Совершенствование методики расчета систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат наук Сапрыкина Надежда Юрьевна

• Сапрыкина Надежда Юрьевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Сапрыкина Надежда Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

1.1. Исследование факторов, влияющих на работу систем тепло-снабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии

1.2. Анализ существующих исследований в области проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии

1.3. Определение эффективности работы систем теплоснабжения и кондиционирования и теплового насоса на основе низкопотенциального

геотермального источника энергии

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛЯ И ТЕПЛОВЫХ ВОЛН В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ

ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

2.1. Особенности построения математической модели

2.2. Математическое моделирование тепломассообмена с учетом влияния движения грунтовых вод

2.3. Условия однозначности

2.3.1. Условия однозначности при непрерывном режиме

2.3.2. Условия однозначности при однопоточном режиме

2.3.3. Условия однозначности при знакопеременном режиме

2.3.4. Расчетная модель температурного поля при однопоточном режиме

2.3.5. Расчетная модель температурного поля при знакопеременном режиме

2.4. Численная модель расчета нестационарного температурного поля в зоне влияния вертикальной геотермальной скважины

Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ И СЕЗОННОЙ РАБОТЫ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ГЕОТЕРМАЛЬНОГО

ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

3.1. Моделирование теплообмена между теплоносителем и низкопотенциальным источником энергии

3.2. Численное моделирование температурного поля в зоне влияния вертикальной геотермальной скважины

3.2.1. Исследование изменения температурного поля

при однопоточном режиме

3.2.2. Исследование изменения температурного поля при циклическом знакопеременном режиме

3.2.3. Исследование влияния движения фильтрационного потока

грунтовых вод

3.3. Обобщение полученных результатов

3.3.1. Результаты исследования при работе в однопоточном режиме

3.3.2. Результаты исследования работы при знакопеременном режиме

3.3.3. Результаты исследования работы в условиях влияния

фильтрационного потока грунтовых вод

3.4. Экспериментальные исследования

3.4.1. Экспериментальные исследования на основе лабораторного комплекса оборудования

3.4.2. Натурные исследования параметров длительно работающей теплонасосной установки и низкопотенциальной геотермальной скважины

3.4.3. Сопоставление результатов теоретических экспериментов

с натурными исследованиями

Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

4.1. Постановка задачи проектирования систем

теплоснабжения и кондиционирования

4.2. Формирование предпроектных решений для

систем теплоснабжения и кондиционирования

4.3. Методика проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования

на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии

4.4. Расчет технико-экономических показателей

4.5. Программный продукт «Определение расчетных температурных напоров с

учетом долговременного эффекта эксплуатации теплового насоса»

Вывод по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. КОПИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВА РЕГИСТРАЦИИ

ПРОГРАММЫ ДЛЯ ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОПИЯ АКТА О ВНЕДРЕНИИ МАТЕРИАЛОВ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. КОПИЯ АКТА О ВНЕДРЕНИИ МЕТЕРИАЛОВ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. КОПИЯ АКТА О ВНЕДРЕНИИ МАТЕРИАЛОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС... 148 ПРИЛОЖЕНИЕ Д. КОПИЯ АКТА О ВНЕДРЕНИИ МАТЕРИАЛОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методики расчета систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Для оптимизации и повышения эффективности систем теплоснабжения и кондиционирования существует достаточное количество способов. Одним из них можно назвать использование нетрадиционных источников энергии. На территории Российской Федерации имеется значительное количество действующих объектов и пилотных проектов, в которых системы теплоснабжения и кондиционирования работают в комплексе с тепловыми насосами от низкопотенциальных геотермальных источников энергии. Кроме того, доступна информация по проектным, монтажным организациям, которые проектируют и устанавливают такие системы под ключ.

При длительной эксплуатации систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциального геотермального источника энергии происходит снижение их эффективности, обусловленное длительным отбором или стоком теплоты в грунт. При этом отсутствует информация о влиянии нагрузок систем теплоснабжения и кондиционирования на изменение с течением времени температурного фона вокруг эксплуатируемой скважины, удельного теплового потока, температуры теплоносителя и ряда факторов, влияющих на эффективность работы теплового насоса и систем теплоснабжения и кондиционирования.

Проектирование систем теплоснабжения и кондиционирования от низкопотенциальных источников энергии, как правило, основывается на моделях стационарного режима эксплуатации, которые не в полной мере отражают все особенности работы таких систем и модернизированных теплоэнергетических установок в целом.

Необходимость совершенствования методики расчета систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии определяет актуальность исследования в этом направлении.

Целью работы является разработка методов расчета систем теплоснабжения и кондиционирования, использующих низкопотенциальные геотермальные источники энергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить основные задачи исследования:

1. Определить факторы, влияющие на энергетическую эффективность систем теплоснабжения и кондиционирования, работающих в комплексе с тепловым насосом на основе низкопотенциального геотермального источника энергии, и выявить пути повышения надежности методики расчета и проектирования.

2. Разработать математическую модель нестационарного теплообмена между низкопотенциальным источником энергии и вертикальной геотермальной скважиной, учитывающую в граничных и начальных условиях климатическую сезонность, цикличность работы систем, а также влияние движения потока грунтовых вод на тепловой потенциал источника.

3. Выявить зависимость энергетического баланса системы теплоснабжения и кондиционирования от влияющих параметров и определить возможность улучшения энергетической эффективности системы за счет аккумулирования теплоты в низкопотенциальном источнике энергии.

4. Получить расчетные критериальные уравнения для определения рабочих параметров системы теплоснабжения и кондиционирования при циклическом сезонном графике работы с целью оптимизации принятых решений и повышения энергетической эффективности.

5. Разработать методику расчета системы теплоснабжения и кондиционирования и подбора необходимого теплонасосного комплекса на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии.

Объектом исследования является система теплоснабжения и кондиционирования, использующая низкопотенциальную геотермальную энергию.

Предметом исследования является энергетический баланс системы теплоснабжения и кондиционирования в комплексе с тепловым насосом, использующей низкопотенциальные геотермальные источники энергии.

Теоретической и методологической основой исследования служат работы Г. П. Васильева, А. И. Накорчевского, В. А. Тарасовой, В. Я. Федянина, Д. Х. Харлампиди, Н. Д. Шишкина, J. Claesson, N. Diao, P. Eskilson, S. G. Gehlin, G. Hellström, Z. Fang. В качестве источников информации использованы справочная литература, а также периодические издания, публикации и научно-исследовательские разработки.

Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования с применением программных средств MATLAB, SOLIDWORKS и офисных пакетов программ статистической обработки данных. Обработка результатов осуществлялась в безразмерном виде, с использованием теории подобия. Лабораторные эксперименты проводились на базе кафедры «Инженерные системы и экология» Государственного автономного образовательного учреждения Астраханской области высшего образования «Астраханский государственный архитектурно-строительный университет», натурные исследования - на действующем предприятии крестьянско-фермерского хозяйства по переработке молочной продукции в Астраханской области.

Основным методом исследования выбран метод численного моделирования с экспериментальной проверкой адекватности полученных результатов на действующей теплонасосной установке в пределах ее эксплуатационных режимов. Поскольку исследование носит прикладной характер, обобщение полученных результатов произведено с использованием теории подобия с выводом критериальных зависимостей, связывающих влияющие параметры и использующихся для дальнейшего совершенствования методики проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования, работающих в комплексе с тепловым насосом, на основе долгосрочного прогноза, оценки энергетической и экономической эффективности.

Достоверность результатов. Основой полученных в работе результатов являются апробированные методы решения и фундаментальные дифференциальные уравнения нестационарного тепломассообмена. Адекватность полученных результатов проверена путем их сопоставления с данными натурных замеров,

выполненных автором на действующей геоэнергетической установке NIBE F 1145-12, а также с известными данными, взятыми из открытых источников. Удовлетворительное согласование полученных решений с натурными замерами позволяет говорить о достоверности полученных результатов.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

1. Предложена математическая модель нестационарного теплообмена низкопотенциального источника энергии и вертикальной геотермальной скважины, учитывающая сезонные колебания нагрузок систем теплоснабжения и кондиционирования, фоновый тепловой поток Земли и возникновение тепловых волн, вызванных нестационарностью энергопотребления.

2. Теоретически установлена возможность использования для повышения эффективности работы систем теплоснабжения и кондиционирования низкопотенциального источника энергии в качестве сезонного аккумулятора теплоты.

3. Теоретически выявлено влияние конвективного потока на нестационарный теплообмен низкопотенциального источника энергии как теплового аккумулятора за счет движения потока грунтовых вод.

4. Установлены диапазоны влияния скорости потока грунтовых вод на теплообмен и получены поправки для определения температурного поля.

5. Предложены новые критериальные параметры (коэффициент регенерации, относительный тепловой поток, критерий водообмена, модифицирована безразмерная температура и критерий Фурье) с ис-пользованием теории подобия, позволяющие распространить полученные данные в многообразии условий однозначности для решения критериальных уравнений.

6. Получены критериальные уравнения с модифицированными параметрами, учитывающие сезонность работы систем теплоснабжения и кондиционирования, особенность низкопотенциального источника энергии как аккумулятора теплоты.

7. Усовершенствована методика расчета систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии.

8. Разработана компьютерная программа, основанная на полученных критериальных уравнениях и предназначенная для расчета температуры низкопотенциального источника энергии на границах теплообменной поверхности аккумулирующих геотермальных скважин в зависимости от режимов работы системы теплоснабжения и кондиционирования с целью прогнозирования наиболее выгодных условий работы.

Практическая и научная значимость работы.

1. Предложен способ использования низкопотенциальной геотермальной тепловой энергии для системы теплоснабжения и кондиционирования, учитывающий регенерацию теплоты в грунтовом массиве и основанный на сезонном циклическом режиме работы системы.

2. Предложены критерии подобия для количественной оценки теплового баланса между низкопотенциальным источником и системами теплоснабжения и кондиционирования.

3. Получены критериальные уравнения для расчета энергетического баланса системы теплоснабжения и кондиционирования, использующей низкопотенциальную геотермальную энергию.

4. Получена зависимость, позволяющая оценить влияние движения потока грунтовых вод на температурные режимы низкопотенциального источника энергии.

5. Усовершенствована методика, предоставляющая возможность увеличить точность оценки энергетической эффективности систем теплоснабжения и кондиционирования, работающих на основе низкопотенциальных источников энергии.

6. С целью проектной оценки и корректировки принятых технических решений была разработана компьютерная программа, предназначенная для оптимизации энергетического баланса системы теплоснабжения и кондиционирования.

Результаты исследований были внедрены в работу предприятий ООО «ЛУЧ-Технология» и ООО «Энергогазстрой», а также отмечены Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Астраханской области в качестве приоритетного направления по ресурсо- и энергосбережению. Материалы диссертации используются в чтении спецкурсов для магистрантов направления «Теплоэнергетика и теплотехника» («Эксплуатация теплоэнергетических установок и систем», «Принципы эффективного управления технологическими процессами в теплоэнергетике и теплотехнологии») и бакалавров направления «Строительство», профиль «Теплогазоснабжение и вентиляция» («Автономные источники энергии») в Государственном автономном образовательном учреждении Астраханской области высшего образования «Астраханский государственный архитектурно-строительный университет». В рамках исследования подготовлена компьютерная программа «Определение расчетных температурных напоров с учетом долговременного эффекта эксплуатации теплового насоса».

На защиту выносятся:

1. Математическая модель теплообмена низкопотенциального источника энергии и вертикальной геотермальной скважины с учетом сезонной, циклической работы систем теплоснабжения и кондиционирования, а также влияния движения потока грунтовых вод.

2. Технология работы системы теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциального источника энергии и условия эксплуатации низкопотенциального источника энергии.

3. Критериальные уравнения расчета температурного поля низкопотенциального геотермального источника энергии, учитывающие технологию и сезонность работы систем теплоснабжения и кондиционирования, особенность низкопотенциального источника энергии как аккумулятора теплоты.

4. Расчетные режимы, диапазоны скорости, границы влияния грунтовых вод на теплообмен низкопотенциального источника энергии и вертикальной геотермальной скважины.

5. Поправки, учитывающие изменения температуры низкопотенци-ального источника энергии в условиях движения грунтовых вод и влияющие на технико-экономические показатели теплового насоса и систем теплоснабжения и кондиционирования.

6. Алгоритм расчета и методика проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии.

7. Программный продукт, предназначенный для автоматизации расчета температурного поля низкопотенциального геотермального источника энергии с целью прогнозирования наиболее выгодных условий работы систем теплоснабжения и кондиционирования.

Область исследования соответствует паспорту специальности 05.23.03 -«Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», а именно: пункту 1) «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования. Использование нетрадиционных источников энергии»; пункту 2) «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха»; пункту 3) «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: VI Международной научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения место-рождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа» (г. Астрахань, 2015), IX Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов «Перспективы социально-экономического развития стран и регионов» (г. Астрахань, 2017), Международной научно-практической конференции «Перспективы развития строительного комплекса» (г. Астрахань, 2017, 2019).

11

Публикации по теме диссертации. Основные научные результаты диссертации отражены в 15 научных работах. Из них: 6 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК РФ, 2 работы - в рецензируемых научных изданиях, входящих в систему цитирования Web of Science; 1 работа - свидетельство на программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах, в том числе содержит 126 рисунков. Библиографический список составляют 116 источников, из которых 39 - на иностранных языках.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - доктору технических наук, профессору кафедры «Теплотехника и теплоэнергетика» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» П. В. Яковлеву, а также всему коллективу кафедры «Инженерные системы и экология» Государственного автономного образовательного учреждения Астраханской области высшего образования «Астраханский государственный архитектурно-строительный университет» за помощь в проведении исследований.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАБОТЕ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Использование геотермальной энергии является одним из приоритетных направлений внедрения нетрадиционных источников энергии и экономии энергетических ресурсов. Существует два типа геотермальной энергии, содержащейся в поверхностных слоях земли: высокопотенциальная и низкопотенциальная.

Высокопотенциальные ресурсы (пароводяные смеси, сухой пар, термальные воды) с температурами около 300 °С и более занимают только 10 % поверхности суши. Обычно это малонаселенные территории из-за высокой вулканической и сейсмической активности. На территории Российской Федерации сосредоточены лишь на малых территориях (район Кавказских Минеральных Вод, Камчатка). Использование тепла Земли в таких районах не представляет особых технических сложностей.

Остальные 90 % суши - это континентальные плиты с температурами на глубинах 50 - 100 м для большей части территорий 15-20 °С, которые можно отнести к низкопотенциальным источникам энергии [11]. Очевидно, что при малой плотности фонового теплового потока Земли указанные температуры сформировались как средние климатические.

Карты температур на глубинах, представляющих интерес для низкопотенциальной геотермальной энергетики нет и проектированию геотермальной установки должны предшествовать изыскания, однако общая оценка потенциала может быть дана на основе данных [10] (рисунок 1.1).

Применение низкопотенциальной геотермальной энергии с температурами 15-20°С для теплоснабжения или кондиционирования возможно только при использовании тепловых насосов, требующих дополнительных затрат энергии.

Эффективность работы теплового насоса определяется коэффициентом преобразования (СОР), который зависит от разности температур источника и потребителя. Чем меньше разность температур, тем выше коэффициент преобразования.

СЕВЕРНЫЙ ЛЕДОВИТЫЙ ОКЕАН чукотих

Рисунок 1.1 - Потенциал геотермальной энергии России

На сегодняшний день существует достаточное количество информации о преимуществах работы систем теплоснабжения и кондиционирования в комплексе с теплонасосным оборудованием, использующим низкопотенциальную геотермальную энергию.

На рынке теплонасосной продукции представлена довольно широкая линейка товаров: по типу, технологическим характеристикам, по виду теплоносителя, режиму эксплуатации. Теплонасосное оборудование входит в перечень основных технологий по обеспечению ресурсо- и энергосбережения потенциала Российской Федерации. В перспективе развития регионов существует достаточное количество федеральных программ, нормативных баз, пилотных проектов по снижению энергозатрат и обеспечению необходимыми мерами энергоэффективности на основе теплонасосных установок (ТНУ), работающих на нужды потребителя [12, 24, 74, 97].

Имеющиеся наглядные примеры использования подобных систем на территориях Европейских стран (Германии, Швеции, Италии, Финляндии и др.) и Российской Федерации показали положительные результаты [24]. Известны также различные отрасли, в которых применяются тепловые насосы с приведенной окупаемостью оборудования [72].

Например, в России установлено более 100 установок общей мощностью около 30 МВт [26], из них только в Сибири и на Алтае более 10 промышленных тепловых насосов от 270 кВт до 3,3 МВт.

На рисунке 1.2 приведена карта с частичным нанесением установленного теплонасосного оборудования на территории Астраханской области.

Standard т

£

s

Астрэхэн

КИРОВСКИЙ Р-Н

р®-

AV

I—I L J

.Ш"

Биштюйинка Старокучергаиоака

13

£ f

Конокучергаиовка

Осыпной

Бугор \

Ассадулааво

Карагали

ксатовс

к

\

Ильинка

\

КрасШе^^^^ Баррикады ВолгськЖйский Ал г аза

хтемир

Ж

Чаган

[у

1

Атал

I 1

Мартовский

Кон о ал овский На ца лове

Три Протона" ■ '

£ Technologies

Solar Electricity 4 faj SolarThermal

И Geothermal Heat Pump

^ Aerothermal or Hydro-

thermal Heat Pump ^ Other Geothermal

— ^ Energy

* ^h1 -nergy Elfis ient Building

Categories

•t I Existing Sites

\

Ш

4

i

Planned Projects 'S Service Providers

'Z1 Energy Regions

Рисунок 1.2 - Карта установки тепловых насосов фирмы ООО «ТЭС» на территории Астраханской области

На рисунке 1.3-1.4 представлены данные об установленном теплонасосном оборудовании в ряде Европейских стран.

Рисунок 1.3 - Карта установки тепловых насосов ряда Европейских стран

Рисунок 1.4 - Карта установки тепловых насосов в Италии

В Италии, город Червия, провинция Равенна, используется централизованная геотермальная система (рисунок 1.5), обслуживающая жилой дом на 25 квартир и 2 магазина, с тепловым насосом для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения в сочетании с полем в 20 вертикальных геотермальных зондов глубиной 90 м.

Рисунок 1.5 - Система центрального теплоснабжения жилого 25-квартирного дома на основе теплового насоса г. Червия, провинция Равенна, Италия

Тепловые потоки в низкопотенциальном источнике ограничены ввиду достаточно большого его термического сопротивления, что в основном не позволяет создавать геотермальные теплоэнергетические установки высокой мощности.

Учитывая зависимость эксергии от температуры окружающей среды, можно сделать вывод о перспективности использования сезонного колебания климатической температуры для разгрузки теплового насоса, то есть циклическое включение систем, и даже их реверс. Рассматривая низкопотенциальный источник энергии прежде всего как теплового аккумулятора высокой емкости, можно реализовать принципиально отличающиеся способы получения низкопотенциальной геотермальной энергии, основанные на использовании естественных сезонных перепадов температур [52].

1.1. Исследование факторов, влияющих на работу систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциальных геотермальных источников энергии

Говорить о том, что использование теплонасосного оборудования на основе низкопотенциальной геотермальной энергии достаточно выгодно, как и о принципе их работы, уже потеряло актуальность. Однако, несмотря на все положительные стороны интенсивного применения, возникает ряд вопросов.

Одной из основных проблем является то, что отсутствует единая база, отслеживающая динамику работы тепловых насосов, изменение параметров эксплуатируемого низкопотенциального геотермального источника энергии и многих других факторов в регионах, где они установлены.

К сожалению, на территории Российской Федерации отсутствует единая информационная база, инженерно-географические карты, нормативный реестр или государственная служба, которые бы фиксировали месторасположение действующих теплонасосных энергетических установок. Существующие карты (рисунки 1.2, 1.3, 1.4) - это некоммерческая инициатива ряда производителей тепло-насосного оборудования, направленная на продвижение нетрадиционных источников энергии и повышение их энергоэффективности.

Для потребителей информативным источником является лишь интернет-пространство в виде отчетных докладов или пилотных проектов, которые не дают полной картины технологической работы теплового насоса какого-либо региона или местности.

Отсутствие информации о работе на длительных сроках приводит к дефициту данных эксплуатационных характеристик. В связи с этим существует вероятность неустойчивости работы систем теплоснабжения и кондиционирования, снижение технико-экономических показателей и производительности тепло- насосной системы в целом. Как правило, отследить динамику работы довольно сложно, в большинстве случаев она поверхностна и носит лишь наблюдательский характер.

Исследования продолжительной практики эксплуатации систем теплоснабжения или кондиционирования, работающих в комплексе с тепловым насосом, заключаются в изучении естественного изменения температурного поля нагружаемого низкопотенциального источника энергии.

В зависимости от факторов, таких как фоновая температура, климатические параметры района, теплофизические свойства грунта, режимы работы систем, скорость движения потока грунтовых вод, тепловая нагрузка, геометрические параметры скважины, сезонность, срок эксплуатации и прочих, температурное поле может меняться. Влияние этих факторов отражено в следующих работах [6-8, 11, 15, 19-21, 23, 27-28, 33, 35, 38, 39, 41-42, 47-64, 74, 76, 78-116].

Низкопотенциальный источник энергии (грунтовый массив) является сложным «исследовательским материалом». Он представляет собой трехкомпонент-ную систему, включающую в себя воду в различных видах и состояниях, газообразные включения и твердые минеральные частицы.

Вопросы, связанные с изучением, прогнозом и управлением температурными полями, нашли отражение в научных работах. При эксплуатации инженерных систем и строительстве зданий [17, 21, 44, 66, 94-95, 104, 107, 109-110, 113], линейных подземных сооружений (трубопроводов нефтегазовой промышленности, теплотрасс) [5, 25, 30, 36], а также схемных решений теплонасосных систем с единым контуром [1].

Следует учесть большинство факторов, влияющих на формирование температурного фона, при эксплуатации теплонасосного оборудования с вертикальным грунтовым теплообменником. Характер влияния этих составляющих представлен в работах [12, 42, 47-62, 86, 93, 98, 109].

В формировании температурного фона участвуют потоки тепла. С позиции теплового баланса земли можно выделить:

во-первых, тепловой поток земляных недр, достигая поверхности Земли, составляет приблизительно 0,00003-0,00005 Вт/м ;

во-вторых, температура наружного воздуха и солнечное излучение, от которых зависит температура верхних слоев;

в-третьих, источники и стоки тепла, роль которых выполняют геотермальные скважины.

Фоновая температура низкопотенциального источника может колебаться в разных пределах и зависит от глубины, времени года, климатического района. В работе [11] приведены данные о среднемесячных температурах на различных глубинах для некоторых городов России.

На распространение тепла значительное влияние оказывают и теплофизиче-ские свойства грунта, различные для каждого региона. Исследования, в которых представлена зависимость температурных полей от теплофизических свойств, отражены в [69-71, 91]. Как правило, значения этих величин определяются по справочным данным либо лабораторным путем. Например, коэффициент теплопроводности грунта ориентировочно может быть принят: для глинистых грунтов

о о

0,72-1,93 Вт/м- С, для суглинистых грунтов 0,71-2,68 Вт/м- С и для песчаных

о

грунтов 0,86-1,92 Вт/м- С. Объемная теплоемкость для песчаных и глинистых грунтов от 2,05 до 2,43 Дж/м • К.

Формирование температурного фона во многом зависит от типа грунта и содержания в нем воды. Теплоемкость и теплопроводность существенно зависят от влажности. Влажный грунт будет обладать более аккумулирующей способностью по сравнению с сухим и соответственно большим коэффициентом теплопроводности [77].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сапрыкина Надежда Юрьевна, 2020 год

! -

■

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Расстояние, м

Рисунок 3.19 - Изменение температурного поля при знакопеременной нагрузке, зафиксированное на момент завершения II этапа (1 год): а) температурное поле; б) температурный график

На рисунке 3.20 представлены результаты расчета третьего этапа работы теплового насоса (1,5 года) после очередного цикла подвода тепла в скважину.

72

а) б)

Расстояние, м

Рисунок 3.20 - Изменение температурного поля на момент завершения III этапа (1,5 года): а) температурное поле; б) температурный график

Учитывая преобладание подвода тепла при кр = 0,25, прогнозируемо происходит рост температуры на забое скважины (Госи) по сравнению с первым этапом работы (6 месяцев), температура увеличилась на 1,5 °С.

Результаты расчета для четвертого этапа (2 года) представлены на рисунке 3.21. Изменение температуры пласта относительно второго этапа незначительно и составляет в среднем 0,2 °С, что находится в пределах погрешности расчетов.

а) б)

Расстояние, м

Рисунок 3.21 - Изменение температурного поля на момент завершения IV этапа (2 года): а) температурное поле; б) температурный график

б)

15 20 25 30 рР

Расстояние, м

Рисунок 3.22 - Изменение температурного поля на момент завершения V этапа (2,5 года): а) температурное поле; б) температурный график

Как видно из рисунка 3.22, изменения температуры по окончании этапа 2,5 года практически не отличаются от температурного поля на этапе 1,5 года.

Исследования показали, что при наличии регенерации изменение температуры по циклическому закону достигается раньше, чем без нее. Квазистационарное состояние наступает через 2,5 года, когда сезонные изменения входят в установившийся циклический режим. Проверка результатов расчета по состоянию на 3 года подтверждает сделанные выводы (рисунок 3.23). а) б)

о/->

о

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Расстояние, м

Рисунок 3.23 - Изменение температурного поля на момент завершения VI этапа (3 года): а) температурное поле; б) температурный график

Рисунок 3.24 - Изменение температурного поля вокруг низкопотенциальной геотермальной скважины в трехмерном пространстве при знакопеременном режиме

Обобщая результаты исследования, можно констатировать, что работа теплового насоса в знакопеременном режиме эффективнее режима эксплуатации с прерывистым подводом или отводом тепла без его реверса (рисунок 3.25) [56].

Рисунок 3.25 - Возникновение тепловых волн с момента первого включения до установления квазистационарного состояния

На рисунке 3.26 представлены результаты влияния на температурное поле коэффициента регенерации (кр) на этапе 1 года эксплуатации для величин активных нагрузок в диапазоне от 100 до -100 Вт и коэффициента регенерации (кр .) в диапазоне от 0,25 до 1.

Рисунок 3.26 иллюстрирует возникновение тепловых волн. Результаты даны на этапе завершения цикла, потому что достигают худших условий эксплуатации низкопотенциального источника энергии. График позволяет определить предельные состояния худших условий эксплуатации скважины. Это не значит, что скважина при определенном тепловом потоке будет работать до -5 °С с момента включения теплового насоса. Скважина получит -5 °С только через полгода, а на самом деле будет работать весь этот период от положительной температуры.

........ Фоновая температура У л "С к Р -( -( >,2 V! !5 5 0, 1 5

11

Г, м

6 $ 2 с ) \ 1 6

Расстояние, м

Рисунок 3.26 - Температурный график тепловых волн при коэффициенте регенерации кр

в диапазоне от 0,25 до 1

На основании результатов можно сделать вывод о влиянии коэффициента регенерации. При его увеличении температура, зафиксированная при завершении этапа подвода тепла, понижается. Например, при кр. = 0,25 температура на забое скважины составляет +12 °С, а при кр. = 1,0 понизилась до -4 °С. Влияние предыдущего цикла подвода тепла в виде волны практически не наблюдается, что свидетельствует о стабилизации температурного поля относительно фоновой темпе-

ратуры низкопотенциального источника энергии, а при кр = 1,0 - о повышении эффективности теплового насоса даже относительно однократного включения.

Однако при некоторых тепловых нагрузках значения температур могут уйти в минус, геотермальные скважины иногда так работают, и режим этот не желательный. Если значения уходят в минус, следовательно, надо увеличить число геотермальных скважин.

Изменение температуры относительно величины коэффициента регенерации

2 2

для тепловых нагрузок 100 Вт/м и 200 Вт/м отражено на рисунке 3.27 [55].

Коэффициент регенерации, кр

Рисунок 3.27 - Зависимость температуры грунта от коэффициента регенерации кр

Очевидно, что при подводе тепла низкопотенциальный источник нагревается, при отводе - охлаждается. Последовательное реверсирование приводит к появлению тепловых волн, что сопровождается изменением температуры, которые и влияют на технико-экономические параметры.

Результаты исследования позволили прийти к выводу о том, что ежегодное падение температуры низкопотенциального источника будет постепенно сокращаться в условиях регенерации. Этот процесс позволяет компенсировать «недостающие» величины тепловой нагрузки. При этом границы пласта, подверженного изменению температурного режима, будут расширяться с каждым годом [54, 56].

Если только отводить тепло, температура резко падает и через пару лет, стабилизируясь, устанавливается на каком-то нижнем уровне. Если чередовать тепловые нагрузки с различным коэффициентом регенерации, то температура начинает приближаться к фоновым значениям. Если же кр = 1, то значения достигают практически фоновых температур (рисунок 3.28).

15

10

■ >

--- Фоно вая те ипера! гура

)

4 >

-о

■0,25 0,5 0,75 ■1

-5

Год

Рисунок 3.28 - Сравнительная характеристика изменения температуры в зависимости от значения коэффициента регенерации кр

Регенерация тепла в низкопотенциальном источнике энергии происходит при чередовании циклов подвода и отвода тепла. При отводе тепла (режим теплоснабжения) пласт охлаждается. При переключении теплового насоса в режим кондиционирования тепло от здания отводится в пласт с низкой температурой. Так, при отводе тепла в пласт с фоновой температурой разница между температурами конденсатора и испарителя на момент начала работы для средней полосы России составит примерно 30-35 °С. С регенерацией, если тепловой насос в зимний период отводил тепло, а температура пласта установилась на значениях около 0 °С, некоторое время необходимости включения теплового насоса нет - достаточно просто организовать циркуляцию теплоносителя. Таким образом, переохлаждение пласта обеспечивает работу теплового насоса с меньшим температурным напором.

Полученные результаты подтвердили, что при работе теплового насоса в знакопеременном режиме температурное поле стабилизируется уже на 2-й год эксплуатации низкопотенциального источника энергии. Это объясняется тем, что работающая скважина представляет собой локальный источник (сток) тепла в фоновом температурном поле Земли. При отводе тепла понижение температуры НИЭ компенсируется фоновым тепловым потоком, а при подводе - отдает поверхности Земли. Радиус влияния определяется плотностью фонового потока, те-плофизическими свойствами грунта и параметрами работы скважины. Если говорить о режиме теплоснабжения, то когда, например, отапливаем, тепло отбираем из земли и пластовая температура падает, температура приближается к фоновой. Когда непрерывно отбираем тепло - отклонение от фоновой сильнее.

График изменения среднего значения коэффициента трансформации тепла (коэффициента преобразования) теплового насоса во времени для различных режимов работы скважины представлен ниже. ю

9 8 7 6

е-5

* 4

3 2

1

0 Н-1-1-1-1-1-1-

01234567 Срок эксплуатации скважины, лет

< С регенерацией ■ Без регенерацации - кондиционирование Без регенерации - отопление

Рисунок 3.29 - График изменения среднего значения коэффициента трансформации тепла теплового насоса во времени для различных режимов работы скважины

Стоит отметить, что при условии эксплуатации с регенерацией необходимо ввести некоторые ограничения. Достижение отрицательных температур на забое скважины может привести к образованию льда. Хотя это явление и приводит к некоторому увеличению съема теплоты за счет увеличения теплопроводности и включению в процесс теплообмена фазового перехода. Необходимо добавить, что это же явление приводит к дополнительным проблемам:

- при замерзании грунта увеличение объема приводит к его вспучиванию. Такие последствия могут отрицательно отразиться на дальнейшей эксплуатации;

- возникает сжатие трубопроводов коллектора или зонда, вплоть до их разрушения.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при работе теплового насоса в знакопеременном режиме (то есть с регенерацией) снижаются долгосрочные последствия эксплуатации, связанные с отклонением температуры от фонового значения.

3.2.3 . Исследование влияния движения фильтрационного потока

грунтовых вод

Определение влияния фильтрационного потока грунтовых вод сводится к решению задачи теплообмена, осложненного обтеканием водой кругового цилиндра. К числу исходных данных относятся представленные в п. 3.2.1 и п. 3.2.2 значения, кроме того дополнительным параметром является скорость фильтрации. Диапазон ее значений определялся по методике, описанной в п. 2.3.

На рисунках 3.30-3.34 представлен вид температурных полей при воздействии грунтовых вод после 3-х лет эксплуатации скважины при циклической тепловой нагрузке на скважину 200 Вт/м посезонно и скорости фильтрации иф = 0,000000001 м/с [57].

Распределение тепловой волны при интенсивной активной нагрузке, осложненной влиянием фильтрационного потока грунтовых вод после первого цикла (сезона) подвода тепла, изображено на рисунке 3.30.

Тепловые волны (рисунок 3.30а) направлены радиально к границам влияния (аналогично с п. 3.2.1 и п. 3.2.2), но смещены относительно основной оси на 0,3 м (рисунок 3.30б). Температура по оси скважины (Тоси) понижается на 2 °С относительно температуры на забое (пик графика - Тпик) за счет смещения экстремума.

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 Расстояние, м

Рисунок 3.30 - Изменение температурного поля по направлению фильтрационного потока за 6 месяцев: а) температурное поле; б) температурный график

В качестве примера на рисунке 3.31 представлен вид температурного поля в период простоя теплового насоса, иллюстрирующий выравнивание поля температур после прекращения подвода тепла, в условиях влияния незначительного количества фильтрующейся воды. Из рисунка видно, что фильтрация пластовой воды при малой ее скорости существенно не повлияла на процесс остывания. Температура вокруг скважины через 6 месяцев мало отличается от аналогичных расчетов без фильтрации, и ожидаемой деформации графика изменения температуры не наблюдается.

Рисунок 3.31 - Изменение температурного поля по направлению фильтрационного потока

на момент завершения II этапа (1 год)

График изменения температуры после повторного включения теплового насоса (1,5 года - рисунок 3.32) повторяет температурное поле 1 этапа (6 месяцев с момента пуска скважины в эксплуатацию и начала подвода тепла). После 1,5 лет эксплуатации скважины температура грунта увеличилась на 2 °С, аналогично результатам, полученным при отсутствии фильтрации, но становится заметным сдвиг максимума температур в направлении фильтрационного потока.

Рисунок 3.32 - Изменение температурного поля по направлению фильтрационного потока

на момент завершения III этапа (1,5 года)

Длительная эксплуатация в условиях влияния фильтрационного потока приводит к изменениям в пласте на малых расстояниях от оси скважин. На рисунке 3.33 представлены результаты изменения температурного поля за 2 года эксплуатации.

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 Расстояние, м

Рисунок 3.33 - Изменение температурного поля по направлению фильтрационного потока

на момент завершения IV этапа (2 года)

Как видно из рисунка, малые скорости фильтрации начинают влиять при длительной эксплуатации геотермальной скважины, но влияние при малых скоростях фильтрации наблюдается на расстояниях, сопоставимых с радиусом самой скважины.

б)

I I I Тпик 01 1,° С

*

Г * 1 ч ч Тоси

Смещение поля 4( -Щ

г^К

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 Расстояние, м

Рисунок 3.34 - Изменение температурного поля по направлению фильтрационного потока

на момент завершения V этапа (2,5 года)

Анализ результатов расчета, представленных на рисунках 3.30-3.34, показывает накопительный характер влияния фильтрационного потока на температурное поле низкопотенциального источника энергии вокруг скважины. Заметные изменения температур в радиусе влияния скважины при малых скоростях фильтрации будут наблюдаться после 2,5-3 лет эксплуатации геотермальной скважины. Для анализа влияния грунтовых вод необходимы данные о температурных полях на конец этого периода.

Основным параметром, влияющим на эксплуатационные характеристики скважины, прогнозируемо является скорость фильтрации. Как отмечалось выше, низкопотенциальные скважины по своему физическому принципу работы являются в большей степени не источником тепла, а его аккумулятором. Появление конвективной составляющей в виде фильтрационного потока должно внести изменения в тепловой баланс соответствующей массы низкопотенциального источника вокруг скважины.

Малые значения скорости фильтрации, представленные в расчетной модели

и отраженные на рисунках 3.30-3.34, характерны для условий грунтов малой про-

83

ницаемости и гидравлического уклона равнинных рек. Такие скорости незначительно влияют на температурное поле вокруг скважины, и в долгосрочной перспективе это влияние не обладает заметным аккумулирующим эффектом.

Учитывая значительное разнообразие пластовых условий, проведен анализ влияния различных диапазонов скоростей на формирование температурного поля вокруг скважины. Результаты изменения приведены на рисунке 3.35.

На тепловую волну, движущейся от оси скважины, накладывается встречный фильтрационный поток пластовой жидкости, что приводит к разрыву в области наибольших градиентов в районе обсадной колонны (рисунок 3.35 - I). То есть скорость фильтрации иф = 0,00000009 м/с превышает скорость распространения тепловой волны.

При скорости фильтрации (иф = 0,0000005 м/с), соответствующей холмистому рельефу местности с высокой проницаемостью грунтов, получено поле и график с ярко выраженной асимметрией (рисунок 3.35 - II). Помимо разрыва графика на забое скважины наблюдается переохлаждение грунта со стороны движущейся пластовой воды. Указанные процессы приводят к переохлаждению низкопотенциального источника энергии на 3-4 °С относительно результатов, полученных в п. 3.2.1 и п. 3.2.2, что повышает коэффициент трансформации теплового насоса.

I.

б)

—ы .А 1 1,° с

Л *

У

Разрыв по забою скважины 41

3|

г-«

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 Расстояние, м

I - при оф = 0,00000009 м/с Рисунок 3.35 (начало) - Изменения температуры при различных скоростях грунтовых вод

II - при Ьф = 0,0000005 м/с е)

III - при иф = 0,000006 м/с Рисунок 3.35 (окончание) - Изменения температуры при различных скоростях грунтовых вод

На рисунке 3.35 - III показано влияние фильтрационного потока со скоростью 0,000006 м/с. Тепловой поток во встречном фильтрационному потоку крайне мал, и изменение температуры вблизи скважины наблюдается только в районе значительного градиента температур на расстоянии менее 2 м от оси скважины. С противоположной стороны градиент температур мал и отвод тепла в этом направлении меньше в 5-10 раз. Интегральная оценка эффективности теплоотвода показывает его рост. Сравнивая температуру на забое геотермальной скважины, можно отметить понижение температуры на 20-25 °С, что для данных расчетных условий повышает коэффициент трансформации теплового насоса, заметно снижая расход энергии.

Обработка полученных результатов исследуемых направлений (п. 3.2.1, п. 3.2.2, п. 3.2.3) выполняется с целью получения расчетных зависимостей для совершенствования методики проектирования систем теплоснабжения и кондиционирования на основе низкопотенциального источника энергии и оценки технико-экономических показателей. Для возможности распространения полученных результатов и дальнейшего их практического использования в виде обобщающей зависимости использовалась теория подобия.

В области теории нестационарного тепломассообмена хорошо известны работы [84, 87, 102], однако их применение для описания работы низкопотенциальной геотермальной скважины требует учета особенностей поставленной задачи. Решаемая в рамках настоящего исследования задача отличается от традиционного подхода, ограничивающегося определением температурных полей. Выполнение технико-экономического анализа сводится к определению температуры теплоносителя, отбираемого из скважины, который, в свою очередь, определяется температурой стенки геотермальной скважины. Второй особенностью является необходимость оценки условий работы теплового насоса в худших, с точки зрения коэффициента тепловой трансформации, условиях. Это соответствует временному периоду завершения цикла нагрева (охлаждения).

Таким образом, обобщение результатов сводится к получению расчетных зависимостей, имеющих следующие особенности:

- решение инженерной задачи оптимизации работы теплового насоса приводит задачу нестационарного тепломассообмена к определению параметров теплообменной части скважины, а следовательно, влияющим параметром является температура на поверхности обсадной колонны, то есть г = г(гс; 0);

- непрерывное изменение поля температур предполагает обработку значений температур в дискретных точках, соответствующих предельным значениям. Пиковые значения температур, использованные для получения

расчетных зависимостей, выбраны для временных границ завершения цикла работы теплового насоса;

- одной из особенностей расчета геотермальной скважины, работающей в циклическом режиме, является необходимость замены начальной температуры фоновой температурой пласта.

Известные критерии подобия не в полной мере отражают исследуемые явления, в связи, с чем в рамках исследовательской работы, предложены следующие безразмерные комплексы: относительный тепловой поток (@), критерий водообмена (С), поправка на фильтрацию (Р), а также модифицированы безразмерная температура (0) и критерий Го.

Температурное поле эксплуатируемого низкопотенциального источника энергии описывается безразмерной функцией [53] с тремя безразмерными влияющими параметрами (уравнение 3.1):

/ = [го, ©, е ] , (3.1)

где Го - критерий Фурье, 0 - безразмерная температура, е - относительный тепловой поток.

Рассматривая активную нагрузку на скважину как возмущающий фактор в температурном поле Земли, предложено ввести относительный тепловой поток (2), который принято в рамках исследовательской работы вычислять по формуле:

ч

2 = _нагр, (3 .2)

Чфон

где днагр - удельная, приведенная на единицу площади обсадной колонны, тепловая нагрузка на скважину в определенный эксплуатируемый период, Вт/м ; Чфон - фоновый тепловой поток (удельный, приведенный на единицу площади поверхности Земли), Вт/м .

Параметры работы теплового насоса зависят от разности температур забоя скважины и окружающей среды. В связи с этим безразмерную температуру предложено рассчитывать по следующей формуле [55]:

0_ 'скважины 1ос ^ , (3.3)

I гфон - г ос I

где г - температура стенки скважины на момент окончания

скважины

рассматриваемого эксплуатируемого периода, °С; гос - среднегодовая

климатическая температура окружающей среды, °С; г - фоновая температура

фон

грунта, °С.

Критерий Го (3.4) формировался по известной формуле [31]. Определяющим размером предложено принять радиус скважины:

Го = ^ , (3.4)

где а - коэффициент температуропроводности, равный а = . 1 , , м2/с; X - коэф-

(с ■ р)

фициент теплопроводности, Вт/м^С; р - плотность грунта, кг/м3; ср -теплоемкость грунта, Дж/(кг^°С); т - характерное время изменения внешних условий, с; гс - характерный размер тела (радиус скважины), м.

Критериальное уравнение должно учитывать следующие модели работы геотермальной скважины:

- только подвод (или только отвод) тепла (то есть однонаправленное);

- с чередованием: подвод /отвод тепла (то есть знакопеременное);

- подвод (или отвод) тепла при влиянии фильтрационного потока грунтовых вод на скважину.

Сложный характер взаимного влияния определяющих параметров не позволяет формализовать однозначное решение, в связи с чем используется традиционный подход к виду критериального уравнения как степенной зависимости. Согласно описанным выше зависимостям, введенным безразмерным критериям, общее уравнение принимается в виде:

0=X с■ гоп ■ ат , (3.5)

88

3.3.1 . Результаты исследования при работе в однопоточном режиме

Обобщающее уравнение (3.5) для однопоточного режима работы можно описать в виде регрессии (3.6):

6 = к, ■ Ро2 • б + к2 • Ро ■ б +.....+ кп ■ Ро ■ б, (3.6)

где - к1г2^п - определяемые коэффициенты.

Результаты расчета температуры на стенке геотермальной скважины как функции от определяющих параметров в безразмерном виде представлены на рисунке 3.36 [59].

4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000

Критерий, Ро

Рисунок 3.36 - Результаты расчета функции от определяющих параметров Результаты вычислений хорошо аппроксимируются полиномами второго порядка. Применяя методы статистической обработки, получено критериальное уравнение (3.7):

6 = -5 ■ 10-9 ■ б ■ Ро2 + 2 ■ 10-8Ро ■ б + 0,0003 ■ б + 5,1 (3.7)

Оно позволяет выполнить прогноз изменения температуры низкопотенциального источника энергии, работающего в циклическом (сезонном)

режиме без реверса теплового потока. Перевод из безразмерной температуры

89

г = ((г. -г ) -в) + г

.......... \ \ фон ср.ос/ / ср.ос

скважины

(3.8)

3.3.2 . Результаты исследования работы при знакопеременном режиме

В условиях, когда тепловой насос работает в знакопеременном режиме, общие закономерности процесса сохраняются. Отличием данного режима эксплуатации теплового насоса является использование эффекта регенерации тепла за счет аккумулирующей способности грунта. Указанная особенность определяет возможность использования уравнения (3.7) как базового с его дополнением в виде поправки на коэффициент регенерации кр. Тогда выражение (3.6) будет выглядеть следующим образом:

0 = (к • Ра2 • б + к2 • Га • б + ...кп • Га • 0 • /(кр) , (3.9)

где /(к ) - функция, поправка на коэффициент регенерации.

Пример зависимости безразмерной температуры от коэффициента регенерации приведен на графике (рисунок 3.37). Расчет выполнен при значениях Ра от 4675 до 11 686 и безразмерного активного потока б1 = 2000 и б2 = 4000.

а)

Ф

14

.12

Л Л 0.10 О

ф

ш

8

1 4

т

(*) О Ш

^ е ?о

со эзчч э Ж

X

/ V

у / г

г

А

=Г" кр

0.25

0.5

0.75

Коэффициент регенерации, кр

Рисунок 3.37 (начало) - Зависимость безразмерной температуры (&) от коэффициента регенерации (кр) в диапазоне Ра от 4675 до 11 686 при а) = 2000

кр

0,25 0,5 0,75

Коэффициент регенерации, кр

1

Рисунок 3.37 (окончание) - Зависимость безразмерной температуры (0) от коэффициента регенерации (кр) в диапазоне Го от 4675 до 11 686 при б) Q2 = 4000

Принимая за основу зависимость (3.9), анализ выполнялся последовательным сопоставлением получаемой безразмерной температуры при различных значениях коэффициента регенерации с имеющимися результатами для работы теплового насоса без регенерации.

На рисунках 3.38-3.40 приведены графики, отражающие влияние регенерации на значения безразмерной температуры при коэффициентах регенерации (кр) от 0,5 до 1, в исследуемом диапазоне активных нагрузок на скважину. Представленные значения рассчитаны по модулю в диапазоне Го от 4675 до 11 686.

На рисунке 3.38 представлены результаты обработки данных при кр = 0,5 и величин активных нагрузок: 75/0, 100/-50, 150/0, 200/-100.

Верхняя и нижняя линия - результаты при регенерации, две средние линии - без регенерации. При кр = 0,5 значения безразмерных температур (0) следующие: разница между 100/-50 и 75/0 приблизительно 1,5; при 150/0 и 200/-100 порядка 2-х.

ф

•к (5

О.

>■

I- г

га о.

ф

• Э к

(5

ё" 2

£

т

га

о.

го

(у л

ш ±

е

^100/-50

-♦>75/0

^200/-100

- ——

150/0

Ро »1

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Критерий, Ро

Рисунок 3.38 - Влияние регенерации на температурное поле при кр = 0,5 Как видно из представленных результатов, регенерация приводит к повышению коэффициента трансформации тепла теплового насоса. Рассмотрим три плана работы: 200/100, 200/150 и 200/200. Регенерация тепла приводит к росту безразмерной температуры, то есть работа при очередном переключении тепло/холод и холод/тепло начинается не с фоновой температуры грунта, а с более выгодной температуры для теплового насоса. Например, отбор тепла на цели отопления начинается с более высокой температуры низкопотенциального источника энергии, чем фоновая пластовая температура. Как показали расчеты, продолжительное время (в диапазоне это более месяца) при реверсе теплового насоса работает при более низком температурном напоре.

На рисунке 3.39 представлены результаты обработки данных при кр = 0,75 и активных нагрузок (75/0, 100/-75, 150/0, 200/-150).

Две верхние линии - результаты с регенерацией 200/-150 и без нее 150/0 соответственно. Разница между ними составляет при усредненном значении & = 5. Две нижние линии - с регенерацией 100/-75 и без нее 75/0. Разница значения безразмерной температуры очень мала и составляет в среднем 0,3.

®

га

а ?

о.

V

с

о; га

I

а

ш

п ге а п <и из

9 8 1 6 5 4 3 2 1

е _____-А

-—*-

-Ф-100/-75 -■-75/0 -±-200> М50 150/0 РО

4000

6000

10000

12000

8000 Критерий, Ро

Рисунок 3.39 - Влияние регенерации на температурное поле при кр = 0,75 На рисунке 3.40 представлены результаты обработки данных при кр = 1 и активных нагрузок (75/0, 100/-100, 150/0, 200/-200).

8000 Критерий,

Рисунок 3.40 - Влияние регенерации на температурное поле при кр =1 Верхняя линия 200/-200 (с регенерацией) и вторая снизу 150/0 (без регенерации) - разница составляет © =8. Вторая сверху 100/-100 и нижняя 75/0, разница 0 = 2.

Ф

5 4,5

<0 о.

о

0)

<0

0)

3,5

3 2'5

О <0 о.

со 9 0) 2

Ш

8

ц\ Ф)=0 0004- кр + 0,947 4 ► 4 ►

<

А ► Ро

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Критерий, Ро

Рисунок 3.41 - Влияние режима работы геотермальной скважины на энергетическую эффективность установки

Решением полученного уравнения является следующее выражение:

/(кр) = 0,0004 ■ кр + 0,947 (3.10)

Таким образом, оно может служить поправкой к расчету основного (3.9).

Тогда уравнение для знакопеременного режима с поправкой на коэффициент регенерации будет выглядеть:

0 = -5 ■ 10~9 ■ 0 ■ Го2 + 2 ■ 10~8Го ■ 0 + 0,0003 ■ 0 + 5,1(0,0004 ■ кр + 0,947) , (3.11) где кр- коэффициент регенерации.

3.3.3 . Результаты исследования работы в условиях влияния фильтрационного потока грунтовых вод

Учесть влияние движения грунтовых вод на формирование температурного поля предложено введением в выражения (3.6, 3.9) поправку на скорость фильтрации. В результате уравнение принимает вид:

Расчеты выполнены для различных скоростей фильтрации, соответствующих возможному диапазону гидрологических параметров района расположения скважины.

Обработку результатов необходимо вести в безразмерном виде. В условиях влияния фильтрационного потока грунтовых вод предложено ввести безразмерную температуру и рассчитывать как:

0 =

I - г,

оси фон

г - г,

пик фон

(3.13)

где госи - температура по оси скважины, °С; гпик - пиковая температура эксплуатируемого грунта в течение времени, °С.

Использование теории подобия для обработки полученных данных определяет необходимость введения безразмерных величин, описывающих фильтрационный поток.

Учитывая, что влияние фильтрационного потока зависит от времени и габаритов самой скважины, предложено ввести понятие «критерий водообмена» - отношение пути фильтрующейся жидкости за время работы теплового насоса к размеру скважины:

С , (3.14)

а

где иф - скорость фильтрационного потока, м/с; а - диаметр скважины, м.

В уравнение 3.1 вводится поправка на фильтрацию (Р), обозначающаяся следующим образом:

Р = / (V) (3.15)

Она полностью зависит от температуры в низкопотенциальном источнике. Тогда необходимо получить ее в безразмерном виде:

р =

сфилътр

' скв .сфилътр ' фон

'скв .безфилътр ' фон

(3.16)

безфилътр

где мсфиЛътР - разность температуры грунта с фильтрацией, °С; Ь1бз3филЬтР - разность

температуры грунта без фильтрации, °С; - температура скважины с

фильтрацией, °С; 1фоН - фоновая температура грунта, °С; - температура

скважины без фильтрации, °С.

На рисунке 3.42 предложены диапазоны скоростей, влияющие на

теплообмен с учетом критерия водообмена и поправки на фильтрацию [57].

Результаты представлены в безразмерном виде. 1

0,9

2 0,8

§ 0,7 га

Е-о,б £

§ 0,5

-е-

га о-4

х

га 0,3

¡е

ш

га 0,2 а.

о 0,1 с

о

р

ч

Влияние отсутствует

N

А > \

Граница влияния фильтрационного потока грунтовых вод / V ч N

В; 1И5 1Н /1е

присутствует

| — С »

0,156 0,468 0,936 1,404 1,56 4,68 9,36 14,04 15,6 46,8 78 156 468 936 Критерий водообмена, С

Рисунок 3.42 - Установленные режимы влияния грунтовых вод на теплообмен

низкопотенциального источника энергии и вертикальной геотермальной скважины

Выделено два режима влияния грунтовых вод на теплообмен между скважиной и низкопотенциальным источником энергии:

- первый, «влияние отсутствует», если 0 < С < 78, то Р = 1 (скорость фильтрации мала и не оказывает значительного влияния);

- второй, «влияние присутствует» при С > 78 (при увеличении скорости температура понижается).

Граница влияния определена критическим значением критерия водообмена (С) и соответствует величине С = 78.

На рисунке 3.43 приведен график зависимости поправки фильтрационного

потока р от критерия водообмена С, влияющих на теплообмен.

96