Введение к работе
Актуальность работы. Широкое использование возобновляемых источников энергии соответствует приоритетным задачам "Энергетической стратегии России на период до 2020 года". Одним из наиболее перспективных направлений в данной области является применение тепловых насосов, позволяющих использовать низкопотенциальную теплоту окружающей среды для теплоснабжения зданий.
Выбор низкопотенциального источника теплоты, используемого тепловым насосом, определяют климатические условия конкретного региона. Для регионов с холодным климатом наиболее доступным источником является низкопотенциальная теплота грунта. Колебания температуры грунта на глубине ниже 10 метров не превышает 1-2 С, поэтому конструировать первичный контур системы теплоснабжения (СТ) целесообразней из вертикальных грунтовых теплообменников (ВГТ).
В сложившейся практике проектирования расчет ВГТ ведется по усредненному значению линейного теплового потока, которое не учитывает ряд факторов: теплофизические свойства грунта, эксплуатационные характеристики первичного контура, конструктивные особенности ВГТ и т.д. Первичный контур, как правило, состоит из нескольких ВГТ, взаимное влияние которых также не учитывается. В результате реальное значение линейного теплого потока ВГТ отличается от расчетного, что может приводить к снижению теплопроизводительности СТ.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на совершенствование расчета первичного контура систем теплоснабжения использующих низкопотенциальную теплоту грунта.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Пермского государственного технического университета.
Цель работы - повышение эффективности использования низкопотенциальной теплоты грунта системой теплоснабжения посредством совершенствования расчета первичного контура на основе исследования тепловых процессов в массиве грунта.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ существующих методик расчета ВГТ систем теплоснабжения;
анализ технических характеристик теплонасосных установок, влияющих на работу первичного контура;
разработка имитационной математической модели первичного контура СТ, использующей низкопотенциальную теплоту грунта;
проведение экспериментальных исследований для подтверждения адекватности полученной математической модели;
оценка влияния теплофизических свойств грунта, эксплуатационных характеристик и конструктивных особенностей ВГТ на теплопроизводительность первичного контура;
исследование взаимного влияния ВГТ при их групповой установке;
- исследование влияния режима работы СТ при многолетней эксплуатации
на теплопроизводительность первичного контура.
Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования в лабораторных условиях, обработка экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ и сертифицированных программ.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений тепломассообмена и теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов и подтверждена удовлетворяющей сходимостью теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных условиях.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:
разработана математическая модель первичного контура СТ, учитывающая взаимное влияние теплообменников, распространение теплового потока в горизонтальной и вертикальной плоскостях, позволяющая производить динамическое моделирование изменения температурных полей в массиве грунта, определять период выхода теплообменников на стационарный режим работы, задавать климатические факторы различных регионов;
на основании результата натурного эксперимента получены зависимости, характеризующие изменение температуры грунта и линейного теплового потока ВГТ от времени эксплуатации в климатических условиях Пермского края;
по результатам численного эксперимента получены зависимости, позволяющие определить средний линейный тепловой поток ВГТ с учетом их конструктивных характеристик, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя теплового насоса и теплопроводности грунта;
получены зависимости, позволяющие определить снижение теплопроизводительности первичного контура в результате взаимного влияния ВГТ при их групповой установке;
получены зависимости, позволяющие определить запас мощности первичного контура для обеспечения требуемой теплопроизводительности СТ при многолетней эксплуатации.
Практическое значение работы:
разработана компьютерная программа "GTS-3D", зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ, имитирующая работу первичного контура;
определена степень влияния конструктивных характеристик, теплофизических свойств грунта, расхода и температуры теплоносителя на средний линейный тепловой поток ВГТ;
по результатам численных экспериментов определены экономически целесообразные конструктивные характеристики ВГТ;
усовершенствована методика расчета теплопроизводительности первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта;
определены рациональные расстояния между ВГТ при их групповой установке.
Реализация результатов работы:
рекомендации по проектированию первичного контура систем теплоснабжения используются на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь, при разработке проектной документации, что подтверждается актами внедрения;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой "Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна" ГОУ ВПО Пермского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 290700 "Теплогазоснабжение и вентиляция".
На защиту выносятся:
имитационная математическая модель первичного контура СТ, использующей низкопотенциальную теплоту грунта;
полученные по результатам натурного эксперимента зависимости, характеризующие изменение температуры грунта и линейного теплового потока ВГТ от времени эксплуатации в климатических условиях Пермского края;
полученные по результатам численного эксперимента зависимости, позволяющие определить средний линейный тепловой поток ВГТ с учетом конструктивных характеристик теплообменников, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя и теплопроводности грунта;
зависимости, позволяющие определить снижение среднего линейного теплового потока в результате взаимного влияния ВГТ при их групповой установке;
зависимости, позволяющие определить снижение теплопроизводительности первичного контура при многолетней эксплуатации СТ.
Апробация работы. Результаты работы выносились на обсуждение на: Международной конференции "Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений" (Пермь 2008 г.); Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград 2009 г.); Международной научно-технической конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции" (Москва 2009 г.); Научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов строительного факультета ПГТУ (Пермь, 2005, 2007, 2008 и 2009 г.);
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 11 работах, в том числе в 3 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 137 страниц, в том числе: 122 страниц - основной текст,
содержащий 25 таблиц на 14 страницах, 49 рисунка на 44 страницах, библиографический список литературы из 108 наименований на 10 страницах, 1 приложения на 15 страницах.
