AP08857319 Исследование путей повышения теплообменных характеристик скважинного грунтового теплообменника вертикального типа для обеспечения высокой продуктивности тепловых насосов
Актуальность
На сегодняшний день грунтовые тепловые насосы признаны одним из устойчивых технологий теплоснабжения в континентальных климатических условиях [1-2], в связи с тем, что температура грунта не имеет большие изменения в зависимости от сезонов по сравнению с атмосферным воздухом. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA) тепловые насосы относятся к системам отопления и охлаждения с применением ВИЭ. В то же время тепловые насосы могут категорироваться как технология энергетической эффективности. Однако, существующие грунтовые тепловые насосы с годами теряют коэффициент производительности (COP). Несколько факторов являются причиной снижения COP грунтовых тепловых насосов: уменьшение низкопотенциального тепла грунта без восстановления извлеченного количества тепла, не достаточный учет геологических и теплофизических свойств грунта, недостаточно точное проектирование грунтовых теплообменников с учетом понимания физических процессов в грунте. Последнее связано с инженерными расчетами монтажников, которых может быть недостаточно для некоторых условий (наличие подземных вод, потоков и т.д.). В связи с этим, при монтаже и установке грунтовых тепловых насосов необходимо понимание гидродинамических и теплообменных процессов протекающих в теплообменнике и грунте. Учет этих составляющих позволит правильно смоделировать грунтовые теплообменники с возможностью хранения тепла и восстановление тепловых свойств грунта, принимать во внимание геометрические параметры грунтовых теплообменников, подобрать эффективный тепловой насос типа «Вода-вода». Для того, чтобы ответить на эти вопросы необходимо применить методы вычислительной гидродинамики и теплообмена.
Предлагаемый проект направлен на исследование механизмов повышения теплообменных характеристик грунтового скважинного теплообменника вертикального типа для увеличения коэффициента преобразования (COP) теплового насоса с целью отопления/охлаждения помещений и горячего водоснабжения. Дополнительно грунтовый теплообменник в летний сезон при наличии избыточного тепла солнечной водонагревательной системы и сбросного тепла теплового насоса в режиме охлаждения помещения имеет возможность хранить тепло в грунте с целью восстановления и увеличения его тепловых свойств. Указанный способ позволит увеличить тепловую производительность (COP) теплового насоса в отопительный сезон. Данные цели будут достигнуты путем исследования различных геометрических конфигураций грунтового скважинного теплообменника на основе численного моделирования гидродинамических и теплообменных процессов, термодинамического анализа и методами инженерного моделирования. Также на основе расчетных данных будет собран один экспериментальный прототип наиболее эффективной конфигурации грунтового теплового насоса. По итогам исследований будут разработаны рекомендаций по установке и эксплуатации грунтового теплового насоса для теплоснабжения в континентальных климатических условиях.
Цель проекта
Целью проекта является исследование механизмов улучшения теплообменных характеристик скважинных грунтовых теплообменников для повышения коэффициента производительности (COP) тепловых насосов в континентальных климатических условиях и разработка соответствующих рекомендаций. Рекомендаций будут основаны на экспериментальных исследованиях создаваемого прототипа грунтового теплового насоса, а также на основе лицензированных ПО и созданных авторами проекта компьютерных алгоритмов расчета гидродинамических и теплообменных процессов.
Ожидаемые результаты:
Математическое моделирование и проектирование
- Будет разработана схема прототипа грунтового теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником
- Будут проведены математические моделирования гидродинамических и теплообменных процессов методами CFD с помощью лицензированных ПО и компьютерных алгоритмов собственной разработки для выявления эффективных режимов работы грунтового теплообменника с учетом теплофизических свойств грунта.
- Будут проведены математические расчеты гидродинамических и теплообменных процессов в вертикальном грунтовом теплообменнике различной геометрической конфигурацией для выявления наиболее эффективных режимов теплосъема и теплопередачи.
Сборка и тестирование
- Будет создана одна наиболее эффективная конфигурация грунтового теплообменника.
- Будут определены энергетически эффективные режимы работы грунтового теплообменника.
- Будет создан тепловой насос «Вода-вода» и соединен с грунтовым теплообменником.
- Будут определены эффективные эксплуатационные характеристики грунтового теплового насоса: коэффициент преобразования (COP) теплового насоса в режиме отопления/охлаждения, эффективность грунтового теплообменника с возможностью хранения тепла, тепловая нагрузка тестируемого помещения.
Мониторинг и анализ
- Будет осуществлен мониторинг энергетической эффективности и тепловой продуктивности грунтового теплового насоса;
- Будут определены энергетическая и эксергетическая эффективности грунтового теплового насоса на основе термодинамического анализа первого и второго родов;
- Будут разработаны рекомендаций по установке и эксплуатации грунтового теплового насоса с возможностью хранения тепла;
- Будет подготовлен анализ рынка тепловых насосов в Казахстане и осуществлен поиск путей коммерциализации технологии.
Достигнутые результаты:
Вопросы аппроксимации микроскопического граничного условия Масквелла, зависящего от поверхностной температуры подвижной границы, для функции распределения в случае одномерного нестационарного нелинейного уравнения Больцмана, содержащего такой неизвестный параметр, как скорость движения летательного аппарата и корректности начально-краевой задачи для одномерной нестационарной нелинейной системы моментных уравнений в третьем приближении при макроскопических граничных условиях Максвелла-Аужана изучаются впервые. Определение аэродинамических характеристик летательного аппарата с помощью системы моментных уравнений в третьем приближении при макроскопических граничных условиях представляет новую неизученную задачу динамики разряженного газа.
Имена и фамилии членов исследовательской группы с их идентификаторами:
- Беляев Ержан Келесович – научный руководитель
- Ердеш Елнар Бақытханұлы – научный сотрудник
- Толеуханов Аманкелды Елешевич – ведущий научный сотрудник
- Әлиұлы Абдурашид - научный сотрудник
- Шакир Есен Қайрат - научный сотрудник
- Сейтов Абзал Ниязбекұлы - научный сотрудник
- Аманжолов Таңнұр Ерсинұлы - научный сотрудник
Список публикаций:
1. Yang L.W., Xu R.J., Hua N., Xia Y., Zhou W.B., Yang T., Belyayev Ye., Wang H.S. Review of advances in solar-assisted air source heat pumps for the domestic sector // Energy Conversion and Management. – 2021. - vol. 247. – 114710 (Impact Factor 9,709).