vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2022-24-2-125-137vestniktgasu-1198Research ArticleТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕHEATING, VENTILATION, AIR CONDITIONING (HVAC), LIGHTING SYSTEMS AND GAS NETWORKSМоделирование работы тепловых насосов. Проблемы и перспективыSimulation of heat pump operation. problems and prospectsТолстыхА. В.TolstykhA. V.

Толстых Александр Витальевич - кандидат физико-математических наук, доцент.

Aleksandr V. Tolstykh - PhD, A/Professor.

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

sinvintie@rambler.ruДорошенкоЮ. Н.DoroshenkoYu. N.

Дорошенко Юлия Николаевна - кандидат технических наук, доцент.

634003, Томск, пл. Соляная, 2

Yuliya N. Doroshenko - PhD, A/Professor.

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

kafotopvent1@rambler.ruПенявскийВ. В.PenyavskyV. V.

Пенявский Виталий Владимирович - кандидат технических наук, доцент.

634003, Томск, пл. Соляная, 2

Vitaly V. Penyavsky - PhD, A/Professor.

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

pvv.tgasu@yandex.ruХалимовИ. О.KнalimovI. O.

Халимов Илья Олегович - аспирант.

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Ilya О. Halimov - Research Assistant.

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

hot2004@yandex.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202223042022242125137Copyright © Толстых А.В., Дорошенко Ю.Н., Пенявский В.В., Халимов И.О., 20222022Толстых А.В., Дорошенко Ю.Н., Пенявский В.В., Халимов И.О.Tolstykh A.V., Doroshenko Y.N., Penyavsky V.V., Kнalimov I.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/1198

Проведен анализ и систематизация данных, связанных с особенностями расчета и моделирования тепломассообменных процессов, определяющих режимы работы тепловых насосов. Рассмотрены ключевые положения физико-математического моделирования, направленного на определение закономерностей работы геотермальных тепловых насосов. Обозначены основные проблемы, которые являются нерешенными и требуют дополнительных исследований. Показано, что численные методы, предусматривающие избыточный учет всех основных физических механизмов, влияющих на эффективность сбора грунтового тепла, как правило, малоприменимы для практических расчетов при проектировании теплонасосных систем. Использование результатов численного или натурного моделирования ограничено конкретными географическими и климатическими условиями, не позволяющими получить относительно универсальные обобщения, в которых проводились численные, натурные или лабораторные эксперименты. Особенно заметен недостаток полных методик проектирования систем сбора грунтового тепла в северных регионах с холодным климатом. Выявлено перспективное направление будущих исследований, в рамках которого предполагается получение данных, отражающих влияние переноса тепла и влаги в грунте на производительность геотермальных тепловых насосов.

The article presents the calculation and modeling of heat and mass transfer that determines the operating modes of heat pumps. The physical and mathematical simulation aims at the operation of geothermal heat pumps. It is shown that numerical simulation of the main physical mechanisms affecting the efficiency of the ground heat collection are little used for practical calculations in design of heat pump systems. The use of numerical simulation results is limited by specific geographical and climatic conditions that do not allow generalizing numerical, full-scale or laboratory experiments. Especially noticeable is a lack of complete design methods of ground heat collection systems in northern regions. A promising direction of future research is identified to obtain the data on the effect of heat and moisture transfer in the soil on the performance of geothermal heat pumps.

геотермальный тепловой насосгрунтовые теплообменникифизико-математическое моделированиесбор грунтового теплатепловой режим грунтатепловая нагрузка на грунтgeothermal heat pumpground heat exchangerphysical and mathematical simulationground heat collectionthermal soil conditionsReferencesВасильев Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. 2007. № 5. С. 58–68.Vasil'ev G.P. Geotermal'nye teplonasosnye sistemy teplosnabzheniya i effektivnost' ikh primeneniya v klimaticheskikh usloviyakh Rossii [Geothermal heat pump systems of heat supply and efficiency of their application in the climatic conditions of Russia]. AVOK. 2017. No. 5. Pp. 58–68. (rus)Васильев Г.П. Применение ГТСТ в России // Энергия: экономика, техника, экология. 2009. № 7. С. 22–29. ISSN 0233-3619.Vasil'ev G.P. Primenenie GTST v Rossii [Application of MCT in Russia]. Energiya. 2009. No. 7. Pp. 22–29. (rus)Мойдинов Д.Р., Степанова Е.Г., Черноморова Д.А. Расчет и моделирование работы абсорбционных тепловых насосов для системы теплоснабжения // Технические и технологические системы : материалы 12-й Международной научной конференции. Краснодар : ООО «Издательский Дом – Юг», 2021. С. 170–173.Moidinov D.R., Stepanova E.G., Chernomorova D.A. Raschet i modelirovanie raboty absorbtsionnykh teplovykh nasosov dlya sistemy teplosnabzheniya [Calculation and simulation of absorption heat pump operation for heat supply system]. In: Tekhnicheskie i tekhnologicheskie sistemy. Materialy dvenadtsatoi Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii (Proc.12th Int. Sci. Conf. ‘Engineering and Process Systems’). Krasnodar: Izdatel'skii Dom − Yug, 2021. Pp. 170−173. (rus)Еделев А.В., Зоркальцев В.И., Маринченко А.Ю. Моделирование процесса теплоснабжения тепловыми насосами зданий на побережье озера Байкал // Системный анализ и математическое моделирование. 2020. Т. 2. № 2. С. 5–17.Edelev A.V., Zorkal'tsev V.I., Marinchenko A.Yu. Modelirovanie protsessa teplosnabzheniya teplovymi nasosami zdanii na poberezh'e ozera Baikal [Heat supply simulation in buildings of nearby Lake Baikal]. Sistemnyi analiz i matematicheskoe modelirovanie. 2020. V. 2. No. 2. Pp. 5–17. (rus)Псаров С.А., Шумилин Е.В. Моделирование работы геотермального теплового насоса с восстановлением теплоты грунта в теплый период // Международный научноисследовательский журнал. 2021. № 1–1 (103). С. 111–117.Psarov S.A., Shumilin E.V. Modelirovanie raboty geotermal'nogo teplovogo nasosa s vosstanovleniem teploty grunta v teplyi period [Simulation of geothermal heat pump operation with soil heat recovery in a warm period]. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal. 2021. No. 1–1 (103). Pp. 111–117. (rus)Стефанович С.Ю., Бондаренко А.В. Теплотехническое моделирование вертикальных грунтовых теплообменников тепловых насосов методом конечных разностей // Современные научные исследования и инновации. 2018. № 6 (86). С. 15.Stefanovich S.Yu., Bondarenko A.V. Teplotekhnicheskoe modelirovanie vertikal'nykh gruntovykh teploobmennikov teplovykh nasosov metodom konechnykh raznostei [Thermotechnical modeling of vertical soil heat pump exchangers by the finite difference method]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovatsii. 2018. No. 6 (86). Pp. 15. (rus)Atam E., Helsen L. Ground-coupled heat pumps: Part 1 – Literature review and research challenges in modeling and optimal control // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. P. 1–15. DOI: 10.1016/j.rser.2015.10.007Atam E., Helsen L. Ground-coupled heat pumps: Part 1 – Literature review and research challenges in modeling and optimal control. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Pp. 1–15. DOI: 10.1016/j.rser.2015.10.007Min Li. Review of analytical models for heat transfer by vertical ground heat exchangers (GHEs): A perspective of time and space scales // Applied Energy. 2015. № 151. P. 178–191. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.04.070Min Li. Review of analytical models for heat transfer by vertical ground heat exchangers (GHEs): A perspective of time and space scales. Applied Energy. 2015. No. 151. Pp. 178–191. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.04.070Eskilson P. Thermal analysis of heat extraction boreholes [Ph.D. thesis]. University of Lund, Sweden, 1987. 264 р.Eskilson P. Thermal analysis of heat extraction boreholes. PhD Thesis. University of Lund, Sweden, 1987. 264 р.Филатов С.О., Володин В.И. Численное моделирование утилизатора теплоты грунта с теплоприемником // Труды Белорусского государственного технологического университета (БГТУ). 2012. № 3. С. 179–183.Filatov S.O., Volodin V.I. Chislennoe modelirovanie utilizatora teploty grunta s teplopriemnikom [Numerical modeling of soil heat utilizer with heat receiver]. Trudy Belorusskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta. 2012. No. 3. Pp. 179–183. (rus)Филатов С.О. Тепловой расчет вертикальных грунтовых теплообменников // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ – Энергетика : международный научно-технический журнал. 2013. № 4. С. 81–91.Filatov S.O. Teplovoi raschet vertikal'nykh gruntovykh teploobmennikov [Thermal analysis of vertical ground heat exchangers]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii i energeticheskikh ob"edinenii SNG. 2013. No. 4. Pp. 81–91. (rus)Eskilson P., Claesson J. Simulation model of thermally interacting heat extraction boreholes // Numerical Heat Transfer. 1988. V. 13. P. 149–165.Eskilson P., Claesson J. Simulation model of thermally interacting heat extraction boreholes. Numerical Heat Transfer. 1988. V. 13. Pp. 149–165.Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: монография. Москва : Издательский дом «Граница», 2006. 176 с.Vasil'ev G.P. Teplokhladosnabzhenie zdanii i sooruzhenii s ispol'zovaniem nizkopotentsial'noi teplovoi energii poverkhnostnykh sloev Zemli [Heat and cold supply of buildings with lowpotential thermal energy of the Earth surface layers]. Moscow: Granitsa, 2006. 176 р. (rus)Костиков А.О., Харлампиди Д.Х. Влияние теплового состояния грунта на эффективность теплонасосной установки с грунтовым теплообменником // Енергетика: экономiка, технологгii, экологiя (ISSN 1613-5420). 2009. № 1. С. 32–40.Kostikov A.O., Kharlampidi D.Kh. Vliyanie teplovogo sostoyaniya grunta na effektivnost' teplonasosnoi ustanovki s gruntovym teploobmennikom [The influence of soil thermal state on heat pump with soil heat exchanger]. Energetika: ekonomika, tekhnologgii, ekologiya. 2009. No. 1. Pp. 32–40. (rus)Мацевитый Ю.М., Тарасова В.А., Харлампиди Д.Х. Восстановление теплового потенциала грунта за счет выбора рациональных режимов работы теплонасосной системы // Тезисы докладов и сообщений XIV Минского международного форума по тепло- и массообмену. 2012. Т. 1. С. 736–739.Matsevityi Yu.M., Tarasova V.A., Kharlampidi D.Kh. Vosstanovlenie teplovogo po-tentsiala grunta za schet vybora ratsional'nykh rezhimov raboty teplonasosnoi sistemy [Ground thermal potential recovery by selecting operation modes of heat pump system]. In: Tezisy dokladov i soobshchenii 14 Minskogo mezhdunarodnogo foruma po teplo- i massoobmenu (Proc. Minsk 14th Int. Forum on Heat and Mass Transfer). 2012. V. 1. Pp. 736–739. (rus)Басок Б.И., Давыденко Б.В., Тесля А.И., Лунина А.А. Численное моделирование теплопереноса в грунтовом массиве при работе горизонтального грунтового коллектора // Тепловые насосы : электронный журнал. URL: http://esco.co.ua/journal/2012_6/art373.pdf (дата обращения: 15.02.2022).Basok B.I., Davydenko B.V., Teslya A.I., Lunina A.A. Chislennoe modelirovanie teploperenosa v gruntovom massive pri rabote gorizontal'nogo gruntovogo kollektora [Numerical modeling of heat transfer in soil during operation of a horizontal soil collector]. Teplovye nasosy. Available: http://esco.co.ua/journal/2012_6/art373.pdf (accessed February 15, 2022). (rus)Башуров В.В., Ваганова Н.А., Филимонов М.Ю. Численное моделирование процессов теплообмена в грунте с учетом фильтрации жидкости // Вычислительные технологии. 2011. Т. 16. № 4. С. 3–18.Bashurov V.V., Vaganova N.A., Filimonov M.Yu. Chislennoe modelirovanie protsessov teploobmena v grunte s uchetom fil'tratsii zhidkosti [Numerical modeling of heat transfer processes in soil with liquid filtration]. Vychislitel'nye tekhnologii. 2011. V. 16, No. 4. Pp. 3–18. (rus)Zhihua Zhou, Zhiming Zhang, Guanyi Chen, Jian Zuo, Pan Xu, Chong Meng, Zhun Yu. Feasibility of ground coupled heat pumps in office buildings: A China study // Applied Energy. 2015. № 162. P. 266–277. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.10.055.Zhihua Zhou, Zhiming Zhang, Guanyi Chen, Jian Zuo, Pan Xu, Chong Meng, Zhun Yu. Feasibility of ground coupled heat pumps in office buildings: A China study. Applied Energy. 2015. No. 162. Pp. 266–277. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.10.055Zhijian Liu, Wei Xu, Cheng Qian, Xi Chen, Guangya Jin. Investigation on the feasibility and performance of ground source heat pump (GSHP) in three cities in cold climate zone, China // Renewable Energy. 2015. № 84. P. 89–96, DOI: 10.1016/j.renene.2015.06.019Zhijian Liu, Wei Xu, Cheng Qian, Xi Chen, Guangya Jin. Investigation on the feasibility and performance of ground source heat pump (GSHP) in three cities in cold climate zone, China. Renewable Energy. 2015. No. 84. Pp. 89–96. DOI: 10.1016/j.renene.2015.06.019Emmi Giuseppe, Angelo Zarrella, Michele De Carli, Antonio Galgaro. An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates // Energy Conversion and Management. 2015. № 106. P. 660–675. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.10.016Emmi Giuseppe, Angelo Zarrella, Michele De Carli, Antonio Galgaro. An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates. Energy Conversion and Management. 2015. No. 106. Pp. 660–675. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.10.016Huifang Liu, Yiqiang Jiang, Yang Yao. The field test and optimization of a solar assisted heat pump system for space heating in extremely cold area // Sustainable Cities and Society. 2015. № 13. Р. 97–104. DOI: 10.1016/j.scs.2014.05.002Huifang Liu, Yiqiang Jiang, Yang Yao. The field test and optimization of a solar assisted heat pump system for space heating in extremely cold area. Sustainable Cities and Society. 2015. No. 13. Pp. 97–104. DOI: 10.1016/j.scs.2014.05.002Caglar Ahmet, Cemil Yamalı. Performance analysis of a solar-assisted heat pump with an evacuated tubular collector for domestic heating // Energy and Buildings. 2012. № 54. Р. 22–28. DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.08.003Caglar Ahmet, Cemil Yamalı. Performance analysis of a solar-assisted heat pump with an evacuated tubular collector for domestic heating. Energy and Buildings. 2012. No. 54. Pp. 22–28. DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.08.003 (rus)Xiao Wang, Maoyu Zheng, Wenyong Zhang, Shu Zhang, Tao Yang. Experimental study of a solar-assisted ground-coupled heat pump system with solar seasonal thermal storage in severe cold areas // Energy and Buildings. 2010. № 42. Р. 2104–2110. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.06.022Xiao Wang, Maoyu Zheng, Wenyong Zhang, Shu Zhang, Tao Yang. Experimental study of a solar-assisted ground-coupled heat pump system with solar seasonal thermal storage in severe cold areas. Energy and Buildings. 2010. No. 42. Pp. 2104–2110, DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.06.022 (rus)Weibo Yang, Lei Kong, Yongping Chen. Numerical evaluation on the effects of soil freezing on underground temperature variations of soil around ground heat exchangers // Applied Thermal Engineering. 2015. № 75. Р. 259–269. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.09.049Weibo Yang, Lei Kong, Yongping Chen. Numerical evaluation on the effects of soil freezing on underground temperature variations of soil around ground heat exchangers. Applied Thermal Engineering. 2015. No. 75. Pp. 259–269, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2014.09.049Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Москва : Высш. школа, 1973. 448 с.Tsytovich N.A. Mekhanika merzlykh gruntov [Frozen soil mechanics]. Moscow: Vysshaya shkola, 1973. 448 p. (rus)Кроник Я.А., Демин И.И. Расчеты температурных полей и напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений методом конечных элементов. Москва : МИСИ, 1982. 102 с.Kronik Ya.A., Demin I.I. Raschety temperaturnykh polei i napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya gruntovykh sooruzhenii metodom konechnykh elementov [Finite element modeling of temperature fields and stress-strain state of soil structures]. Moscow: MISI, 1982. 102 р. (rus)Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением. Ленинград : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. 176 с.Kiselev M.F. Teoriya szhimaemosti ottaivayushchikh gruntov pod davleniem [Theory of compressibility of thawing soils under pressure]. Leningrad: Stroiizdat, 1978. 176 р. (rus)Кудрявцев С.А., Кажарский А.В. Численное моделирование процесса миграции влаги в зависимости от скорости промерзания грунтов // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 4. С. 33–38.Kudryavtsev S.A., Kazharskii A.V. Chislennoe modelirovanie protsessa migratsii vlagi v zavisimosti ot skorosti promerzaniya gruntov [Numerical modeling of moisture migration depending on soil freezing rate]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2012. No. 4. Pp. 33–38. (rus)Кудрявцев С.А. Расчеты процесса промерзания и оттаивания по программе «Тermoground» // Реконструкция городов и геотехническое строительство. URL: http://www.georec.spb.ru/journals/08/files/pdf/0508007.pdf (дата обращения: 22.02.2022).Kudryavtsev S.A. Raschety protsessa promerzaniya i ottaivaniya po programme “Termoground”. [“Thermoground” program for freezing and thawing process calculations]. Rekonstruktsiya gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo. Available: www.georec.spb.ru/journals/08/files/pdf/0508007.pdf (accessed February 22, 2022). (rus)Веселов В.В., Беляков В.А. Теплоизолированный малозаглубленный фундамент: работа в сезонно-промерзающих грунтах и практика теплового расчета // Инженерностроительный журнал. 2011. № 8. С. 13–18.Veselov V.V., Belyakov V.A. Teploizolirovannyi malozaglublennyi fundament: rabota v sezonno-promerzayushchikh gruntakh i praktika teplovogo rascheta [Heat-insulated low-depth foundation: Works in seasonal freezing soils and thermal calculation]. Inzhenerno-stroitel'nyi zhurnal. 2011. No. 8. Pp. 13–18. (rus)Коваленко В.И. Применение программы Frost 3d для трёхмерного моделирования распределения температур в вечномёрзлом грунте при его термостабилизации // Журнал нефтегазового строительства. 2013. № 3. С. 14–18.Kovalenko V.I. Primenenie programmy Frost 3d dlya trekhmernogo modelirovaniya raspredeleniya temperatur v vechnomerzlom grunte pri ego termostabilizatsii [Frost 3D program for three-dimensional modeling of temperature distribution in permafrost soil during its thermal stabilization]. Zhurnal neftegazovogo stroitel'stva. 2013. No. 3. Pp. 14–18. (rus)Vitel М., Rouabhi A., Tijani M., Guеrin F. Modeling heat transfer between a freeze pipe and the surrounding ground during artificial ground freezing activities // Computers and Geotechnics. 2015. № 63. P. 99–111. DOI: 10.1016/j.compgeo.2014.08.004Vitel М., Rouabhi A., Tijani M., Guеrin F. Modeling heat transfer between a freeze pipe and the surrounding ground during artificial ground freezing activities. Computers and Geotechnics. 2015. No. 63. Pp. 99–111, DOI: 10.1016/j.compgeo.2014.08.004

The authors declare that there are no conflicts of interest present.