ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛУ ТЕМПЕРАТУРИ ГРУНТУ НА ГЛИБИНІ ВИЩЕ НЕЙТРАЛЬНОГО ШАРУ

Анотація

У процесі вирішення завдань ґрунтового акумулювання й вилучення теплоти з приповерхневих шарів Землі, виникає потреба отримати інформацію щодо глибини річних змін температури у ґрунті, яка визначає шар земної поверхні, що активно взаємодіє з навколоземною атмосферою. У холодну пору року температура в ній 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 стабільністю температури джерела теплової енергії. Температура на вході у випарник теплового насоса визначається температурою ґрунту в місці встановлення колектора теплової енергії. Найбільшої ефективності досягають теплонасосні системи з колекторами, встановленими нижче нейтрального шару, температура якого стала і дорівнює середньорічній температурі ґрунту певної місцевості.

На геотермальному полігоні Інституту відновлюваної енергетики НАН України проведено експериментальні дослідження змін температури ґрунту в місцях установлення вертикальних ґрунтових теплообмінників (колекторів). Описана методика проведення досліджень. Наведено характеристики вимірювального обладнання, встановленого на експериментальній установці, і програмного забезпечення, яке використовувалося для архівування і візуалізації даних, отриманих в процесі проведення досліджень. Визначена глибина нейтрального шару та обґрунтовані отримані залежності зміни температури від глибини з урахуванням температури навколишнього середовища та інших факторів екзогенного впливу.

Запропоновано математичну модель, яка дає змогу визначати температуру ґрунту Т(z, t) залежно від глибини z ≥ 0 і часу t ≥ 0 за умов, що задано зміну температури поверхні ґрунту або зовнішнього повітря з часом з урахуванням припущення, що температура ґрунту не залежить від координати (x, y) і теплофізичні властивості ґрунту не змінюються з координатами (x, y, z) з часом. На основі математичної моделі отримані розрахункові дані та побудовані графіки залежності Т(z, t) від глибини за добу та за рік. Визначено глибину нейтрального шару.

Як результат виконання науково-дослідної роботи експериментальні дані щодо термічного режиму ґрунту на геотермальному полігоні ІВЕ НАНУ корелюють з результатами, отриманими під час математичного моделювання. Глибина h річних змін температур у ґрунті, яка визначає шар земної поверхні, що активно взаємодіє з атмосферою Землі, в обох випадках знаходиться на позначці 15 м.

У ході проведеного дослідження підтверджено закономірності сезонної зміни температур у верхніх шарах Землі. Аналіз отриманих даних показав, що необхідно враховувати зміни температур ґрунту протягом року під час вирішення завдань акумулювання та вилучення теплоти геотермальними теплонасосними системами. Отримані теоретичні та практичні результати дозволяють оптимізувати побудову геотермальних систем. Мають перспективу подальші дослідження впливу геологічних, гідрогеологічних морфологічних та антропогенних умов на девіацію температури нижче нейтрального шару, та їхній вплив на ефективність роботи геотермальних теплонасосних систем.