автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта

КРОТОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПЕРВИЧНОГО КОНТУРА СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНУЮ ТЕПЛОТУ ГРУНТА

Специальность 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о огз 2011

Тюмень 2011

4854017

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Бурков Александр Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

Ведущая организация

кандидат технических наук, наук, доцент

Старкова Лариса Геннадьевна

Учреждение Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН, г. Пермь

Защита состоится «25» февраля 2011 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 при ГОУ ВПО Тюменском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Тюменского государственного архитектурно-строительного университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета ТюмГАСУ. В экстренных случаях копию отзыва можно направить по факсу 8-(345-2) 43-39-27, с последующей отправкой по почте.

Автореферат разослан <2& января 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

■

у'* ' ПронозинЯ.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 "0Т8-30", 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и; задачи исследования, основные научные положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору состояния вопроса, выбору и обоснованию направления исследований.

Изучением и решением проблем связанных с расчетом первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта, занимались Г.П. Васильев, А.Б. Алхасов, М.Г. Алшпаев, В.Я. Федянин, В.М. Фокин, В.М. Бродянский, Б.В. Панасов, М,И. Калинин, A.B. Баранов, А.Н. Шербань, Т.В. Чикерева, В.В. Фомина, В. Sanner, L. Rybach, J. Lund, G. Heinrich, D. Reau и др.

Система теплоснабжения, использующая низкопотенциальную теплоту грунта, включает три основных элемента - первичный контур 1, тепловой насос 2, вторичный контур 3 (рис. 1). В первичном контуре происходит отбор теплоты от грунта, во вторичном контуре передача теплоты в помещение или системе горячего водоснабжения (ГВС). Одной из проблем проектирования подобных систем является сложность определения мощности вертикальных грунтовых теплообменников (ВГТ) первичного контура.

2 1 г

1 л с<-, п1*'

р-ф-- 1 1 ' 1

™ J ,

1 tj 1 ür Ц 4 1| /" V 8 9

Рис.1. Схема системы теплоснабжения использующей низкопотенциальную теплоту грунта: 1 - первичный контур; 2 - тепловой насос; 3 - вторичный контур; 4 - ВГТ; 5 -система отопления; б - бак аккумулятор; 7 - система горяч его водоснабжения; 8 -испаритель теплового насоса; 9 - конденсатор теплового насоса.

Проведенный анализ показал, что существующие методики расчета ВГТ не учитывают: взаимное влияние теплообменников при их групповой установке, изменение температуры грунта в верхних слоях в результате влияния температуры наружного воздуха, солнечной радиации и изменения величины снежного покрова. Отдельные методики расчета ВГТ учитывают: теплофизические свойства грунтового массива, эксплуатационные характеристики, конструктивные особенности ВГТ и фазовый переход влага в грунте, однако не существует методики ведущей комплексный учет данных факторов. Также при расчете первичного контура необходимо учитывать изменение тепловых характеристик ВГТ в зависимости от режима работы СТ и технических характеристик используемых тепловых насосов. Пренебрежение вышеперечисленными факторами приводит к неточному расчету теплопроизводителыюсти первичного контура. Косвенным свидетельством этого может служить значительный разброс (от 10 до 80 Вт/м) среднего значения линейного теплового потока ВГТ в различных исследованиях.

Вторая глава посвящена разработке имитационной модели первичного контура СТ, использующей низкопотенциальную энергию грунта.

Первичный контур, как правило, состоит из нескольких ВГТ, вследствие чего возникает необходимость учёта их взаимного влияния. Для совместного учета взаимного влияния ВГТ и изменения температуры грунта в результате действия климатических факторов моделирование распространения теплоты в массиве грунта проводилось в трехмерной постановке на основе численного решения дифференциального уравнения теплопроводности (1).

8t 5 (. дЛ д ср— = — X— +— дт 8х\ дх) ду

где ? -температура грунтового массива, °С; ср - объемная теплоемкость грунта, Дж/(°С-м3); X - теплопроводность грунта, Вт/(м-°С); т - время, с; X -количество выделяемой (поглощаемой) теплоты в единице объема грунта в единицу времени, Вт/м3; £ - скрытая теплота фазового перехода воды, Дж/кг; Гнз - содержание незамерзшей воды, в долях.

Начальные условия:

Граничные условия на верхней границе грунтового массива задавались в виде температуры окружающей среды ?0.с.=Лт), коэффициента теплопередачи к~/(х, V, /гСнегз^ и нестационарного теплового потока от солнечной радиации /с р =_Дт). На нижней границе задавался радиогенный тепловой поток у=сот1.

Физические свойства грунта зависят от координат и постоянны во времени.

Изменение температуры теплоносителя во внешнем межтрубном пространстве ВГТ определялось из уравнения:

где <1(2% - теплота передаваемая теплоносителю от грунта, Вт; - теплота, передаваемая от теплоносителя во внутренней трубе, Вт; 0„ - расход теплоносителя, кг/ч; ск - теплоемкость теплоносителя Вт-ч/(кг-°С);

Изменение температуры теплоносителя во внутренней трубе ВГТ определялось из уравнения:

(3)'

Сходимость численного решения дифференциального уравнения теплопроводности с аналитическим решением проверялась на упрошенных тестовых задачах. В таблице 1 приведено сравнение аналитического и численного решения задачи по определению температуры в неограниченном теле под действием точечного источника тепла мощностью 10 Вт, при коэффициент теплопроводности 1,6 Вт/(м-°С), объемной теплоемкости 2690 кДж/(м3-°С) и начальной температуре 6 °С.

Результаты расчета температуры, °С

Таблица 1

Время действия источника тепла, ч.

50 | 100 | 200 | 400 | 800 | 1600

На расстоянии 0,5 м. от источника тепла

Аналитическое решение 6,281 6,450 6,575 1 6,700 6,794 6,838

Численное решение 6,279 6,444 6,588 1 6,702 6,791 6,889

На расстоянии 1 м. от источника тепла

Аналитическое решение 6,013 6,063 6,141 | 6,225 6,294 6,350

Численное решение 6,017 6,064 6,140 6,223 6,296 6,353

На расстоянии 2 м. от источника тепла

Аналитическое решение 6,000 6,013 6,006 6,031 6,070 6,113

Численное решение 6,000 6,001 6,008 6,031 6,069 6,111

Сходимость уравнений (2) и (3) проверялась на решении задач по определению теплопотерь трубопровода при постоянной температуре окружающей среды и расчета конечных температур в теплообменнике при допущении отсутствия теплопотерь в окружающую среду. Расхождение численного и аналитического решения не превышало 1-2%.

Для проверки адекватности влияния климатических факторов на температуру грунта проводилось моделирование изменения температуры грунта без работы ВГТ. В начальный момент времени температура грунта во всем массиве задавалась постоянной, но через несколько лет под действием климатических факторов массив грунта выходил на новый режим, при котором изменение температуры носило циклический характер. Полученное распределение температур сопоставлялось со справочными данными и данными натурных исследований других авторов.

Температура, "С -5 0 5 10 15

/ <f \ 4

3 2 1 \{д лу \ X 5

1 1 II

---------

Рис. 2. Изменение температуры грунта по глубине: 1 - октябрь; 2 - январь; 3 - март; 4 - июнь; 5 - август.

На рисунке 2 показано изменение температуры грунта по глубине массива полученное в результате моделирования. В таблице 2 приведено сопоставление температуры фунта на глубине 1,6 м со справочными данными (для климатических условий Пермского края).

Таблица 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Справочные данные 2.9 2,3 1,9 1,6 3,4 7,2 10,5 12,1 11,5 9,0 6,0 4,0

Данные моделирования 2,8 2,2 1,7 1,4 3,9 8,5 и,з 12,0 10,4 7,4 5,0 3,7

Разработанная модель позволяет рассчитать первичный контур состоящий из нескольких ВГТ, учитывая их взаимное влияние, конструктивные характеристики, термодинамические свойства грунта, расход и температуру теплоносителя на входе в ВГТ. Учет климатических факторов позволяет моделировать работу первичного контура при различных режимах использования СТ: непрерывного использования, с отключением или переключением в режим холодоснабжения в летний период. Реализация предложенной математической модели производилась в программе, разработанной автором на языке программирования "Borland Delphi 7" зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям с целью подтверждения адекватности разработанной математической модели. Для проведения натурных исследования была разработана экспериментальная установка (рис. 3), состоящая из теплового насоса WP типа "жидкость-

жидкость", первичного и вторичного гидравлических контуров. Первичный контур представляет собой вертикальный теплообменник 2 типа "труба в трубе" длиной 20 метров, соединенный с испарителем теплового насоса 1 с помощью полимерных труб, Вторичный контур состоит из системы напольного отопления 3, циркуляционных насосов 10 и бака аккумулятора 9 емкостью 50 л. Для построения графиков изменения температуры грунта использовалась скважина глубиной 20 м на расстоянии 1 метр от ВГТ, в которой через каждый метр установлены термодатчики б, связанные с вторичным многоканальным регистратором РТМ 59 7.

Рис. 3. Схема экспериментальной тепло насосной установки: 1 - тепловой насос WP; 2 - вертикальный грунтовый теплообменник, <#=109 мм; 3 - система напольного отопления; 4 - термопара на подающем и обратном трубопроводе; 5 - многоканальный регистратор ЭКОГРАФ-Т; 6 - термодатчики; 7 - сигнальная линия к многоканальному регистратору РТМ 59; 8 - расходомер СГВ-15; 9 - бак аккумулятор; 10,11 - циркуляционные насосы UPS 25-40; 12 - электронагреватель; 13 - резьбовое соединение, rf=101 мм.

Для задания исходных данных численного эксперимента осуществлялось измерение теплофизических свойств грунтового массива на образцах, извлеченных при бурении скважины вертикального теплообменника. Для определения удельной теплоемкости образцов на основе существующих аналогов был изготовлен термостат и разработана методика расчета теплоемкости. Измерение теплопроводности грунта производились измерителем теплопроводности ИТП-МГ4 "100" производства Челябинского завода "ТЕПЛОПРИБОР". Результаты измерений приведены в таблице 3.

Таблице 3.

Результаты измерения теплофизических свойств грунта

Глубина, Теплоемкость, Теплопроводность,

м кДж/кг'К Вт/м-К

1,2 1,19 1,20

2,3 1,35 1,26

3 1,46 1,43

7 0,95 0,37

8 1,43 1,21

9 1.51 1,35

Глубина, м Теплоемкость, кДж/кг-К Теплопроводность, Вт/м-К

11 1,37 1,18

12 0,99 1,10

13 0,85 0,44

15,3 0,87 0,43

19 1,19 0,37

20 1,24 0,36

Проверка адекватности математической модели производилась путем анализа сходимости натурного и численного эксперимента по изменению линейного теплового потока ВГТ и температуры грунта с течением времени. Экспериментальные исследования проводились с 8 января по 8 апреля 2010 года. Исследования показали резкое снижение линейного теплового потока ВГТ в первые дни эксплуатации, после чего темп снижения линейного теплового потока уменьшался (рис. 4).

45

40

1 35 &

30

25

0 10 20 30 40 . 50 60 70 80 90 Время эксплуатации, сут.

Рис. 4. Изменение линейного теплого потока ВГТ в зависимости от времени эксплуатации системы теплоснабжения: 1 - данные моделирования; 2 - экспериментальные данные.

На рисунке 5 показано изменение температуры грунта по глубине массива на расстоянии 1 метра от оси теплообменника, полученные в ходе натурного эксперимента и имитационного моделирования. Отклонение температуры грунта, измеряемой термодатчиками в ходе натурного эксперимента, от температуры грунта, определяемой в ходе имитационного моделирования, не превышало 0,5 "С, за исключением трех термодатчиков, располагающихся в верхней зоне. Несоответствие температуры первых трех термодатчиков можно объяснить неопределенностью факторов, влияющих на формирование температуры на поверхности грунта, под помещением экспериментальной установки.

« \

О4"*

о 1

о t

/

) У

/

■

/

1 о

i -10 £-12 -14 -16 -18 -20

(

ч

\

о )

/

/

/

L

0 -2 -4 -6 s -S

га

-10 -12 -14 -16 -18 -20

7 6 S 10 11 Температура грунта, °С а

12

7 8 9 10 11 12 Температура грунта,'С

б

7 8 9 10 11 Температура грунта, "С

В

Рис. 5. Изменение температуры грунта по глубине массива после 30 (а), 60(6) и 90 (в) суток эксплуатации ВГТ: -данные моделирования; о - экспериментальные данные.

Отклонение значений линейного теплового потока при проведении натурного и численного эксперимента не превышало 10%. Для определения дисперсии воспроизводимости эксперимента проводилось 4 параллельных опыта с 1 по 22 сентября 2009 года. Для исключения влияния предыдущих опытов на температуру грунта, измерение линейного теплового потока проводилось после 5 часов работы ВГТ с последующим отключением системы на 7 дней. Оценка отклонений предсказываемых значений имитационной моделью от опытных данных по критерию Фишера показала адекватность разработанной модели.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния конструктивных характеристик ВГТ, теплофизических свойств грунта, режима эксплуатации СТ, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя теплового насоса на теплопроизводительность первичного контура.

При исследовании влияния теплофизических характеристик грунта, конструктивных особенностей ВГТ, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя теплового насоса использовался центральный

композиционный ортогональный план, типа N=2k"'+2k+l=45 (k=6). В качестве функции отклика выступал средний линейный тепловой поток ВГТ q¿=J{l, d, к, ср, Gw, tvn), рассчитываемый для климатических условий Пермского края. Обработка результатов численных экспериментов производилась в модуле "Планирование эксперимента" программы "STATISTICA 6" в ходе, которой была получена регрессионная зависимость вида:

qc= 163,1 -4Д9/+ 1742Í/+56,7Gw-143,4G/-0,6/w„+354,9X.+

+ 0,015 l-tw„-6,37d-tm + 27,25Gw-k- 1,3 twn\ (4)

где d, - длина и внешний диаметр ВГТ соответственно, м; G„ - расход теплоносителя, кг/с; tm - температура теплоносителя на входе в ВГТ, К; X -теплопроводность грунта, Вт/(м-К);

а б

Рис. 6. Зависимость линейного теплого потока от температуры теплоносителя на входе в теплообменник (а), расхода теплоносителя (б), теплопроводности грунта (в), диаметра (г) и длины (д) теплообменника: 1 - при теплопроводности грунта 2,73 Вт/(м-°С); 2 - при теплопроводности грунта 1.6 Вт/(м,0С); 3 - при теплопроводности грунта 0,46 Вт/(м-°С).

Анализ значимости рассматриваемых факторов показал, что наибольшее влияние на линейный тепловой поток ВГТ оказывает температура теплоносителя на входе в теплообменник и теплопроводность грунта, затем в порядке убывания следуют расход теплоносителя, диаметр и длина теплообменника. Влиянием теплоемкости на линейный тепловой поток ВГТ можно пренебречь, т.к. линейный коэффициент и коэффициенты двойного взаимодействия, связанные с данным фактором, незначимы. Значимость некоторых эффектов двойного взаимодействия подтверждает необходимость

комплексного учета этих факторов при расчете теплопроизводительности первичного контура. На рисунке 6 показана зависимость линейного теплого потока ВГТ от каждого фактора в отдельности.

/ г

20 30 40 50 60 70 80 S0 100

а

600 1000 1400 1800 2200 2600 ЗООО б

Рис. 7. Изменение разности температуры между теплоносителем на входе и выходе из ВГТ в зависимости от его длины (а) и расхода теплоносителя (б): 1 - при теплопроводности грунта 2,73 Вт/(М'°С); 2 - при теплопроводности грунта 1,6 Вт/(м'°С); 3 - при теплопроводности грунта 0,46 Вт/(м-°С).

Анализ выпускаемых тепловых насосов типа "жидкость-жидкость" показал, что температурный перепад необходимый для стабильной работы большинства испарителей тепловых насосов составляет в среднем 4-5 °С. Данный нагрев не всегда обеспечивается в ВГТ систем теплоснабжения использующих низкопотенциальную теплоту грунта. Особенно сложно обеспечить требуемый перепад температур в ВГТ малой длины, а также при низкой теплопроводности грунта (рис.7а). Необходимость нагрева теплоносителя на 4-5 °С накладывает ограничение и на значение максимального расхода (рис. 76).

При исследовании взаимного влияния ВГТ функцией отклика являлось отношение теплоты, вырабатываемой ВГТ при групповой установке, к теплоте вырабатываемой ВГТ при одиночной установке, обозначаемое коэффициентом

(5)

где • 0,v ,Q0 - количество теплоты вырабатываемое ВГТ при групповой и одиночной установке соответственно, кВт-ч; AS - расстояние между теплообменниками, м; X - теплопроводность грунта, Вт/(М'°С); N, - число "взаимодействующих" теплообменников.

В ходе исследования было установлено, что изменение тепловых характеристик конкретного ВГТ, связанное с взаимным влиянием, будет происходить под действием двух ВГТ при их установке в один ряд (N,=3), трех ВГТ при установке в два ряда (JV,=4), четырех ВГТ при установке в три ряда (N,=5) и более.

Снижение теплопроизводительности первичного контура при долгосрочной эксплуатации в зависимости от режима работы СТ оценивалось коэффициентом к?.

¿2=6(6)

где бь2ю - количество теплоты вырабатываемой ВГТ в первый и десятый год эксплуатации соответственно, кВт-ч.

Таблица 4.

Значение коэффициентов /с/ и к2

№ Ь8, К N.. бф/бо к}=0ло19л

ГВС Отопление Отопление и хладоснабж.

м Вт/(М'°С) шт.

1 1 0,46 3 0,88 0,44 0,49 0,66

2 1 0,46 5 0,74 0,35 0,38 0,72

3 1 2,73 3 0,78 0,67 0,73 0,78

4 1 2,73 5 0,65 0,61 0,67 0,78

5 3 0,46 3 0,97 0,58 0,69 0,77

6 3 0,46 5 0,94 0,48 0,50 0,67

7 3 2,73 3 0,92 0,59 0,69 0,73

8 3 2,73 5 0,84 0,54 0,58 0,64

9 5 0,46 3 1,00 0,71 0,82 0,86

10 5 0,46 5 1,00 0,60 0,74 0,80

11 5 2,73 3 0,98 0,76 0,84 0.85

12 5 2,73 5 0,96 0,62 0,72 0,75

13 10 0,46 3 1,00 0,75 0,85 0,87

14 10 0,46 5 1,00 0,70 0,82 0,85

15 10 2,73 3 0,99 0,80 0,87 0,88

16 10 2,73 5 0,99 0,70 0,79 0,80

17 - 0,46 1 - 0,75 0,85 0,88

18 - 1,60 1 - 0,78 0,86 0,87

19 - 2,73 1 - 0,80 0,87 0,87

В качестве основных режимов работы СТ рассматривались: режим ГВС (непрерывная эксплуатация систем), режим отопления (отключение системы в летний период), режим отопления и хладоснабжения (использования грунта для отвода избыточной теплоты в летний период). Значение коэффициентов £/ и к2 приведено в таблице 4.

В результате обработки данных численных экспериментов были получены следующие регрессионные зависимости:

Д5<5м: 1,058+0,047Д5-0,011Д Я2-0,08 ЛГ,- 0,051?.+

+ 0,015Д5 • Я, + 0,07Д5 •%, (7)

Д5 >5 м: к]- 0,988 + 0,002Д5'- 0,009А,, (8)

-ГВС

Д5<5м: Дг2= 0,532-0,005А5 + 0,012Д 5®-0,044^, +0.114Х.-

-0.023Д5-Я,, (9)

№>5 м: к2= 0,722 + 0,013Д5+ 0,05 IX- 0,035 Л", - 0,009Х-, (10)

- Отопление

AS <5м: к2= 0,6 - 0,01AS + 0,015ДД S2 - 0,055 N, + 0,132*,-

-0,029Д S-X,

(П) (12)

AS>5 м: к2= 0,824 + 0,011Д5+ 0,034?,-0,025 N,-0,0091- N, - Отопление и хладоснабжение

7»

AS <5 и: к2= 0,832 - 0,068AS+0,018A S2-0,024 + 0,044А,

-0,013Д5-А.,

(13)

(14)

AS>J м: к2= 0,865 + 0,008AS+ 0,023Я,-0,018 Л/,- 0,0091- N,

где AS, Nt - то же что и в формуле (5).

Как видно из таблицы 4, даже при одиночной установке ВГТ за десять лет эксплуатации происходит снижении теплопроизводительности на 12-25 % в зависимости от режима работы СТ и теплопроводности грунта. Для обеспечения требуемой теплопроизводительности СТ при долгосрочной эксплуатации необходимо проектировать первичный контур с определенным запасом мощности, величину которого можно рассчитать, используя зависимости 7-14 (зависимости 7-14 можно применять и при более долгих сроках эксплуатации т.к. за десять лет работы первичного контура, массив грунта выходит на стационарный режим, при котором практически отсутствует дальнейшие снижение теплопроизводительности).

При групповой установке ВГТ расстояние между ними должно быть не менее 5 м при их установке в один ряд и 10 м при их установке в несколько рядов. Размещение ВГТ на более близком расстоянии приведет к значительному снижению теплопроизводительности по сравнению с одиночной установкой. Особо выгодным в данном случае является вариант переключения теплового насоса в реверсивный цикл для хладоснабжения в летний период. Снижение теплопроизводительности в данном варианте может быть на 30-40% ниже по сравнению с непрерывной эксплуатацией или простым отключением СТ в летний период. Для покрытия нагрузки ГВС при переключении теплового насоса в режим хладоснабжения может быть использован пиковый источник теплоты, который используется лишь в наиболее холодные дни отопительного периода. Следует также отметить, что при использовании первичного контура для охлаждения теплоносителя его температура на выходе из ВГТ составляет 10 "С, что значительно ниже температуры наружного воздуха при работе системы кондиционирования.

Полученные регрессионные зависимости включены в состав рекомендаций и используются на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП» при проектировании систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта, что подтверждается актами внедрения.

Проведенная оценка экономической эффективности показала, что применение систем теплоснабжения использующих низкопотенциальную теплоту грунта целесообразно лишь при отсутствии подведенных тепловых и газовых сетей.

Таблица 5.

Срок окупаемости и чисто дисконтированный доход при различной теплопроводности грунта

Теплопроводность грунта, Вт/(м °С) 2,73 1,6 0,57 0,46

Срок окупаемости, лет 9,5 11,7 20 -

ЧДД. руб 1752942 1406946 0 -487207

В таблице 5 приведены значения чисто дисконтированного дохода (ЧДД) и срока окупаемости рассматриваемых систем по сравнению с электрическим нагревом при различной теплопроводности грунта. Продолжительность расчетного периода (20 лет) при расчете ЧДД определялась исходя из среднего срока службы наиболее распространенных тепловых насосов (расчет выполнялся для типового коттеджа ОАО «ГОСП» жилой площадью 118 м2).

ОСНОВЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано новое решение важной и актуальной задачи по совершенствованию расчета первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. 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.

2. По результатам натурного эксперимента получены зависимости, характеризующие изменение температуры грунта и линейного теплового потока ВГТ от времени эксплуатации в климатических условиях Пермского края.

3.По результатам численного эксперимента получены зависимости, позволяющие определить средний линейный тепловой поток ВГТ с учетом конструктивных характеристик теплообменников, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя и теплопроводности грунта.

4. Получены зависимости, позволяющие определить снижение среднего линейного теплового потока в результате взаимного влияния ВГТ при их групповой установке и определены рациональные расстояния между ними.

5. По результатам численных экспериментов определены экономически целесообразные конструктивные характеристики ВГТ.

6. Определена степень влияния конструктивных характеристик, теплофизических свойств грунта, расхода и температуры теплоносителя на средний линейный тепловой поток ВГТ.

7. Получены зависимости, позволяющие определить запас мощности первичного контура для обеспечения требуемой теплопроизводительности СТ при многолетней эксплуатации.

8. Разработана компьютерная программа "GTS-3D", зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ, имитирующая работу первичного контура.

9. Разработаны и внедрены рекомендации по проектированию первичного контура систем теплоснабжения на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

где t -температура грунтового массива, °С; ср - объемная теплоемкость грунта, Дж/(°С'М3); X - теплопроводность грунта, Вт/(м-°С); т - время, с; % -количество выделяемой (поглощаемой) теплоты в единице объема грунта в единицу времени, Вт/м3; L - скрытая теплота фазового перехода воды, Дж/кг; ^НЗ - содержание незамерзшей воды, в долях; /„ dt— дайна и внешний диаметр ВГТ соответственно, м; Gw - расход теплоносителя, кг/с; ?„,„ - температура теплоносителя на входе в ВГТ, К; AS - расстояние между теплообменниками, м; Nt - число "взаимодействующих" теплообменников; к\ - коэффициент характеризующий снижение вырабатываемой теплоты в результате взаимного влияния ВГТ при их групповой установки; кг - коэффициент характеризующий снижение теплопроизводительности первичного контура при его многолетней эксплуатации; Qrp ,Q0 - количество теплоты вырабатываемое ВГТ при групповой и одиночной установке соответственно, кВт-ч; Qx ,Qw - количество теплоты вырабатываемой ВГТ в первый и десятый год эксплуатации соответственно, кВт-ч; ВГТ— вертикальный грунтовый теплообменник.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК:

1. Кротов В.М. Исследование тепловых характеристик вертикальных грунтовых теплообменников систем теплоснабжения / В.М. Кротов // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2009. - № 8 (608). -С. 61-65.

2. Кротов В.М. Совершенствование расчета вертикальных грунтовых теплообменников систем теплоснабжения / В.М. Кротов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - Волгоград, 2009. -Вып. 15(34).-С. 129-134.

3. Кротов В.М. Моделирование инерционных процессов в системах тепло-холодоснабжения/ А.И. Бурков, А.В. Гришкова, В.М. Кротов // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. - 2008. - Vol. 4(2). -P. 37-38.

Авторские свидетельства

4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009612793 РФ, опубл. 29.05.2009 РОСПАТЕНТ.

Публикации в других изданиях:

5. Кротов В.М. Моделирование работы грунтовых теплообменников типа труба в трубе, // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Третья Международная научно-техническая конференция. Сборник докладов. - М.:МГСУ, 2009. - С. 70-73.

6. Кротов В.М. Исследовательская установка для определения энергетического потенциала грунтового массива и заглублённых строительных конструкций при использовании теплонасосных систем в целях климатизации зданий/

A.И. Бурков, A.A. Гришков, В.М. Кротов // Качество внутреннего воздуха и окружающее среды: материалы VII Международной научной конференции, 13-17 мая 2009. - Волгоград: ВолГАСУ, 2009. - С. 243-249.

7. Кротов В.М. Решение задачи теплопроводности в массиве грунта при работе вертикальных теплообменников. Качество внутреннего воздуха и окружающее среды: материалы VII Международной научной конференции, 13-17 мая 2009. - Волгоград: ВолГАСУ, 2009. - С. 369-374.

8. Кротов В.М. Исследование нестационарного теплообмена при использовании вертикальных грунтовых теплообменников. Наука и технологии. - Краткие сообщения XXIX Российской школы, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009.-С. 107-110.

9. Кротов В.М. Применение геотермальных тепловых насосов для теплоснабжения зданий и сооружений в климатических условиях Пермского края / В.М. Кротов // Современные технологии в строительстве. Теория и практика: Материалы научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов строительного факультета. г.Пермь, 20-21 мая 2009.-С. 184-188.

10.Кротов В.М. К оценке использования теплоты верхних слоев земли с помощью тепловых насосов в климатических условиях Пермского края /

B.М. Кротов // Строительство и образование: сб. посвященный 80-летию строительного факультета "УГТУ-УПИ имени первого Президента РФ Б.Н. Ельцина" и 80-летию строительного образования на Урале. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2009. - № 12 - С. 214-216.

11.Кротов В.М. Применение тепловых насосов в инженерных системах / А.И. Бурков, В.М. Кротов // Строительство, архитектура теория и практика. г.Пермь 2007.-С. 195-198.

12.Кротов В.М., Норин И.П., Сабиров P.P. Использование тепловых насосов в энергетике // Строительство, архитектура. Теория и практика. г.Пермь 2005. -С. 84-86.

КРОТОВ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТА ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГРУНТОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ СИСТЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Подписано в печать 20.01.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 109/2011

Издательство

Пермского государственного технического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к.113 тел. (342)219-80-33

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ И РАСЧЕТА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГРУНТОВЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ПЕРВИЧНОГО КОНТУРА.

1.1. Технические характеристики теплонасосных установок, влияющие на работу первичного контура.

1.2. Анализ существующих методик расчета вертикальных грунтовых теплообменников первичного контура.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПЕРВИЧНОГО КОНТУРА

2.1. Численная модель процессов тепломассообмена в массиве грунта

2.1.1. Построение расчетной сетки.

2.1.2. Общий алгоритм расчет.

2.1.3. Граничные условия.

2.2. Численная модель процессов теплообмена в вертикальном грунтовом теплообменнике.

2.3. Компьютерная реализация математической модели.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ПОДТВЕРЖДЕНИЮ АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

3.1. Описание экспериментальной установки.

3.2. Измерение теплофизических свойств грунта.

3.3. Приведение экспериментальных исследований и анализ их результатов.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВИЧНОГО КОНТУРА.

4.1. Влияние эксплуатационных режимов, теплофизических характеристик грунта и конструктивных особенностей вертикальных грунтовых теплообменников на теплопроизводительность первичного контура.

4.1.1. Планирование численного эксперимента.

4.1.2. Анализ результатов численного эксперимента.

4.1.3. Определение экономически целесообразных конструктивных характеристик вертикальных грунтовых теплообменников.

4.1.4. Оценка экономической эффективности системы теплоснабжения, использующей низкопотенциальную теплоту грунта.

4.2. Восстановление температуры грунта и взаимное влияние теплообменников при групповой установке.

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 теплота верхних слоев земли. 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 теплового 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 "ОТЭ-ЗВ", 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. Перми, при разработке проектной документации;

- 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 CT, 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 теплопроизводи-тельности 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.); на Международной научной конференции "Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград 2009 г.); на Международной научно-технической конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции" (Москва 2009 г.); на 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 страницы - основной текст, содержащий 25 таблиц на 14 страницах, 49 рисунков на 44 страницах, библиографический список литературы из 107 наименований на 10 страницах, 1 приложение на 15 страницах.

Выход

Рис.2.23. Окно ввода исходных данных программы "GTS-3D".

Результаты расчета сохраняются в отдельном файле "Ехе1е" в виде таблиц 2.6-2.11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение важной и актуальной задачи по совершенствованию расчета теплопроизводительности первичного контура систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальную теплоту грунта. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. 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.

2. По результатам натурного эксперимента получены зависимости, характеризующие изменение температуры грунта и линейного теплового потока ВГТ от времени эксплуатации в климатических условиях Пермского края.

3. По результатам численного эксперимента получены зависимости, позволяющие определить средний линейный тепловой поток ВГТ с учетом конструктивных характеристик теплообменников, расхода и температуры теплоносителя на выходе из испарителя и теплопроводности грунта.

4. Получены зависимости, позволяющие определить снижение среднего линейного теплового потока в результате взаимного влияния ВГТ при их групповой установке, и определены рациональные расстояния между ними.

5. По результатам численных экспериментов определены экономически целесообразные конструктивные характеристики ВГТ.

6. Определена степень влияния конструктивных характеристик, теплофизических свойств грунта, расхода и температуры теплоносителя на средний линейный тепловой поток ВГТ.

7. Получены зависимости, позволяющие определить запас мощности первичного контура для обеспечения требуемой теплопроизводительности СТ при многолетней эксплуатации.

8. Разработана компьютерная программа "GTS-3D", зарегистрированная в Реестре программ для ЭВМ, имитирующая работу первичного контура.

9. Разработаны и внедрены рекомендации по проектированию первичного контура систем теплоснабжения на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь.

1. Аллард Ф. Политика Европы в области повышения энергетической эффективности зданий / Ф. Аллард, О. Сеппанен // Энергосбережение. -2008.-№6.- С. 72-81.

2. Алтунин В.В. Теплофизические свойства фреонов. Справочные дачные. Г. 1: Фреоны метанового ряда / Б.В. Алтунин, В.В. Геллер, Е.К. Петров и др, М: Изд-во стандартов, 1980. - 253 с.

3. Алхасов А.Б. Использование геотермальной энергии в горячем водоснабжении / А.Б. Алхасов, М.М. Рамазанов, Г.М. Абасов // Водоснабжение и санитарная техника. 1998. №3. С. 24-25.

4. Алхасов А.Б. Скважинный теплообменник для съема тепла с горной породы / А.Б. Алхасов, М.Г. Алишаев // Тр. Межд. конф. «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы». Т. 1. Махачкала. 2005. С. 263-275.

5. Алхасов А.Б. Теплонасосные системы геотермального теплоснабжения / А.Б. Алхасов, М.И. Исрапилов // Вестник ДНЦ РАН. 2000. № 6. С. 51-56.

6. Андрющенко А.И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения / А.И. Андрющенко // Промышленная энергетика. 1997. - № 6. - С. 2-4.

7. Ахназарова C.JL Методы оптимизации эксперимента в химической технологии / C.JI. Ахназарова, В.В. Кафаров //: Учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1985. 327 с.

8. Бараненко A.B. Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения / A.B. Бараненко, A.B. Попов, JI.C. Тимофеевский, О.В. Волкова // Холодильная техника. 2001. № 4. - С. 18— 20.

9. Барон В.Г. Что эффективнее тепловой насос или децентрализованный рекуператор тепла? / В.Г. Барон // C.O.K. - 2007. - № 1.

10. Ю.Бреббия К. Методы граничных элементов: Пер. с англ. / К. Бруббия, Ж. Теллес, JI. Вроубел. М.: Мир, 1987. - 524 с.

11. П.Бриганти А. Тепловые насосы в жилых помещениях / А. Бриганти //АВОК. 2001. - № 5. - С. 24-33

12. Блохин В. Г. Современный эксперимент: подготовка, проведение, анализ результатов / В. Г. Блохин, О.П. Глудкин, А.И. Гуров, M.JI. Ханин; Под ред. О. П. Глудкина, — М.: Радио и связь, 1997. — 232 с.

13. Богословский В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский. М: Высшая школа, 1982. 415 с.

14. Бурков А.И. Моделирование инерционных процессов в системах тепло-холодоснабжения / А.И. Бурков, А.В. Гришкова, В.М. Кротов // International, Journal for Computational Civil and Structural Engineering, 4(2) 2008. C. 37-38.

15. Бутузов В.А. Геотермальная система теплоснабжения с использованием солнечной энергии и тепловых насосов / В.А. Бутузов, Г.В. Томаров, В.Х. Шетов // Энергосбережение. 2008. - № 3.- С. 68-72.

16. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение олимпийских объектов / В.А. Бутузов, В.Х. Шетов // Энергоснабжение. 2008. - № 5.

17. Бэр Г.Д. Техническая термодинамика: Пер. с нем./Под ред. проф. В.М. Бродянского и проф. Г.Н. Костенко. -М.: Мир, -1977, -518 с.

18. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Варгафтик. М., 1972 г. — 720 с.

19. Васильев Г.П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев земли для теплохладоснабжения здания / Г.П. Васильев // Теплоэнергетика. 1994. №2.

20. Васильев Г.П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах / Г.П. Васильев, Н.В. Шишкин // АВОК. 2003, № 2, С. 52-60.

21. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения / Г.П. Васильев // ЖКХ.-2002, №12, ч.1, С. 73-78.

22. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино 2 / Г.П. Васильев //АВОК. - №4, 2002, С. 10-18.

23. Гертис К. Здания XXI века здания с нулевым потреблением энергии / К. Гертис // Энергосбережение. -2007. —№ 3. - С. 34-36.

24. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах . . вод суши. Часть 1. Реки и каналы. Том 1. Вып. 25. Бассейн Каспийского моря (без Кавказа и Средней Азии) бассейн р. Камы. Свердловск 1986 г.

25. Данилевич Я.Б. Тепловые насосы в малой энергетике / Я.Б. Данилевич, А.Н. Коваленко. РАН. Энергетика. 2005- № 1.- С. 63-69.

26. Данилов В.В. Повышение эффективности системы централизованного теплоснабжения на основе применения технологии тепловых насосов / В.В. Данилов // Энергосбережение и водоподготовка. 2000. - № 2. - С. 5-14.

27. Дульнев Г.Н. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена / Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, A.B. Сигалов М.: Высш. шк.: 1990. - 207 с.

28. Закиров, М.А. Мухамедшин // Энергосбережение проблемы Западного Урала. -2009. -№ 1-2.- С. 55-58.

29. ЗЗ.Зеленко О.Г. Новое в применении тепловых насосов в системах теплоснабжения для условий БССР / О.Г. Зеленко В.В. Кузьмич Е.Т. Крисько Минск: БелНИИНТИ, 1987. - 60 с.

30. ЕНиР. Сборник El4. Бурение скважин на воду. 75 с.

31. Жидович И.О. Системный подход к оценке эффективности тепловых насосов / И.О. Жидович, В.И. Трутаев // Новости теплоснабжения — 2001. -№11.-С. 44-49.

32. Ионов B.C. Альтернативные источники тепла в ЖКХ / B.C. Ионов // Энергосбережение. 2006. - № 1. - С. 89-92.

33. Исаченко В.П. Теплопередача. / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел -М.: Энергоиздат, 1981. -416 с.

34. Калнинь И.М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра / И.М. Калнинь, Савицкий И.К. // Холодильная техника. 2000. - № 10. - С. 2-6.

35. Карслоу Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карслоу, Д. Егер. М.: Наука, 1964.- 488 с.

36. Колесников А.Г. О расчете глубины промерзания и оттаивания грунтов / А.Г. Колесников, Г.А. Мартынов // Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов. М.: АН СССР, 1953. Сборник 1. С. 41-47.

37. Комолова М.Н. Роль возобновляемых источников энергии в российской и европейской системах энергоснабжения / М.Н. Комолова // Энергосбережение. 2007. - № 7- С. 68-77.

38. Краснощеков Е.А. Задачник по теплопередаче / Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел; Учебное пособие для вузов.- 4-е изд., перераб. М.: Высш. шк.,1980 .-288 с.

39. Кротов В.М. Моделирование работы грунтовых теплообменников типа труба в трубе / В.М. Кротов // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Третья Международная научно-техническая конференция. Сборник докладов. М.:МГСУ, 2009. - С. 70-73.

40. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред. В.М. Бродянского. -М.: Энергия, -1979, -288 с.

41. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Ч. 1-6. Вып. 9. Пермская, Свердловская, Челябинская, Курганская области, Башкирская АССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 557 с.

42. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие для вузов.-М.: Высш. шк., 1980. 469 с.

43. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 124 с.

44. Перелыитейн И.И. Исследование термодинамических свойств холодильных агентов / И.И. Перелыитейн . М., 1962 - 62 с.

45. Петин Ю.М. Опыт десятилетия производства тепловых насосов в ЗАО «Энергия» / Ю.М. Петин // Энергетическая политика 2001. Выпуск 3. - С. 28-33.

46. Пехович А.И. Расчеты теплового режима твердых тел / А.И. Пехович, В.М. Жидких Л.: Энергия, 1976. — 352 с.

47. Плешка М.С. Исследование термодинамических режимов теплонасосной установки / М.С. Плешка // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: 'Мат-лы Междн. научно-технической конф. Москва, 2005 -С.28-32.

48. Поваров О. С. Развитие геотермальной энергетики в России и за рубежом / О. С. Поваров, Г. В. Томаров // Теплоэнергетика. 2006. - № 3.

49. Попель О.С. Автономные энергоустановки на возобновляемых источниках энергии / О.С. Попель // Энергосбережение. 2006. - № 3 - С. 70-76.

50. Попов A.B. Опыт разработки и создания абсорбционных бромистолитиевых тепловых насосов / A.B. Попов, А.И. Богданов, А.Г. Паздников // Промышленная энергетика 1999, № 8 - С. 38-43.

51. Процент В. П. Альтернативная концепция теплоснабжения городов / В. П. Процент // Энергосбережение и водоподготовка. — 1997. №2.— С. 82-90.

52. Рей Д. Тепловые насосы: пер. с англ. / Д. Рей, Д. Макмайкл М.: Эпергоиздат, 1982. - 224 с.

53. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики (за 1963-1970 г. и весь период наблюдений) том 11. Средний Урал и приуралье. Вып. 1. Кама. Гидрометиоиздат. Л.: 1975.

54. Самарский A.A. Вычислительная теплопередача/ A.A. Самарский, П:Н. Вабищевич. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 790 с.

55. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений. Госстрой России. СПб.: Полиграфия, 2004. 64 с.

56. СНиП 2.02.04-88 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2001. 62 с.

57. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. Госстрой России. СПб.: Полиграфия, 2003. 77 с.

58. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Госстрой России. СПб.: Полиграфия, 2003. 71 с.

59. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. Госстрой России. СПб.: Полиграфия, 2004. 40 с.

60. Табунщиков Ю. А. Оценка экономической эффективности инвестиционных средств в энергосберегающие здания/ Табунщиков Ю. А., Ковалев И.Н., Гегуева Е.О.// АВОК, №7, 2004.

61. Табунщиков Ю. А. Энергетические возможности наружного климата / Ю. А. Табунщиков, Б. Л. Акопов // Энергосбережение. 2008. - № 4 - С. 50-56.

62. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / X. Уонг-М.: Атомиздат, 1979. — 216 с.

63. Федянин В.Я. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником / В.Я. Федянин, Л.Н. Федин, М.А. Утемесов, Д.Л. Горбунов// Теплоэнергетика. 1997. - №4. - С. 21-23.

64. Формалев В.Ф. Численные методы / В.Ф. Формалев Д.Л. Ревизников. М.: Физматлит, 2004. - 400 с.

65. Хайнрих Г. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения: пер. с нем. / Г. Хайнрих, X. Найорк, В. Нестлер. М.: Стройиздат, 1985. -351 с.

66. Хейгеман Л. Прикладные итерационные методы: Пер. с англ. / Л. Хейгеман, Д. Янг. М.: Мир, 1986. - 448 с.

67. Хмелевской В.К. Геофизические методы исследования земной коры. Кн.1.-Дубна: Международный университет природы, общества и человека «Дубна», 1997.

68. Шетов В.Х. Геотермальная энергетика / В.Х. Шетов, В.А. Бутузов // Энергосбережение. 2006 - № 4. - С.70-71.

69. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. / Д. Ши. М.: Мир, 1988.-544 с.

70. Литовский Е.И. Промышленные тепловые насосы / Е.И. Литовский, JI.A. Левин // М.: Энерго- атомиздат, 1989. - 128 с.

71. Лрышев Н.А. Факторы формы тел в задачах нестационарной теплопроводности / Н.А. Лрышев // Приборостроение, 2001, т.44, №3. С. 4044.

72. Clean energy project analysis: Retscreen engineering & cases textbook / Ground-source heat pump project analysis chapter, ISBN: 0-662-39150-0, Catalogue no.: M39-110/2005E-PDF, 2005.- 70 p.

73. Corman Y.C. Solar augmented home heating heat pump systems. / Y.C. Corman, K.G. Mc.Gowan, W.D. Peter // 9-th Intersoc. Energy Convers. San-Francisco, California. - 1974. - P. 334-340.

74. Eugster W. J. Sustainable Production from Borehole Heat Exchanger Systems / W. J. Eugster, L. Rybach // Proc. World Geothermal Congress 2000, Kyushu-Tohoku, Japan, P. 825-830.

75. Fordsman M. Analysis of the factors wich determine the COP of a heat pump, and a feasibility study on ways and means of increasing same / M. Fordsman // Proc. EEC Contractors Meetings on Heat Pumps, Brussels 28-29 Sept. 1978.

76. IGSHPA, Closed-Loop/Ground-Source Heat Pump Systems Installation Guide, International / Ground-source Heat Pump Association, Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma, USA, 1988.

77. IEA Heat Pump Centre Newsletter. Vol. 18 No. 4/2000 -P.3.

78. Kohl T. Data Analysis of the Deep Borehole Heat Exchanger Plant Weissbad (Switzerland) / T. Kohl, M. Salton, L. Rybach // Proc. World Geothermal Congress 2000. Kyushu Tohoku, Japan. - 2000. - P. 3459-3464.

79. Kujawa T. Shallow and Deep Vertical Geothermal Heat Exchangers as Low Temperature Sources for Heat Pumps / T. Kujawa, W. Nowak // Proc. World Geothermal Congress 2000. Kyushu - Tohoku, Japan. -2000. - P. 3477-3479.

80. Marinova T. On soil temperature extrapolation in depth / T. Marinova, S. Nicola. National Institute of Meteorology and Hydrology 66 Tsarigradsko chaussee, 1784 Sofia, Bulgaria.

81. Mei V.C. A theoretical and experimental analysis, concentric-tube ground-coupled heat exchangers / V.C. Mei, S.K Fischer. // Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, Oct. 1984.

82. NRCan, Commercial Earth Energy Systems: A Buyer's Guide, Natural Resources Canada's / Renewable and Electrical Energy Division, ISBN 0-662-32808-6, Cat. No. M92-251/2002E, Ottawa, ON, Canada, 2002. 99 p.

83. Rybach L. Borehole Heat Exchangers to Tap Shallow Geothermal Resources: The Swiss Success Story / L. Rybach, J. Wilhelm // In: S. F. Simmons, O. E. Morgan & M. G. Dunstall (eds.): Proc. 19th New Zealand Geothermal Workshop. Auckland. 1997. - P. 63-69.

84. Rybach L. Shallow and Deep Borehole Heat Exchangers-Achievements and Prospects. / L. Rybach, R. Hopkirk // Proceedings of the World Geothermal Congress. Florence, Italy, 1995.- P. 2133-2137.

85. Rybach L. Swiss Geothermal Society (SGS) Presentation / L. Rybach, J. Wilhelm // IGA News No. 35. 1999. - P. 9-10.

86. Sumner J.A. An Introduction to Heat Pumps / J. A. Sumner // Prism Press 1976, ISBN 0904727386.

87. Sanner B. Earth Heat Pumps and Underground Thermal Energy Storage in Germany / B. Sanner // Proc. World Geothermal Congress 1995. P. 2167-2172.

88. Sanner B. Ground Coupled Heat Pumps with Seasonal Cold Storage / B. Sanner. Proc. 4th IEA Heat Pump Maastricht. 1993. - P. 301-308.

89. Sanncr B. Ground Source Heat Pump Systems: R&D and Practical Experiences in FRG / B. Sanner // Proc. 3rd IEA Heat Pump Conf. Tokyo 409, Pergamon Press, Oxford. 1990.

90. Sanner B. Measurement and Simulation of Heat Transport in Rocks at a Site in the Rhenish Massif / B. Sanner, D. R. Brehm // FRG." Proc. 4th Can/Am Conference Hydrogeology, Baniff. 1988 - P. 279-283.

91. Sanner B. Prospects for Ground-Source Heat Pumps in Europe / B. Sanner // Newsletter IEA Heat Pump Centre, 17/1. 1999. - P. 19-20.

92. Schar O. Warmepumperheizung / O. Schar // Elektrizitatsverwertung. 1978, 53. -№1/2. - S. 15-18.

93. Teng Y.M. An Effective Capacity Approach to Stefan Problems Using Simple Isoparametric Elements / Y.M. Teng, J.E. Akin // Int. Com. in Heat Mass Transfer, 1994. Vol. 21. - P. 179-188.