Экспериментальное исследование влияния грунтового теплового насоса с системой восстановления температурного потенциала грунта на тепловой дисбаланс грунта в условиях холодного климата

  • Артем [Artem] Вячеславович [V.] Рыженков [Ryzhenkov]
  • Иван [Ivan] Сергеевич [S.] Соколов [Sokolov]
  • Алена [Alena] Юрьевна [Yu.] Лихаева [Likhaeva]
  • Елизавета [Elizaveta] Михайловна [M.] Алешкова [Aleshkova]
Ключевые слова: захолаживание грунта, дисбаланс тепловых нагрузок, восстановление температуры грунта, тепловые насосы, возобновляемые источники энергии

Аннотация

Нарушение теплового баланса грунта — серьёзная проблема, возникающая в процессе эксплуатации тепловых насосов с геотермальным контуром. В областях с холодным климатом и высокими отопительными нагрузками захолаживание грунта приводит к значительному падению эффективности работы тепловых насосов при длительной эксплуатации.

Проведены экспериментальные исследования по оценке влияния работы системы восстановления температурного потенциала грунта на тепловой дисбаланс грунта в условиях климата г. Москва. Представленная система содержит три фанкойла, работающих на кондиционирование помещений здания. Избыточная теплота, отобранная из воздуха, передается через накопительную емкость в скважины геотермального контура.

Система показала свою эффективность, поскольку при большем времени работы теплового насоса с сопоставимой нагрузкой были отмечены незначительные снижения средней температуры грунта и температуры теплоносителя на входе в испаритель теплового насоса. Применение подобных систем продлит срок эффективной службы тепловых насосов с геотермальным контуром, а также расширит область их возможного применения на более холодные регионы с ярко выраженным дисбалансом тепловых нагрузок.

Сведения об авторах

Артем [Artem] Вячеславович [V.] Рыженков [Ryzhenkov]

доктор технических наук, директор НЦ «Износостойкость» НИУ «МЭИ», e-mail: ryzhenkovav@mpei.ru

Иван [Ivan] Сергеевич [S.] Соколов [Sokolov]

аспирант кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: sokolovivs@mpei.ru 

Алена [Alena] Юрьевна [Yu.] Лихаева [Likhaeva]

аспирант кафедры промышленных теплоэнергетических систем, инженер 1-й категории НЦ «Износостойкость» НИУ «МЭИ», e-mail: likhayevaay@mpei.ru

Елизавета [Elizaveta] Михайловна [M.] Алешкова [Aleshkova]

аспирант кафедры промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», e-mail: tiabutym@mpei.ru

Литература

1. Key World Energy Statistics. Paris: IEA, 2021.
2. Приказ Минэнерго России № 45 от 28.01.2019 г. «Об утверждении плана деятельности министерства энергетики Российской Федерации на период 2019 — 2024 годов».
3. Chen S. e. a. Long-term Thermal Imbalance in Large Borehole Heat Exchangers Array — a Numerical Study Based on the Leicester Project // Energy and Buildings. 2021. V. 231. P. 110518.
4. Ahmadfard M., Bernier M. A Review of Vertical Ground Heat Exchanger Sizing Tools Including an Inter-model Comparison // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2019. V. 110. Pp. 247—265.
5. Yang W., Xu R., Yang B., Yang J. Experimental and Numerical Investigations on the Thermal Performance of a Borehole Ground Heat Exchanger with PCM Backfill // Energy. 2019. V. 174. Pp. 216—235.
6. Chen F., Mao J., Li C., Hou P., Li Y., Xing Z., Chen S. Restoration Performance and Operation Characteristics of a Vertical U-tube Ground Source Heat Pump System with Phase Change Grouts Under Different Running Modes // Appl. Thermal Eng. 2018. V. 141. Pp. 467—482.
7. Hou G., Taherian H., Li L. A predictive TRNSYS model for Long-term Operation of a Hybrid Ground Source Heat Pump System with Innovative Horizontal Buried Pipe Type // Renewable Energy. 2020. V. 151. Pp. 1046—1054.
8. Wang P., Gao W., Bai L., Qi Z. Research on Operating Performance of Ground Source Heat Pump System in Severe Cold Region // Fresenius Environmental Bulletin. 2020. V. 29. Pp. 8373—8377.
9. Han J., Tian Z., Qu Y., Chen Y. Cooling and Heating System of Buried Pipe Ground Source Heat Pump Combined Electric Refrigeration Units and Municipal Heat Source // Proc. Seminar on Construction and Efficient Operation of Heating Eng. Suzhou, 2019. Pp. 218—222.
10. Nouri G., Noorollahi Y., Yousefi H. Designing and Optimization of Solar Assisted Ground Source Heat Pump System to Supply Heating, Cooling and Hot Water Demands // Geothermics. 2019. V. 82. Pp. 212—231.
11. Pu L., Xu L., Qi D., Li Y. A Novel Tree-shaped Ground Heat Exchanger for GSHPs in Severely Cold Regions // Appl. Thermal Eng. 2019. V. 146. Pp. 278—287.
12. Naili N., Kooli S. Solar-assisted Ground Source Heat Pump System Operated in Heating Mode: a Case Study in Tunisia // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2021. V. 145. P. 111144.
13. Hu Z., Geng S., Huang Y., Ge F., Wang Y. Heat Storage Characteristics and Application Analysis of Heat Source Tower in Soil Thermal Balance of Ground Source Heat Pump // Energy and Buildings. 2021. V. 235. P. 110752.
14. Liu G. e. a. Study on Heat Transfer Model of Capillary Exchanger in Subway Source Heat Pump System // Renewable Energy. 2020. V. 150. Pp. 1074—1088.
15. Tong Z., Cao T., Zang G., Hu S., Liu G., Wang Y. Performance Analysis of Capillary Front-end Heat Exchanger for Subway Tunnel // Appl. Thermal Eng. 2020. V. 174. P. 115360.
16. Fine J.P., Nguyen H.V., Friedman J., Leong W.H., Dworkin S.B. A Simplified Ground Thermal Response Model for Analyzing Solar-assisted Ground Source Heat Pump Systems // Energy Conversion and Management. 2018. V. 165. Pp. 276—290.
17. Han J., Cui M., Chen J., Lv W. Analysis of Thermal Performance and Economy of Ground Source Heat Pump System: a Case Study of the Large Building // Geothermics. 2021. V. 89. P. 101929.
18. Kumar S., Murugesan K. Optimization of Geothermal Interaction of a Double U-tube Borehole Heat Exchanger for Space Heating and Cooling Applications Using Taguchi Method and Utility Concept // Geothermics. 2020. V. 83. P. 101723.
19. Ma Z., Xia L., Gong X., Kokogiannakis G., Wang S., Zhou X. Recent Advances and Development in Optimal Design and Control of Ground Source Heat Pump Systems // Renewable and Sustainable Energy Rev. 2020. V. 131. P. 110001.
20. Wang E., Zhang F., Zhang Y., Zhao Q. Influence Investigation of Thermal Load Imbalance on Geothermal Heat Exchanger // Proc. Eng. 2017. V. 205. Pp. 3846—3851.
---
Для цитирования: Рыженков А.В., Соколов И.С., Лихаева А.Ю., Алешкова Е.М. Экспериментальное исследование влияния грунтового теплового насоса с системой восстановления температурного потенциала грунта на тепловой дисбаланс грунта в условиях холодного климата // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 117—125. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-117-125
---
Работа выполнена: в рамках проекта «Повышение эффективности комбинированного источника теплохладоснабжения здания на основе использования возобновляемых источников энергии» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программ научных исследований «Энергетика», «Электроника, радиотехника и IT» и «Технологии индустрии 4.0 для промышленности и робототехника» в 2020—2022 гг.
#
1. Key World Energy Statistics. Paris: IEA, 2021.
2. Prikaz Minenergo Rossii № 45 ot 28.01.2019 g. «Ob Utverzhdenii Plana Deyatel'nosti Ministerstva Energetiki Rossiyskoy Federatsii na Period 2019 — 2024 Godov». (in Russian).
3. Chen S. e. a. Long-term Thermal Imbalance in Large Borehole Heat Exchangers Array — a Numerical Study Based on the Leicester Project. Energy and Buildings. 2021;231:110518.
4. Ahmadfard M., Bernier M. A Review of Vertical Ground Heat Exchanger Sizing Tools Including an Inter-model Comparison. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2019;110:247—265.
5. Yang W., Xu R., Yang B., Yang J. Experimental and Numerical Investigations on the Thermal Performance of a Borehole Ground Heat Exchanger with PCM Backfill. Energy. 2019;174:216—235.
6. Chen F., Mao J., Li C., Hou P., Li Y., Xing Z., Chen S. Restoration Performance and Operation Characteristics of a Vertical U-tube Ground Source Heat Pump System with Phase Change Grouts Under Different Running Modes. Appl. Thermal Eng. 2018;141:467—482.
7. Hou G., Taherian H., Li L. A predictive TRNSYS model for Long-term Operation of a Hybrid Ground Source Heat Pump System with Innovative Horizontal Buried Pipe Type. Renewable Energy. 2020;151:1046—1054.
8. Wang P., Gao W., Bai L., Qi Z. Research on Operating Performance of Ground Source Heat Pump System in Severe Cold Region. Fresenius Environmental Bulletin. 2020;29:8373—8377.
9. Han J., Tian Z., Qu Y., Chen Y. Cooling and Heating System of Buried Pipe Ground Source Heat Pump Combined Electric Refrigeration Units and Municipal Heat Source. Proc. Seminar on Construction and Efficient Operation of Heating Eng. Suzhou, 2019:218—222.
10. Nouri G., Noorollahi Y., Yousefi H. Designing and Optimization of Solar Assisted Ground Source Heat Pump System to Supply Heating, Cooling and Hot Water Demands. Geothermics. 2019;82:212—231.
11. Pu L., Xu L., Qi D., Li Y. A Novel Tree-shaped Ground Heat Exchanger for GSHPs in Severely Cold Regions. Appl. Thermal Eng. 2019;146:278—287.
12. Naili N., Kooli S. Solar-assisted Ground Source Heat Pump System Operated in Heating Mode: a Case Study in Tunisia. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2021;145:111144.
13. Hu Z., Geng S., Huang Y., Ge F., Wang Y. Heat Storage Characteristics and Application Analysis of Heat Source Tower in Soil Thermal Balance of Ground Source Heat Pump. Energy and Buildings. 2021;235:110752.
14. Liu G. e. a. Study on Heat Transfer Model of Capillary Exchanger in Subway Source Heat Pump System. Renewable Energy. 2020;150:1074—1088.
15. Tong Z., Cao T., Zang G., Hu S., Liu G., Wang Y. Performance Analysis of Capillary Front-end Heat Exchanger for Subway Tunnel. Appl. Thermal Eng. 2020;174:115360.
16. Fine J.P., Nguyen H.V., Friedman J., Leong W.H., Dworkin S.B. A Simplified Ground Thermal Response Model for Analyzing Solar-assisted Ground Source Heat Pump Systems. Energy Conversion and Management. 2018;165:276—290.
17. Han J., Cui M., Chen J., Lv W. Analysis of Thermal Performance and Economy of Ground Source Heat Pump System: a Case Study of the Large Building. Geothermics. 2021;89:101929.
18. Kumar S., Murugesan K. Optimization of Geothermal Interaction of a Double U-tube Borehole Heat Exchanger for Space Heating and Cooling Applications Using Taguchi Method and Utility Concept. Geothermics. 2020;83:101723.
19. Ma Z., Xia L., Gong X., Kokogiannakis G., Wang S., Zhou X. Recent Advances and Development in Optimal Design and Control of Ground Source Heat Pump Systems. Renewable and Sustainable Energy Rev. 2020;131:110001.
20. Wang E., Zhang F., Zhang Y., Zhao Q. Influence Investigation of Thermal Load Imbalance on Geothermal Heat Exchanger. Proc. Eng. 2017;205:3846—3851.
---
For citation: Ryzhenkov A.V., Sokolov I.S., Likhaeva A.Yu., Aleshkova E.M. An Experimental Study of the Effect a Ground-Source Heat Pump with a Soil Temperature Potential Recovery System Has on the Soil Thermal Imbalance under Cold Climate Conditions. Bulletin of MPEI. 2022;6:117—125. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-117-125
---
The work is executed: Within the Framework of the Project «Improving the Efficiency of the Combined Heat and Cooling Supply of the Building Based on the Use of Renewable Energy Sources» with the Support of a Grant from the National Research University «MPEI» for the Implementation of Research Programs «Energy», «Electronics, Radio Engineering and IT» and «Industry 4.0 Technologies for Industry and Robotics» in 2020—2022.
Опубликован
2022-05-04
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)