Гідротермальна система отримання теплової енергії, фізичні процеси, ефективність

Abstract

Наведено теоретичний аналіз технологій побудови та особливостей використання природних акумуляторів теплової енергії в приповерхневих шарах Землі, як в ґрунті так і у водоносних горизонтах. Виконано загальний економічний аналіз інвестиційної привабливості впровадження теплонасосних систем, що використовують як первинне джерело низькопотенційальну відновлювану енергію приповерхневих шарів Землі. Проведено порівняльний аналіз ефективності використання геотермального теплового колектора, що складається з вертикальних ґрунтових теплообмінників та гідро-термального теплового колектора, що складається з двох свердловин: першої для забору води, яка відіграє роль теплоносія для роботи теплонасосної ситеми, другої — для повернення відпрацьованої води до водоносного горизонту. Описано діючий макет розробленої і сконструйованої в ІВЕ НАНУ гідротермальної експериментальної теплонасосної системи. Подано методику проведення досліджень. Наведено характеристики вимірювального обладнання, встановленого на макеті експериментальної установки, і програмного забезпечення, яке використовувалося для архівування і візуалізації даних, отриманих в процесі проведення досліджень. Викладено результати наукової роботи, отримані в ході теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень ефективності теплонасосних систем, в залежності від системи відбору первинної теплової енергії. Подано залежності коефіцієнта трансформації теплового насоса від типу колектора теплової енергії. Обґрунтовано залежності ефективності теплонасосної системи від параметрів первинного джерела низькопотенційного тепла і конструктивних особливостей системи теплопостачання. Зроблено висновок, що теплонасосна гідротермальна система відкритого типу ефективніша, ніж геотермальна. Мають перспективу подальші дослідження можливості та ефективності використання водоносного горизонту як природного акумулятора теплоти для стабілізації генерування енергії від відновлюваних джерел незалежно від кліматичних умов і пори року.

Theoretical analysis of construction technologies and features of use of natural accumulators of thermal energy in the near-surface layers of the Earth, both in soil and in aquifers is given. The general economic analysis of investment attrac-tiveness of introduction of the heat pump systems using as a primary source low-potential renewable energy of near-surface layers of the Earth is executed. A comparative analysis of the efficiency of using a geothermal heat collector consisting of vertical ground heat exchangers and a hydrothermal heat collector consisting of two wells: the first for water intake, which plays the role of a heat carrier for the heat pump system; the second - to return the waste water to the aquifer. The current model of the hydrothermal experimental heat pump system developed and constructed in IVE of NASU is presented. The method of conducting research is described. The characteristics of the measuring equipment installed on the model of the experimental installation and the software used for archiving and visualization of the data received in the course of carrying out of researches are resulted. The results of scientific work obtained in the course of theoretical calcula-tions and experimental studies of the efficiency of heat pump systems, depending on the system of primary thermal energy selection, are presented. The dependences of the heat pump transformation coefficient on the type of thermal energy collec-tor are given. The dependences of the heat pump system efficiency on the parameters of the primary source of low - poten-tial heat and design features of the heat supply system are substantiated. It is concluded that the open-type hydrothermal heat pump system is more efficient than the geothermal one and further studies of the possibility and efficiency of using the aquifer as a natural heat accumulator to stabilize the generation of thermal energy from renewable energy sources in differ-ent seasons.