РОЗРОБКА МЕТОДУ ПіДТРИМКИ РОЗРЯДУ ГРУНТУ В ТЕПЛОНАСОСНОМУ ЕНЕРГОПОСТАЧАННі Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

J

УДК 621.31

Б01: 10.15587/2312-8372.2016.74705

Чайковська Е. Е. Р03Р0БКА МЕТОДУ ШДТРНМКН

РОЗРЯДУ ГРУНТУ В ТЕПЛОНАСОСНОМУ ЕНЕРГОПОСТАЧАНН1

Запропоновано метод тдтримки розряду грунту на основг прогнозування змти температури грунту при вимгрювант температури розеолу на виходг 1з випарника теплового насоса. Вико-ристання здобутог ттегрованог системи оцнки змгни температури грунту у складг динам1чног системи: грунтовий теплообмтник — випарник теплового насоса надае можливгсть приймати ршення на змту витрати розсолу на основг змгни частоти обертання електродвигуна цирку-ляцшного насосу та встановлювати точний термт розряду грунту.

Клпчов1 слова: теплонасосна установка, грунтовий теплообмтник, математичне та логгчне моделювання, прийняття ршень.

1. Вступ

Використання грунту як низькопотенцшного джере-ла енергп для теплонасосного енергопостачання щодо економп природного палива та зменшення шюдливих викидiв в атмосферу е перспективним у зв'язку iз природ-ною релаксащею грунту у неопалювальний перюд [1, 2]. Закрит контури вщбору теплоти з грунту на основi грунтових теплообмшниюв дозволяють, використовуючи горизонтальш чи вертикальнi теплообмiнники, забез-печити заряд розсолу — 30 % розчину етиленглжолю, що подаеться у випарник теплового насоса. Грунтовий горизонтальний колектор — теплообмшник, горизонтально укладений тд шаром грунту Головна перевага горизонтального колектора — простота монтажу. Недо-лж — значна площа тд грунтовий колектор, що дося-гае 50 м2 на 1 кВт потужностi теплового насосу. Але, у зв'язку з тим, що температура грунту на глибиш 40-150 м складае близько 8-10 °С, вертикальш ко-лектори е найбшьш спроможними забезпечити вiдбiр теплоти в межах 30-100 Вт на один метр довжини вертикального теплообмiнника в залежностi вщ типу Грунту. Тепловий насос — Грунт-вода з використанням вертикального теплообмшника потребуе меншу площу, але вимагае додаткових катталовкладень щодо бурш-ня свердловин. Зазвичай, конструкщею вертикального теплообмшника е труба в труб^ при якш, розсiл пiсля виходу з випарника теплового насосу подаеться цир-куляцiйним насосом вниз по однш лiнii, а по другш лiнii тим же насосом тдшмаеться вгору до випарника теплового насосу. Використання розсолу як нетради-цшного джерела енергii у теплонасосному енергопоста-чаннi потребуе недопущення переохолодження грунту щодо можливост його релаксацп в неопалювальний перiод. Вимiрювання ж температури грунту мають не завжди достовiрне використання у зв'язку iз значною тепловою акумулюючою емнiстю грунту та ускладню-ють пiдтримку грунтового розряду теплоти. З метою енергозбереження тдтримка функщонування системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу повинна ввдбуватись на основi прогнозування змши температури грунту в умовах змши споживання теплоти

та охолодження грунту. Цим обгрунтовуеться актуаль-шсть дано! роботи.

2. Об'скт дослщження та його технолопчний аудит

Об'ектом дослгдження е теплонасосне опалення.

Район використання теплонасосного опалення — м. Кшв. Опалювальна площа примщення, Fо = 100 м2; питоме теплове навантаження опалення, цо = 60 Вт/м2; розрахункове теплове навантаження опалення, Оо = 6 кВт; розрахункова температура зовшшнього повiтря, = = -21 °С; середня температура зовшшнього повиря, tз0сер. = -1,1 °С; розрахункова температура внутрiшнього повиря, tвp. = 18 °С; тривалкть опалювального перiодy по = 4448 годин; рiчний вiдпуск теплоти на опалення, 0ор1чн. = 47 ГДж/рж. Для забезпечення теплового навантаження опалення обрано тепловий насос вичиз-няного виробництва типу VDE ТН-6, розсш — вода, спецiально розроблений та адаптований до вичизняних умов експлуатацп. Тепловий насос типу VDE ТН-6 мае наступш технiчнi характеристики: теплопродуктив-нiсть, Qx = 6,3 кВт; споживана електрична потужшсть Qe = 1,6 кВт; коефiцiент перетворення, COP = 3,94; максимальна температура води на виходi iз конденсатора для опалення, ^их. = 55 °С. Для розробки методу тдтримки розряду грунту запропоновано використання грунтового теплообмшника вертикального типу для вщбору теплоти грунту, що мае наступш конструктивш характеристики: тип — труба в трубг, зовшшнш дiа-метр теплообмшника, da = 0,219 м; внутрiшнiй дiамeтр теплообмшника, dв = 0,180 м; довжина теплообмшника, L = 94,5 м.

Обладнання теплового насосу типу VDE ТН-6 ст-ральним компресором типу Copeland Scroll надае мож-ливкть гнучкого регулювання температури мiсцeвоi води в залежносп вiд споживання теплоти та температури грунту на основi прогнозування змши температури грунту Можливкть оновлення програмного забезпечення щодо впровадження новггшх енергозберкаючих техно-логш дозволяе удосконалити систему пiдтримки функщонування теплонасосного енергопостачання в умовах

недопущения переохолодження грунту з використанням тдтримки функцюнування системи: грунтовий тепло-обмiнник — випарник теплового насосу.

3. Мета та задач1 дослщження

Мета роботи — розробити метод тдтримки роз-ряду грунту у складi динамiчноi системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насоса.

Поставлена мета буде досягнута при виконанш таких задач:

— обгрунтувати необхщшсть прогнозування змiни температури грунту, вимiрюючи температуру розсолу на виходi з випарника теплового насосу, для при-йняття ршень на змiну витрати розсолу на основi змiнi частоти обертання електродвигуна циркуля-цiйного насосу та встановити точний початковий та юнцевий термш розряду грунту;

— розробити структурну схему комплексного мате-матичного та лопчного моделювання у складi дина-мiчноi системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насоса щодо здобуття еталонноi та функцiональноi оцiнки змiни температури грунту;

— розробити структурну схему тдтримки функцюнування динамiчноi системи: грунтовий теплообмш-ник — випарник теплового насосу щодо прийняття ршень на змiну витрати розсолу на основi змiнi частоти обертання електродвигуна циркуляцшного насосу, встановлення точного початкового та юн-цевого термшу розряду грунту та пiдтвердження прийнятих ршень;

— запропонувати iнтегровану систему оцшки змiни температури грунту щодо забезпечення функцюнування динамiчноi системи: грунтовий теплообмш-ник — випарник теплового насоса.

— оцiнити практичну значушдсть здобутих резуль-татiв.

4. Анал1з л1тературних даних

Удосконалення засобiв грунтового розряду теплоти у теплонасосному енергопостачанш базуеться як на ш-тенсифiкацii процесiв теплообмiну в грунтовому тепло-обмiннику, так i у систем! грунтовий теплообмiнник — тепловий насос. В робот [3], наприклад, представлено метод визначення теплових властивостей грунту та пе-редачi теплоти для вертикальноi свердловини грунтового джерела теплового насоса, що заснований на чисельних та експериментальних дослiдженнях. Доказана адекватшсть експериментальних даних оцiнки параметрiв теплообмiну в теплообмiннику результатам чисельного моделювання, але при вимiрюваннi температури грунту. В робот [4] запропонована теорiя теплового балансу грунту, в яюй на основi теоретичних та експериментальних дослщжень визначено можливостi використання додаткових джерел енергп впродовж року, але при вимiрюваннi температури грунту. Робота [5], наприклад, присвячена визначенню впливу конструктивних та режимних параметрiв вертикального грунтового теплообмшника на параметри теплообмшу щодо пiдiгрiву розсолу Встановлено перевагу використання стральних трубок у порiвняннi iз стандартними. В робот [6] визначенi конструкцшш можливостi горизонтального теплообмiнника щодо пе-редачi акумульованоi в грунтi теплоти. В робот [7]

на основ1 чисельно-анал1тичного моделювання системи: грунтовий масив — тепловий насос встановлено зв'язок процеав енергообмшу м1ж грунтом та розсолом, але в стацюнарному режим! В робот [8] визначена необхщ-шсть використання додаткового обладнання — градирш на основ1 визначення р1знищ м1ж температурою повггря та температурою грунту, але без узгодження температурного режиму розряду грунту та споживання теплоти та при вим1рювант температури грунту. Для недопущення охолодження грунту щодо узгодження розряду грунту та заряду розсолу необхщно прогнозувати змшу температури грунту, вим1рюючи температуру розсолу на виход1 1з випарника теплового насоса, та впливати на змшу витрати розсолу на основ1 змши частоти обертання електродвигуна циркуляцшного насоса, встановлюючи точний початковий та юнцевий термш розряду грунту.

5. Матер1али та методи дослщження

З використанням методолопчного та математичного обгрунтування архиектури технолопчних систем, методологи математичного опису динамжи енергетичних систем, метода графа причинно-наслщкових зв'язюв [9, 10] запропоновано математичне обгрунтування тдтримки функцюнування енергетичних систем на основ1 прогнозування змши параметр1в технолопчного процесу:

SOPS =

(1)

(D(P(t), MM (г, т), AI (t),C (t), LC(t) (*o(t), xi(T), х2(т), f (t), K (t), у(т), d(T), FI (т)), LMD(t), MD(t), NC(t), S (t), LS (т) (f (t), K (t), у(т), d (t), FI (t)) P (t))), R(t),(P (t)( Xl(T), f (т), K (t), y (т))),

де SOPS — тдтримка функцюнування енергетичних систем; D — динам1чна тдсистема — енергетична система; P — властивост елементв SOPS; MM — математичне моделювання динамши; AI — еталонна шформащя; C — контроль працездатност; MD — прийняття ршення; S — вдентифжащя стану; LC, LMD, LS — лопчш ввдносини в C, MD, S, ввдповвдно; FI — функщональна результуюча шформащя; NC — нов1 умови функцюнування; x — впли-ви; f — параметри, що д1агностуються; K — коефщ1енти математичного опису; y — вихщш параметри; d — дина-м1чн1 параметри; г — координата довжини, м; т — час, с. 1ндекси: i — число елементв SOPS; 0, 1, 2 — початковий режим, зовшшнш, внутршнш характер вплив1в.

Зпдно формули (1) запропоновано прогнозування змши температури грунту при вим1рюванш температури розсолу на виход1 1з випарника теплового насосу. З щею щллю розроблена математична модель динамжи динам1чно1 системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насоса. Передатна функщя за каналом: «температура грунту — витрата розсолу», що здобута в результат! ршення системи нелшшних диференцшних р1внянь, дозволяе ощнювати змшу температури грунту як у чаа, так i вздовж довжини теплообмшника, про-кладеного в грунтi, при змш витрати розсолу:

W -

*з£(1 - ) :(TBS + 1)ß-1

(1 -<

(2)

де

г(бо-Оо)

за часом, так i вздовж просторово1 координати oci теплообмшника визначена так:

Ga(

L _ G3C3 ;

3 a зо^зо

2

T _

1 в

ИвО^вО аззоКо

е* _£(1 - !з*); gвC

L * __;

L L3 + 1;

Y_-

(TвS + 1)ß-1

1

t(x, 2) _ —J O (co)sin(xc/c)d со.

(5)

a 330К3О

ß_ TMS + е* +1;

ß '

T _ gMCM

TM _ 7 , a з0"з0

де а — коефщент тепловiддaчi, кВт/(м2 ■ К); С — питома теплоемшсть, кДж/(кг ■ К); G — витрата речовини, кг/с; g — питома маса речовини, кг/м; h — питома поверхня, м2/м; t, 8, о — температура грунту, розподiляючоi стiнки, розсолу, К; г — координата довжини теплообмшника, м; Тв,, Тм — постшт часу, що характеризують теп-лову акумулюючу здатшсть грунту, металу, с; т — показник залежносп коефщента тепло-вщдач1 вщ витрати; I — час, с. 5 — параметр пе-ретворення Лапласа; 5= со/, со — частота, 1/с. 1ндексн: 0 — вихщний стацюнарний режим; 1 — вхiд в теплообмiнник•, в — внутршнш по-тiк — грунт; м — металева стшка; з — зовшш-нiй потж — розсiл.

Видiлено дiйсну частину передaтноi функ-цii О(ю):

З використанням формули (1) для здобуття ета-лонноi та функцiонaльноi ощнки змiни температури грунту розроблено структурну схему (рис. 1), зпдно яко' встановлено нaступнi рiвнi функцiонувaння дина-мiчноi системи: грунтовий теплообмiнник — випарник теплового насосу щодо змши температури розсолу на входi в теплообмшник та на виходi з теплообмшника, вщповвдно: перший рiвень — (-15)-(-10) °С; другий рiвень — (-10)-(-5) °С; третiй рiвень — (-5)-0 °С; четвертий рiвень — 0-5 °С.

Вкядш даш

Q0 = 6 кВт; 4 = 0,219 м; 4=0,180 м;£ = 94,5м

0 (со)_

(LA) + (МВ0Кзе(1 - L3*)

(A12 + B12)

(3)

Гр аничн азмш а темп ер aiy ри розеолу, iSD.-(-15)oC...0°C

Перший р1вазь: (-15)-(-10)°С: другий р1вень: {-10)-(-5)°С; трепй р1вень: (-5) - 0°С: четвертий р1веиь: 0 - 5°С. Витрата розеолу, С,=0,34 кг/с

Визначення коефщ1ент1Е теплов1ддач1, постшних часу та коефщ1€нт1в математнчноГ модеш динамки температури грунту У X

Еталонш динашчш характеристики температури грунту

До складу коефщента Кз входить температура подшяючо' стiнки 8:

е_

о1 + о2 A(tj +t2)

(CJi (т), Cr0(i). % (x)(G3 (т)С0),/1И (t)(-)(+)))):Zc1(t),

(СГ2(ТХ/(тХ9(ТХ-Х+ХГ,в,.(ТХ-Х+)))):2с2(Т):

/(Ив + A), (4)

де 01, о2 — температура розсолу на вход^ та на виходi з теплообмiнникa, К, ввдповщно; А = 1/(8м/ Хм +1/аз), де 8 — товщина стш-ки теплообмiнникa, м; а — коефiцiент тепло-ввддач^ кВт/(м2 ■ К); X — теплопроввдшсть металу стiнки теплообмiнникa, кВт/(м ■ К); tl, t2 — температура грунту на входi та на ви-ходi з теплообмшника, К, вщповщно. 1ндекси: з — зовшшнш потiк — розсiл; в — внутршнш потiк — грунт.

Для використання дшсно' частини О(ю) здобуто нaступнi коефiцiенти:

{CT, (т)(К(т)(Кг (t)(+)(-))))!Zt3(t)!

(C74(t)0'(T)(/(T)(0)))),Z;4(T),

(СТ5(т)№)(ЭДГ) Л/ СОНС-))))/eiW.

1.(СГс(г)(Дf(г)/ Дгсрв (г) < Дгсррш (г)/Дгср1 (г)))< 1 > 0). 2.(СГс(г)(Х(т)/ Д^ (г) > A/cp pil (г)/ Aicp i (г))) < 1 > 0). iXCTc(z)(At(T)/At^ (г)<1)). 4.(С7*с(т)(А1(т)/Д?сриЕ_(г)>0)).

Рис. 1. Структурна схема комплексного математичного та лапчнага моделювання у складi динамчна! системи: грунтавий теплаабмiнник — випарник теплового насосу

A1 _ е* -ТвТмю2; A2 _ е* +1; B1 _ Твею + Твю + TMrn;

A1A2 + B1B2 A2B1 - A1B2

B2 _ Tmc; C1 _ A22 + B22 D _ A22 + B22

L _ 1 - e-'zC 1cos( -XA); M1 _-e-ZC1 sin(-XA).

З використанням iнтеграла переходу з частотно! област до облaстi часу змiнa температури грунту як

На рис. 1: Цо — розрахункове теплове навантаження опалення, кВт; dз, dв — зовшшнш, внутршнш дiaметр грунтового теплообмшника, вщповщно, м; L — довжина теплообмшника, м; tз.вх. — температура розсолу на входi в теплообмшник, К; СТ — контроль поди; Z — логiчнi вiдносини; d — динaмiчнi параметри; t — температура грунту, К; х — впливи; / — параметри, що дiaгностуються; у — вихiднi параметри; К — коефщенти математично-

т (80 - tз.вх.o)

го опису;К3 _ -

G31

коеф1ц1ент математично1

модел1 динам1ки грунтового теплообм1нника, де е —

1

Кз _

температура стшки теплообмшника, К, ввдповщно; G3 — витрата розсолу, кг/с. 1ндекси: с — контроль праце-здатностг, с. р. в., с. р. рiв. — стале розрахункове зна-чення параметра верхнього рiвня функцiонування, рiв-ня функцюнування, ввдповщно; 0,1, 2 — початковий стацюнарний режим, зовнiшнi, внутрiшнi параметри; 3 — коефщенти рiвнянь динамжи; 4 — суттeвi параметри, що дiагностуються; 5 — динамiчнi параметри.

Згщно з запропонованою структурною схемою (рис. 1) в табл. 1 представлеш результати математичного моделювання динамжи системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу щодо тдтримки змши температури грунту на рiвнi 8-10 °С.

Так, використання логiчноï структури в межах циклу дозволяе приймати ршення на основi шформацшних оцiнок (1), (2) на збшьшення чи зменшення витрати розсолу, вщповщно, з використанням змши частоти обертання електродвигуна циркуляцшного насосу. Встановлено наступш рiвнi витрат розсолу: 0,34 кг/с, 0,233 кг/с, 0,18 кг/с, 0,148 кг/с, що вщповщають четвертому, третьо-му, другому та першому рiвням функцюнування, вщпо-вiдно. Здобуття ж результуючоï iнформацiï (3) свiдчить про завершения розряду грунту та потребуе выключения системи опалення. Здобуття шформацп (3) ввдповщае досягненню температури розсолу на входi в грунтовий теплообмiнник гранично низького рiвня — (-1,5) °С.

Таблиця 1

Параметри теплообмшу, значения постшних часу та коефщсн™ математичнт мадел1 динам1ки системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу

Рiвнi функцюнування аз, Вт/(м2 • К) Тв, с Тм, с £ L з, м l; £* Z

Перший рiвень 32,43 4389,08 643,56 0,0182 53,56 0,018 0,0178 1,76

Другий рiвень 32,60 4366,19 640,21 0,0181 53,08 0,018 0,0178 1,77

Третiй рiвень 32,65 4359,5 639,23 0,0181 53,0 0,018 0,0179 1,77

Четвертий рiвень 34,49 4196,93 605,12 0,0172 50,17 0,019 0,0169 1,87

Примггка: аз — к□ефiцiEнт тепл□вiддaчi вщ стiнки тепл□□бмiнника до розсолу, Вт/(м2 • К)

З використанням логiчноï моделi контролю працездатностi динамiчноï системи: грунтовий теплообмiнник — випарник теплового насосу (рис. 1) при безперервному вшшрюванш температури розсолу на вход1 в грунтовий теплообмшник отримано функ-цюнальну результуючу шформащю (1)-(4) щодо прийняття рiшень на тдтримку грунтового акумулювання теплоти

Згiдно формули (1) запропоновано тд-тримувати функцiонування динамiчноï системи: грунтовий теплообмiнник — випарник теплового насосу при порiвняннi вимiрюваноï температури розсолу на входi в грунтовий теплообмiнник з еталонним значенням рiвия функцiонування (рис. 2).

На рис. 2: 4.вх., 4евх. _ функцiональна та еталонна температура розсолу на вход1 в грунтовий теплообмшник, К; G3 — витрата розсолу, кг/с; i — число рiвнiв функцюнування; ST — вдентифжащя стану; P — властиво-ст грунтового теплообмiнника; Z — лопчш ввдносини; d — динамiчнi параметри; f — параметри, що дiагностуються; y — вихiднi параметри; K — коефЩенти математичного

m (0Q -1з.вх.й)

опису;

G,(

— коефiцiент мате-

гЧ

Вшлр температури розеолу

>

Здобуття результуючо! шформацп (1)

G,(x) = G11+i(x)

Здобуття результуючо"! шформацп (2)

G1(i) = G,,1(i)

L (ST2 (т)(/(т)(8(т) = 9h„.(t))))!Zs2(t);

(¿T,(T)(A'!(T) = A'SHP(T)))ÎZS3(T)Î

(,ST4(tX><tXî(t) = iH„(T)m Zi4(i),

(ST5 (tXî/(tXAî(t) t дU». (t) = Mi)/ifcPÄf (хЖг^т),

(STp(t')(P(t) ( новий стан функщонування ))

матично1 моделi динамiки грунтового теп-лообмiнника, де, 8 — температура стiнки теплообмшника, К, ввдповщно; Gз — витрата розсолу, кг/с. 1ндекси: s — стан; н. р. — новий рiвень функцюнування; с. р. в. — стале, розрахункове значення параметра першого рiвня функцюнування; 2 — внутршш параметри, що дiагностуються; 3 — кое-фiцiенти рiвнянь динамши; 4 — суттевi параметри, що дiагностуються; 5 — динамiчнi параметри; т — час, с.

Кшець опалювального сезону на ochobî (3)

Початок опалювального сезону на ochobî (4)

Рис. 2. Структурна схема пщтримки функцюнування та щентифшацй' стану системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу

Подача ж 0,34 кг/с розсолу тдтверджена здобуттям результуючоï шформацп (4) щодо входження в допуск четвертого рiвня функцюнування системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу на початку опалювального сезону. Згщно формули (1) тдтвердження

правильност прийнятих рiшень виконано на основi iдентифiкацiйноi частини структурно! схеми, що розроб-лена на основi графа причинно-наслiдкових зв'язкiв.

6. Результаты дослщження

На основi запропонованого математичного обгрун-тування пiдтримки функщонування енергетичних систем на рiвнi прийняття рiшень (1) з використанням розроблених структурних схем (рис. 1, 2), розроблено штегровану систему тдтримки розряду грунту (табл. 2, рис. 3), що надае можлившть приймати ршення на змь ну витрати розсолу на основi змiнi частоти обертання електродвигуна циркуляцшного насосу при безперерв-ному вимiрюваннi температури розсолу на виходi iз випарника теплового насосу та встановлювати точний початковий та кшцевий термiн розряду грунту.

Таблиця 2

1нтегрована система пiдтримки разряду грунту продовж □палювальнага сезону

Закшчення табл. 2

Час, т, 105 с Змша температури грунту At M/At с.р.в.(т) t (т), °С

147 Розряд грунту Бз - 0,18 кг/с. Прийняття ршення на подачу Бз - 0,148 кг/с; 4вх = -1,5 °С; 1 - 5 °Г 'з вих и и 0,8360 8,35

157,5 1дентифшащя нових умов функщонування. Бз - 0,148 кг/с; 4вх - -1,5 °С; 1 = 5 °Г з.вих 0,9860 8,05

161,6 Закшчення опалювального сезону Б3 - 0,148 кг/с; ;звх - -1,5 °С; 1 - 5 °Г з.вих 1 8

Примггка: ¿¡.вх/ íзвих — температура розсолу на входа в грун-тавий теплообмшник та на вих□дi з теплообмшника, вiдп□вiдн□, °С; í — температура грунту, °С; Бз — витрата розсолу кг/с. 1ндекс: с. р. в. — стале, розрахункове значення параметра першого ршня функщонування

Температуру грунту у встановлений термш часу визначено так:

Ь +1 (т) = к - (( Д4ц (т) / ДЬс.р.в. (т) -

-Д^ (т)/Д£с.р.в.(т))(й - Ь2)), (6)

де Ь — температура грунту, °С; — температура грунту на входi в теплообмiнник та на виходi з теплообмiнника, °С, ввдповщно; i — число рiвнiв тдтримки грунтового акумулювання теплоти; т — час, с. 1ндекс: с. р. в. — стале, розрахункове значення параметра першого рiвня функщонування.

Так, наприклад, в термш часу 84 ■ 105 с (2333,3 го-дини) тсля початку опалювального сезону встанов-лено, що температура розсолу на виходi iз випарника теплового насосу знизилась до (-0,5) °С. В цей термш часу прийнято ршення на зменшення витрати розсолу на 31,5 %, тобто до рiвня 0,233 кг/с щодо пiдтримки змiни споживання теплоти та змши температури грунту

Абсолютне значення температури грунту в цей термш часу встановлено наступним чином:

9,25 °C = 9,29 °C-((0,6150-0,3616)(10-8)) °C.

В термш часу, наприклад, 115,5 ■ 105 с (3208,3 го-дини), контролюючи температуру розсолу на входi в теплообмшник, що становить -1 °С необхщно змен-шити потужнiсть циркуляцiйного насосу подачi розсолу ще на 22,7 %, тобто до рiвня 0,18 кг/с, та забезпечити подальшу тдтримку розряду грунту до температури 8,79 °С, що розрахована так:

8,79 °C = 8,84 °C-((0,6150-0,5884)(10-8)) °C.

Встановлення гранично! змiни температури грунту — 8 °С повщомляе про завершення опалювального сезону.

Час, т, 105 с Змша температури грунту At (T)/At с.р.в.(т) t (т), °С

0 Початок опалювального сезону. Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0 10

500 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,0678 9,88

10,5 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,1692 9,66

21 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 3 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,2547 9,49

31,5 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: - 2,5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,2761 9,45

42 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 2 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,2974 9,41

52,5 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ^ - 1,5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,3188 9,37

63 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 1 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,3402 9,33

73,5 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: - 0,5 °С; ;з.в„ - 5 °С 0,3616 9,29

84 Б3 - 0,34 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - 0 °С; ;в.вих - 5 °С 0,3830 9,25

94,5 Розряд грунту: 4вх - -0,5 °С. Прийняття рiшення на подачу Бз - 0,233 кг/с; /3.ви - 5 °С 0,4043 9,21

105 1дентифшащя нових умов функщонування. Бз - 0,233 кг/с; /3.и - -0,5 °С; 1 - 5 Т з.вих 0,5884 8,84

115,5 Бз - 0,233 кг/с. Розряд грунту: ;з.вх - -1 °С; ;з.в„ - 5 °С. Прийняття рiшення на подачу Бз - 0,18 кг/с 0,6150 8,79

126 1дентифшащя нових умов функщонування. Бз - 0,18 кг/с; и - -1 °С; fз.вих - 5 °С 0,7908 8,44

136,5 Розряд грунту. Бз - 0,18 кг/с; ;звх - -1,3 °С; 1 - 5 Т з.вих 0,8200 8,38

Рис. 3. Графiчна залежтасть змiни температури грунту вiд часу впродовж опалювального сезону

7. Анал1з результатов дослщження

В результатi проведених дослщжень розроблена iнтегрована система пщтримки розряду грунту щодо прийняття ршень на змiну витрати розеолу з викорис-танням змiни частоти обертання електродвигуна цир-куляцiйного насосу та встановлюе точний початковий та юнцевий термiн розряду грунту.

В зв'язку iз складнiстю вимiру температури грунту здобута аналиична оцiнка змiни температури грунту як у чаа, так i вздовж довжини грунтового тепло-обмшника. Запропоновано вимiрювання температури розсолу на виходi iз випарника теплового насоса для прийняття упереджених ршень на змшу витрати розсолу щодо забезпечення тдтримки розряду грунту. Це надае можливють упереджено ощнювати змшу темпе-ратури грунту впродовж опалювального сезону щодо недопущення переохолодження грунту та забезпечити релаксащю грунту в перюд неопалювального сезону. Визначено термш грунтового розряду теплоти, що вщ-повiдае закiнченню опалювального сезону.

Використання частотного регулювання електродви-гуна циркуляцшного насосу щодо пiдтримки розряду грунту дозволяе знизити собiвартiсть виробництва теплоти, термш окупност теплонасосно! системи та здобути економiю електрично! енергн, що в грошовому е^валенп складае до 30 % вщ загально! економн, що забезпечена замщенням природного газу.

Представленi результати дослщження е продовженням роботи в напрямку узгодження виробництва та спожи-вання енергн [9, 10]. Заплановано дослщження в умо-вах комплексного функцiонування системи: випарник — компресор, компресор — конденсатор теплового насоса з використанням запропонованого методу розряду грунту.

8. Висновки

1. Для недопущення переохолодження грунту та забезпечення релаксацп грунту в неопалювальний перюд необхщно прогнозувати змшу температури грунту, вимiрю-ючи температуру розсолу на виходi з випарника теплового насосу, та приймати ршення на змшу витрати розсолу на основi змши частоти обертання електродвигуна цир-

куляцшного насосу та встанов-лювати точний початковий та юнцевий термш розряду грунту.

2. Запропоновано структурну схему комплексного математич-ного та лопчного моделювання динамiчноi системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насоса, що надае мож-ливють визначати допуски на змшу температури грунту для встановлених рiвнiв функцю-нування. Здобуття результуючоi шформацн щодо прийняття рь шень вщбуваеться за принципом причинно-наслiдкових зв'язкiв з використанням наступних бло-юв: оцiнки змiни температури розсолу на виходi з випарника теплового насосу, що вимiрю-еться, змши температури стшки теплообмiнника, коефiцiента математичноi моделi динамь ки, Кз, температури грунту, динамiчних параметрiв змiни температури грунту, контролю працездатност!

3. Запропоновано структурну схему тдтримки функ-цюнування та iдентифiкацii стану динамiчноi системи: грунтовий теплообмшник — випарник теплового насосу для прийняття ршень на змшу витрати розсолу, визначення термшу розряду грунту та пщтвердження прийняття ршень. Особливютю цiеi схеми е порiвняння температури розсолу на виходi iз випарника теплового насосу, що вимiрюеться, з еталонним значенням та визначення результуючоi шформацн щодо прийняття ршень на змшу витрати розсолу чи встановлення термшу розряду грунту. Шдтвердження прийняття ршень вщбуваеться на основi наступних блоюв: змiни температури стшки теплообмшника, коефiцiента математичноi моделi динамши, K3, температури грунту, динамiчних параметрiв змiни температури грунту та дозволяе вста-новити новий стан функцюнування динамiчноi системи: грунтовий теплообмiнник — випарник теплового насосу.

4. Запропоновано штегровану систему тдтримки розряду грунту впродовж опалювального сезону при за-безпечент температурного режиму випарника теплового насосу, що дозволяе виконувати змшу витрати розсолу на основi змши частоти обертання електродвигуна циркуляцшного насосу при вимiрюваннi температури розсолу на виходi iз випарника теплового насосу та встановлювати точний початковий та юнцевий термш розряду грунту

5. Пщтримка розряду грунту на основi прогнозування змши температури грунту надае можливють, напри-клад, при виробництвi 47 ГДж/рж теплоти знизити собiвартiсть виробництва теплоти та термш окупност теплонасосноi системи в межах 15-25 % щодо економн електричноi енергii за рахунок частотного регулювання електродвигуна циркуляцшного насосу, що в грошовому е^валенп складае до 30 % вщ загальноi економн, що забезпечена замщенням природного газу

Лггература

1. Sarbu, I. Ground-Source Heat Pump Systems [Text] / I. Sarbu, C. Sebarchievici // Ground-Source Heat Pumps. Fundamentals, Experiments and Applications. — Elsevier BV, 2016. — P. 71-128. doi:10.1016/b978-0-12-804220-5.00005-9

2. Rees, S. J. An introduction ground — source heat pump technology [Text] / S. J. Rees // Advances in Ground-Source Heat Pump Systems. — Elsevier BV, 2016. — P. 1-25. doi:10.1016/ b978-0-08-100311-4.00001-7

3. Dong, X. A New Method to Determine the Thermal Properties of Soil for Vertical-Borehole Ground-Source Heat Pump Systems [Text] / X. Dong, B. Gu // Heat Transfer Research. —

2015. — Vol. 46, № 5. — P. 417-427. doi:10.1615/heattran-sres.2014007228

4. Lii, C. Research on Soil Heat Balance Theory of Ground Coupled Heat Pump System [Text] / C. Lii, F. Yu, M. Zheng, J. Zhong // Geo-Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem. — Springer Science + Business Media,

2016. — P. 855-861. doi:10.1007/978-3-662-49155-3_88

5. Haddada, J. Thermal Performance and Characteristics of SpiraL-Tube Ground Heat Exchanger for Ground-Source Heat Pump [Text] / J. Haddada, A. Miyara // Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference. — 2014. — 14 p. doi:10.1615/ihtc15.hex.009412

6. Rees, S. J. Horizontal and compact ground heat exchangers [Text] / S. J. Rees // Advances in Ground-Source Heat Pump Systems. — Elsevier BV, 2016. — P. 117-156. doi:10.1016/ b978-0-08-100311-4.00005-4

7. Кордас, О. Моделирование энергетических характеристик геотермальных систем [Текст] / О. Кордас, Е. И. Нико-форович // Прикладна гщромехашка. — 2014. — Т. 16, № 1. — С. 42-52.

8. Zhou, S. Feasibility study on two schemes for alleviating the underground heat accumulation of the ground source heat pump [Text] / S. Zhou, W. Cui, Z. Li, X. Liu // Sustainable Cities and Society. — 2016. — Vol. 24. — P. 1-9. doi:10.1016/ j.scs.2016.03.014

9. Чайковская, Е. Е. Согласование производства и потребления энергии на основе интеллектуального управления тепло-массобменными процессами [Текст] / Е. Е. Чайковская // XV Минский международный форум по тепломассобмену. Секция 8. Тепломассоперенос в энергетических процессах и оборудовании. Энергосбережение, 23-26 мая 2016 г. — Минск: Институт тепло- и массобмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2016. — С. 1-12.

10. Чайковська, 6. 6. 1нформацшш технологи шдтримки функ-цюнування енергетичних систем на р1вш прийняття рь шень [Текст] / 6. 6. Чайковська // Зб1рник тез доповщей IV Украшсько-шмецько! конференци «1нформатика. Культура. Техшка». 1нформацшш системи та технологи. — Одеса, 2016. — С. 32-33.

РАЗРАбОТКА МЕТОДА ПОДДЕРЖАНИЯ РАЗРЯДА ГРУНТА В ТЕПЛОНАСОСНОМ ЭНЕРГОСНАбЖЕНИИ

Предложен метод поддержания разряда грунта на основе прогнозирования изменения температуры грунта при измерении температуры рассола на выходе из испарителя теплового насоса. Использование полученной интегрированной системы оценки изменения температуры грунта в составе динамической системы: грунтовый теплообменник — испаритель теплового насоса позволяет принимать решения на изменение расхода рассола на основе изменения частоты вращения электродвигателя циркуляционного насоса и устанавливать точный срок разряда грунта.

Ключевые слова: теплонасосная установка, грунтовой теплообменник, математическое и логическое моделирование, принятие решений.

Чайковська €вгетя Свстафпвна, кандидат техтчних наук, старший науковий ствробтник, доцент, кафедра теоретичноi, загальног та нетрадицшног енергетики, Одеський нащональний полтехтчний утверситет, Украгна, e-mail: eechaikovskaya@gmail.com.

Чайковская Евгения Евстафьевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент, кафедра теоретической, общей и нетрадиционной энергетики, Одесский национальный политехнический университет, Украина.

Chaikovskaya Eugene, Odessa National Polytechnic University, Ukraine, e-mail: eechaikovskaya@gmail.com

УДК 621.365

Б01: 10.15587/2312-8372.2016.74755

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Предложено использовать для автономных источников горячего водоснабжения электрический теплоаккумулирующий преобразователь, принцип действия которого основан на прямом нагреве теплоаккумулирующего вещества протекающим через него током. Получены зависимости между геометрическими размерами и электротепловыми характеристиками преобразователя. Рассмотрена методика определения оптимальных основных конструктивных параметров электрического теплоаккумулирующего преобразователя для систем солнечного теплоснабжения с использованием предложенной математической модели.

Ключевые слова: прямой нагрев, электрический теплоаккумулирующий преобразователь, метод вторичных источников, математическая модель.

Левченко С. A.

1. Введение

В составе гелиоустановок горячего водоснабжения и отопления обязательно присутствуют аккумуляторы

тепла (в простейшем случае — бак для горячей воды). Необходимость накапливания тепловой энергии в таких установках вызвана, прежде всего, тем, что период прихода солнечного излучения на коллектор, как правило,