Моделирование работы тепловых насосов. Проблемы и перспективы

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.

1. Васильев Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. 2007. № 5. С. 58–68.

2. Васильев Г.П. Применение ГТСТ в России // Энергия: экономика, техника, экология. 2009. № 7. С. 22–29. ISSN 0233-3619.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.2015.10.007

8. Min 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.2015.04.070

9. Eskilson P. Thermal analysis of heat extraction boreholes [Ph.D. thesis]. University of Lund, Sweden, 1987. 264 р.

10. Филатов С.О., Володин В.И. Численное моделирование утилизатора теплоты грунта с теплоприемником // Труды Белорусского государственного технологического университета (БГТУ). 2012. № 3. С. 179–183.

11. 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.

12. Eskilson P., Claesson J. Simulation model of thermally interacting heat extraction boreholes // Numerical Heat Transfer. 1988. V. 13. P. 149–165.

13. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: монография. Москва : Издательский дом «Граница», 2006. 176 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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).

17. 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.

18. 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.

19. Zhijian 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.2015.06.019

20. Emmi 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.2015.10.016

21. Huifang 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.2014.05.002

22. Caglar 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.2012.08.003

23. 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.2010.06.022

24. 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.2014.09.049

25. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. Москва : Высш. школа, 1973. 448 с.

26. Кроник Я.А., Демин И.И. Расчеты температурных полей и напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений методом конечных элементов. Москва : МИСИ, 1982. 102 с.

27. Киселев М.Ф. Теория сжимаемости оттаивающих грунтов под давлением. Ленинград : Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1978. 176 с.

28. 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.

29. 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).

30. 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.

31. 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.

32. 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.2014.08.004