Енергетика, електротехніка та електромеханіка

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

Автор(и)

О. В. Зур’ян
Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ
Г. О. Четверик
Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ
DOI https://doi.org/10.31649/1997-9266-2023-168-3-34-46

Ключові слова

відновлювані джерела енергії геотермальна енергетика теплота ґрунту нейтральний шар геотермальна теплонасосна система

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.

423 260

Як цитувати

[1]
«ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛУ ТЕМПЕРАТУРИ ГРУНТУ НА ГЛИБИНІ ВИЩЕ НЕЙТРАЛЬНОГО ШАРУ», Вісник ВПІ, вип. 3, с. 34–46, Чер 2023, doi: 10.31649/1997-9266-2023-168-3-34-46.

Біографії авторів

автор О. В. Зур’ян, афіліація Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ

канд. техн. наук, заступник директора з наукової роботи

автор Г. О. Четверик, афіліація Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ

канд. техн. наук, завідувач відділу відновлюваних органічних енергоносіїв

Посилання

М. К. Безродний, І. І. Пуховий, і Д. С. Кутра, Теплові насоси та їх використання, навч. посіб. Київ, Україна: НТУУ «КПІ», 2013, 312 с.
А. А. Долінський, і Б. Х. Драганов, «Теплові насоси у системі теплопостачання будівель,» Промислова теплотехніка, т. 30, № 6, с. 71-83, 2008.
С. О. Кудря, Відновлювані джерела енергії. ІВЕ НАН України. Київ, Україна. 2020, 354 с.
Ю. П. Морозов, Д. М. Чалаєв, Н. В. Ніколаєвська, і М. П. Добровольський, «Оцінка ефективності використання теплового потенціалу довкілля та верхніх шарів землі України,» Відновлювана енергетика, № 4 (63), с. 80-88, 2019. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88 .
Ke Zhu, Philipp Blum, Grant, Klaus-Dieter Balke, and Peter Bayer, “The geothermal potential of urban heat islands,” Environ. Res. Lett., no. 5, pp. 1-6, 2010. http://Ferguson dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501 .
Ю. П. Морозов, А. А. Барило, Д. М. Чалаєв, і М. П. Добровольський, «Енергетична ефективність використання перших від поверхні водоносних горизонтів для тепло- і хладопостачання,» Відновлювана енергетика, № 2, с. 70-78, 2019. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78 .
O. V. Zurian, “Comparison of efficiency of geothermal and hydrothermal energy systems,” XIX International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bulgaria, 2019, с. 83-90. https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011 .
Е. С. Малкін, i Є. О. Кулінко, «Перспективи та аспекти застосування систем теплохолодопостачання, які використовують приповерхневі шари води в якості теплового акумулятора,» Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання, № 17, с. 63-69, 2014.
O. I. Denisov, “Comparative energy analysis of heat pumps and traditional heating systems,” Tehnicheskaya teplofizika i promyishlennaya teploenergetika. Ukraine. vol. 2, pp 22-34, 2010.
О. В. Зур’ян, і В. Г. Олійніченко, «Гідротермальна система отримання теплової енергії, фізичні процеси, ефективність,» Вісник Вінницького політехнічного інституту, № 4, с. 40-46, 2021. https://doi.org/10.31649/1997-9266-2021-157-4-40-46 .
Ю. П. Морозов, i А. С. Жохін, «Теплообмін при русі геотермального теплоносія у свердловині,» Відновлювана енергетика, № 4 (71), с. 83-89, 2023. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2022.4(71).83-89 .
Olga Kordas, and Eugene Nikiforovich, “A phenomenological theory of steady-state vertical geothermal systems: A novel approach https,” Energy, no. 175, pp. 23-35, 2019 https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.03.030 .
S. Yoon, et all, “Evaluation of stainless steel pipe performance as a ground heat exchanger in ground-source heat-pump system,” Energy, 2016; 113:328e37. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.07.057 .
I. Stylianou, G. Florides, S. Tassou, E. Tsiolakis, and P. Christodoulides, “Methodology for estimating the ground heat absorption rate of Ground Heat Exchangers,” Energy, 2017;127:258e70. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.070 .
А. Пуди, А. Прокопенко, Неоднорідні крайові задачі теплопровідності. Харків, Україна: ХНПУ, 2013, 226 с.
X. Liang, E. Wood, and D. Letenmaier, “Modeling ground heat flux in land surface parameterization schemes,” Journal of Geophysical Research, vol. 104, pp. 9581-9600.
В. Бондаренко, Рівняння математичної фізики. Київ, Україна: НТУУ «КПІ ім. І. Сікорського», 2018,100 с.

Статті цього автора (цих авторів), які найбільше читають