Perfection of an energy-economic and environmental parameters of the ground source heat pump systems with preventing freezing of the soil around ground pipes

Abstract

This article is devoted to the methods for perfection of energy, economic factors, environmental factors and work modes of the ground source heat pump systems with the account of climate conditions. The purpose of the work is to predict and prevent freezing of the soil during long term of exploitation of the low-power and high-power ground source heat pump systems for justifying rational conditions of implementation GSHP in Ukraine and South-East Regions of Europe. This goal is achieved by solving the following problems: determining the energy-economic and environmental factors based on considering the work modes of the ground source heat pumps; evaluation of the operating efficiency of ground source heat pump systems based on minimizing fuel consumption and greenhouse gas emissions; perfection of solutions enable implementation of ground source heat pumps friendly to the environment and justifying rational conditions of implementation the ground source heat pumps for residential sector. The important results of the work are the obtained and analyzed data on the influence of energy and economic factors both environmental criteria on the work modes and scheme-constructive solutions of ground source heat pumps. Modeling of heat exchange processes in the soil around the soil tube shows that in order to avoid freezing of the soil, the minimum permissible specific number of vertical tubes should be at least 0.12–0.15 pieces/m2 of heated area. The significance of the results consists in the possibility of using the results of numerical simulation for preventing freezing of the soil around ground pipes of the ground source heat pump systems.

Acest articol este dedicat metodelor de perfecționare a energiei, factorilor economici, factorilor de mediu și modurilor de lucru ale sistemelor de pompe de căldură la sol, ținând cont de condițiile climatice. Scopul lucrării este de a anticipa și de a preveni înghețarea solului pe termen lung de exploatare a sistemelor de pompe de căldură terestre de putere mică și mare pentru a justifica condițiile raționale de implementare a GSHP în Ucraina și Regiunile de Sud-Est ale Europei. Acest scop se realizează prin rezolvarea următoarelor probleme: determinarea factorilor energetico-economici și de mediu pe baza modurilor de lucru ale pompelor de căldură terestre; evaluarea eficienței de funcționare a sistemelor de pompe de căldură pe bază de minimizarea consumului de combustibil și a emisiilor de gaze cu efect de seră; perfecționarea soluțiilor permite implementarea pompelor de căldură terestre prietenoase cu mediul și justificând condiții raționale de implementare a pompelor de căldură terestre pentru sectorul rezidențial. Rezultatele importante ale lucrării sunt datele obținute și analizate cu privire la influența factorilor energetici și economici atât a criteriilor de mediu asupra modurilor de lucru, cât și a soluțiilor scheme-constructive ale pompelor de căldură terestre. Modelarea proceselor de schimb de căldură în solul din jurul tubului de sol arată că, pentru a evita înghețarea solului, numărul specific minim admisibil de tuburi verticale trebuie să fie de cel puțin 0,12–0,15 bucăți/m2 de suprafață încălzită. Semnificația rezultatelor constă în posibilitatea utilizării rezultatelor simulării numerice pentru prevenirea înghețului solului în jurul țevilor de sol ale sistemelor de pompe de căldură la sol.

Статья посвящена методам совершенствования энергетических, экономических показателей, факторов окружающей среды и режимов работы грунтовых теплонасосных систем с учетом климатических условий. Целью работы является прогнозирование и предотвращение промерзания грунта в течение длительного срока эксплуатации грунтовых теплонасосных систем малой и большой мощности для обоснования рациональных условий внедрения. Поставленная цель достигается путем решения следующих задач: определение энерго-экономических и экологических факторов с учетом режимов грунтовых теплонасосных систем; оценка эффективности их работы за счет минимизации расхода топлива и выбросов парниковых газов; за счет совершенствования решений, позволяющих внедрить экологически чистые геотермальные тепловые насосы и обосновать рациональные условия их внедрения для жилого сектора. Это позволяет снизить потребление углеводородного топлива в структуре регионального теплового баланса и обеспечить помимо экономического значительный энергосберегающий и экологический эффект. Важными результатами работы являются полученные и проанализированные данные о влиянии энергетических и экономических факторов, а также экологических критериев на режимы работы и схемно-конструктивные решения теплонасосных систем с использованием энергии грунта. Моделирование процессов теплообмена в грунте вокруг грунтовой трубки показывает, что во избежание промерзания грунта минимально допустимое удельное количество вертикальных трубок должно быть не менее 0.12–0.15 штук/м2 отапливаемой площади, что позволяет избежать сезонного снижения температуры грунта вокруг грунтовых теплообменных трубок. Анализ распределения температур в грунте вокруг грунтовой трубки показывает, что после 48-часовой остановки теплового насоса система выходит из негативного состояния тепловой релаксации грунта за счет естественной способности грунта накапливать энергию. Значимость результатов заключается в возможности использования результатов численного моделирования для предотвращения промерзания грунта вокруг грунтовых труб теплонасосных систем. Результаты моделирования способствуют внедрению инновационных технологий и могут способствовать экологически безопасному внедрению систем геотермальных тепловых насосов.