ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS

In the process of solving the tasks of extracting low-potential environmental heat from open bodies of water when using heat pump systems with collectors immersed in the body of water, there is a need to obtain information about the depth of temperature changes in the body of water, which determines...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2024
Main Author:	Zurian , O.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024
Subjects:	heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer.
Online Access:	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/449
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Vidnovluvana energetika
Download file:

Institution

Vidnovluvana energetika

_version_	1871103735055253504
author	Zurian , O.
author_facet	Zurian , O.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "O. Zurian ", "institution": "Institute of Renewable Energy NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort	Zurian , O.
baseUrl_str	https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T06:32:19Z
description	In the process of solving the tasks of extracting low-potential environmental heat from open bodies of water when using heat pump systems with collectors immersed in the body of water, there is a need to obtain information about the depth of temperature changes in the body of water, which determines the layer of water 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 on both the temperature difference at the outlet of the heat pump condenser and the inlet to its evaporator, and 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 medium at the place of installation of the thermal energy collector. And taking into account the fact that the collector of the hydrothermal system usually sinks to the bottom of the reservoir, the task of determining not so much the change in water temperature in the reservoir itself as the temperature at the water-soil boundary, at the bottom of the reservoir, that is, the study of thermo physical processes occurring in water under the influence of both exogenous and and endogenous factors. The main feature of the hydrothermal thermal energy production 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 paper provides a description of the developed experimental hydrothermal heat pump system and the research methodology. Field studies were conducted to analyze the influence of bottom heat flows on the daily regime of a small open water body. Changes in the temperature of water and the bottom of open water bodies in the city where the experimental system is located are practically determined. It is shown that as a result of taking into account the heat exchange with the bottom, the temperature at the depth of the reservoir increases and decreases near the surface. This leads to an increase in the turbulent flow from the atmosphere and a decrease in heat output due to long-wave radiation, as a result of which the average temperature of the reservoir increases. The mathematical apparatus for analytical calculation of the depth of temperature wave propagation in water during the construction of hydrothermal heat pump systems is described. The basic mathematical apparatus for describing such processes includes differential equations that take into account the dependence of temperature on time and spatial coordinates.
doi_str_mv	10.36296/1819-8058.2024.1(76).118-132
first_indexed	2025-07-17T11:39:24Z
format	Article
fulltext	118 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика УДК 504.062.2; 697.975 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.1(76)118-132 УРАХУВАННЯ ДЕВІАЦІЇ ТЕМПЕРАТУРИ НА МЕЖІ ВОДА – ҐРУНТ ВІДКРИТОЇ ВОДОЙМИ ПРИ ПОБУДОВІ ГІДРОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ Отримано 16 лют. 2024 р.; рекомендовано до публікації 22 бер. 2024 р. Доступно онлайн 01 квіт. 2024 р. Зур’ян О. В.1 Автор для коресподенції: Зур’ян Олексій, e-mail: alexey_zuryan@ukr.net Анотація. У процесі виконання завдань з вилучення низькопотенційної теплоти довкілля з відкритих водойм при застосуванні теплонасосних систем з колекторами, зануреними у водойму, виникає пот- реба одержати інформацію щодо глибини змін температури у водоймі, яка визначає шар води, що активно взаємодіє з навколоземною атмосферою. У холодну пору року температура в ньому падає, 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 стабіль- ності температури джерела теплової енергії. Температура на вході у випарник теплового насоса визначається температурою середовища в місці встановлення колектора теплової енергії. А зважа- ючи на те, що колектор гідротермальної системи зазвичай занурюється у дно водойми, постає за- вдання визначити не тільки зміни температури води в самій водоймі, а й температури на межі вода – ґрунт, на дні водойми – тобто дослідити теплофізичні процеси, що відбуваються у воді під впливом як екзогенних, так і ендогенних факторів. Головною особливістю системи добування гідротермаль- ної теплової енергії є поєднання технічних і природного елементів таких систем. При цьому природне джерело теплової енергії перебуває в середовищі, яке малодоступне для спостережень. У роботі на- дано опис розробленої експериментальної гідротермальної теплонасосної системи та методики проведення досліджень. Для аналізу впливу цих теплових потоків на добовий режим невеликої відкри- тої водойми було проведено натурні дослідження. Практично визначені зміни температури води та дна відкритої водойми в місті розташування експериментальної системи. Показано, що внаслідок теплообміну з дном підвищується температура на глибині водойми i знижується – біля поверхні. Це призводить до збільшення турбулентного потоку з атмосфери i зменшення тепловiддачi за рахунок довгохвильового випромінювання, внаслідок чого підвищується середня температура водойми. Ви- значено коефіцієнт перетворення гідротермальної теплонасосної системи взимку. Описано мате- матичний апарат аналітичного розрахунку глибини поширення температурної хвилі у воді при побу- дові гідротермальних теплонасосних систем. Основний математичний апарат для опису таких процесів включає в себе диференціальні рівняння, що враховують залежність температури від часу та просторових координат. Ключові слова: гідросфера, відкрита водойма, тепловий насос, гідротермальна система, енергоефе- ктивність. 1 канд. техн. наук https://orcid.org/0000-0002-2391-1611 1 Інститут відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ, Україна 119 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS Received Feb. 16, 2024; accepted Mar. 22, 2024 Available online Mar. 01, 2024 Zurian O.1 Author for correspondence: Zurian Oleksii, e-mail: alexey_zuryan@ukr.net Abstract. In the process of solving the tasks of extracting low-potential environmental heat from open bodies of water when using heat pump systems with collectors immersed in the body of water, there is a need to obtain information about the depth of temperature changes in the body of water, which determines the layer of water 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 on both the temperature difference at the outlet of the heat pump condenser and the inlet to its evaporator, and the stability of the tem- perature of the heat energy source. The temperature at the inlet to the heat pump evaporator is determined by the temperature of the medium at the place of installation of the thermal energy collector. And taking into account the fact that the collector of the hydrothermal system usually sinks to the bottom of the reservoir, the task of determining not so much the change in water temperature in the reservoir itself as the temperature at the water- soil boundary, at the bottom of the reservoir, that is, the study of thermo physical processes occurring in water under the influence of both exogenous and and endogenous factors. The main feature of the hydrothermal ther- mal energy production 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 observa- tion. The paper provides a description of the developed experimental hydrothermal heat pump system and the research methodology. Field studies were conducted to analyze the influence of bottom heat flows on the daily regime of a small open water body. Changes in the temperature of water and the bottom of open water bodies in the city where the experimental system is located are practically determined. It is shown that as a result of taking into account the heat exchange with the bottom, the temperature at the depth of the reservoir increases and decreases near the surface. This leads to an increase in the turbulent flow from the atmosphere and a decrease in heat output due to long-wave radiation, as a result of which the average temperature of the reservoir increases. The mathematical apparatus for analytical calculation of the depth of temperature wave propagation in water during the construction of hydrothermal heat pump systems is described. The basic mathematical apparatus for describing such processes includes differential equations that take into account the dependence of temperature on time and spatial coordinates. Key words: heat pump, soil storage, heat supply, conversion factor, periodicity, freezing layer. Перелік використаних позначень та скорочень ВДЕ – відновлювані джерела енергії ТН – тепловий насос ТО – термоперетворювач опору ПЗ – програмне забезпечення ГВП – гаряче водопостачання ГідроТС – гідротермальна теплонасосна система ГеоТС – геотермальна теплонасосна система ГЦС – геотермальна циркуляційна система ТСП – термоперетворювач опору φ – коефіцієнт перетворення теплоти (англ. Coefficient of performance) – коефіцієнт, що показує ефективність теп- лового насоса 1 Cand. of Tech. Sciences https://orcid.org/0000-0002-2391-1611 1 Institute of Renewable Energy NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine 120 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика Вступ. У кліматичних та географічних умовах України одним з перспективних напрямів використання віднов- люваної енергетики є застосування гідротермальних те- плонасосних систем (ГідроТС). Для отримання необхідної первинної енергії для роботи теплового насоса в ГідроТС використовуються системи відбору низькопотенційної теплової енергії, які склада- ються з гідротермального теплообмінника, встановле- ного у водойму, в якому по замкнутому контуру цирку- лює теплоносій (закрита ГідроТС), або здійснюється безпосередній забір води з водойми чи водоносного го- ризонту розкритого свердловинами, яка безпосередньо використовується як теплоносій для роботи теплового насоса (відкрита ГідроТС). Протягом останніх 20 років у світі було науково обґрун- товано та розроблено технологію та побудовано велику кількість діючих систем теплопостачання на теплових насосах. Застосуванню теплонасосних систем в Україні та світі, де як первинне джерело енергії використовується низько- потенційна енергія приповерхневих шарів Землі, прис- вячена велика кількість досліджень. Науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи щодо використання низькопотенційної теплової енергії приповерхневих ша- рів ґрунту за допомогою теплових насосів проводяться як в Україні, так і світі вже тривалий час [1–3]. Відомо, що надлишкове тепло, отримане в процесі охоло- дження, можливо зберігати в ґрунті [4–6]. Дослідження щодо встановлення теплового балансу в ґрунті під час експлуатації ГеоТНС описані в роботах [7, 8]. Оцінка ефе- ктивності використання теплового потенціалу довкілля та верхніх шарів Землі України виконана авторами [9– 11]. Техніко-економічний аналіз впровадження тепло- насосних систем з геотермальним теплообмінниками було висвітлено в роботах [12, 13]. Проводяться активні науково-дослідницькі роботи з вивчення фізичних осо- бливостей та енергетичної ефективності акумулювання тепла та холоду шляхом використання води підземних горизонтів [14–19]. Основна відмінність теплового насоса від інших перет- ворювачів відновлюваної енергії полягає в тому, що при виробництві тепла до 80 % енергії витягується з навко- лишнього середовища (для гідротермальних систем – води відкритих водойм або водоносних горизонтів). Од- нак така система має й недоліки, пов’язані з істотною за- лежністю її ефективності від стабільності дебіту й темпе- ратури води на виході з теплообмінника, зануреного у природне середовище. Поверхневі води є високоефективним джерелом відно- влюваної низкопотенційной енергії, однак під час проє- ктування таких систем важливо враховувати гідрологіч- ний режим водного об’єкта. Сутність гідрологічного режиму водних об’єктів – це зміни гідрологічних харак- теристик у просторі та часі. Гідрологічний стан водного об’єкта подібно до погоди стосовно стану атмосфери схильний до постійних прос- торово-часових змін. Цей стан залежить від багатьох чинників і визначається характером процесів, що відбу- ваються в самому водному об’єкті, його зв’язком з ін- шими водними об’єктами, атмосферою, літосферою, впливом господарської діяльності людини і т. п. Сукуп- ність змін гідрологічного стану водного об’єкта, що за- кономірно повторюються, – це і є його гідрологічний ре- жим. Оскільки на температуру води у річці впливають зміни температури повітря, основна причина тимчасо- вих змін температури води у річках – метеорологічна. В умовах помірного клімату найтиповішими є сезонні зміни температури води в річках. Взимку під крижаним покривом вода в річках має температуру близько 4 °С. Навесні, у період підвищення температури повітря, та восени, в період її зниження, зміни температури води йдуть з деяким відставанням за змінами температури повітря. Максимальна температура води за величиною менша за максимальну температуру повітря (напри- клад, на річках Київщини ці температури відповідно до- рівнюють приблизно 22–24 і 28–30° С). Максимум тем- ператури води настає пізніше максимальної температури повітря. У зв’язку з тим, що температура води в річках здебільшого не може набувати негативних значень, середньорічна температура води в річках помі- тно вища, ніж середньорічна температура повітря. Крім сезонних коливань температури води в річках від- буваються її добові зміни, що також відстають від зміни температури повітря. Мінімальна температура води за- звичай спостерігається в ранковий час, максимальна – о 15–17 годині (максимум температури повітря зазвичай настає на 1-2 години раніше). На великих річках добові зміни температури води зазвичай не більше 1-2 °С, на малих річках вони можуть бути помітно більшими. При температурах близьких до 0 °С вода стає менш щільною та легшою. Тому при охолодженні води у во- доймищі до +4 °С припиняється її конвекційне перемі- шування, подальше її охолодження відбувається лише за рахунок теплопровідності (а вона у води не дуже ви- сока), і процеси охолодження води різко уповільню- ються. Навіть у люті морози, в глибокій річці під товстим шаром льоду та шаром холодної води завжди буде вода з температурою +4 °С. До дна промерзають лише неве- ликі ставки та озера. Невеликі водойми мають важливі особливості, які призводять до сильної взаємодії між фізичними, хiмiчними та бiологiчними процесами [23, 24]. Корот- кохвильова сонячна радiацiя, яка досягає дна, 121 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика підвищує температуру води та поверхні дна, викликає розвиток донної рослинності та впливає, разом з тем- пературою водного шару, на температурний режим донних відкладень, в яких залежність швидкості про- тікання бiохiмiчних реакцій від температури води є визначальною. Водночас поверхневі хвилі в таких во- доймах проникають до дна i разом з течіями збурю- ють донні відкладення, зменшуючи прозорість води. Рослинність своєю чергою впливає на гiдродинамiчну шершавість дна водойми, гасячи поверхневі хвилі й у такий спосіб збільшуючи прозорість води та зміню- ючи профіль течій i перенос поживних речовин. При моделюванні цих процесів важливу роль відіграє пра- вильний опис теплового режиму водойм. У бiльшостi гiдродинамiчних моделей при описі теплового бала- нсу водойм, за винятком небагатьох (напр. [25, 26]), ігнорується теплообмін з дном. Це пояснюється тим, що в глибоких басейнах величина теплового потоку в дно значно менша у порiвняннi з тепловими пото- ками на поверхні й переносом тепла за рахунок течій. Але теплообмін водного шару та донних відкладень може бути важливим в сезонному масштабі для озер у помiрнiй зоні, які взимку покриті льодом. Напри- клад, температура в мілкому озері, ізольованому від атмосферного впливу льодом з шаром снігу, вища на 1-2 °С за рахунок потоку тепла з донних відкладень [27]. У мілких лагунах, озерах i річках нагрівання води i дна за рахунок сонячної радiацiї вдень i охоло- дження за рахунок довгохвильового випромінювання вночі може створити значні теплові потоки, хоча при усередненні за день ці потоки можуть бути близь- кими до нуля [28]. Отже, з урахуванням того, що природна водойма є скла- довою частиною технічного пристрою (ГідроТС), актуа- льною науково-технічною задачею є визначення техніч- них особливостей побудови систем вилучення низькопотенційної теплової енергії довкілля з відкритих водойм з урахуванням девіації температури на вході до випарника, яка залежить від процесу теплообміну на межі водного шару з донними відкладеннями (вода ‒ ґрунт) відкритої водойми. Постановка завдання. Мірою енергетичної ефективно- сті теплонасосної установки (ТНУ) є коефіцієнт перетво- рення, який характеризує відношення енергії, що надій- шла споживачеві, до витраченої енергії. Оцінки показують, що для вдало спроєктованих систем тепло- постачання коефіцієнт перетворення може досягати від 4 до 6. Головною особливістю гідротермальноїї системи отри- мання теплової енергії є поєднання технічних і природ- ного елементів таких систем. При цьому природне дже- рело теплової енергії перебуває в середовищі, яке малодоступне для спостережень. За таких обставин основними методами дослідження теплових і гідродинамічних процесів у системах видобу- вання низькопотенційних гідротермальних ресурсів з поверхневих вод та системах їх перетворення на енер- гію, комфортну для застосування в теплоенергетиці, є теоретичні методи. Основний з них ‒ математичне мо- делювання. Серйозною перешкодою, яка стримує впро- вадження цих систем, є фактична відсутність аналітич- ного, математичного, програмного і методичного забезпечення для розробки таких систем для різних гід- рогеологічних, метеорологічних, морфологічних біоло- гічних та антропогенних умов використання. Цим обумовлені значимість та актуальність теми дослі- дження. Мета дослідження: по-перше, шляхом аналізу експери- ментально отриманих даних визначити розподіл темпе- ратури води у відкритій водоймі на глибіні 1–2,5 м і те- мператури теплоносія на вході у випарник теплового насоса, що визначається температурою на дні водойми протягом року та на основі отриманих даних змін тем- ператури води, дебіту й температур на вході у випарник та виході з конденсатора теплового насоса розрахувати основні показники ефективності системи; по-друге, по- рівняти експериментально отримані дані з зданими, отриманими шляхом моделювання теплообміну вод- ного шару i донних відкладень у невеликій водоймі та визначити можливі девіації температури на вході до ви- парника теплового насоса гідротермальної теплонасос- ної системи. Методи. У статті використано такі методи: аналіз, син- тез, дедукцію, метод екстраполяції, порівняльний ме- тод та індуктивний. Об’єктом дослідження є процеси періодичного перене- сення теплової енергії з послідовним нагріванням та охолодженням, а саме коливання температури води біля дна відкритої водойми, що піддається впливу ендо- генних та екзогенних факторів. Предметом дослідження є параметри процесів періоди- чного перенесення теплової енергії з послідовним нагрі- ванням та охолодженням, а саме коливання темпера- тури води біля дна відкритої водойми, що перебуває під впливом як ендогенних, так і екзогенних факторів. Виклад основного матеріалу Для проведення досліджень та визначення ефективно- сті роботи гідротермальної теплонасосної системи за- критого типу була використана експериментальна сис- теми, яка складається з зануреного у водойму колектора, гребінки на чотири входи та чотири виходи, системи змонтованих у ґрунті та занурених у воду тру- бопроводів і теплового насоса потужністю 14 кВт по те- плу (рис. 1) [20]. 122 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика Рис. 1. Експериментальна гідротермальна теплонасосна система вилучення низькопотенційної теплоти до- вкілля з відкритої водойми: 1 – відкрита водойма; 2 – водяний колектор; 3 – система змонтованих у ґрунті та занурених у воду трубопроводів; 4 – гребінка на чотири входи та чотири виходи, змонтована в приямку; теп- ловий насос; 6, 7 – циркуляційні насоси; 8 – фанкойли Fig. 1. Experimental hydrothermal heat pump system for extracting low-potential environmental heat from an open reservoir: 1 – open reservoir; 2 – water collector; 3 – a system of pipelines installed in the soil and immersed in water; 4 – the comb of the comb with four inputs and four outputs is mounted in a pit; heat pump; 6,7 – circulation pumps; 8 – fan coil Колектор гідротермальної теплонасосної системи за- критого типу (рис. 2.) являє собою два функціональ- но пов’язаних гідротермальних зонда, кожен з яких складається з двох пластикових труб, покладених кі- льцями з двох боків металевої решітки [21]. а б Рис. 2. Колектор гідротермальної теплонасосної системи закритого типу – фото колектора перед занурен- ням у воду (а) і принципова схема колектора (б): а, с – гідротермальний зонд (верхній та нижній); b – металева решітка Fig. 2. Closed-type hydrothermal heat pump system collector – photo of the collector before immersion in water (а); schematic diagram of the collector (b): a, c – hydrothermal probe (upper and lower); b – metal grid 123 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика Вся конструкція гідротермального колектора встанов- люється на дно водойми. Система працює у двох режимах: по-перше, теплозабез- печення; по-друге, кондиціювання. У режимі теплозабезпечення теплоносій (розчин пропі- ленгліколю), що циркулює по контуру колектор – тепло- вий насос, потрапляє з колектора гідротермальної теп- лонасосної системи, зануреного на дно водойми, до випарника теплового насоса з температурою, що відпо- відає температурі води у водоймі; віддає частину свого теплового потенціалу (2-3 °С), після чого знову потрап- ляє в колектор, занурений у дно водойми, де відновлює свій тепловий потенціал. У випарнику фреон, що цирку- лює по замкнутому внутрішньому контуру, за рахунок низькопотенційної теплоти підземних вод випарову- ється та стискається компресором теплового насоса. Пі- сля стискання фреон з температурою 60–120 °С потрап- ляє в конденсатор, де передає своє тепло в систему опалення будівлі через систему фанкойлів, після чого цикл повторюється. В такий спосіб забезпечується опа- лення приміщень. У режимі кондиціювання теплоносій (розчин пропіленг- ліколю), що циркулює по контуру колектор – тепловий насос, потрапляє з колектора гідротермальної теплона- сосної системи, зануреного у дно водойми, минаючи випарник теплового насоса, безпосередньо на фан- койли, де забирає надлишкову теплову енергію з примі- щення, після чого з температурою, більшою на 2-3 °С, знову потрапляє в колектор, занурений у дно водойми, де відновлює свій тепловий потенціал. Після цього цикл повторюється. В такий спосіб забезпечується пасивне кондиціювання (охолодження) приміщень. З метою проведення досліджень до складу комплексу долучено вимірювальне обладнання і автоматизовану систему управління. Вимірювальні прилади, у складі яких є датчики темпе- ратури й датчики витрат теплоносія, встановлені як у на- земній, так і підземній частинах комплексу. Для вимірювань температури в контрольних точках ви- користовувалися температурні датчики (термоперетво- рювачі опору) ТСП-204. Термоперетворювачі опору ТСП-204 внесені до Державного реєстру засобів вимірю- вальної техніки України, за номером У246-07. Робочий діапазон вимірюваних температур від –40 до +270 °С, показник теплової інерції – не більше 6–8 с. Також встановлені датчики витрати теплоносія, на кож- ній лінії подачі теплоносія, та так само по два датчика на загальних магістралях протоку теплоносія по низькоте- мпературному й високотемпературному контурам назе- мної частини системи. Датчики температури, встановлені в підводній частині гідротермальної теплонасосної енергетичної системи закритого типу, дозволяють вимірювати температуру води у водоймі і температуру теплоносія на вході в кож- ний зонд колектора і виході з нього системи, встановле- ної на дні водойми глибиною 2 м. Для прийому і перетворення сигналів, що надходять від термоперетворювачів опору ТСП-204, на значення тем- ператури, і відображення їх на вбудованому цифровому індикаторі застосовувався вимірювач восьмиканальний И8 8ТС/10-RS485-БП-12-ИПК-Щ (рис. 3) [21]. a б в Рис. 3. Пристрої для проведення вимірювань: a – термоперетворювачі опору ТСП-204; б – вимірювач темпера- тури восьмиканальний И8 8ТС/10-RS485-БП-12-ИПК-Щ; в – програмне забезпечення (система збору даних) РегМік Fig. 3. Devices for carrying out measurements: a – TSP-204 resistance thermoconverters; b – eight-channel temperature meter I8 8TS/10-RS485-BP-12-IPK-Sh; с – software (data collection system) RegMik 124 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика З метою візуалізації в режимі реального часу даних, отриманих з датчиків, запису їх в архів та відображення отриманих даних у вигляді таблиць або графіків викори- стовувалося програмне забезпечення (система збору даних) РегМік. У процесі проведення дослідження були отримані дані річних змін температур у водоймі, а також тем- ператури на вході у випарник і конденсатор ТН і ви- ході з них. Експериментально встановлено, що температура підзе- мних вод у свердловині на глибині 50 м є досить ста- більною в часі й становить у середньому 10 °С. Під час дослідження було зафіксовано незначні сезонні коли- вання температури води (0,5–2 °С) на виході зі свердло- вини. Для гідротермальної теплонасосної системи закритого типу з теплообмінником, що розміщується у водоймі на глибині 2,0 м, температура теплоносія на вході у випар- ник ТН коливається в такому діапазоні: 2–5 °С (у грудні – - лютому); 8–10 °С (у листопаді, квітні); до 12–15 °С при температурі води у водоймі 24–27 °С (у червні – серпні) (рис. 4). Рис. 4. Графіки розподілу температури води у відкритій водоймі та температури на вході у випарник тепло- вого насоса протягом року, отримані експериментально Fig. 4. The distribution of the water temperature in the open reservoir and the temperature at the inlet to the heat pump evaporator throughout the year were obtained experimentally Щодо другої поставленої задачі запропонована модель теплообміну водного шару i донних відкладень у неве- ликій водоймі для визначення можливої девіації темпе- ратури на вході у випарник теплового насоса гідротер- мальної теплонасосної системи. Було використано математичний апарат, запропонова- ний в [22]. Невеликі відкриті водойми мають важливі особливості, що спричинюють сильну взаємодію між фізичними, хімічни- ми та біологічними процесами [23, 24], що призводить до зміни теплового балансу в зоні встановлення водяного те- плообмінника теплонасосної гідротермальної системи. При моделюванні цих процесів важливу роль відіграє пра- вильний опис теплового режиму водойми. У наближенні Бусiнеска та гідростатики система усеред- нених за Рейнольдсом рівнянь нерозривності, руху й пе- ренесення тепла та солі в декартових координатах має такий вигляд [8, 9]: 0U∇⋅ =   (1) ( ) 0 1 t xf u uU FPu f t x z z υ ν ν ρ  ⋅ − = ⋅ + ∂ +   ∂ ∂ ∂ + ∇ + ∂ ∂ ∂ ∂ , (2) 125 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика ( ) 0 1 xt f u P uu f x z z F t U υ ν ν ρ  ⋅ = ⋅ + ∂ ∂ ∂ ∂ + ∇ + + ∂ ∂ ∂ +   ∂ , (3) ( )' ' 0 1 t f T pw T T IT t z z c z U Fν ν ρ ∂ ∂ ∂ ∂ + ∇ + ∂ ∂  ⋅ + + ⋅   ∂ ∂ , (4) ( )' ' St f S SSU F t z z ν ν∂ + ∂ ⋅ +   ∂ + ∂  ∂ ∇ = ∂ , (5) ( ) , , T S Pρ ρ= , (6) ( ) ( ) ( )' ' 0 , , , , , , n zaP x y z t z q x y dP q z t zρ η ρ+ += − ∫ (7) Де ( ), ,U u υ ω= – вектор швидкості; ( ), ,x x y z= ; координата z відраховується вверх від незбудженої поверхні води; Т та S – температура і соло- ність відповідно; η – відхилення від поверхні від незбу- реного значення; f – параметр Каріоліса; P – тиск; Pа – атмосферний тиск; ρ – густина води; 0ρ = 1000 кг м- 3 – незбурена густина води; q – прискорення вільного падіння; tν і ' tν – коефіцієнти вертикальної турбулен- тної в’язкості й дифузії відповідно; Fx, Fy, FT, АS – дода- нки, що описують горизонтальну в’язкість і дифузію; fν і ' fν – фонові значення коефіцієнтів вертикальної в’яз- кості й дифузії відповідно; І(z) – потік сонячної радіації; pwc – теплоємність води. Для опису турбулентності використовується модель, яка детально описана в [29]. Граничні умови для теплових потоків на вільній повер- хні мають такий вигляд: 'c o pw t T Q z ρ ν ∂ = ∂ . (8) Потік тепла через поверхню водойми Q включає в себе потік сонячної радіації Qs, затрати теплоти на випарю- вання Qс, турбулентний потік теплоти Qh і баланс довго- хвильового випромінювання Qb; ( )1 +Q +Q +Q s e h bQ Qγ= − . (9) Де γ – частка сонячної радіації, поглинута товщею води. Приγ = 0 вся сонячна радіація поглинається по- верхнею, при γ = 1 – проникає у воду. Потік сонячної радіації Qs, який залежить від температури повітря, кута падіння сонячних променів, альбедо, вологості, хмарно- сті, тиску, розраховується відповідно співвідношенням наведеним у [29]. Схематично теплообмін води з дном зображено на рис. 5. Рис. 5. Схема теплообміну води з дном: 1 – вода; 2 – шар дна, що бере участь у теплообміні; 3 – глибинний шар дна, де Т = Т∞ Fig. 5. Scheme of heat exchange of water with the bottom: 1 – water; 2 – bottom layer participating in heat exchange; 3 – the deep layer of the day, where Т=Т∞ У цій моделі розподіл тепла в дні описується рівнянням теплопровідності. Запишемо ерайову задачу теплопро- відності з граничними умовами третього роду в такому вигляді: 2 2 B B b r T T t z χ∂ ∂ = ∂ ∂ , (10) ' 0 z = : = ' B b T z χ ∂ ∂ - ( ) BT Tλ − ; (11) z →∞ : BT Tλ ∞→ . (12) Нехай температура води поблизу дна змінюється періо- дично за законом: 0 iwtT T e T∞= + (13) Будемо шукати розв’язок задачі (10) – (12) у такому ви- гляді 126 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика ( ) iwt BT z e T∞= Θ + (14) Після підстановки (13) і (14) в (10) – (12) отримаємо: 2 2 biw x z ∂ Θ Θ = ∂ ; (15) 0 z = : ( )0' = -b T z χ λ∂Θ −Θ ∂ ; (16) ' z →∞ : 0 Θ→ . (17) Розв’язок задачі (15) – (17) має такий вигляд: ' 0 zexp i d   Θ = Θ −     , (18) 0 , , . 1 b b o wT а d wia χ χ λ Θ = = = + (19) Після відокремлення дійсної частини отримаємо такий розв’язок: ( ) ' ' ' ' 2 2 2 2 2 2, 1 cos sin 2 2 2 2 21 2 o B T z z zT t z T exp a wt a d d da a ∞        = + − ⋅ + − + ⋅         + +       (20) Графічне зображення розподілу температури в дні озера зображено на рис. 6. Рис. 6. Графічне зображення розподілу температури в дні озера [22] Fig. 6. Graphic representation of temperature distribution at the bottom of the lake [22] Для моделювання впливу теплообміну води з дном на тепловий баланс водних об’єктів було взято три невели- ких гіпотетичних круглих озера діаметром 2000 м з па- раболічним рельєфом. Максимальне значення гли- бини, що відповідало центру озера, становило 1 м для мілкого озера, 5 м – для середнього і 10 м – для глибо- кого. Температура атмосфери, хмарність, вологість і ат- мосферний тиск змінювалися періодично з інтервалом один день. При цьому середня температура становила 24 ⁰С, хмарність – 0,36, відносна вологість – 0,38, атмос- ферний тиск – 100 100 Па. Вітер також змінювався пері- одично, як за напрямком, так і за модулем, максима- льна швидкість вітру становила 4 м/с. Початкова температура води та дна кожного озера була різною і дорівнювала середньому значенню температури води після встановлення періодичного температурного ре- жиму. Так, для мілкого озера температура води дна ста- новила 24,0 ⁰С, для середнього – 23,5 ⁰С, для глибо- кого – 23,0 ⁰С. Це було зроблено, щоб врахувати вплив теплообміну з дном та тепловий режим водойм виклю- чно в денному масштабі. Для кожного озера було проведено два варіанти розра- хунку: все тепло з поверхні поглинається поверхнею води (γ = 0), і при цьому немає обміну з дном або тепло розподіляється по всій товщі води (γ = 1) за експоненці- альним законом (23), причому частина теплоти погли- нається дном з наступним теплообміном з водою. Зна- чення констант, що використовувалися в розрахунках: h1 = 0,5 м; h2 = 7,0 м; α = 0,67. Ці значення констант від- повідають реальній досить прозорій водоймі. Для невеликого озера врахування теплообміну з дном приводить до зменшення різниці між максимальним і мінімальним значеннями середньої по басейну темпе- ратури. Тобто поглинання теплоти шаром донних відк- ладень згладжує температурні коливання у воді. При цьому значення середньої температури зростає на 0,1 ⁰С. Урахування теплообміну з дном також впливає на профіль температури у воді (рис. 7): температура стає практично незалежною від глибини, тоді як у разі пог- линання всієї теплоти поверхнею води без урахування теплообміну з дном існує суттєва стратифікація. Для середнього і глибокого озер також спостерігається підвищення середньої по басейну температури, яке по- яснюється тим, що при цьому підвищується темпера- тура на глибині і знижується біля поверхні (рис. 8) за ра- хунок поглинання сонячної радіації та перерозподілу теплових потоків. Це призводить до збільшення турбулентного потоку з атмосфери і зменшення тепловіддачі за рахунок довго- хвильового випромінювання. Тобто при нижчій поверх- невій температурі більше теплоти потрапляє у воду і менше випромінюється. Поширення тепла в дні для мілкого, середнього i глибо- кого озер в той самий момент часу показане на рис. 9. У денному масштабі теплові хвилі проникають в дно приб- лизно на 0,7 м, що узгоджується з аналітичним розв’яз- ком, а їхні амплітуди та фаза залежать від глибини озера. 127 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика Рис. 7. Профілі температури води вдень (а) і вночі (б) для мілкого озера. Суцільною лінією позначено випадок з теплообміном між водою і дном (γ=1), а штриховою – без теплообміну, коли вся атмосферна теплота погли- нається верхнім шаром води (γ = 0) [22] Fig. 7. Water temperature profiles during the day (a) and at night (b) for a shallow lake. The solid line indicates the case with heat exchange between the water and the bottom (γ = 1), and the dashed line indicates the case without heat exchange, when all atmospheric heat is absorbed by the upper layer of water (γ = 0) [22] І ІІ Рис. 8. Профілі температури води вдень (а) і вночі (б): для середнього (І) та глибокого (ІІ) озер [22] Fig. 8. Profiles of water temperature during the day (a) and at night (b): for an average (I) and deep (II) lake [22] Рис. 9. Поширення теплоти в дні для мілкого (а), середнього (б) і глибокого (в) озер для різних періодів доби [22] Fig. 9. Distribution of heat at the bottom for a shallow (a), medium (b) and deep (c) lake for different periods of the day [22] 128 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика За підсумками моделювання [22] показано, що в ре- зультаті врахування теплообміну з дном пiдвищується температура на глибині водойми i знижується – біля по- верхні. Це призводить до збільшення турбулентного по- току з атмосфери i зменшення тепловiддачi за рахунок довгохвильового випромінювання, в результаті чого се- редня температура водойми підвищується. Модельні розрахунки для iдеалiзованих озер показали, що для во- дойм, на кшталт мiлких озер та лагун, вплив теплооб- міну з дном є суттєвим у масштабах добових коливань. Отже, експериментально отримані дані підтверджу- ються результатами математичного моделювання. На основі експериментально отриманих даних витрат теплоносія по контуру конденсатора і значень темпера- тур на вході в конденсатор ТН і виході з нього, розрахо- ване значення теплової продуктивності енергетичної си- стеми, яке становила 14 кВт по теплу та 9 кВт по холоду. Були розраховані коефіцієнти трансформації гідротер- мальної теплонасосної системи для трьох зимових міся- ців року. Основним показником ефективності теплового насоса є коефіцієнт трансформації (тепловий коефіцієнт): φТ = Q1/N = (Q2 + N)/N = T2/(T2–T11), (21) де Q1 – теплопродуктивність ТНУ, Вт; N – потужність компресора, Вт; T2 – температура теплоносія на виході з конденсатора, К; Т11 – температура теплоносія на вході у випарник, К. Дійсний коефіцієнт трансформації теплового насоса може мати такий вигляд: T THϕ ϕ η= , (22) де ɳТН – коефіцієнт втрат, який враховує реальні про- цеси, що здійснюються робочим тілом у ТН, який можна прийняти 0,5. Зі співвідношення (21) і (22) можемо визначити дійсний коефіцієнт трансформації теплового насоса в системі з контуром теплої підлоги з температурою лінії подачі 4 °С за умови, що температура первинного джерела ві- дповідає первинному джерелу теплової енергії, а саме низькопотенційної енергії води, що збирається водяним колектором. Для гідротермальної системи теплового насоса закри- того типу COP = 3,5. Діапазон температур ефективної роботи теплового на- соса по конуру конденсатора визначався системою опа- лення будівлі. Ефективність системи обернено пропор- ційна температурі теплоносія на виході з конденсатора ТН. Як зазначалось вище, під час проведення експери- менту температура на виході з конденсатору дорівню- вала 45 °С . Діапазон температур ефективної роботи теплового на- соса по контуру випарника визначався параметрами джерела низькопотенційної енергії і встановлювався на підставі аналітичних розрахунків залежно від середньої температури теплоносія на вході у випарник. Для гідро- термальної теплонасосної системи закритого типу це 4– 8 °С за опалювальний період з жовтня по березень. При цьому щоденна девіація темпертари може становити від 1 до 2 °С біля дна водойми та залежить від її гли- бини. Ці показники відповідно до математичного апа- рату, запропонованого у [31], можуть призводити до зменшення коефіцієнта трансформації від 5 до 10 %. Питома вартість системи на 1 кВт виробленої теплової енергії визначалась вартістю монтажу (послуги і матері- али) колектора (для різних систем теплонасосного опа- лення та кондиціювання вона різна), та вартістю тепло- вого насоса та монтажних робіт з його встановлення. Для гідротермальної теплонасосної системи закритого типу вартість монтажу колектора в цінах 2023 року ста- новить 10–20 тис. грн. При вартості матеріалів 20– 40 тис. грн. Отже, вартість колектора на 1 кВт виробле- ної енергії становить на опалення 2–4 тис. грн, на охоло- дження – 3–7 тис. грн. При цьому треба враховувати, що для забезпечення кондиціювання взимку не треба вико- ристовувати сам тепловий насос, вартість якого стано- вить 12–20 тис. за 1 кВт, при вартості монтажу разом з додатковим обладнанням теж в діапазоні 12–20 тис. за 1 кВт. Висновки Експериментально й теоретично підтверджено, що по- верхневі води відкритих водойм є ефективним джере- лом низькопотенційного тепла для теплових насосів, оскільки їх температура протягом всього року перебу- ває в діапазоні від +4 до +25 °С. А коефіцієнт перетво- рення гідротермальної системи становить близько 3,5. Обґрунтовано, що наявні гідротермальні системи не завжди адаптовані до умов експлуатації та місця розта- шування об’єкта, актуальним залишається питання нау- кового підходу до розробки технологічної конструкції гі- дротермального колектора, методології оптимального його розміщення й визначення ефективності залежно від умов експлуатації. Підтверджено, що для ефективного використання відк- ритої водойми як природного джерела теплової енергії необхідно проведення попередніх гідрогеологічних до- сліджень. Показано, що в результаті врахування теплообміну з дном підвищується температура на глибині водойми i знижується біля поверхні. Це призводить до збільшення турбулентного потоку з атмосфери i зменшення тепло- вiддачi за рахунок довгохвильового випромiнювання, внаслідок чого середня температура водойми підвищу- ється. Модельні розрахунки для iдеалiзованих озер по- казали, що для водойм на кшталт мілких озер і лагун 129 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика вплив теплообміну з дном є суттєвим у масштабах добо- вих коливань, що треба враховувати при проєктуванні гідротермальних теплонасосних систем. ПОСИЛАННЯ 1. Безродний М. К. Теплові насоси та їх використання : навч. посіб. / М. К. Безродний, І. І. Пуховий, Д. С. Кутра. К.: КПІ. 2013. 312 с. 2. Долінський А. А. Теплові насоси у системі теплопо- стачання будівель / А. А. Долінський, Б. Х. Драганов. Промислова теплотехніка. 2008. № 6. С. 71–83. 3. Кудря С. О. Відновлювані джерела енергії : моногра- фія. / С .О. Кудря. К.: ІВЕ НАН України. 2020. 354 с. 4. Dincer I. Thermal energy storage: systems and applica- tions: 2nd ed. / I. Dincer, M. Rosen. London: Wiley. 2011. 315 p. 5. Kalaiselvam S. Thermal energy storage technologies for sustainability: systems design, assessment, and applica- tions: 1st ed. / S. Kalaiselvam, R. Parameshwaran. Am- sterdam: Elsevier AP. 2014. 233 p. 6. Andersson O. UTES (Underground Thermal Energy Stor- age) - applications and market development in Sweden / O. Andersson, J. Ekkestubbe, A. Ekdahl. Energy Power Eng. 2013. № 7. P. 669–678. 7. Bayer P. Greenhouse gas emission savings of ground source heat pump systems in Europe: a review / P. Bayer, D. Saner, S. Bolay, L. Rybach, P. Blum. Renew- able and Sustainable Energy Reviews. 2012. № 16. P. 1256–1267. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.027 8. Морозов Ю. П. Оцінка ефективності використання теплового потенціалу довкілля та верхніх шарів Зе- млі України / Ю. П. Морозов, Д. М. Чалаєв, Н. В. Ні- колаєвська, М. П. Добровольський. Відновлювана енергетика. 2019. № 4 (63). С. 80–88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88 9. Зур’ян О. В. Гідротермальна система отримання теп- лової енергії, фізичні процеси, ефективність / О. В. Зур’ян, В. Г. Олійніченко. Вісник Вінницького по- літехнічного інституту. 2021. № 4. С. 40–46. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2021-157-4-40-46 10. Басок Б. І. Схемні рішення оснащення енергоефекти- вного будинку системою теплозабезпечення / Б. І. Басок, О. М Недбайло, М. В. Ткаченко, І. К. Бо- жко, М. П. Новіцька. Промислова теплотехніка. 2013. № 1. С. 42–48. 11. Гершкович В. Ф. Особливості проектування систем теплопостачання будівель із тепловими насосами: монографія. / В. Ф. Гершкович. К.: Українська Акаде- мія Архітектури. 2009. 160 с. 12. Кулик М. М. Основні напрями та пріоритетні заходи зі зменшення обсягів використання природного газу в економіці і соціальній сфері України / М. М. Кулик, С. В. Дубовський. Системні дослідження в енерге- тиці. 2009. № 1 (19). С. 7–15. 13. Морозов Ю. П. Енергетична ефективність викорис- тання перших від поверхні водоносних горизонтів для тепло- і холодопостачання / Ю. П. Морозов, А. А. Барило, Д. М. Чалаєв, М. П. Добровольський. Відновлювана енергетика. 2019. № 2. С. 70–78. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57) 14. Zurian O. V. Comparison of efficiency of geothermal and hydrothermal energy systems. / O. V. Zurian // XIX In- ternational Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bulgaria. 2019. Pр. 83–90. https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011 15. Барило А. А. Аналіз гідрогеологічних і геотермічних характеристик геотермальних об’єктів України / А. А. Барило. Відновлювана енергетика. 2020. № 1 (60). С. 74–84. https://doi.org/10.36296/1819- 8058.2020.1(60).74-85 16. Малкін Е .С. Перспективи та аспекти застосування си- стем теплохолодопостачання, які використовують приповерхневі шари води в якості теплового акуму- лятора / Е. С. Малкін, Є. О. Кулінко. Вентиляція, осві- тлення та теплогазопостачання. 2014. № 17. С. 63–69. 17. Морозов Ю. П. Експериментальне дослідження до- бового акумулювання холоду шляхом використання води підземних горизонтів м. Києва / Ю. П. Морозов, Д. М. Чалаєв, В. Г. Олійніченко, В. В. Величко. Відно- влювана енергетика. 2019. № 3. С. 67–77. https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77 18. International Energy Agency Renewables for heating and cooling: untapped potential. Renewable energy technology deployment. 2023. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.witteveenbos.com/news/geothermal- energys-untapped-potential/ 19. Sommer W. Optimization and spatial pattern of large- scale aquifer thermal energy storage / W. Sommer, J. Valstar, I. Leusbrock, T. Grotenhuis, H. Rijnaarts. Appl Energy. 2015. № 137. Pр. 322–337. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.019. 20. Зур’ян О.В. Експериментальні дослідження тепло- вого режиму гідротермальної теплонасосної сис- теми / О. В. Зур’ян. Відновлювана енергетика. 2021. № (67). С. 77–89. https://doi.org/10.36296/1819- 8058.2021.4(67).77-89 21. Гошовський С. В., Зур’ян О. В. Екологічно безпечне використання гідроенергетичного потенціалу гідро- термальними енергетичними системами Україні / https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57) https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).74-85 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).74-85 https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89 130 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика С. В. Гошовський, О. В. Зур’ян. Вісник Київського на- ціонального університету імені Тараса Шевченка. – Геологія. 2019. № 4(87) . С. 67–74. http://doi.org/10.17721/1728-2713.87.10 22. Беженар Р., Мадерич В. Модель теплообмiну вод- ного шару i донних вiдкладень у мiлкiй водоймi. Прикладна гiдромеханiка. 2008. Т. 10. № 3. С. 20–27. 23. Teeter A. M., Johnson B. H., Berger C., Stelling G., Scheffner N. W., Garcia M. H., Parchure T. M. Hydrodynamic and sediment transport modeling with emphasis on shallow-water, vegetated areas (lakes, reservoirs, and lagoons). Hydrobiologia. 2001. 444. P. 1–23. 24. Houwing E. J , Tanczos I. C., Kroon A. de Vries M.B. Interaction of submerged vegetation, hydrodynamics and turbidity; analysis of field and laboratory studies // Fine Sediments Dynamics in the Marine Environment. Proceedings of INTERCOH-2000. ed. J. C. Winterwerp and C. Kranenburg, Elsevier, Proceedings in Marine Science. Vol. 5. 2002. P. 441–454. 25. Jin K. R., Hamrick J. M., Tisdale T. Application of a threedimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobe. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 2001. 126. P. 758–771. 26. Wu J., Buchak E. M., Edinger J. E., Kolluru V. S. Simulation of cooling-water discharges from power plants. Journal of Environmental Management. 2001. 61. P. 77–92. 27. Fang X., Stefan H. G. Dynamics of heat exchange between sediment and water in a lake. Water Resour. Res. 1996. 32. P. 1719–1727. 28. Smith N. P. Observations and simulations of watersediment heat exchange in a shallow coastal lagoon. Estuaries. 2002. 25. P. 483–487. 29. Кошебуцький В., Мадерич В., Нестеров А., Хелінг Р. Моделювання поширення тепла у внутрішніх водах та прибережних областях морів. Прикладна гідроме- ханіка. 2004. 6. С. 205–230. 30. Goshovskyi S., Zurian O. Single-circuit and dual-circuit heat pump systems. interrelation of physical processes and efficiency. Vidnovluvana Energetika, 2019, No. 1(56), с. 83–95. ttps://doi.org/10.36296/1819- 8058.2019.1(56).83-95 31. Зур’ян О. В. Врахування динаміки змін температури підземних вод на ділянках берегових водозаборів гід- ротермальних теплонасосних систем. Вісник Херсон- ського національного технічного університету. 2023. № 2 (85). С. 20–28. https://journals.kntu.kherson.ua/index.php/visnyk_knt u/article/view/236/227 REFERENCES 1. Bezrodnyi M. K., Pukhovyi I. I., Kutra D. S. (2013). Heat pumps and their uses. Kyiv: KPI (in Ukrainian) 2. Dolinsky A. A. & Draganov B. H. (2008). Heat pumps in the heat supply system of buildings Promyslova tep- lotekhnika – Industrial heat engineering, 6, 71–83. (in Ukrainian) 3. Kudrya S. O. (2020). Renewable energy sources Kyiv : IVE NAS of Ukraine (in Ukrainian) 4. Dincer I. & Rosen M. (2011). Thermal energy storage: systems and applications. London: Wiley 5. Kalaiselvam S. & Parameshwaran R. (2014). Thermal en- ergy storage technologies for sustainability: systems de- sign, assessment, and applications. Amsterdam: Else- vier AP 6. Andersson O., Ekkestubbe J., Ekdahl A. (2013). UTES (Underground Thermal Energy Storage) - applications and market development in Sweden. Energy Power Eng, 7, 669– 678. 7. Bayer P., Saner D., Bolay S., Rybach L., Blum P. (2012). Greenhouse gas emission savings of ground source heat pump systems in Europe: a review. Renewable and Sus- tainable Energy Reviews, 16, 1256–1267. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.027 8. Morozov Y. P., Chalaev D. M., Nikolayevskaya N. V., Do- brovolsky M. P. (2019). Evaluation of the efficiency of using the thermal potential of the environment and the upper layers of the Earth of Ukraine Vidnovliuvana en- erhetyka – Renewable energy, 4, 80–88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88 (in Ukrainian) 9. Zurian O. V. & Oliynychenko V. G. (2021). Hydrothermal system of heat energy production, physical processes, efficiency Visnyk Vinnytskoho politekhnichnoho insty- tutu. Visnyk of Vinnytsia Politechnical Institute, 4, 40- 46. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2021-157-4- 40-46 (in Ukrainian) 10. Basok B. I., Nedbaylo O. M., Tkachekno M. V., Bozhko I. K., Novitskaya M. P. (2013). Schematic solutions for equipping an energy-efficient building with a heat sup- ply system Promyslova teplotekhnika – Industrial heat engineering,1, 42–48. (in Ukrainian) 11. Gershkovich V. F. (2009). Features of design of heat sup- ply systems Design features of heat supply systems of buildings with heat pumps Kyiv: Ukrainian Academy of Architecture (in Ukrainian) 12. Kulyk M. M. & Dubovsky S. V. (2009). The main direc- tions and priority measures to reduce the use of natural gas in the economy and social sphere of Ukraine Sys- temni doslidzhennia v enerhetytsi – System Studies in Energy, 1, 7–15. (in Ukrainian) https://journals.kntu.kherson.ua/index.php/visnyk_kntu/article/view/236/227 https://journals.kntu.kherson.ua/index.php/visnyk_kntu/article/view/236/227 131 Відновлювана енергетика. №1/2024 \| Геотермальна енергетика 13. Morozov Yu. P., Barilo A. A., Chalayev D. M., Dobro- volskyj M. P. (2019). Energy efficiency of using the first aquifers from the surface for heat and cold supply Vid- novliuvana enerhetyka – Renewable Energy, 2, 70–78. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57) (in Ukrainian) 14. Zurian O. V. (2019). Comparison of efficiency of geo- thermal and hydrothermal energy systems. XIX Interna- tional Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bul- garia. 83–90. https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011 15. Barylo A. A. (2020). Analysis of hydrogeological and ge- othermal characteristics of geothermal objects of Ukraine]. Vidnovliuvana enerhetyka – Renewable En- ergy, 1, 74–84. https://doi.org/10.36296/1819- 8058.2020.1(60).74–85 (in Ukrainian) 16. Malkin E.S. & Kulinko Ye. O. (2014). Prospects and as- pects of application of heat and cold supply systems that use near-surface layers of water as a heat accumu- lator Ventyliatsiia, osvitlennia ta teplohazopostachan- nia – Ventilation, lighting and gas supply, 17, 63–69. [in Ukrainian] 17. Morozov Yu. P., Chalayev D. M., Olijnichenko V. G., Vel- ychko V. V. (2019). Experimental study of daily cold ac- cumulation through the use of water from the under- ground horizons of Kyiv Vidnovlyuvana energetyka – Renewable Energy, 3, 67–77. https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77 [in Ukrainian] 18. International Energy Agency Renewables for heating and cooling: untapped potential. Renewable energy technol- ogy deployment. (2023). [Electronic resource]. – Access mode: https://www.witteveenbos.com/news/geother- mal-energys-untapped-potential/ 19. Sommer W. (2015). Optimization and spatial pattern of large-scale aquifer thermal energy storage / W. Sommer, J. Valstar, I. Leusbrock, T. Grotenhuis, H. Rijnaarts // Appl Energy. 2015. 137. P. 322–337. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.019. 20. Zurian O. V. (2021). Experimental studies of the thermal regime of the hydrothermal heat pump system Vid- novlyuvana energetyka – Renewable Energy, 4, 77–89. https://doi.org/10.36296/1819-058.2021.4(67).77-89 (in Ukrainian) 21. Hoshovsky S. V., Zurіan O. V. (2019). Environmentally safe use of hydropower potential by hydrothermal en- ergy systems in Ukraine. Bulletin of Taras Shevchenko Kyiv National University. – geology, 4, 67–75. http://doi.org/10.17721/1728-2713.87.10 22. Bezhenar R., Maderych V. (2008). Model of heat ex- change of the water layer and bottom sediments in a shallow water body. Applied hydromechanics. volume 10, n 3. p. 20–27 23. Teeter A. M., Johnson B. H., Berger C., Stelling G., Scheffner N. W., Garcia M. H., Parchure T. M. (2001) Hy- drodynamic and sediment transport modeling with em- phasis on shallow-water, vegetated areas (lakes, reser- voirs, and lagoons). Hydrobiologia. 2001. 444. P. 1–23. 24. Houwing E. J., Tanczos I. C., Kroon A. de Vries M.B. (2002). Interaction of submerged vegetation, hydrody- namics and turbidity; analysis of field and laboratory studies // Fine Sediments Dynamics in the Marine Envi- ronment. Proceedings of INTERCOH-2000. ed. J. C. Win- terwerp and C. Kranenburg, Elsevier, Proceedings in Marine Sciences. Vol. 5. 2002. P. 441–454. 25. Jin K. R., Hamrick J. M., Tisdale T. (2001). Application of a threedimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobee. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE. 2001. 126. P. 758–771. 26. Wu J., Buchak E. M., Edinger J. E., Kolluru V. S. (2001). Simulation of cooling-water discharges from power plants. Journal of Environmental Management. 2001. 61. P. 77–92. 27. Fang X., Stefan H. G. (1996). Dynamics of heat exchange between sediment and water in a lake. Water Resour. Res. 1996. 32. P. 1719–1727. 28. Smith N. P. (2002) Observations and simulations of watersediment heat exchange in a shallow coastal la- goon. Estuaries. 25. P. 483–487. 29. Koshebutsky V., Maderych V., Nesterov A., Heling R. (2004) Modeling of heat propagation in inland waters and coastal areas of seas. Applied Hydromechanics. 6. P. 205–230. 30. Goshovskyi S., Zurian O. (2019). Single-circuit and dual- circuit heat pump systems. interrelation of physical pro- cesses and efficiency. Vidnovluvana Energetika. No. 1(56), с. 83–95. https://doi.org/10.36296/1819-8058. 2019.1(56).83-95 31. Zurіan O. V. (2023). Taking into account the dynamics of changes in the temperature of underground water in the areas of coastal water intakes of hydrothermal heat pump systems. Bulletin of the Kherson National Technical University. No. 2 (85). P. 20–28. https://jour nals.kntu.kherson.ua/index.php/visnyk_kntu/arti- cle/view/236/227 https://doi.org/10.35546/kntu2078- 4481.2023.2.2 https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011 https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77 http://doi.org/10.17721/1728-2713.87.10
id	veorgua-article-449
institution	Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:12:55Z
publishDate	2024
publisher	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	veorgua/1e/265e7c7f3c3df086d246cc1032d13f1e.pdf
spelling	veorgua-article-4492026-07-18T06:32:19Z ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS УРАХУВАННЯ ДЕВІАЦІЇ ТЕМПЕРАТУРИ НА МЕЖІ ВОДА – ҐРУНТ ВІДКРИТОЇ ВОДОЙМИ ПРИ ПОБУДОВІ ГІДРОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ Zurian , O. heat pump, soil storage, heat supply, conversion factor, periodicity, freezing layer. гідросфера, відкрита водойма, тепловий насос, гідротермальна система, енергоефективність. In the process of solving the tasks of extracting low-potential environmental heat from open bodies of water when using heat pump systems with collectors immersed in the body of water, there is a need to obtain information about the depth of temperature changes in the body of water, which determines the layer of water 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 on both the temperature difference at the outlet of the heat pump condenser and the inlet to its evaporator, and 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 medium at the place of installation of the thermal energy collector. And taking into account the fact that the collector of the hydrothermal system usually sinks to the bottom of the reservoir, the task of determining not so much the change in water temperature in the reservoir itself as the temperature at the water-soil boundary, at the bottom of the reservoir, that is, the study of thermo physical processes occurring in water under the influence of both exogenous and and endogenous factors. The main feature of the hydrothermal thermal energy production 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 paper provides a description of the developed experimental hydrothermal heat pump system and the research methodology. Field studies were conducted to analyze the influence of bottom heat flows on the daily regime of a small open water body. Changes in the temperature of water and the bottom of open water bodies in the city where the experimental system is located are practically determined. It is shown that as a result of taking into account the heat exchange with the bottom, the temperature at the depth of the reservoir increases and decreases near the surface. This leads to an increase in the turbulent flow from the atmosphere and a decrease in heat output due to long-wave radiation, as a result of which the average temperature of the reservoir increases. The mathematical apparatus for analytical calculation of the depth of temperature wave propagation in water during the construction of hydrothermal heat pump systems is described. The basic mathematical apparatus for describing such processes includes differential equations that take into account the dependence of temperature on time and spatial coordinates. У процесі виконання завдань з вилучення низькопотенційної теплоти довкілля з відкритих водойм при застосуванні теплонасосних систем з колекторами, зануреними у водойму, виникає потреба одержати інформацію щодо глибини змін температури у водоймі, яка визначає шар води, що активно взаємодіє з навколоземною атмосферою. У холодну пору року температура в ньому падає, 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 середовища в місці встановлення колектора теплової енергії. А зважаючи на те, що колектор гідротермальної системи зазвичай занурюється у дно водойми, постає завдання визначити не тільки зміни температури води в самій водоймі, а й температури на межі вода – ґрунт, на дні водойми – тобто дослідити теплофізичні процеси, що відбуваються у воді під впливом як екзогенних, так і ендогенних факторів. Головною особливістю системи добування гідротермальної теплової енергії є поєднання технічних і природного елементів таких систем. При цьому природне джерело теплової енергії перебуває в середовищі, яке малодоступне для спостережень. У роботі надано опис розробленої експериментальної гідротермальної теплонасосної системи та методики проведення досліджень. Для аналізу впливу цих теплових потоків на добовий режим невеликої відкритої водойми було проведено натурні дослідження. Практично визначені зміни температури води та дна відкритої водойми в місті розташування експериментальної системи. Показано, що внаслідок теплообміну з дном підвищується температура на глибині водойми i знижується – біля поверхні. Це призводить до збільшення турбулентного потоку з атмосфери i зменшення тепловiддачi за рахунок довгохвильового випромінювання, внаслідок чого підвищується середня температура водойми. Визначено коефіцієнт перетворення гідротермальної теплонасосної системи взимку. Описано математичний апарат аналітичного розрахунку глибини поширення температурної хвилі у воді при побудові гідротермальних теплонасосних систем. Основний математичний апарат для опису таких процесів включає в себе диференціальні рівняння, що враховують залежність температури від часу та просторових координат. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-04-05 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/449 10.36296/1819-8058.2024.1(76).118-132 Vidnovluvana energetika ; No. 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 118-132 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 118-132 Відновлювана енергетика; № 1(76) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 118-132 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.1(76) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/449/358 Copyright (c) 2024 O. Zurian https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer. Zurian , O. ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title	ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title_alt	УРАХУВАННЯ ДЕВІАЦІЇ ТЕМПЕРАТУРИ НА МЕЖІ ВОДА – ҐРУНТ ВІДКРИТОЇ ВОДОЙМИ ПРИ ПОБУДОВІ ГІДРОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ
title_full	ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title_fullStr	ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title_full_unstemmed	ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title_short	ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS
title_sort	accounting of the temperature deviation at the water-soil boundary of an open body of water in the construction of hydrothermal heat pump systems
topic	heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer.
topic_facet	heat pump soil storage heat supply conversion factor periodicity freezing layer. гідросфера відкрита водойма тепловий насос гідротермальна система енергоефективність.
url	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/449
work_keys_str_mv	AT zuriano accountingofthetemperaturedeviationatthewatersoilboundaryofanopenbodyofwaterintheconstructionofhydrothermalheatpumpsystems AT zuriano urahuvannâdevíacíítemperaturinamežívodagruntvídkritoívodojmipripobudovígídrotermalʹnihteplonasosnihsistem

ACCOUNTING OF THE TEMPERATURE DEVIATION AT THE WATER-SOIL BOUNDARY OF AN OPEN BODY OF WATER IN THE CONSTRUCTION OF HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEMS

Institution

Similar Items