру грунта при длительных сроках эксплуатации является наличие фильтрационного потока грунтовых вод. Длительная эксплуатация в условиях влияния фильтрационного потока приводит к изменениям в пласте на малых расстояниях от оси скважин. На рис. 5 представлены результаты изменения температурного поля за 2 года эксплуатации в результате «простоя» оборудования.
л, ¡¡с? и- ■■яг
— ||Ь-
пол
расстояние, м
I* I* 30
а)
б)
Рис. 5. Изменение температурного поля по направлению фильтрационного поток за 2 года в режиме «простоя» оборудования
I
!
I
а)
б)
Рис. 6. Изменения температуры грунта при различных скоростях грунтовых вод при: а) ифил = 0,0000005 м/с; б) ифш = 0,000006 м/с
При скорости фильтрации 0,0000005 м/с, соответствующей холмистому рельефу местности с высокой проницаемостью грунтов получено поле температур с ярко выраженной асимметрией (рис. 6а). На рис. 6б показано влияние фильтрационного потока со скоростью ифил = 0,000006 м/с. Тепловой поток во встречном фильтрационному потоку крайне мал, и изменение температуры вблизи скважины наблюдается только в районе
значительного градиента температур на расстоянии менее 2 м от оси скважины. С противоположной стороны градиент температур мал и отвод тепла в этом направлении меньше в 5-10 раз. Интегральная оценка эффективности теплоотвода показывает его рост. Сравнивая температуру на забое геотермальной скважины, можно отметить понижение температуры на 20-25°С, что повышает коэффициент трансформации теплонасосной установки, снижая расход энергии.
Эффективность работы ТНУ при длительной эксплуатации
Зная факторы, влияющие на работу оборудования, можно провести расчет для более эффективного технико-экономический анализа, что позволит минимизировать суммы капитальных и эксплуатационных затрат. Для расчета предложено выражение (1):
Эф = Qknzsf (1)
где Q - кВт, электропотребляемая мощность оборудования (технический паспорт); k -коэффициент загруженности оборудования, зависящий от времени эксплуатации оборудования (0,5-1); n - количество оборудования, шт; z - временной период эксплуатации оборудования; s - стоимость электроэнергии в регионе эксплуатируемого оборудования; f - фактор отрицательного влияния на работу ТНУ (от 0 до 100 %).
Заключение
Выявлено влияние геотермальной скважины на температурное поле пласта и параметры работы низкопотенциальной геотермальной теплонасосной установки.
Список библиографических ссылок
1. Атманских М. Б. Температурные волны в грунте вблизи основания тепловыделяющегося сооружения // Вестник Тюменского государственного университета. 2013. № 7. С. 146-153.
2. Булдакова, И. Н. Нагрев теплоносителя в трубе U-образного грунтового коллектора теплонасосной установки // Интеллектуальные системы в производстве. 2014. № 2. С.175-177.
3. Серьогин А. А., Осьмак А. А., Рябоконь Н. В. Охлаждение оборотной воды сахарного завода с использованием грунтовых контуров тепловых насосов // Вютник АМУ. 2014. № 2. С. 122-132.
4. Денисова А. Е., Мармусевич А. В. Моделирование тепловых процессов в грунтовой тепловой трубе теплонасосной системы тепло- и хладоснабжения // Труды Одесского политехнического университета. 2006. № 1 (25). С. 65-69.
5. Мацевитыи Ю. М., Тарасова В. А., Харлампиди Д. Х. Восстановление теплового потенциала грунта за счет выбора рациональных режимов работы теплонасосной системы: сб. ст. XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену / Минск, 2012. С. 736-739.
6. Федянин В. Я., Карпов М. К. Использование грунтовых теплообменников в системах теплоснабжения // Ползуновский вестник. 2006. № 4. С. 98-103.
7. Васильев В. Г. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. Теплоснабжение. 2007. № 5. URL: http: //www .abok.ru/for_spec/articles.php ?nid=3685 (дата обращения: 15.04.2016).
8. Ибрагимов Э. В. Опыт использования тепловых насосов в качестве систем термостабилизации грунта в криолитозоне // ОФМГ. 2015. № 5. С. 23-26.
9. Сапрыкина Н. Ю., Яковлев П. В. Моделирование температурного поля грунта при многолетней эксплуатации низкопотенциальных геотермальных скважин : сб. ст. VI Международного научного форума молодых ученых, студентов и школьников «Потенциал интеллектуально одаренной молодежи развитию науки и образования» / АГАСУ. 2017. C. 29-33.
10. Сапрыкина Н. Ю., Яковлев П. В. Исследование формирования температурного поля грунта при эксплуатации геотермальных тепловых насосов в условиях влияния грунтовых вод // Вестник ВГТУ. 2017. № 2 (46). C. 27-37.
11. Сапрыкина Н. Ю., Яковлев П. В. Исследование естественного изменения температурного поля при многолетней эксплуатации теплового насоса // Вестник ТГАСУ. 2016. № 4 (57). C. 117-125.
12. Сапрыкина Н. Ю. Формирование условий однозначности при нестационарном режиме работы для долгосрочного срока эксплуатации грунтового теплового насоса // Инженерно-строительный вестник Прикаспия: научно-технический журнал. 2016. № 3 (17). С. 40-48.
13. Сапрыкина Н. Ю. Комплексные мероприятия по энергосбережению на объектах птицеводческого хозяйства с применением КСТУ : сб. ст. XII Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути их решения» / СГТУ. Саратов, 2014. С. 351-356.
14. Alberti L. Borehole heat exchangers: how flow velocity and dispersion influence heat transfer // Flowpath 2014 - National Meeting on Hydrogeology. 2014.
15. Casasso A. Efficiency of closed loop geothermal heat pumps: a sensitivity analysis // Renewable Energy 62, 2014. P. 737-746.
Saprykina Nadezhda Yuryevna
senior lecturer E-mail: nadin_id@mail.ru
Astrakhan State University of Architecture and Civil Engineering
The organization address: 414056, Russia, Astrakhan, Tatishcheva st., 18
Investigation of factors affecting the operation of ground heat pumps for long periods of operation
Abstract
Problem statement. The purpose of the study is to identify the factors that affect the operation of ground heat pumps for long periods of operation. For the efficient operation of a heat pump with a vertical ground heat exchanger, optimum favorable conditions and locations for future wells should be selected during design.
Results. The main results of the study are that the annual drop in ground temperature will gradually decrease under conditions of alternating regimes. The process of regeneration makes it possible to compensate for the «missing» values of the heat load. At the same time, the volume of the soil massif, subject to a change in the temperature regime, will expand from year to year.
Conclusions. The significance of the results obtained for the construction industry is that the results of the theoretical and experimental studies carried out can serve as the scientific basis for the design and technical and economic evaluation of geothermal TNUs, taking into account long-term forecasts of their operation parameters, and also taking into account the cyclic operation of the TNU.
Keywords: soil temperature, temperature field, heat pump, geothermal well, active load, regeneration.
References
1. Atmanskikh M. B. Temperature waves in the soil near the base of a heat-generating structure // Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013. № 7. P.146-153.
2. Buldakova I. N. Heating of the coolant in the pipe of the U-shaped ground collector of the heat pump plant // Intellektual'nyye sistemy v proizvodstve. 2014. № 2. P. 175-177.
3. Seriogin A. A., Osmak A. A., Ryabokon N. V. Cooling of the circulating water of a sugar plant using ground circuits of heat pumps // Vystnik AMU. 2014. № 2. P. 122-132.
4. Denisova A. E., Marmusevich A. V. Modeling of thermal processes in the ground heat pipe of the heat pump system of heat and cold supply // Trudy Odesskogo politekhnicheskogo universiteta. 2006. № 1 (25). P. 65-69.
5. Matsevityi Yu. M., Tarasova V. A., Kharlampidi D. Kh. Recovery of the thermal potential of the soil due to the choice of rational operating modes of the heat pump system : dig. of art. XIV Minsk International Forum on Heat and Mass Transfer / Minsk, 2012. P.736-739.
6. Fedyanin V. Ya., Karpov M. K. Use of ground heat exchangers in heat supply systems // Polzunovskii vestnik. 2006. № 4. P. 98-103.
7. Vasiliev V. G. Geothermal heat pump systems of heat supply and efficiency of their application in climatic conditions of Russia // ABOK. Heat supply. 2007. № 5. URL: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3685 (reference date: 15.04.2016).
8. Ibragimov E. V. Experience in the use of heat pumps as systems of thermal stabilization of soil in the cryolithozone, // OFMG. 2015. № 5. P. 23-26.
9. Saprykina N. Yu., Yakovlev P. V. Modeling of the soil temperature field during long-term operation of low-potential geothermal wells / Sb. Art. VI International Scientific Forum of Young Scientists, Students and Schoolchildren «Potential of intellectually gifted youth in the development of science and education» / AGASU. 2017. P. 29-33.
10. Saprykina N. Yu., Yakovlev P. V. Investigation of the formation of the temperature field of the soil during the operation of geothermal heat pumps in conditions of the influence of groundwater // Vestnik VGTU. 2017. № 2 (46). P. 27-37.
11. Saprykina N. Yu., Yakovlev P.V. Investigation of the natural change in the temperature field during long-term operation of the heat pump // Vestnik TGASU. 2016. № 4 (57). P.117-125.
12. Saprykina N. Yu. Formation of the conditions of single-valuedness under non-stationary mode of operation for the long-term service life of the ground heat pump // Inzhenerno-stroitel'nyy vestnik Prikaspiya: nauchno-tekhnicheskiy zhurnal. 2016. № 3 (17). P. 40-48.
13. Saprykina N. Yu. Complex measures for energy saving at poultry farm facilities using KSTU : dig. of art. XII International Scientific and Technical Conference «Modern scientific and technical problems of heat power engineering. Ways to solve them» / SSTU. Saratov. 2014. P. 351-356.
14. Alberti L. Borehole heat exchangers: Flow velocity 2014 - National Meeting on Hydrogeology. 2014.
15. Casasso A. Efficiency of closed loop geothermal heat pumps: a sensitive analysis // Renewable Energy 62, 2014. P. 737-746.
