Влияние сезонного накопления тепла на работу геотермального теплового насоса

Влияние сезонного накопления тепла на работу геотермального теплового насоса
Была рассмотрена распространенная геотермальная теплонасосная система. Агрегаты теплового насоса, подсоединенные к вертикальному теплообменнику, обеспечивают отопление и охлаждение здания.
Статья:

Была рассмотрена распространенная геотермальная теплонасосная система. Агрегаты теплового насоса, подсоединенные к вертикальному теплообменнику, обеспечивают отопление и охлаждение здания. Проектирование такой системы осложняется вследствие свойственной грунту тепловой инерции, изменяющихся значений температур теплоносителя на входе и выходе теплового насоса, а следовательно, оказывающих влияние на его мощность.

Если система работает летом, то тепло, взятое из помещений здания во время кондиционирования воздуха, передается в контур заземления и далее — в грунт. Если система работает зимой, то тепловой насос выполняет функцию отопления и грунт охлаждается. Если система работает круглый год, то подогрев земли летом будет влиять на работу системы зимой.

Для исследования степени влияния работы теплонасосной системы летом на ее функционирование зимой, была разработана математическая модель грунта, которая должна была описать процессы распространения тепла в земле и передачи его в вертикальный теплообменник U-образной формы теплового насоса. Для модели была разработана и запрограммирована спаренная теплонасосная система.

Компьютерная модель состояла из подмоделей вертикального теплообменника, теплового насоса со спиральным компрессором, имеющего постоянную частоту вращения привода, а также подмодели с циркуляционным насосом, с постоянной и переменной скоростью привода.

Компьютерная модель представляла каждую подмодель, как объект, который испускал ответные потоки информации на входящие потоки от других объектов. Климатические данные и шаги времени исходили от специального объекта, характеризующего окружающую среду. Здание, как объект, принимал два потока информации от объекта — окружающей среды, а затем нагревал или охлаждал теплоноситель в соответствии с потерями или приростом тепла в контуре отапливаемого помещения.

Модель теплового насоса была рассчитана для отопления небольшого жилого здания. Были протестированы три варианта, в зависимости от состава грунта, в который помещен теплообменник:

— песок;

— супесь;

— глина.

Для каждого из этих вариантов производительность системы анализировалась в двух различных режимах работы:

— когда система работает только зимой для отопления помещений здания;

— когда система работает зимой для отопления и летом для охлаждения здания.

Климатические данные по году были взяты для г. Москвы. Плотность грунта — 1,8 г/см³, а удельное содержание в нем воды — 20%. Начальную температурную точку, предположительно равную 4°С, взяли с глубины 20 метров и, далее, используя градиент температур, были определены остальные температурные значения по всей высоте залегания вертикального теплообменного контура.

Управление тепловым насосом было настроено относительно наружной температуры воздушной среды. Тепловой насос начинал отапливать, когда температура наружного воздуха достигала 8 °С и опускалась ниже, параметр для охлаждения составлял 18 °С и выше.

Из исследования был сделаны следующие выводы:

— Песчаный грунт, обладая высокой теплопроводностью, в первый же год будет охлажден до определенной температуры, которая не изменится на протяжении последующих 7 лет;

— Супесь перестает охлаждаться на пятый год;

— Глина достигнет наименьшего температурного показателя — через 4-6 лет.

Результаты расчетов на восьмой год эксплуатации теплового насоса приведены в Таблице 1. Средняя температура теплоносителя в контуре отапливаемого здания почти одинакова во всех случаях, поскольку она контролируется системами автоматики системы отопления/охлаждения.

Но средняя температура внутри земляного контура, в зависимости от режимов отопления/охлаждения, изменяется значительно:

— на 0,47 °С — в песчаном грунте;

— на 0,82 °С — в супесях

— на 0,85 °С — в глине.

Таблица 1. Средние температуры грунта, земляного контура и контура отопления на восьмой год эксплуатации теплового насоса.

Состав грунта коэффициент теплоотдачи λ, Вт/(м²×°С)ЦиклЗемляной контур, °СКонтур отопления здания, °С
Песокλ = 2,67ОтоплениеОтопление и охлаждение2,993,4643,6443,62
Супесьλ = 1,86ОтоплениеОтопление и охлаждение2,243,0643,7943,73
Глинаλ = 1,57ОтоплениеОтопление и охлаждение1,842,6943,8143,77

Из-за относительно небольших охлаждающих нагрузок в Москве, общее влияние на грунт при круглогодичном использовании теплового насоса, не велика. Однако, даже в этом случае, содержание глины в почве сильнее увеличивает тепловой потенциал.

Поделиться с друзьями

Понравился материал - расскажите о нем своим друзьям и подписчикам в социальных сетях и месенджерах.

Другие статьи