ТЕПЛОНАСОСНІ СИСТЕМИ З ВИКОРИСТАННЯМ ҐРУНТУ ТА ВОДОНОСНИХ ГОРИЗОНТІВ У ЯКОСТІ АКУМУЛЯТОРІВ ТЕПЛОТИ
DOI:
https://doi.org/10.32347/2077-3455.2025.73.520-535Ключові слова:
теплові насоси, відновлювані джерела енергії, акумулювання теплоти, теплоакумулятор, неньютонівські рідини, нанорідини, теплообмінники, енергоефективність, профіль швидкостіАнотація
У сучасному світі, де енергоефективність та використання відновлюваних джерел енергії є ключовими пріоритетами, значну увагу приділяють розвитку систем сезонного акумулювання теплоти. Ці системи відіграють вирішальну роль у зберіганні надлишкової теплової енергії, отриманої протягом теплого періоду, для подальшого використання в опалювальний сезон. Різноманіття геологічних умов та доступних технічних рішень обумовлює широкий спектр типів акумуляторів теплоти, включаючи штучні підземні порожнини, водоносні горизонти, сонячні ставки та ґрунтові теплообмінники. Особливу перспективу мають природні геологічні утворення, які є ефективним та довговічним середовищем для зберігання теплоти. Такі рішення можуть бути впроваджені як у великомасштабних енергетичних системах, так і в індивідуальному будівництві, сприяючи сталому розвитку та зниженню викидів парникових газів. Останнє десятиліття відзначилося інтенсивними дослідженнями та розробками у сфері нанорідин як перспективних теплоносіїв. Ці стабільні дисперсії наночастинок металів, вуглецю або кремнію в рідкому середовищі демонструють унікальні теплофізичні властивості, що нагадують рідкі метали: високу теплопровідність, ефективне поглинання сонячного випромінювання та можливість магнітного керування потоком. Завдяки цим характеристикам нанорідини знаходять успішне застосування в сонячних, геотермальних та теплонасосних системах, а також у системах охолодження, дозволяючи підвищити ефективність відбору тепла до півтора разів. Проте, однією з невирішених проблем залишається проєктування теплообмінників для цих рідин, що потребує подальших досліджень. Важливу роль у вивченні характеристик потоків, сил на обтічних поверхнях та віброакустичних явищ відіграють теоретичні методи, що базуються на рівняннях гідродинаміки та чисельних способах їх розв'язку. Особливу увагу при цьому приділяють розв'язку системи рівнянь Нав'є-Стокса. Метою представленої публікації є розробка методики визначення профілю швидкості та об'ємної витрати при усталеному ізотермічному ламінарному, повністю розвиненому русі нестиснутої степеневої (неньютонівської) рідини у горизонтальній трубі під дією гідростатичного тиску.
Посилання
Список літератури:
Забарний Г. М. Сезонне акумулювання теплоти в підземних акумуляторах: навч. посіб. Київ: ВІОЛ-ПРИНТ, 2009. 150 с. ISBN 978-966-02-5273-8.
Сиротюк М. І. Поновлювані джерела енергії: навч. посіб. Львів. нац. ун-т ім.І.Франка. Львів, 2008. 248 с.
Eskilson P. Thermal analysis heat extraction boreholes: Ph. D. Thesis. Lund, 1987. ISBN 91-7900-298-6.
Diersch H.-J. G., Rühaak W., Schätzl P., Bauer D., Heidemann W. Numerical Modelling of Solar Heat Storage Using Large Arrays of Borehole Heat Exchangers // Proceedings World Geothermal Congress 2010. Bali, Indonesia, 25–29 April 2010. 9p. URL: https://www.igte.uni-stuttgart.de/veroeffentlichungen/publikationen/publikationen_10-03.pdf
Любарець О.П., Москвітіна А.С. Аналіз конструкцій сезонних теплоакумуляторів для забезпечення систем гарячого водопостачання та опалення в котеджному будівництві. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2015. Вип. 18. С.61–69.
Любарець О.П., Москвітіна А.С. Порівняння конструкцій теплових акумуляторів з твердим теплоакумулюючим матеріалом та комбінованим теплоакумулюючим матеріалом. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2016. Вип. 19. С.101–111. URL: https://repositary.knuba.edu.ua/server/api/core/bitstreams/ccb16593-5195-4975-bc99-08a28b6f7d3e/content
Човнюк Ю., Чередніченко П., Москвітіна А. Аналіз нагріву пропіленгліколю/етиленгліколю у циліндричному каналі сонячного теплового колектору. Містобудування та територіальне планування. 2024. Вип. 86. С.370–387. DOI: https://doi.org/10.32347/2076-815x.2024.86.370-387
Москвітіна А.С. Розрахунок оптимальної товщини теплової ізоляції сезонного акумулятора теплоти. Містобудування та територіальне планування. 2018. Вип. 67. С.298–307.
Любарець О.П., Москвітіна А.С. Техніко-економічне обґрунтування використання теплоакумулюючих матеріалів для систем міжсезонного сонячного теплопостачання. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2014. Вип.17. С.115–119. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/votp_2014_17_20
Любарець О.П., Москвітіна А.С. Вибір форми і розрахунок об’єму сезонного акумулятора теплоти. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2016. Вип.20. С.24–38. URL: https://repositary.knuba.edu.ua/items/989cbd52-42f5-46b8-8e64-86dedf576591
Москвітіна А. Аналітична модель системи теплопостачання з геліоколекторами та акумулятором теплоти. Молодий вчений. 2020. Вип. 79. С.193–198. DOI: https://doi.org/10.32839/2304-5809/2020-3-79-41
Жітаренко В.М. Відновлювані і вторинні джерела енергії. Маріуполь: ПДТУ, 2006. 160 с.
Човнюк Ю., Москвітіна А., Пефтєва І. Вдосконалення методів структурно-параметричної оптимізації в аналізі ґрунтових акумуляторів теплоти. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2022. Вип. 42. С.38–47. DOI: https://doi.org/10.32347/2409-2606.2022.42.38-47
Chovniuk Y., Moskvitina A., Rybachov S., Zinych P. Nonisothermal flow of nanofluid in ground heat accumulator for decentralized heat supply of rural facilities for various purposes // Engineering for Rural Development : proceedings of the 23rd International Scientific Conference. Jelgava, Latvia, 22–24 May 2024. Vol. 23. P. 623–629. DOI: https://doi.org/10.22616/ERDev.2024.23.TF116
Brovarets O., Chovniuk Y., Moskvitina A. Rheodynamics non-viscous medium in long (cylindrical) pipes: using the Ostwald–De Ville model // ECONTECHMOD: An International Quarterly Journal on Economics of Technology and Modelling Processes. 2020. Vol.9, No.2. P.19–22. URL: https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-4486df62-b1df-4b1c-8fde-31692c15434f
Shenoy A. V. Heat Transfer to Non-Newtonian Fluids: Fundamentals and Analytical Expressions. John Wiley & Sons, 2018. 308 p. ISBN 978-3-527-34362-1.
Chhabra R. P., Patel S. A. Bubbles, Drops, and Particles in Non-Newtonian Fluids (3rd ed.). CRC Press, 2017. 733 p. ISBN 9781498759556.
Wong R. Asymptotic and Computational Analysis: Conference in Honor of Frank W. J. Olver’s 65th Birthday. Boca Raton : CRC Press, 1990. 776 p. DOI: https://doi.org/10.1201/9781003072584
Thompson J. F., Thames F. C., Mastin C. W. Automatic numerical generation of body-fitted curvilinear coordinate system for field containing any number of arbitrary two-dimensional bodies // Journal of Computational Physics. 1974. Vol. 15, Issue 3. P. 299–319. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9991(74)90114-4
Thompson J. F., Thames F. C., Mastin C. W. TOMCAT — A code for numerical generation of boundary-fitted curvilinear coordinate systems on fields containing any number of arbitrary two-dimensional bodies // Journal of Computational Physics. 1977. Vol. 24, Issue 3. P. 274–302. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9991(77)90038-9
References
Zabarnyi, H. M. (2009). Sezonne akumuliuvannia teploty v pidzemnykh akumuliatorakh [Seasonal heat storage in underground accumulators]. VIOL-PRINT. (in Ukrainian).
Syrotiuk, M. I. (2008). Renewable energy sources. Lviv National University named after Ivan Franko. (in Ukrainian).
Eskilson, P. (1987). Thermal analysis of heat extraction boreholes (Doctoral dissertation). Lund University. ISBN 91-7900-298-6. (in English).
Diersch, H.-J. G., Rühaak, W., Schätzl, P., Bauer, D., & Heidemann, W. (2010). Numerical modelling of solar heat storage using large arrays of borehole heat exchangers. In Proceedings of the World Geothermal Congress 2010 (pp. 1–9). Bali, Indonesia. https://www.igte.uni-stuttgart.de/veroeffentlichungen/publikationen/publikationen_10-03.pdf (in English).
Liubarets, O. P., & Moskvitina, A. S. (2015). Analysis of seasonal heat storage structures for domestic hot water supply and heating systems in cottage construction. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply, 18, 61–69. (in Ukrainian).
Liubarets, O. P., & Moskvitina, A. S. (2016). Comparison of thermal storage designs with solid heat storage material and combined heat storage material. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply, 19, 101–111. https://repositary.knuba.edu.ua/server/api/core/bitstreams/ccb16593-5195-4975-bc99-08a28b6f7d3e/content (in Ukrainian).
Chоvniuk Y., Cherednichenko, P., & Moskvitina, A. (2024). Analysis of propylene glycol/ethylene glycol heating in the cylindrical channel of the solar heat collector. Urban Development and Spatial Planning, (86), 370–387. https://doi.org/10.32347/2076-815x.2024.86.370-387 (in Ukrainian).
Moskvitina, A. S. (2018). Calculation of the optimal thickness of thermal insulation of a seasonal heat storage unit. Urban Development and Territorial Planning, 67, 298–307. (in Ukrainian).
Liubarets, O. P., & Moskvitina, A. S. (2014). Techno-economic justification of the use of heat storage materials for interseasonal solar heat supply systems. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply, 17, 115–119. http://nbuv.gov.ua/UJRN/votp_2014_17_20 (in Ukrainian).
Liubarets, O. P., & Moskvitina, A. S. (2016). Selection of shape and calculation of the volume of a seasonal heat storage unit. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply, 20, 24–38. https://repositary.knuba.edu.ua/items/989cbd52-42f5-46b8-8e64-86dedf576591 (in Ukrainian).
Moskvitina, A. (2020). Analytical model of a heat supply system with solar collectors and a heat storage unit. Young Scientist, 79, 193–198. https://doi.org/10.32839/2304-5809/2020-3-79-41 (in Ukrainian).
Zhitarenko, V. M. (2006). Renewable and secondary energy sources. Pryazovskyi State Technical University. (in Ukrainian).
Chоvniuk Y., Moskvitina, A., & Peftieva, I. (2022). Improvement of the methods of structural-parametric optimization in the analysis of ground heat accumulators. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply, 42, 38–47. https://doi.org/10.32347/2409-2606.2022.42.38-47 (in Ukrainian).
Chovniuk, Y., Moskvitina, A., Rybachov, S., & Zinych, P. (2024). Nonisothermal flow of nanofluid in ground heat accumulator for decentralized heat supply of rural facilities for various purposes. In Proceedings of the 23rd International Scientific Conference “Engineering for Rural Development” (Vol. 23, pp. 623–629). https://doi.org/10.22616/ERDev.2024.23.TF116 (in English).
Brovarets, O., Chovniuk, Y., & Moskvitina, A. (2020). Rheodynamics non-viscous medium in long (cylindrical) pipes: Using the Ostwald–De Ville model. ECONTECHMOD: An International Quarterly Journal on Economics of Technology and Modelling Processes, 9(2), 19–22. https://yadda.icm.edu.pl/baztech/element/bwmeta1.element.baztech-4486df62-b1df-4b1c-8fde-31692c15434f (in English).
Shenoy, A. V. (2018). Heat transfer to non-Newtonian fluids: Fundamentals and analytical expressions. John Wiley & Sons. (in English).
Chhabra, R. P., & Patel, S. A. (2017). Bubbles, drops, and particles in non-Newtonian fluids (3rd ed.). CRC Press. (in English).
Wong, R. (1990). Asymptotic and computational analysis: Conference in honor of Frank W. J. Olver’s 65th birthday (1st ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003072584 (in English).
Thompson, J. F., Thames, F. C., & Mastin, C. W. (1974). Automatic numerical generation of body-fitted curvilinear coordinate system for field containing any number of arbitrary two-dimensional bodies. Journal of Computational Physics, 15(3), 299–319. https://doi.org/10.1016/0021-9991(74)90114-4 (in English).
Thompson, J. F., Thames, F. C., & Mastin, C. W. (1977). TOMCAT—A code for numerical generation of boundary-fitted curvilinear coordinate systems on fields containing any number of arbitrary two-dimensional bodies. Journal of Computational Physics, 24(3), 274–302. https://doi.org/10.1016/0021-9991(77)90038-9 (in English).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Човнюк Юрій Васильович, Чередніченко Петро Петрович, Москвітіна Анна Сергіївна, Васильєва Ганна Юріївна
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
