ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
In the process of solving the tasks of soil accumulation and extraction of heat from the near-surface layers of the Earth, there is a need to obtain information about the depth of daily and annual temperature changes in the soil, which determines the layer of the Earth's surface that actively i...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/421 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| id |
veorgua-article-421 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Vidnovluvana energetika |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer. тепловий насос ґрунтове акумулювання теплопостачання коефіцієнт перетворення періодич-ність шар промерзання. |
| spellingShingle |
heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer. тепловий насос ґрунтове акумулювання теплопостачання коефіцієнт перетворення періодич-ність шар промерзання. Morozov, Yu. Zurian, О. ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| topic_facet |
heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer. тепловий насос ґрунтове акумулювання теплопостачання коефіцієнт перетворення періодич-ність шар промерзання. |
| format |
Article |
| author |
Morozov, Yu. Zurian, О. |
| author_facet |
Morozov, Yu. Zurian, О. |
| author_sort |
Morozov, Yu. |
| title |
ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| title_short |
ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| title_full |
ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| title_fullStr |
ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| title_full_unstemmed |
ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS |
| title_sort |
analytical calculation of the depth of temperature wave propagation during the construction of geothermal heat pump systems |
| title_alt |
АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ГЛИБИНИ ПОШИРЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ХВИЛІ ПРИ ПОБУДОВІ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ |
| description |
In the process of solving the tasks of soil accumulation and extraction of heat from the near-surface layers of the Earth, there is a need to obtain information about the depth of daily and annual temperature changes in the soil, which determines the layer of the Earth's surface that actively interacts with the Earth's atmosphere. In the cold season, the temperature in it drops, and in the warm season it rises. It is known that the efficiency of the heat pump system depends both on the temperature difference at the outlet of the heat pump condenser and the inlet to its evaporator, and on the stability of the temperature of the heat energy source. The temperature at the inlet to the heat pump evaporator is determined by the temperature of the soil at the place of installation of the thermal energy collector. It is known that the most economically profitable is the installation of geothermal heat exchangers located horizontally in the soil at a shallow depth, due to lower costs for land works and the absence of the need to drill deep wells. At the same time, these systems have the greatest vulnerability to the temperature difference that occurs in the near-surface layers. Therefore, there is a need to study thermophysical processes occurring in the soil under the influence of exogenous factors. It is known that soil temperature has daily and annual periodicity. The degree of heating of the soil depends on its thermal conductivity, which is understood as the ability of the soil to conduct heat from more heated layers to less heated layers. And the course of soil temperature can significantly depend on the vegetation cover of the soil, its nature and height throughout the year. At the same time, heat exchanger-soil systems, the effectiveness of which directly depends on the distribution of temperature in the soil and the factors affecting this distribution, remain insufficiently researched. The main feature of the geothermal heat energy extraction system is the combination of technical and natural elements of such systems. At the same time, the natural source of thermal energy is located in an environment that is not easily accessible for observation. The purpose of the research is to develop an applied methodology as a set of principles and approaches of mathematical modeling based on the proposed mathematical apparatus for analytical calculation of the depth of temperature wave propagation during the construction of geothermal heat pump systems. The basic mathematical apparatus for describing such processes includes differential equations that take into account the dependence of temperature on time and spatial coordinates. Further studies are promising for calculating the possibility of using a solar system to obtain thermal energy to reduce the temperature deviation of the heat carrier at the inlet to the evaporator of the heat pump, which comes from a horizontal ground heat exchanger mounted in the soil below freezing depths and above the neutral temperature layer. |
| publisher |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/421 |
| work_keys_str_mv |
AT morozovyu analyticalcalculationofthedepthoftemperaturewavepropagationduringtheconstructionofgeothermalheatpumpsystems AT zuriano analyticalcalculationofthedepthoftemperaturewavepropagationduringtheconstructionofgeothermalheatpumpsystems AT morozovyu analítičnijrozrahunokglibinipoširennâtemperaturnoíhvilípripobudovígeotermalʹnihteplonasosnihsistem AT zuriano analítičnijrozrahunokglibinipoširennâtemperaturnoíhvilípripobudovígeotermalʹnihteplonasosnihsistem |
| first_indexed |
2024-06-01T14:34:37Z |
| last_indexed |
2024-06-01T14:34:37Z |
| _version_ |
1800669733947703296 |
| spelling |
veorgua-article-4212024-02-09T13:53:19Z ANALYTICAL CALCULATION OF THE DEPTH OF TEMPERATURE WAVE PROPAGATION DURING THE CONSTRUCTION OF GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ГЛИБИНИ ПОШИРЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ХВИЛІ ПРИ ПОБУДОВІ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ Morozov, Yu. Zurian, О. heat pump, soil storage, heat supply, conversion factor, periodicity, freezing layer. тепловий насос, ґрунтове акумулювання, теплопостачання, коефіцієнт перетворення, періодич-ність, шар промерзання. In the process of solving the tasks of soil accumulation and extraction of heat from the near-surface layers of the Earth, there is a need to obtain information about the depth of daily and annual temperature changes in the soil, which determines the layer of the Earth's surface that actively interacts with the Earth's atmosphere. In the cold season, the temperature in it drops, and in the warm season it rises. It is known that the efficiency of the heat pump system depends both on the temperature difference at the outlet of the heat pump condenser and the inlet to its evaporator, and on the stability of the temperature of the heat energy source. The temperature at the inlet to the heat pump evaporator is determined by the temperature of the soil at the place of installation of the thermal energy collector. It is known that the most economically profitable is the installation of geothermal heat exchangers located horizontally in the soil at a shallow depth, due to lower costs for land works and the absence of the need to drill deep wells. At the same time, these systems have the greatest vulnerability to the temperature difference that occurs in the near-surface layers. Therefore, there is a need to study thermophysical processes occurring in the soil under the influence of exogenous factors. It is known that soil temperature has daily and annual periodicity. The degree of heating of the soil depends on its thermal conductivity, which is understood as the ability of the soil to conduct heat from more heated layers to less heated layers. And the course of soil temperature can significantly depend on the vegetation cover of the soil, its nature and height throughout the year. At the same time, heat exchanger-soil systems, the effectiveness of which directly depends on the distribution of temperature in the soil and the factors affecting this distribution, remain insufficiently researched. The main feature of the geothermal heat energy extraction system is the combination of technical and natural elements of such systems. At the same time, the natural source of thermal energy is located in an environment that is not easily accessible for observation. The purpose of the research is to develop an applied methodology as a set of principles and approaches of mathematical modeling based on the proposed mathematical apparatus for analytical calculation of the depth of temperature wave propagation during the construction of geothermal heat pump systems. The basic mathematical apparatus for describing such processes includes differential equations that take into account the dependence of temperature on time and spatial coordinates. Further studies are promising for calculating the possibility of using a solar system to obtain thermal energy to reduce the temperature deviation of the heat carrier at the inlet to the evaporator of the heat pump, which comes from a horizontal ground heat exchanger mounted in the soil below freezing depths and above the neutral temperature layer. У процесі вирішення завдань ґрунтового акумулювання й вилучення теплоти з приповерхневих шарів Землі, виникає потреба одержати інформацію щодо глибини добових та річних змін температури в ґрунті, яка визначає шар земної поверхні, що активно взаємодіє з навколоземною атмосферою. У холодну пору року температура в ній знижується, а в теплу – підвищується. Відомо, що ефективність теплонасосної системи залежить як від різниці температур на виході з конденсатора теплового насоса та вході в його випарник, так і від стабільності температури джерела теплової енергії. Температура на вході у випарник теплового насоса визначається температурою ґрунту в місці встановлення колектора теплової енергії. Відомо, що найбільш економічно рентабельною є інсталяція геотермальних теплообмінників, розташованих горизонтально в ґрунті на невеликій глибині, за рахунок менших витрат на земельні роботи та відсутності необхідності буріння глибоких свердловин. Водночас ці системи найвразливіші до перепаду температур, що відбувається в приповерхневих шарах. Тож виникає потреба в дослідженні теплофізичних процесів, що відбуваються в ґрунті під впливом екзогенних факторів. Відомо, що температура ґрунту має добову та річну періодичність. Ступінь нагрівання ґрунту залежить від його теплопровідності, під якою розуміють здатність ґрунту проводити тепло з більш нагрітих шарів у шари менш нагріті. А коливання температури ґрунту може суттєво залежати від рослинного покриву ґрунту, характеру та висоти його протягом року. Разом з тим залишаються недостатньо дослідженими системи теплообмінник–ґрунт, ефективність використання яких безпосередньо залежить від розподілу температури в ґрунті та факторів, які на цей розподіл впливають. Головною особливістю системи добування геотермальної теплової енергії є поєднання технічних і природного елементів таких систем. При цьому природнє джерело теплової енергії перебуває в середовищі, яке малодоступне для спостережень. Метою дослідження є розроблення прикладної методології як сукупності принципів та підходів математичного моделювання на основі запропонованого математичного апарату аналітичного розрахунку глибини поширення температурної хвилі при побудові геотермальних теплонасосних систем. Основний математичний апарат для опису таких процесів включає в себе диференціальні рівняння, що враховують залежність температури від часу та просторових координат. Мають перспективу подальші дослідження щодо розрахунку можливості застосування сонячної системи для отримання теплової енергії для зменшення девіації температури теплоносія на вході в випарник теплового насоса, що поступає від горизонтального ґрунтового теплообмінника, змонтованого в ґрунті нижче глибин промерзання та вище нейтрального шару температур. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-10-19 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/421 10.36296/1819-8058.2023.3(74).127-140 Возобновляемая энергетика; № 3(74) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 127-140 Відновлювана енергетика; № 3(74) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 127-140 Vidnovluvana energetika ; No. 3(74) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 127-140 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.3(74) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/421/330 Copyright (c) 2023 Vidnovluvana energetika |