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

1. Будет разработана схема прототипа грунтового теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником
2. 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.
3. 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

1. Будет создана одна наиболее эффективная конфигурация грунтового теплообменника.
2. Будут определены энергетически эффективные режимы работы грунтового теплообменника.
3. Будет создан тепловой насос «Вода-вода» и соединен с грунтовым теплообменником.      
4. 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

1. Будет осуществлен мониторинг энергетической эффективности и тепловой продуктивности грунтового теплового насоса;
2. Будут определены энергетическая и эксергетическая эффективности грунтового теплового насоса на основе термодинамического анализа первого и второго родов;
3. Будут разработаны рекомендаций по установке и эксплуатации грунтового теплового насоса с возможностью хранения тепла;
4. 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:

1. Беляев Ержан Келесович – научный руководитель
2. Ердеш Елнар Бақытханұлы – научный сотрудник
3. Толеуханов Аманкелды Елешевич – ведущий научный сотрудник
4. Әлиұлы Абдурашид - научный сотрудник
5. Шакир Есен Қайрат - научный сотрудник
6. Сейтов Абзал Ниязбекұлы - научный сотрудник
7. 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).