CC BY
1
УДК 556.506;620.92; 620.987 https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2023.2.2
О. В. ЗУР'ЯН
кандидат техшчних наук, старший науковий сшвроб^ник вщдшу геотермально! енергетики 1нститут вщновлювано! енергетики Нацюнально! академп наук Укра!ни
ORCID: 0000-0002-2391-1611
ВРАХУВАННЯ ДИНАМ1КИ ЗМ1Н ТЕМПЕРАТУРИ П1ДЗЕМНИХ ВОД НА Д1ЛЯНКАХ БЕРЕГОВИХ ВОДОЗАБОР1В Г1ДРОТЕРМАЛЬНИХ
ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ
Прогноз динамжи змт температури тдземних вод на дшянках розмгщення берегових водозабор1в стано-вить великий практичний ттерес, осюльки температура тдземних вод, як використовуються, не повинна виходити з рамок кондицш, обумовлених, наприклад, технолог1чними особливостями виробництва. Метою роботи е експериментально та аналтично оцтити вплив змти температури тдземних вод, в результатi змгшування з водами, що фтьтруються з водойми яка знаходиться поруч, на ефективтсть гiдротермальноi теплонасосно'1' системи.
Представлено розроблену i сконструйовану в Iнститутi вiдновлюваноi енергетики НАН Украти експеримен-тальну гiдротермальну теплонасосну систему, яка складаеться з теплового насосу та двох свердловин через яю забезпечуеться циркулящя води вiд Полтавського водоносного горизонту до теплового насосу. Особливктю даноi системи е те, що ii свердловини в геоморфологiчному вiдношеннi розташоват на територи останця Кшв-ського лесового плато, який обмежений iз заходу, з твдня i зi сходу балками. Крiм того Полтавський водоносний горизонт розкритий ерозiею i виходить на денну поверхню на вiдстанi 100 метрiв вiд мiсця розташування свердловин. А за 300 метрiв вiд свердловин на дт балки розташована серiя ставюв.
Наведено опис характеристик вимiрювального обладнання, встановленого на гiдротермальнiй теплонасос-нш системi тарозроблено'1' iнтерактивноi системи диспетчеризацп яка була застосована для побудови системи вiзуалiзацii та архiвацii даних отриманих в процеа проведення даноi науково-до^дницько'1' роботи. Експериментально визначено, що температури води в свердловит, якою розкрито водоносний горизонт, мае тенденцiю спрямованого зменшення або збшьшення в залежностi вiд пори року та обгрунтоваш отриманi залежностi змти температури вiд глибини зурахуванням температури навколишнього середовища та iнших факторiв екзо-генного впливу.
Викладено математичну модель, яка дае змогу визначати температуру тдземних вод тд час дп водозабору, що мае вигляд лiнiйноi низки свердловин, розташовано'1' паралельно руслу рiчки. Наведено розв'язання рiвняння теплопередачi, яке описуе процес теплопередачi в експлуатацтному водоносному пластi. На основi аналтичних розрахунюв визначено, що у випадку тдйому температури води в рiчцi за лтшним законом у пластi з часом вiд-буваеться безперервне зростання температури, а в разi стрибкоподiбного тдйому температури води в рiчцi в пластi встановлюеться ста^онарний розподш температури. З отриманих даних зроблено висновок, що визна-чальним фактором у нагрiваннi тдземних вод е фiльтрацiя, тобто конвективна теплопередача. Кондуктивна складова спричиняе тшьки деяке розствання теплового фронту.
Отриман теоретичн та практичн результати дозволяють оптимгзувати побудову геотермальних систем. Мають перспективу подальшi до^дження впливу геологiчних, гiдрогеологiчних морфологiчних та антропоген-них умов на змти температури нижче нейтрального шару, та 1'х вплив на ефективтсть роботи геотермальних теплонасосних систем.
Ключовi слова: водоносний горизонт, тдземн води, теплота Грунту, нейтральний шар, тепловий насос, водозабiр.
O. V. ZURIAN
Candidate of Technical Sciences, Senior Research at the Department of Geothermal Energy Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine ORCID: 0000-0002-2391-1611
TAKING INTO ACCOUNT THE DYNAMICS OF GROUNDWATER TEMPERATURE CHANGES AT AREAS OF COASTAL WATER INTAKES OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
Forecasting the dynamics of changes in groundwater temperature in areas where coastal water intakes are located is often of great practical interest, since the temperature of groundwater used should not go beyond the limits of conditions,
due, for example, to technological features of production. The aim of the work is to experimentally and analytically evaluate the impact of groundwater temperature changes, as a result of mixing with watersfilteredfrom a nearby reservoir, on the efficiency of a hydrothermal heat pump system.
An experimental hydrothermal heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, consisting of a heat pump and two wells, through which water is circulated from the Poltava aquifer to the heat pump, is presented. A feature of this system is that its wells are geomorphologically located on the territory of the remnant of the Kyiv forest plateau, limited from the west, from the south and from the east by beams. In addition, the Poltava aquifer is exposed by erosion and comes to the surface at a distance of 100 meters from the location of the wells. And 300 meters from the wells at the bottom of the beam there is a series ofponds.
A description of the characteristics of the measuring equipment installed on the hydrothermal heat pump system and the developed interactive dispatching system, which was used to build a system for visualizing and archiving data obtained in the course of this research work, is presented. It has been experimentally determined that the water temperature in the well, which opened the aquifer, tends to decrease or increase depending on the time of year, and the obtained dependences of temperature change on depth are substantiated, taking into account the ambient temperature and other factors of exogenous impact.
A mathematical model is presented that makes it possible to determine the temperature of groundwater during the operation of a water intake, which has the form of a linear row of wells located parallel to the riverbed. A solution of the heat transfer equation is given, which describes the process of heat transfer in a production aquifer. Based on analytical calculations, it was determined that in the case of a rise in the water temperature in the river according to a linear law, a continuous temperature increase occurs in the reservoir over time, and with an abrupt rise in the temperature of the water in the river, a stationary temperature distribution is established in the reservoir. From the data obtained, it was concluded that the determining factor in the heating of groundwater is filtration, that is, convective heat transfer. The conductive component entails only some scattering of the thermal front.
The obtained theoretical and practical results make it possible to improve the construction of geothermal systems. There are prospects for further studies of the influence of geological, hydrogeological morphological and anthropogenic conditions of temperature change below the neutral layer, and their influence on the efficiency of geothermal heat pump systems.
Key words: aquifer, groundwater, ground heat, neutral layer, heat pump, water intake.
Постановка проблеми
В Укра!ш останш роки спостерпаеться crpiMKe зростання впровадження в системи теплопостачання геотермальных теплових насоав, що використовують низькопотенцшш джерела енерги. А використання вод верхшх водоносных горизонта з енергетичною метою - в умовах необхщносп децентралiзацi! енергопостачання все бшьше становиться реальшстю нашого часу.
Ефектившсть роботи теплонасосно! системи залежить вщ температури на виходi з конденсатора теплового насосу та входi у його випарник. Якщо температура на виходi з конденсатора регулюеться в залежносп вщ наван-таження та визначаеться комфортними умовами перебування людей, роботи техшки та технолопчних процеав, то температура на входi в випарник визначаеться природшм джерелом ввдновлювано! енерги i може мати девiацii яш обумовлеш його нестабшьшстю. Тому актуальною задачею е прогнозування змш параметрiв ввдновлюваного джерела енерги з метою забезпечення необхщно! температури та дебпу теплоноая на входi до теплового насосу протягом часу його роботи.
Практичне значения моделi за якою можна прогнозувати величину коливань температури грунту та грунтових вод в мюп встановлення колектора теплового насосу полягае в тому, що при проектуванш даних систем можливо заздалепдь визначити ефектившсть теплонасосно! системи в залежносп вщ особливостей мюця l! розташування.
Аналiз останшх дослщжень i публшацш
Науково-дослщш та дослвдно-конструкторсьш роботи з тдвищення ефективносп теплових насоав прово-дяться як в Укра!ш так i свт вже тривалий час. Перспективи застосування теплових насоав дослщжеш в роботах [1, 2, 3]. Аналiз ефективносл використання теплового потенщалу довшлля та верхшх шарiв Землi приведено в робот [4, 5]. В роботах [6, 7, 8] виконана оцшку ефективносп теплових насоав рiзних тишв. Окремо треба видшити дослщження авторами яких запропоновано математичну модель та наведеш розрахунки теплообм^ при рус геотермального теплоноая у свердловиш [9]. Також в дослщженш [10], пропонуеться новий шдхвд до вивчення стацюнарних енергетичних характеристик вертикальних геотермальш системи. Методолопя для оцшки швидкосп поглинання тепла грунту грунтовими теплообмшниками розглянуто в роботах [11, 12]. В даних роботах викладено математичну модель, яка дае змогу визначати температуру грунту T(z, t) залежно ввд глибини z>0 i часу t>0 за умов, що задано зм^ температури поверхш грунту або зовшшнього повиря з часом з урахуванням припущення, що температура грунту не залежить ввд координати (x, y) i теплофiзичнi властивосл грунту не змь нюються з координатами (x, y, z) з часом. З практично! точки зору науковий штерес викликають дослщження що враховують реальнi умови розмщення даних систем. Тому виникла потреба продовження проведених в [13, 14] дослвджень, що зроблено у данш статтi.
Формулювання мети дослщження
Щдземт води - потужний тепловий фактор, що сутгево впливае на температурне поле земно! кори. У зв'язку з цим у вщновлюванш геотермальнiй енергетицi важливого значення набувають геотермiчнi дослiдження.
До групи завдань, пов'язаних з геотермiчними дослщженнями можливо вiднести рiзноманiтнi завдання шже-нерного характеру, наприклад, прогноз змши температури пiдземних вод в райош дшчих водозаборiв пiд впли-вом фшьтрацп з поверхневих водойм, або в результат! закачування в пласт води через свердловини, розрахунок продуктивное^ свердловин при експлуатацi! термальних вод та геотермальних теплонасосних систем, що вико-ристовують вертикалью теплообмiнники встановлеш у свердловини та iн.
Метою дано! роботи е визначення ефективносп роботи гвдротермально! теплонасосно! системи тд впливом фiльтрацi! пiдземних вод з поверхневих водних джерел.
Викладення основного матер1алу досл1дження
Вiдповiдно до поставлено! мети дослщження були вирiшенi так! завдання: по-перше - проведенi експери-ментальнi дослщження температури води у водоносному горизонт! та у м!жтрубному простор! свердловини, що входить до складу пдротермально! теплонасосно! системи змонтовано! у густозаселенш мюцевосп з великим перепадом висот де поряд, у балках, знаходяться вщкрип водойми; по-друге, запропонована математична модель, яка описуе процес теплопередач! у водоносному пласт!, що експлуатуеться та розв'язана задача визначення температуру тдземних вод при водозабор! пдротермальною теплонаслсною системою, що використовуе свердловини розташоваш паралельно руслу р!чки; по-трете - визначення ввдсоток падшня ефектившсть пдротермально!' теплонасосно! системи при нестабшьних вхвдних параметрах пов'язаних з перепадами температури на вход! до випарника пдротермально! теплонасосно! системи теплообмшний пристрш яко! знаходяться п!д впливом фшь-трац!! п!дземних вод з поверхневих водних джерел.
Експериментальна установка 1нституту вщновлювано! енергетики НАН Укра!ни е теплообмшним пристроем, який складаеться !з двох свердловин (№ 1 та № 8), поеднаних трубопроводами для циркуляцп пщземних вод м!ж водоносним горизонтом та буд!влею 1нституту де встановлено тепловий насос.
Свердловина № 1 пробурена до глибини 57 м. Свердловина № 8 пробурена на ввдсташ 11,5 м в!д свердловини № 1. Глибина свердловини № 8 складае 50 м. Для обох свердловин продуктивним е Полтавський водоносний горизонт. Складаеться горизонт з др!бно-зернистих шсшв, що залягають в штервал! глибин 34-57 м. Статичний р!вень води в свердловинах становить 40 м.
В геоморфолог!чному в!дношенн! д!лянка експериментально! установки розташована на територ!! останця Ки!вського лесового плато, який обмежений !з заходу - Новосшецькою, з швдня - Хопвською ! з! сходу -Феофанпвською балками.
На дн! балок розташован! водотоки з озерами, що мають непост!йний характер, який на пряму залежить в!д к!лькост! атмосферних опад!в.
Полтавський водоносний горизонт виходить на денну поверхню на ввдсташ 100 метр!в в!д мюця розташу-вання свердловин. А за 300 метр!в в!д свердловин на дт балки розташоване озеро. Перепад висот м!ж гирлом свердловини та дном балки де розташоване озеро складае 40 метр!в.
В!дпов!дно до поставленого завдання досл!дження для вим!рювань температури у свердловин! були встанов-лен! датчики температури (термоперетворювач! опору) ТСП-204, на глибину: 42 м, 39 м, 34 м, 29 м. (рис. 1).
Рис. 1. Гщрогеолопчний розр1з територп формування теплового режиму дшянки досл1дження: 1 - дiлянка дослвдження; 2 - спостережна свердловина;
3 - датчики температури
Запроваджена в 1ВЕ НАНУ автоматизована комп'ютерна система мониторингу забезпечила системшсть вимь рювань, 1х високу точшсть та дискретшсть.
Анашз накопичених за перюд спостережень з жовтня 2021 року по лютий 2022 року даних температуры води в свердловиш, якою розкрито водоносный горизонт, виявив тенденцпо 1х спрямованого зменшення за цей перюд. Температура води в свердловиш зменшилася на 2,0 °С, при цьому щоденна дев1ащя температури складала вад 0,3 °С до 0,9 °С.
Вщхилення вад лшшного тренда температур води в свердловиш дозволяють припустити наявшсть р1чно! ком-поненти в вар1ащях цих характеристик. Прямий кореляцшний зв'язок \пж вар1ащями температур повиря \ води в свердловиш свщчать про вплив сезонних атмосферних змш температур на глибинах залягання водоносного горизонту.
Теоретично можна припустити, що це значения можуть бути завищеш, враховуючи можлив1 неточносп у вим1рах.
Виникае питания необхцщосп статистичного шдходу, як до штерпретацп отриманих даних, так \ 1х розрахунку.
Для перев1рки отриманих результапв та визначення змши значень температури та води нижче нейтрального шару температур за рахунок шфшьтрацп вад водойми, що знаходиться поруч з водозабором було застосовано математичний апарат [15].
За припущення, що фшьтрацшний \ тепловий потоки е одно\прними. тобто натиск пщземних вод, швидшсть фшьтрацп, а вцщовцщо температура \ нцльшсть теплового потоку та шнп фшьтрацшш тешкш елементи зм1ню-ються в залежносп тшьки вад одше! координатах \ ви часу Г, то щ1льнють (¡нтснсивн1сть) теплового потоку через елемент пласта тек (ш - потужшеть пласта), можливо виразити наступним р1внянням:
1Г -1Г. -1Г.. (1)
Перший член у правш частиш цього р1вняння характеризуе молекулярне, або кондуктивне, перенесения тепла, зпдно ¡ ! законом Фур'е прямо пропорщйне коефщ1енту теплопровадносп та гращенту температури:
(2)
ох
де X - коефщент теплопровцщосп, ккал/м • годину • град.; - потужшеть пласта, м; - температура, град.
Яюцо виходити з передумови про миттеве вщлвнювання температури рцщни, що фшьтруеться, \ скелета породи, то коефпцент теплопровадност1 можна представити в такому вигляд1:
Л = Ал+Лк(1-"о); (3)
де /--,, \ Хск - теплопроваднють вщповадно рщини та скелета; п0 - пористость породи.
Другим членом у р1внянш (1) ощнюеться конвективне перенесения тепла радиною, пов'язане з власне гщро-дина\пчни\ факторами \ прямо пропорщйне швидкостл фшьтрацп:
II \ (4)
Тут Сж = С0жуж - об'емна теплоемшеть радини, ккал/м3 • град; Сож - питома теплоемшеть рцщни, ккал/кг • град; - об'емна вага, кг/м3; с/х = пюх - складова витрат, м2 / год; и, - швидшсть фиьтрацп. м / год.
Третш член р1вняння (1) визначае частину теплового потоку, обумовлену так званим дросельним ефектом або ефектом Джоуля - Томсона (тобто шдвищенням температури та нагр1ванням пласта в результата роботи сил тертя частинок рцщни шляхом фшьтрацп):
II' (V '/. (5)
У цьому р1внянш Т£ - зм1на температури шд впливом дросельного процесу. При певних припущеннях будемо вважати, що змша температури прямо пропорцшно зм1ни тиску:
ТЕ=-бР, (6)
де е - усереднений коефщент Джоуля - Томсона, м2 град / кг :Р - тиск рцщни, кг/м3.
У р1внянш (1) опущена складова теплового потоку, що виникае при нагр1ванш рцщни внаслщок п стисливост1 пщ впливом змши зовшшнього тиску ад1абатичний нагр1в). У зв'язку з надзвичайно малими значениями температурного коефщента об'ему (або об'емного коефщента температурного розширення для води) «вага» зазначеного процесу в загальному тепловому баланс! водоносних пластов дуже мала; ад1абатичне нагр1вання води при шдви-щенш тиску на 100 атм становить всього 0,15 °С, тобто в 15-20 ргглв менше нагр1вання шд впливом дросельного ефекту.
Склавши вирази (2), (4), (5), матимемо наступне р1вняння для нцльносп теплового потоку:
Ц^ = -Лт^- + СжТдх + еСжТдх. (7)
Зшшото боку, можно итпосвяп р1вняння нерязрЭвноссп чи балтнср типлового потоку:
эж /в нк ( нкз к втеу
— = п(К т—о-Яв-^пЯо—н.
Эх
Э/
Э в
Эв
(8)
Тут лцвачастина дае зШлызедня ашьааст]теплс шляоом до—0 р]динд. правд- вщповiднi змiни кiлькостi тепла ]з стас] 1 (Д—— ; б-час] б тщдбчу тенлс л породи тдд—во 1 ид кдЫвл1 (Яя —и ав яЫу —у- ; п - нормаль до площин пiдошви
•ч и —в Эв
i покрiвлi).
Коефщент Сп перед потерною те—перт-ури за часом е пов ною о б ; емною теплоемнютю пласта:
сп н с с Тжб + С0.( уск О-в. )
де С(. ск -пдтома тодлоемн(сть лкелета породи, ккал/кгтрад; - його об'емнавага, кг / м3. Спшьне в—вюлння аФвчяче (7- тт аВДпвизводиоа до вебодпносв:
чН^-Су В'но | бТС'Л (Дат ЭВТДт /—( ¿—ТС]- нЭб
Эх2 х I. Эх Эх ] С. — Эв С. — Эв Эт
(9)
(10)
-Тут «нС0 ав СнС^-.
св сзз
Рiвняння (10) е вихвдним диференцiальним рiвнянням теплопередачi в одновимiрному потоцi пiдземних вод. Так само можна вивестирiвняння длядвовимiрнихпотокiв,атакождляпотокiвзосьовоюсиметрiею.
Розглянемо задачу визначеннятемпера'л^ри шдз емних спв шд лас д1П вовааабору, пцо мат впглнднпзки сверд-ловин, розташован01 опрзлельнт русду рДчкп (рис. 2).
Враховуючи, що вiдкачка виконуеться в умовах квазюталого режиму фiльтрацii, отримаемо наступний вираз для напору Н ^видко слфтьтрации*:
и-и В г- в - еЧЯ-То •
кт ох т
(11)
де Не - початкова потужнють водоносного пласта (до початку ввдкачування зi свердловини); т - середня потуж-шстьпластавпроцеЫввдкачування.
Вираз (11) слiд пiдставити в рiвняння (10), яке в цьому разi випадку буде описувати процес теплопередачi в експлуатацiйномуводоносному пластi.Будеморозв'язуватице рiвняннязатаких умов:
Но. То
Рис. 2. Схема до задач^ро змiнутемператури пщземнихводпщ час дil берегового водозабору:а-розрiз; б - план;в, г -графiки температури води в рiчцi
t = Q:T=TH: (12)
t > 0; t = О; Т = Г° ~Т" t ; (13)
в У '
де Т0-Т„- повний перепад температуры на мою пласта, тобто в рiчцi. за час 0 (рис. 2, в);
i > 0; х = со; Т Фею: (14)
Умовою (14) характеризуется лшшна змша температури води, що надходить у пласт i3 piLiiai. У окремому випадку можна прийняти
Т0-Т„= const. (15)
Для оцшки теплових втрат у п¡дошву i покр1влю пласта приймемо спочатку наближену передумову про ста-лють температури в них протягом усього процесу фшьтрацп. Toji нормальш шшдш в р1внянш (10) можна вира-зити таким чином:
2а !т т\
Т(т-тк). (16)
Тут а - косфщент теплообм1ну. У цьому pa3i розв'язок р1вняння (10) за умов (12) i (13) матиме наступний вигляд:
^ Ре__ Iр* i 12.V"
т = т +Т0-Т —е 2 ' 4 ■ R (x,t) • (17)
н 0 Q ' л V 5 /
(18)
Яюцо замють умови (14) прийняти, що на мою пласта температура шдшмаеться стрибкошщбно до вели-чини Т0 та зпдно з умовою (15) пщтримуеться постшною, то розв'язок вцщосно Т(х, I) також може бути поданий
загальною формулою (19), але в шй ели приймати — = 1, а функцпо Я,- за такою залежнютю:
в
Ял (х-?) = [е^'ег/с^+^ + ег/с^-Т])] ■ (19)
Граничш значения Д, функцп за (18) 1 (19) таю: при \ \iOBi. що 1=0 Д„=0; при \= > 11= 1. За останньо!умови в раз1 гпдйому температури води в р1чщ за лшшним законом, як випливае з р1вняння (17), у пласп з часом вщбуваеться безперервне зростання температури, а в ра>л стрибкошдабного шдйому температури води в р1чщ в пласп встанов-люеться стащонарний розподш температури.
Не враховуючи конвективну теплопередачу, тобто за Ре=0, замють формул (17) I (19) отримаемо:
Д, (х, /) = [еч,1еф {£+11) + еф{£-11)\- (20)
Розрахунок за щею формулою показуе [15], що при тдйо\п температури води в р1чщ з 8 °С до 30 °С через 50 Д10 температура шдземних вод на вщеташ 10 м зб1лыпуеться на 2,2 °С \ дал1 до т = 200 Д1б не змшюеться (рис. 3).
Рис. 3. Граф ¡к' змши температури iii.ucMiinx вод без врахування конвективно! теплопередач!
Якщо ж знехтуватиитще'ктивноютеплопровтдшстю в о сновному ф1лкфувальному шара, тобто прийняти для нього Х=0 (при цьом)ко еИщент теплопровiдностi покрiвлi та пщошви Х> 0), то розв'язання 3aAa4i матиме такий вигляд:
12ax qoCm
Т = Тн+(т 0 - Тн )
Результати розрахунку защеюформулоюдля умоврозглянутого прикладунаводятьсяна рис. 4.
(21)
ее ¡г
ей
В &
С
О
1) н й И н
<L>
еа
Я
о
Рис. 4. График змши температури пщземних вод без врахування кондуктивноТ
теплопровiднiстi
На вщсташ 100 м вплив р1чки за 50 д1б зовам не вщбувасться. А тсля 100 д1б температура води в водозабор! збшьшуеться до 20,4 °С, що складае 70% вщ максимального пщйому температури рiчково! води.
З отриманих аналiтичним шляхом даних можливо зробити висновок, що визначальним фактором у на^ванш пщземних вод е фiльтрацiя, тобто конвективна теплопередача.
Кондуктивна складова, як уже зазначалося рашше, спричиняе тiльки деяке розсшвання теплового фронту. У раз^ коли мае мiсце тiльки конвекщя, тепловий фронт набувае рiзких обриав, при цьому вiдбуваеться порш-неве витюнення пщземних вод нагрiтими водами, що фшьтруються, з рiчки.
Вщповщно до третьо! поставлено! задачi дослщження було проаналiзовано ефективнiсть роботи гидротермально! теплонасосно! системи при нестаб№них вхщних параметрах пов'язаних з перепадами температури на входi до ПдроТС.
Для оцiнки енергетично! ефективностi теплонасосно! установки використовуеться коефiцiент трансформацi! К (перетворення теплоти), як1й уявляе собою вщношення кiлькостi енергi!, що генеруеться тепловим насосом, до шлькосп енерги, що витрачаеться на процес перенесения тепла.
Введемо коефщент ^ який визначае вiдсоток, на який зменшуеться ефективнiсть роботи гидротермально! системи в залежносп вщ падiния температури природного теплоноая на входi до випарника теплового насосу [16]. Цей коефщент визначаеться за формулою:
k =
1-
To
T - T
t out tt)
T - T
/ sout st
4 T
x100%
(22)
де Ti out - температура на виходi з конденсатору теплового насоса при i-тш темперaтурi природного теплоноая на входi до випарника теплового насосу; Т out - температура на виходi з конденсатору теплового насоса при ста-бiльнiй темперaтурi природного теплоносiя на входi до випарника теплового насосу; Т in - i-та температура на входi у випарник теплового насоса гщротермально! теплонасосно! системи; Tsin - стабшьна температура на входi у випарник теплового насоса гщротермально!теплонасосно!системи, дорiвнюe 10 °С.
На рис. 5 наведено результати розрахунку за формулою (23) вщсотку пaдiння ефективностi гщротермаль-но! теплонасосно! системи завдяки нестaбiльностi температурного параметра природного теплоно^ на входi до випарника теплового насосу. При цьому за базову (максимальну) температуру природного теплоно^ на входi до теплового насосу прийнята температура10 °С.
Температура природного теплоност на вход1 у тепловий насос,0С
Рис. 5.Зменшенняенергетично1 ефективност експериментальноТ теплонасосноТ установки взалежнослвщпадшнятемпературиприродноготеплоноая
Висновки
1. Доведено, що на донках берегових водозаборiв для гiдротермальних теплонасосних систем температура води в свердловинах може суттево змiнюватися залежно вщ температури води в водоймi та вщсташ вiд свердло-вин до водойми.
2. Теоретично обгрунтовано, що основну роль в змiнi температури тдземних вод е фiльтрацiя, тобто конвективна теплопередача. Кондуктивна складова спричиняе тiльки деяке розсiювання теплового фронту.
3. Експериментально встановлено, що безпосередньо в райош житлового комплексу, в межах якого розташо-вана дмнка проведения дослiджень, Полтавський водоносний горизонт виходить на денну поверхню на вiдстанi 100 метрiв вщ мiсця розташування свердловин за рахунок чого цих мiсцях спостерiгаеться гiдравлiчний зв'язок горизонту з поверхневими водоймами, що розташоваиi на днi балок, а живлення горизонту здiйснюеться безпосередньо за рахунок шфшьтрацп атмосферних опадiв.
4. Обгрунтовано, що пщ час проектування пдротермальних теплонасосних установок необхщно враховувати, що на дшянках, де перепади висот рельефу е близькими за розмiром з глибиною залягання продуктивного водоносного горизонту коефщент трансформаци теплонасосно! системи може суттево вх^знятися вiд розрахункового.
5. Шдтверджено, що для ефективного використання водоносного горизонту як природного акумулятора теплово! енергп необхiдно проведення попередшх гiдрогеологiчних дослiджень та якiсне вивчення як iснуючого антропогенного наваитажения так i геоморфологiчних, геологiчних та пдрогеолопчних параметрiв дiлянки проведення бурових робгл
Список використано1 лiтератури
1. Безродний М. К. Пуховий I. I., Кутра Д. С. Тепловi насоси та !х використання: навч. посiб. К. НТУУ «КП1». 2013. 312 с.
2. Долшський А. А., Драганов Б. Х. Тепловi насоси у системi теплопостачання будiвель. Промислова тепло-технiка. 2008. т. 30. № 6. С. 71-83.
3. Кудря С.О. Вщновлюваш джерела енергп. 1ВЕ НАН Украши. Ки1в. 2020. 354 с.
4. Морозов Ю.П., Чалаев Д.М., Нiколаевська Н.В., Добровольський М.П. Оцiнка ефективностi використання теплового потенщалу довк1лля та верхшх шарiв Землi Украши. Вщновлювана енергетика. 2019. №4(63). С. 80-88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
5. Zhu Ke, Blum Philipp, Ferguson Grant, Balke Klaus-Dieter, Bayer Peter. The geothermal potential of urban heat islands. 2010. Environ. Res. Lett. no. 5. pp. 1-6. http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
6. Морозов Ю.П. та ш Енергетична ефективнiсть використання перших вщ поверхнi водоносних горизонта для тепло- i хладопостачання. Ю.П. Морозов, А.А. Барило, Д.М. Чалаев, М.П. Добровольський. Вщновлювана енергетика. 2019. № 2. С. 70-78. DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78
7. Zurian O. V Comparison of efficiency of geothermal and hydrothermal energy systems. XIX International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bulgaria. 2019. С. 83-90. https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
8. Малкш Е.С., Кулшко £.О. Перспективи та аспекти застосування систем теплохолодопостачання, якi вико-ристовують приповерхневi шари води в якосп теплового акумулятора. Вентиляцiя, освплення та теплогазопос-тачання. 2014. № 17. С. 63-69.
9. Морозов, Ю. П., Жохш, А. С. (2023). Теплообмш при русi геотермального теплонос1я у свердловинi. Вiдновлювана енергетика, 4(71), 83-89. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.4(71).83-89
10. Kordas Olga, Nikiforovich Eugene. A phenomenological theory of steady-state vertical geothermal systems: A novel approach https. Energy 175 (2019) 23-35. doi.org/10.1016/j.energy.2019.03.030
11. Yoon S, Lee SR, Kim MJ, Kim WJ, Kim GY, Kim K. Evaluation of stainless steel pipe performance as a ground heat exchanger in ground-source heat-pump system. Energy 2016;113:328e37. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.07.057
12. Stylianou I, Florides G, Tassou S, Tsiolakis E, Christodoulides P. Methodology for estimating the ground heat absorption rate of Ground Heat Exchangers. Energy 2017;127:258e70. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.070
13. Зур'ян О.В. Експериментальш дослщження теплового режиму пдротермально! теплонасосно! системи. Вщновлювана енергетика. 2021. № №4(67). С. 77-89. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
14. Зур'ян О.В. Врахування антропогенного впливу та геоморфолопчних умов на тдземну пдросферу при проектуванш гiдротермальних теплонасосних систем. Вiсник Кременчуцького нацiонального унiверситету iменi Михайла Остроградського. № 1(132). 2022. С. 192-202. https://doi.org/10.32782/1995-0519.2022.1.26
15. Бочевер Ф.М. та шшг Основи гiдрогеологiчних розрахункiв / Ф.М. Бочевер, 1.В. Гармонов, А.В. Лебедев,
B.М. Шостаков. Надра, 1969. 366 с.
16. Zurian O.V., Barilo A.A. Impact of the natural temperature regime of the upper layers of earth on efficiency of a hydrothermal heat pump system. Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2022. Vol. 31. No 3. С. 575-584. https://doi.org/10.15421/112254
References
1. Bezrodnyi M. K. Pukhovyi I. I., Kutra D. S. Teplovi nasosy ta yikh vykorystannia: navch. posib. K. NTUU "KPI".
2013. 312 s.
2. Dolinskyi A. A., Drahanov B. Kh. Teplovi nasosy u systemi teplopostachannia budivel. Promyslova teplotekhnika. 2008. t. 30. № 6. S. 71-83.
3. Kudria S.O. Vidnovliuvani dzherela enerhii. IVE NAN Ukrainy. Kyiv. 2020. 354 s.
4. Morozov Yu.P., Chalaiev D.M., Nikolaievska N.V., Dobrovolskyi M.P. Otsinka efektyvnosti vykorystannia teplo-voho potentsialu dovkillia ta verkhnikh shariv Zemli Ukrainy. Vidnovliuvana enerhetyka. 2019. № 4(63). S. 80-88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
5. Zhu Ke, Blum Philipp, Ferguson Grant, Balke Klaus-Dieter, Bayer Peter. The geothermal potential of urban heat islands. 2010. Environ. Res. Lett. no. 5. pp. 1-6. http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
6. Morozov Yu.P. ta in Enerhetychna efektyvnist vykorystannia pershykh vid poverkhni vodonosnykh horyzontiv dlia teplo- i khladopostachannia. Yu.P. Morozov, A.A. Barylo, D.M. Chalaiev, M.P. Dobrovolskyi. Vidnovliuvana enerhetyka. 2019. № 2. S. 70-78. DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78
7. Zurian O. V Comparison of efficiency of geothermal and hydrothermal energy systems. XIX International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bulgaria. 2019.
C. 83-90. https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
8. Malkin E. S., Kulinko Ye.O. Perspektyvy ta aspekty zastosuvannia system teplokholodopostachannia, yaki vykorys-tovuiut prypoverkhnevi shary vody v yakosti teplovoho akumuliatora. Ventyliatsiia, osvitlennia ta teplohazopostachannia.
2014. №17. S. 63-69.
9. Morozov, Yu. P., Zhokhin, A. S. (2023). Teploobmin pry rusi heotermalnoho teplonosiia u sverdlovyni. Vidnovliuvana enerhetyka, 4(71), 83-89. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.4(71).83-89
10. Kordas Olga, Nikiforovich Eugene. A phenomenological theory of steady-state vertical geothermal systems: A novel approach https. Energy 175 (2019) 23-35. doi.org/10.1016/j.energy.2019.03.030
11. Yoon S, Lee SR, Kim MJ, Kim WJ, Kim GY, Kim K. Evaluation of stainless steel pipe performance as a ground heat exchanger in ground-source heat-pump system. Energy 2016;113:328e37. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.07.057
12. Stylianou I, Florides G, Tassou S, Tsiolakis E, Christodoulides P. Methodology for estimating the ground heat absorption rate of Ground Heat Exchangers. Energy 2017;127:258e70. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.070
13. Zurian O.V. Eksperymentalni doslidzhennia teplovoho rezhymu hidrotermalnoi teplonasosnoi systemy. Vidnovliuvana enerhetyka. 2021. № №4(67). S. 77-89. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
14. Zurian O.V. Vrakhuvannia antropohennoho vplyvu ta heomorfolohichnykh umov na pidzemnu hidrosferu pry proektuvanni hidrotermalnykh teplonasosnykh system. Visnyk Kremenchutskoho natsionalnoho universytetu imeni Mykhaila Ostrohradskoho. № 1(132). 2022. S. 192-202. https://doi.org/10.32782/1995-0519.2022.L26
15. Bochever F.M. ta inshi. Osnovy hidroheolohichnykh rozrakhunkiv. /F.M. Bochever, I.V. Harmonov, A.V. Lebediev, V.M. Shostakov. Nadra, 1969. 366 s.
16. Zurian O.V., Barilo A.A. Impact of the natural temperature regime of the upper layers of earth on efficiency of a hydrothermal heat pump system. Journal of Geology, Geography and Geoecology. 2022. Vol 31. No 3. С. 575-584. https://doi.org/10.15421/112254
