The object of research, development or design (in Russian) : Технология сезонного хранения тепловой энергии

The object of research, development or design (in Kazakh) : Маусымдық жылу энергиясын сақтау технологиясы

Aim of work (in Russian) : Целью проекта является разработка цифрового инструмента для проектирования технологии сезонного хранения тепловой энергии с динамической тепловой нагрузкой, зависящей от нужд потребителя. Предлагаемый инструмент будет учитывать гетерогенность грунта, потоки подземных вод, а также включать в себя методики определения теплофизических свойств подповерхностных слоев грунта. Кроме того, инструмент будет содержать методику оценки технико-экономических показателей технологии для оптимизации процессов хранения тепла, повышения эффективности использования ресурсов и обеспечения обоснованных решений для эксплуатации системы в различных климатических и геологических условиях с акцентом на экономическую целесообразность и долгосрочные выгоды

Aim of work (in Kazakh) : Бұл жобаның мақсаты динамикалық жылу жүктемелері мен әртүрлі геологиялық жағдайларды есепке алатын МЖЭС технологиясын жобалаудың цифрлық құралын жасау болып табылады. Бұл үшін топырақтың гетерогенділігі мен жер асты сулары ағындарын, сондай-ақ жер асты қабаттарының термофизикалық қасиеттерін анықтау әдістерін қамтитын кешенді модель қажет. Заманауи сандық есептеу гидродинамикасы (CFD) әдістерін пайдалану, экономикалық тиімді ГЖА жүйесін құру үшін маңызды болып табылатын фильтрация және жылу беру процестерін егжей-тегжейлі талдауға мүмкіндік береді.

Методы исследования (на русском) : В основу математического моделирования были положены законы сохранения энергии и массы, закон Дарси для описания фильтрации подземных вод в пористой среде, а также уравнение теплопереноса с учетом кондуктивного механизма в грунте и заполнителе скважины и конвективного переноса в трубах и водонасыщенном грунте. Численная реализация модели была осуществлена методом конечных элементов в COMSOL Multiphysics с применением псевдотрехмерного подхода: скважинные теплообменники представлены одномерными элементами, грунтовый массив - трехмерными элементами. При моделировании были учтены процессы теплопереноса во всех компонентах системы: в подающей и обратной трубах, в заполнителе скважины и на границах раздела материалов. Коэффициенты теплопередачи между теплоносителем и стенками труб определены на основе критериальных уравнений с учетом режима течения и теплофизических свойств жидкости. Коэффициенты теплопередачи между трубами, заполнителем и грунтом рассчитаны методом суммирования термических сопротивлений слоев конструкции. Для повышения точности был учтен температурный градиент по глубине скважинного теплообменника.

Методы исследования (на казахском) : Математикалық модельдеу энергия мен массаның сақталу заңдарына, кеуекті ортадағы жер асты суларының сүзілуін сипаттауға арналған Дарси заңына және топырақ пен ұңғыма толтырғышындағы өткізгіштікті, сондай-ақ құбырлар мен қаныққан топырақтағы конвективтік берілісті ескеретін жылу беру теңдеуіне негізделген. Модельді сандық түрде жүзеге асыру COMSOL Multiphysics бағдарламасында жалған үш өлшемді тәсілді қолдана отырып, шекті элемент әдісін қолдана отырып жүргізілді: ұңғыма жылу алмастырғыштары бір өлшемді элементтермен, ал топырақ массасы үш өлшемді элементтермен көрсетілген. Модельдеу барлық жүйелік компоненттердегі жылу беру процестерін ескерді: беру және қайтару құбырларында, ұңғыма толтырғышында және материалдық шекараларда. Жылутасымалдағыш пен құбыр қабырғалары арасындағы жылу беру коэффициенттері сұйықтықтың ағын режимі мен термофизикалық қасиеттерін ескере отырып, критерийлік теңдеулерді қолдана отырып анықталды. Құбырлар, толтырғыш және топырақ арасындағы жылу беру коэффициенттері құрылымдық қабаттардың жылу кедергілерін қосу арқылы есептелді. Дәлдікті арттыру үшін ұңғыма жылу алмастырғышының тереңдігі бойынша температура градиенті ескерілді.

Obtained results and novelty (in Russian) : В результате проведенного исследования была разработана математическая модель процессов теплообмена в скважинном теплообменнике с использованием псевдотрехмерной модели, а также создана комплексная математическая модель, описывающая процессы теплообмена и фильтрации в системе скважинных теплообменников и грунта. Научная новизна полученных результатов заключается в разработке эффективного вычислительного метода для моделирования систем грунтовых тепловых аккумуляторов с экстремальными геометрическими соотношениями (отношение диаметра к длине порядка до 1:5000), который сочетает достаточную точность с минимальными вычислительными затратами. Впервые для условий Казахстана была создана комплексная модель, учитывающая совместное влияние процессов теплопереноса и фильтрации подземных вод на работу скважинных теплообменников, что имеет принципиальное значение для регионов с активным движением грунтовых вод. Установленные закономерности влияния гидрогеологических параметров и режимов работы системы на эффективность теплосъема создают теоретическую основу для оптимизации проектирования грунтовых систем аккумулирования тепла с учетом специфических климатических и геологических условий региона.

Obtained results and novelty (in Kazakh) : Жүргізілген зерттеу нәтижесінде жалған үш өлшемді модельді қолдана отырып, ұңғыма жылу алмастырғышындағы жылу алмасу процестерінің математикалық моделі жасалды және ұңғыма жылу алмастырғыштары мен топырақ жүйесіндегі жылу алмасу және сүзу процестерін сипаттайтын кешенді математикалық модель жасалды. Алынған нәтижелердің ғылыми жаңалығы жеткілікті дәлдікті минималды есептеу шығындарымен біріктіретін экстремалды геометриялық қатынастары бар (диаметрдің ұзындыққа қатынасы 1:5000 дейін) жер асты жылу сақтау жүйелерін модельдеудің тиімді есептеу әдісін әзірлеуде жатыр. Қазақстанда алғаш рет жылу беру мен жер асты суларын сүзудің ұңғыма жылу алмастырғыштарының жұмысына бірлескен әсерін ескеретін кешенді модель жасалды. Бұл жер асты суларының белсенді қозғалысы бар аймақтар үшін өте маңызды. Гидрогеологиялық параметрлер мен жүйенің жұмыс режимдерінің жылу алуды кетіру тиімділігіне әсер етуінің белгіленген заңдылықтары аймақтың нақты климаттық және геологиялық жағдайларын ескере отырып, жер асты суларының жылу сақтау жүйелерін жобалауды оңтайландырудың теориялық негізін қамтамасыз етеді.

The main constructive and technical economic indicators (in Russian) : Модель скважинного теплообменника описывает вертикальную скважину глубиной 50 м и диаметром 200 мм с U-образной трубой диаметром 32 мм и расходом теплоносителя 0,0001-0,001 м³/с. Геологический разрез участка до 55 м представлен четырьмя слоями: суглинок, крупнозернистый песок, глина и мелкозернистый глинистый песок. Теплофизические характеристики пород: теплопроводность 0,83-2,33 Вт/(м·К), теплоемкость 1,38-3,38 МДж/(кг·К), пористость 33-45%, проницаемость 1.16E-8 - 1.16E-5 м/с. Заполнитель скважины - бентонито-цементная смесь для обеспечения теплового контакта. Модель позволила получить предварительные показатели эффективности системы сезонного хранения тепловой энергии и технические параметры проекта для последующего экономического анализа. Псевдотрехмерный подход обеспечил существенное сокращение вычислительных затрат и возможность проведения многовариантных параметрических исследований на стандартных персональных компьютерах.

The main constructive and technical economic indicators (in Kazakh) : Ұңғыма жылу алмастырғышының моделі тереңдігі 50 м және диаметрі 200 мм болатын, диаметрі 32 мм U-тәрізді құбыры бар және салқындатқыш сұйықтық ағынының жылдамдығы 0,0001-0,001 м³/с болатын тік ұңғыманы сипаттайды. Учаскенің 55 м дейінгі геологиялық қимасы төрт қабатпен ұсынылған: саздауыт, ірі түйіршікті құм, саз және ұсақ түйіршікті сазды құм. Тау жыныстарының термофизикалық қасиеттері: жылу өткізгіштігі 0,83-2,33 Вт/(м К), жылу сыйымдылығы 1,38-3,38 МДж/(кг К), кеуектілігі 33-45%, өткізгіштігі 1,16E-8 - 1,16E-5 м/с. Ұңғыма толтырғышы жылулық жанасуды қамтамасыз ету үшін бентонит-цемент қоспасы болып табылады. Модель кейіннен экономикалық талдау үшін жобаның маусымдық жылу энергиясын сақтау жүйесінің тиімділігі мен техникалық параметрлерінің алдын ала көрсеткіштерін алуға мүмкіндік берді. Псевдо-үш өлшемді тәсіл есептеу шығындарын айтарлықтай төмендетуге және стандартты дербес компьютерлерде көп айнымалы параметрлік зерттеулер жүргізу мүмкіндігін қамтамасыз етті.

Level of implementation (in Russian) : В соответствии с заявкой на проведение научного исследования, данная работа имеет фундаментальный характер, в связи с чем непосредственное внедрение результатов в промышленное производство на текущем этапе не предусмотрено. Однако, разрабатываемый программный инструмент для моделирования систем теплоснабжения будет зарегистрирован в качестве объекта интеллектуальной собственности и, по завершению проекта, может быть использован при проектировании установок теплоснабжения или в учебном процессе высших учебных заведений для подготовки специалистов в области возобновляемой энергетики, а также в научно-исследовательских организациях для проведения фундаментальных и прикладных исследований.

Level of implementation (in Kazakh) : Зерттеу ұсынысына сәйкес, бұл жұмыс іргелі сипатқа ие, сондықтан нәтижелерді өнеркәсіптік өндіріске тікелей енгізу осы кезеңде көзделмеген. Дегенмен, жылу жабдықтау жүйелерін модельдеу үшін әзірленіп жатқан бағдарламалық құрал зияткерлік меншік активі ретінде тіркеледі және жоба аяқталғаннан кейін жылу жабдықтау жүйелерін жобалауда, жаңартылатын энергия саласындағы мамандарды даярлау үшін жоғары оқу орындарының оқу процесінде және іргелі және қолданбалы зерттеулер үшін ғылыми-зерттеу ұйымдарында пайдаланылуы мүмкін.

Efficiency (in Russian) : Научная эффективность проведенного исследования заключается в создании теоретической и методологической основы для проектирования и оптимизации систем сезонного хранения тепловой энергии в специфических климатических и гидрогеологических условиях Казахстана. На текущем этапе, технологическая эффективность разработанного метода моделирования выражается в сокращении времени вычислений по сравнению с полномасштабным трехмерным моделированием при сохранении точности результатов на уровне 95%. Установленные количественные закономерности влияния фильтрации подземных вод на эффективность работы скважинных теплообменников показали, что учет движения грунтовых вод может уменьшить эффективность системы в случае достижения скорости подземных потоков 10E-7 м/c и более.

Efficiency (in Kazakh) : Жүргізілген зерттеудің ғылыми тиімділігі Қазақстанның нақты климаттық және гидрогеологиялық жағдайларында маусымдық жылу энергиясын сақтау жүйелерін жобалау және оңтайландыру үшін теориялық және әдіснамалық негіз жасауда жатыр. Бұл кезеңде әзірленген модельдеу әдісінің технологиялық тиімділігі 95% дәлдікті сақтай отырып, толық көлемді 3D модельдеумен салыстырғанда есептеу уақытының қысқаруымен көрсетіледі. Жер асты суларын сүзудің ұңғыма жылу алмастырғыштарының тиімділігіне әсерінің белгіленген сандық заңдылықтары жер асты суларының қозғалысын есепке алу маңызды екенін көрсетті, өйткені жер асты суларының ағын жылдамдығы 10E-7 м/с немесе одан жоғары болған жағдайда жүйенің тиімділігі айтарлықтай өзгеруі мүмкін.

Field of application (in Russian) : Результаты проведенного исследования могут быть применены при проектировании систем хранения тепловой энергии для жилых, общественных и промышленных зданий на территории Республики Казахстан и других регионов со сходными климатическими и гидрогеологическими условиями.

Field of application (in Kazakh) : Жүргізілген зерттеу нәтижелерін Қазақстан Республикасындағы және ұқсас климаттық және гидрогеологиялық жағдайлары бар басқа аймақтардағы тұрғын үй, қоғамдық және өнеркәсіптік ғимараттарға арналған жылу энергиясын сақтау жүйелерін жобалауда пайдалануға болады.