АНАЛІТИЧНИЙ РОЗРАХУНОК ГЛИБИНИ ПОШИРЕННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ХВИЛІ ПРИ ПОБУДОВІ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ

Abstract

У процесі вирішення завдань ґрунтового акумулювання й вилучення теплоти з приповерхневих шарів Землі, виникає потреба одержати інформацію щодо глибини добових та річних змін температури в ґрунті, яка визначає шар земної поверхні, що активно взаємодіє з навколоземною атмосферою. У холодну пору року температура в ній знижується, а в теплу – підвищується. Відомо, що ефективність теплонасосної системи залежить як від різниці температур на виході з конденсатора теплового насоса та вході в його випарник, так і від стабільності температури джерела теплової енергії. Температура на вході у випарник теплового насоса визначається температурою ґрунту в місці встановлення колектора теплової енергії. Відомо, що найбільш економічно рентабельною є інсталяція геотермальних теплообмінників, розташованих горизонтально в ґрунті на невеликій глибині, за рахунок менших витрат на земельні роботи та відсутності необхідності буріння глибоких свердловин. Водночас ці системи найвразливіші до перепаду температур, що відбувається в приповерхневих шарах. Тож виникає потреба в дослідженні теплофізичних процесів, що відбуваються в ґрунті під впливом екзогенних факторів. Відомо, що температура ґрунту має добову та річну періодичність. Ступінь нагрівання ґрунту залежить від його теплопровідності, під якою розуміють здатність ґрунту проводити тепло з більш нагрітих шарів у шари менш нагріті. А коливання температури ґрунту може суттєво залежати від рослинного покриву ґрунту, характеру та висоти його протягом року. Разом з тим залишаються недостатньо дослідженими системи теплообмінник–ґрунт, ефективність використання яких безпосередньо залежить від розподілу температури в ґрунті та факторів, які на цей розподіл впливають. Головною особливістю системи добування геотермальної теплової енергії є поєднання технічних і природного елементів таких систем. При цьому природнє джерело теплової енергії перебуває в середовищі, яке малодоступне для спостережень. Метою дослідження є розроблення прикладної методології як сукупності принципів та підходів математичного моделювання на основі запропонованого математичного апарату аналітичного розрахунку глибини поширення температурної хвилі при побудові геотермальних теплонасосних систем. Основний математичний апарат для опису таких процесів включає в себе диференціальні рівняння, що враховують залежність температури від часу та просторових координат. Мають перспективу подальші дослідження щодо розрахунку можливості застосування сонячної системи для отримання теплової енергії для зменшення девіації температури теплоносія на вході в випарник теплового насоса, що поступає від горизонтального ґрунтового теплообмінника, змонтованого в ґрунті нижче глибин промерзання та вище нейтрального шару температур.