Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос"
Представлен анализ работы одиночного вертикального грунтового теплообменника и совокупности таких теплообменников. Выявлены негативные последствия извлечения теплоты одиночным устройством и высокая эффективность работы их совокупности при соблюдении ряда требований. Наведено аналіз роботи одиничного...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61270 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" / А.И. Накорчевский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 77-82. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61270 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Накорчевский, А.И. 2014-04-29T16:40:43Z 2014-04-29T16:40:43Z 2007 Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" / А.И. Накорчевский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 77-82. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61270 536.21+662.997 Представлен анализ работы одиночного вертикального грунтового теплообменника и совокупности таких теплообменников. Выявлены негативные последствия извлечения теплоты одиночным устройством и высокая эффективность работы их совокупности при соблюдении ряда требований. Наведено аналіз роботи одиничного вертикального ґрунтового теплообмінника й сукупності таких теплообмінників. Виявлено негативні наслідки витягання теплоти одиничним пристроєм та високу ефективність роботи їх сукупності при дотриманні ряду вимог. The presented analyze the operation of a single vertical soil heat exchanger and a set of such heat exchangers. We reveal negative consequences of heat extraction by a single device and high efficiency of the work of their sets at the observance of a series of requirements. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Нетрадиционная энергетика Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" Rational decision in a heat generating system "soil massif - heat pump" Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| spellingShingle |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" Накорчевский, А.И. Нетрадиционная энергетика |
| title_short |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| title_full |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| title_fullStr |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| title_full_unstemmed |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| title_sort |
рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" |
| author |
Накорчевский, А.И. |
| author_facet |
Накорчевский, А.И. |
| topic |
Нетрадиционная энергетика |
| topic_facet |
Нетрадиционная энергетика |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Rational decision in a heat generating system "soil massif - heat pump" |
| description |
Представлен анализ работы одиночного вертикального грунтового теплообменника и совокупности таких теплообменников. Выявлены негативные последствия извлечения теплоты одиночным устройством и высокая эффективность работы их совокупности при соблюдении ряда требований.
Наведено аналіз роботи одиничного вертикального ґрунтового теплообмінника й сукупності таких теплообмінників. Виявлено негативні наслідки витягання теплоти одиничним пристроєм та високу ефективність роботи їх сукупності при дотриманні ряду вимог.
The presented analyze the operation of a single vertical soil heat exchanger and a set of such heat exchangers. We reveal negative consequences of heat extraction by a single device and high efficiency of the work of their sets at the observance of a series of requirements.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61270 |
| citation_txt |
Рациональные решения в теплогенерирующей системе "грунтовой массив – тепловой насос" / А.И. Накорчевский // Промышленная теплотехника. — 2007. — Т. 29, № 4. — С. 77-82. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT nakorčevskiiai racionalʹnyerešeniâvteplogeneriruûŝeisistemegruntovoimassivteplovoinasos AT nakorčevskiiai rationaldecisioninaheatgeneratingsystemsoilmassifheatpump |
| first_indexed |
2025-11-25T20:42:30Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:42:30Z |
| _version_ |
1850527920476389376 |
| fulltext |
2. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышлен;
ные тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат,
1989. – 128 с.
3. Андреев А.А., Калиниченко И.В. Эколо;
энергетические аспекты внедрения на судах теп;
лонасосных паропроизводящих установок// Тех;
ногенна безпека: Наукові праці МДГУ ім.
П. Могили. Миколаїв: МДГУ, 2006. Т. 61.
Вип. 48.
4. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в су;
довых дизельных установках. – Л.: Судострое;
ние, 1973. – 256 с.
5. Радченко Н.И. Использование тепла ох;
лаждающей судовые ДВС воды для производства
пара теплонасосными установками// Зб. наук.
пр. УДМТУ. – 1999. – № 6 (366). – С. 144;149.
6. Радченко Н.И., Сирота А.А. Теплоутилизи;
рующие контуры на низкокипящих рабочих те;
лах для ДВС// Авіаційно;космічна техніка і тех;
нологія: Зб. наук. пр. – Харків: ХАІ, 2002. –
Вип. 31: Двигуни та енергоустановки. – С. 17;19.
7. Андреев А.А., Калиниченко И.В. Сравни;
тельная оценка энергетической эффективности
судовых паропроизводящих установок различных
типов// Зб. наук. пр. НУК. – 2007. – № 2 (413).
8. Оценка эффективности утилизации теплоты
судовых главных дизелей теплонаносными паро;
производящими установками/ Ю.В. Захаров,
А.А. Андреев, И.В. Калиниченко, В.И. Максимов//
Зб. наук. пр. НУК. – 2005. – № 2 (401). – С. 70;79.
Получено 22.01.2007 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 77
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Наведено аналіз роботи одиничного
вертикального ґрунтового тепло0
обмінника й сукупності таких тепло0
обмінників. Виявлено негативні наслідки
витягання теплоти одиничним прист0
роєм та високу ефективність роботи їх
сукупності при дотриманні ряду вимог.
Представлен анализ работы одиноч0
ного вертикального грунтового тепло0
обменника и совокупности таких тепло0
обменников. Выявлены негативные
последствия извлечения теплоты оди0
ночным устройством и высокая эффек0
тивность работы их совокупности при
соблюдении ряда требований.
The presented analyze the operation of
a single vertical soil heat exchanger and a
set of such heat exchangers. We reveal
negative consequences of heat extraction
by a single device and high efficiency of the
work of their sets at the observance of a
series of requirements.
УДК 536.21+662.997
НАКОРЧЕВСКИЙ А. И.
Институт технической теплофизики НАН Украины
РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕШЕНИЯ В ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ
СИСТЕМЕ “ГРУНТОВОЙ МАССИВ – ТЕПЛОВОЙ НАСОС”
A – параметр;
a – коэффициент температуропроводности;
c – удельная теплоемкость;
q – плотность теплового потока;
L – шаг теплообменников;
m – число теплообменников в направлении х;
N – мощность;
n – число теплообменников в направлении y;
R – радиус;
r – радиус;координата;
S – площадь поверхности;
T – температура;
t – время;
V – объем;
x, y, z – координаты;
Z – рабочая высота теплообменника;
ρ – плотность;
λ – коэффициент теплопроводности;
Π – периметр.
Индексы:
0 –наружная поверхность теплообменника;
m, n – в направлениях x, y соответственно;
Проблемы с энергоносителями и ухудшающая
экологическая обстановка все настоятельнее за;
ставляют обращаться к нетрадиционным источ;
никам энергии. Одним из них является теплота
грунтового массива с потенциалом порядка Тм =
8 оС. Для повышения температуры изъятой теп;
лоты необходим тепловой насос. Так возникает
теплогенерирующая система “грунтовый массив
– тепловой насос”. Наиболее рационально эту
систему применить для объектов с невысоким
термодинамическим потенциалом, а именно в
коммунальной сфере – для отопления и горячего
водоснабжения жилых зданий. Украине присущ
полугодовой отопительный сезон, что заставляет
извлекать грунтовую теплоту в холодный период
года в течение 180 суток. Почти очевидным ин;
женерным решением представляется использо;
вание для этого вертикальных грунтовых тепло;
обменников, размещаемых в буровых скважинах.
Проведенные исследования [1;3] показали, что
работа одиночного вертикального теплообмен;
ника как в случае аккумулирования, так и при
извлечении грунтовой теплоты неэффективна.
Это объясняется высоким тепловым сопротивле;
нием грунта, что приводит к резкому снижению
температуры промежуточного теплоносителя по
сравнению с исходной температурой грунтового
массива. Так, например, для теплообменника с
R0 = 0,1 м к 5,33 часу от начала его работы в суг;
линке (ρм = 1,84·103 кг/м3, cм = 1,15·103 Дж/(кг·К),
λм = 1,42 Вт/(м·К)) даже при умеренной нагрузке
(q0 = 50 Вт/м2) температура теплоносителя Tw по;
низилась от Тм (0) = 8 до 4,5 оС, а радиус теплово;
го действия теплообменника R превысил 2200 м с
последующим крутым ростом, что делает невоз;
можным дальнейший численный расчет на со;
временной компьютерной технике. Анализ энер;
гетических соотношений, представленных в [2,
3], при R → ∞ привел к следующей предельной
зависимости изменения температуры на наруж;
ной поверхности теплообменника:
. (1)
Расчеты согласно (1) по методике [4] для “модель;
ного” грунта (λм = 1 Вт/(м·К), cм = 1·103 Дж/(кг·К),
ρм = 2·103 кг/м3, Тм = 8 оС), при R0 = 0,1 м и
q0 = 180 Вт/м2 выявили резкое снижение темпе;
ратуры на наружной поверхности теплообменни;
ка с переходом к отрицательным значениям (см.
рис. 1), что приводит к промерзанию грунта в ок;
рестности теплообменника и необходимости до;
бавки антифризов в промежуточный теплоноси;
тель. При неравномерной “откачке” теплоты
существенно возрастает тепловое сопротивление
грунта с прогрессирующим понижением темпе;
ратуры даже при одинаковых среднеинтеграль;
ных количествах изъятой теплоты (кривая 3 на
рис. 1). Понижение температуры естественно
приводит к увеличению энергопотребления теп;
ловым насосом. Таким образом, можно сделать
вывод о низкой эффективности работы одиноч;
ного теплообменника.
Единственный способ существенного повы;
шения температуры промежуточного теплоно;
сителя в течение всех 180 дней работы – это
организация “кустового” расположения грун;
товых теплообменников [1;3]. В таком случае
создаются основная, неизменная во времени,
область извлечения грунтовой теплоты, опреде;
ляемая контуром “куста” и рабочей высотой
теплообменников, и “буферная” подобласть,
примыкающая к основной и непосредственно
контактирующая с грунтовым массивом (см.
рис. 2). Размеры буферной подобласти увели;
чиваются во времени. Для ее минимизации
необходимо осуществить ряд мероприятий.
Главное из них – это обеспечение равно нагру;
женной работы всех элементов основной обла;
сти, что сравнительно просто осуществимо. В
таком случае распределение температур в бу;
ферной подобласти и ее размер определятся
зависимостями [2, 3]:
( )
0 0 0
м м м м 0 0
1dT q q
dt c T T R
⎡ ⎤
= − −⎢ ⎥
ρ λ −⎢ ⎥⎣ ⎦
78 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
s – поверхность S;
w – внутренняя поверхность теплообменника;
к – конечный;
м – массив;
н – насос;
о – основной;
с – середина;
т – тепловой.
(2)
Для основной области:
(3)
. (4)
Темп снижения температуры в основной обла;
сти при q0 = const будет
, (5)
где
,
(6)
.
р 0
5 0
м м
6,28
k q
a R Z
c
=
ρ
( )
( )
( ) ( )
с с 0
3 с 0 р
с с
с с 0
4 с 0 р с 2 2
с с
6,28 ,
1 2
6,28
1 2
R R R
a R R k Z
A A
R R R
a R R k A
A A
⎛ ⎞−
= − −⎜ ⎟+ +⎝ ⎠
⎛ ⎞−⎜ ⎟= − −
⎜ ⎟+ +⎝ ⎠
( ) 2
o1,256 0,5 1,436s sZ R R ⎤+ + Π + ⎦
( ) ( )2 м с o o0,4 2a T T Z S⎡= − Π + +⎣
( ) 2 3
o0,628 0,5 0,479 ,s sZ R R+ + Π +
( )1 o o o0,4 2 sa V Z S R= + Π + +
( ) ( )
0 0 0 с
м м м с 0 с 0 0
м
,
12
,s
s
dT q q R
dt c T T R R R
dR a
dt R
⎡ ⎤
= − −⎢ ⎥
ρ λ − −⎢ ⎥⎣ ⎦
=
( )
æ
0
5 3 4 2
3 4 1
sdT dR
a a a a
dT dt dt
dt a a a
+ + −
=
+ −
( )
( )
0 c 00
c
c 0 м с 0
;
q R Rr R
A
R R T T
−−
κ = =
− λ −
( ) ( )
( )
2
c cc
c
c 0
c
1 1 2 при 0 3,
1 при 3;
A
A AT T
T T A
⎧ − κ + κ − κ ≤ ≤− ⎪= ⎨− − κ >⎪⎩
( ) ( )3м
м с
м
1 1 3 , , , ;
24 .
s
s
T T u
u x y
T T R
R a t
−
= − ψ + ψ ψ = =
−
=
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 79
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 1. Температура на наружной поверхности теплообменника.
1 – по методике [4], 2 – при q0 = 180 Вт/м2 = const, 3 – при q0 = 180 (1Hcos(2πt/86400)).
В свою очередь (см. рис. 2):
(7)
Система уравнений (2) – (7) замкнута и
позволяет рассчитать процесс извлечения
теплоты грунта в течение отопительного сезо;
на при заданной извлекаемой тепловой мощ;
ности N, исходной температуре грунтового
массива Tм и геометрических параметрах R0,
Z, L, m, n.
Прежде чем представить пример конкретно;
го расчета, необходимо остановиться на кон;
цептуальных вопросах извлечения теплоты из
грунта. В настоящее время наметилась тенден;
ция по сути неконтролируемого извлечения
низкопотенциальной теплоты из разнообраз;
ных природных источников – грунта, воздуха,
водоемов, а также из источников техногенного
происхождения – сточных вод, охлаждающих
систем и т. п. Если такие предложения носят
единичный характер, то особых возражений
они не вызывают. Например, извлечение тепло;
ты для отдельного коттеджа. Другое дело, если
это масштабные предложения, к примеру – из;
влечение теплоты для отопления поселка или
города. В последнем случае надо учитывать не;
избежное влияние этих мероприятий на климат
окружающей местности. Поэтому надо ориен;
тироваться только на полностью возобновляе;
мые источники энергии. Применительно к рас;
сматриваемому вопросу отбор теплоты из
грунта в холодную пору года не должен превы;
шать компенсирующего притока теплоты за
счет солнечной инсоляции в межсезонье. Зна;
чение последней для грунтов Украины находит;
ся в пределах qм = 10…35 Вт/м2, что не превы;
шает нескольких процентов от прямого
солнечного излучения.
Естественно, что температура промежуточно;
го теплоносителя теплообменников будет близ;
кой к температуре стенки теплообменника Тw ,
которая, в свою очередь, будет ниже температуры
массива Тм. Повышение потенциала теплоты
осуществляется тепловым насосом, и расход по;
требляемой им для этого энергии Nт.н определя;
ется зависимостью
, (8)
где Тк – конечная температура основного
теплоносителя на выходе из насоса. Значе;
ние последней должно быть в пределах
35…45 oС при внутрипольной системе отоп;
ления или 95 oС при радиаторной. Возмож;
ности ординарных тепловых насосов ограни;
чены Тк ≤ 65 oС. Числовой коэффициент в (8)
отражает к. п. д. теплового насоса, который
к
т.н
к
1,852
273
wT T
N N
T
−
=
+
р 1.k mn m n= − − +
( )о о о о2 , , ,m n m nL L S L L V S ZΠ = + = =
( ) ( )о / 2, 1 , 1 ,m nR L L m L L n L= = − = −
80 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 2. Расчетная схема извлечения теплоты
грунтового массива совокупностью
теплообменников.
здесь принят довольно низким (не превосхо;
дящим 54 %).
Результаты расчета для суглинистого грунта
при следующих исходных условиях:
R0 = 0,1 м, Z = 80 м, L = 6 м, m = n = 11,
q0 = 50 Вт/м2, Tм = 8 oС, Тк1 = 40 oС, Тк2 = 65 oС
представлены на рис. 3. Принципиальное отли;
чие от случая одиночного теплообменника со;
стоит в том, что на 180 день непрерывной работы
“куста” температура промежуточного теплоно;
сителя Тw не опустилась ниже нуля и температура
основной области Тс снизилась всего лишь на
4 oС. При этом, извлеченная мощность составила
N = 250 кВт. Область теплового действия “куста”
увеличилась только на Rs = 16 м, тогда как спустя
6 часов от начала работы одиночного теплооб;
менника радиус его действия устремился к беско;
нечности. Важно подчеркнуть, что к концу ото;
пительного сезона поверхностная плотность
извлеченной теплоты
(9)
не превысила значения 30 Вт/м2, соответствую;
щего реальному компенсирующему действию
солнечной радиации в межсезонье. Согласно за;
висимости (8) количество электроэнергии, по;
требляемой тепловым насосом, не больше
η40 = 23 % от N для поддержания конечной тем;
пературы теплоносителя теплосети Тк1 = 40 оС и
η65 = 35 % при Тк2 = 65 оС.
Вывод
Представленные исследования однозначно
свидетельствуют о предпочтительности “кус;
тового” извлечения грунтовой теплоты по
сравнению с разобщенными тепловыми мето;
дами.
( )( )м
2 2m s n s
N
q
L R L R
=
+ +
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4 81
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 3. Динамика изменения параметров процесса в течение отопительного сезона при извлечении тепH
лоты совокупностью вертикальных теплообменников.
1 – qм, Вт/м2; 2 – η65, %; 3 – Ас; 4 – η40, %; 5 – Rs, м; 6 – Тс,
oС; 7 – Тw,oС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Накорчевский А.И., Басок Б.И., Беляева Т.Г.
Проблемы грунтового аккумулирования теплоты
и методы их решения // Пром. теплотехника. –
2003. – Т. 25, № 3. – С. 42;50.
2. Накорчевский А.И. Динамика грунтового
аккумулирования теплоты и выбор рациональ;
ных решений // Инж.;физ.журнал. – 2004. – Т.
77, №4. – С. 10;19.
3. Накорчевский А.И. Динамика разрядки
теплового аккумулятора в неограниченном грун;
товом массиве // Инж.;физ.журнал. – 2005. – Т.
78, № 6. – С. 70;77.
4. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твер;
дых тел. – М.: Наука, 1964. – 488с.
Получено 13.04.2007 г.
82 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2007, т. 29, № 4
НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА
|