INVESTIGATION OF INFLUENCE OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF SOIL MASSIF ON THE VALUE OF THERMAL ENERGY TAKEN BY ENERGY EFFICIENT PILE

Abstract


The depletion of traditional fossil energy sources leads to an increasing development of non-traditional energy sources. One of the promising directions of alternative energy is the use of low-potential energy of the soil massif for heating buildings and structures for various purposes. Heat extraction is possible through the use of energy-efficient Foundation structures. However, their rational design is impossible without a careful assessment of a large number of factors that affect the potential value of thermal energy extracted from the earth's thickness. The purpose of this work was to build a whole methodology to assess the degree of influence of thermophysical characteristics of the soil mass, in particular, such as heat capacity and thermal conductivity, on the amount of heat energy selected energy-efficient pile. The formulation and analysis of the numerical experiment to identify the desired dependencies. The matrix of experiment planning is made. The numerical simulation of the energy-efficient pile of different geometric parameters in different soil conditions is performed. Statistical processing of the obtained experimental data was carried out. A quadratic regression equation was developed to determine the amount of heat through the side surface of the pile depending on the length of the pile, its diameter, heat capacity and thermal conductivity of the soil. The analysis of this equation for the purpose of estimation of degree of influence of initial thermophysical parameters of soil on value of thermal energy of the selected pile is carried out.

Full Text

Введение Все более ярко прослеживающаяся тенденция поиска нетрадиционных источников энергии ведет к очень скорому и неизбежному внедрению результатов исследований в этой области в повседневную жизнь. Вместе с тем повышается внимание к экономии энергоресурсов, в частности, вводятся дополнительные требования к повышению экономической эффективности использования энергетических ресурсов при эксплуатации зданий и сооружений, которые во многих странах устанавливаются на законодательном уровне [1-8]. Одним из эффективных способов повышения энергетической эффективности, а также степени автономности зданий видится использование низкопотенциальной энергии грунтового массива для отопления зданий в холодный период года [9-12]. Многочисленными исследованиями установлено, что начиная с определенной глубины температура грунта остается постоянной и лежит в пределах 5-10 °С. Данного порядка величин температур вполне достаточно для обеспечения объекта строительства тепловой энергией. Повышение температуры теплоносителя до рабочих значений осуществляется путем включения в технологическую схему теплоснабжения теплового насоса [13, 14]. В отсутствие нормативной базы на территории РФ в области проектирования энергоэффективных фундаментов утвержденные методики расчета отсутствуют. Особую роль в развитии технологии играют натурные исследования и анализ работы уже реализованных проектов [15, 16]. Число факторов, оказывающих влияние на эффективность работы энергетических фундаментов, огромно. Заметно влияние климатических параметров наружного воздуха, периодичности работы энергоэффективной сваи. Значительную роль играют также и теплофизические характеристики грунтового массива [17-20]. В настоящей статье приведены результаты численного эксперимента по оценке влияния параметров теплоемкости и теплопроводности грунтового массива на величину тепловой энергии, получаемой с помощью энергоэффективной сваи. 1. Постановка задачи Методика исследований влияния параметров теплопроводности и теплоемкости грунта на количество тепловой энергии, отбираемое энергоэффективной сваей, заключается в многократном решении задачи по вычислению величины теплового потока для различных грунтовых условий. Была составлена матрица планирования эксперимента. В качестве параметров варьирования приняты радиус сваи, длина сваи, коэффициент теплопроводности грунта и его теплоемкость [21]. Для трехуровевого плана с четырьмя значимыми факторами строится матрица из 24 точек плана. Уровни варьирования основных факторов представлены в табл. 1. Общий вид матрицы планирования эксперимента приведен в табл. 2 [22-24]. Таблица 1 Уровни варьирования основных факторов Table 1 The levels of variation of the main factors Основной фактор Уровни варьирования основной фактор, ед. изм. кодовый вид -1 0 1 r, м X1 0,15 0,35 0,55 l, м X2 6 13 20 λ, Вт/м · °С X3 0,5 1,5 2,5 c, МДж/м3 · °С X4 1,2 1,8 2,2 Численное моделирование проводилось в программном комплексе GeoStudio/TEMP. Выходным параметром являлась величина плотности теплового потока через единицу боковой поверхности энергоэффективной сваи за единицу времени. Данный параметр путем простейших математических операций приводился к величине тепловой энергии, отбираемой сваей за единицу времени. Постановка задачи - осесимметричная. Отбор тепловой энергии сваей обеспечивался заданием по ее боковой поверхности граничного условия t = 1 °C. Климатические условия задавались граничным условием на верхнюю границу данной модели. В качестве климатических параметров были приняты температура воздуха, толщина снегового покрова, величина солнечной радиации на квадратный метр поверхности, скорость ветра. Численное значение параметров определялось как среднее по результатам метеонаблюдений с 2005 по 2018 г. для г. Перми. Фрагмент таблицы исходных данных представлен в табл. 3 [25]. Таблица 2 Матрица планирования эксперимента Table 2 Experiment planning matrix Номер эксперимента Основные факторы х1 х2 х3 х4 1 1 1 0 0 2 1 -1 0 0 3 -1 1 0 0 4 -1 -1 0 0 5 1 0 1 0 6 1 0 -1 0 7 -1 0 1 0 8 -1 0 -1 0 9 0 1 1 0 10 0 1 -1 0 11 0 -1 1 0 12 0 -1 -1 0 13 0 0 1 0 14 0 0 1 -1 15 0 0 -1 1 16 0 0 -1 -1 17 -1 0 0 1 18 -1 0 0 -1 19 -1 0 -1 1 20 -1 0 -1 -1 21 0 1 0 1 22 0 1 0 -1 23 0 -1 0 1 24 0 -1 0 -1 Таблица 3 Осредненные данные метеорологических наблюдений за период с 2008 по 2018 г. Table 3 Averaged data from meteorological observations for the period from 2008 to 2018 Календарный день Температура, °С Скорость ветра, м/с Снежный покров, см Солнечная радиация, МДж/м2 01.01 -13,71 2,79 44,00 1,48 02.01 -12,26 2,64 38,00 1,48 03.01 -12,66 2,82 35,00 1,48 04.01 -12,21 2,71 39,00 1,48 05.01 -12,56 2,36 39,00 1,48 06.01 -12,45 2,17 41,00 1,48 07.01 -15,56 2,08 41,00 1,48 08.01 -16,40 1,93 38,00 1,48 Исходя из нелинейной зависимости выходного параметра от независимых, для описания процесса применялось квадратичное уравнение регрессии для четырехфакторного эксперимента: (1) где - коэффициенты уравнения регрессии. Обработка результатов численного эксперимента Коэффициенты квадратичного уравнения регрессии были получены посредством обработки экспериментальных данных в программном комплексе STATISTIKA 13.5. Вид анализа - регрессия поверхности отклика. Зависимый параметр - тепловой поток. Независимые параметры - основные факторы, представленные в табл. 1. Общий вид численной модели приведен на рис. 1. После каждого эксперимента определялась осредненная по глубине величина плотности потока, которая приводилась к величине теплового потока через сваю. Результат обработки эксперимента в программе STATISTICA представлен в табл. 4. Рис. 1. Общий вид численной модели Fig. 1. General view of the numerical model Таблица 4 Результат расчета в программе STATISTICA Table 4 Calculation result in the STATISTICA program N = 24 Intercept 84,6852 х1 -23,0320 х2 -4,9385 х3 -19,6787 х4 -62,5935 140,1583 0,2451 -6,4060 10,7175 х1х2 -5,8841 х1х3 -26,3860 х1х4 -6,2579 х2х3 5,0107 х2х4 2,5596 х3х4 16,5980 После обработки результатов численного эксперимента была получена искомая зависимость в форме квадратичного уравнения регрессии: (2) Рис. 2. Номограмма плотности потока в единицу времени Fig. 2. Nomogram of flux density per unit time Для различных сочетаний длины и радиуса энергоэффективной сваи были построены номограммы зависимости теплового потока от теплоемкости и теплопроводности окружающего массива грунта (рис. 2). Заключение 1. По результатам эксперимента можно сделать вывод, что полученная зависимость обладает высоким показателем статистической сходимости с результатами, полученными опытным путем (), что показывает возможность дальнейшего исследования данной закономерности и ее применения на практике. 2. Анализ построенных номограмм позволяет сделать вывод, что с изменением теплоемкости грунта величина извлеченной тепловой энергии изменяется незначительно. Наибольшее влияние на эффективность теплообмена грунтового массива с энергоэффективной сваей оказывает коэффициент теплопроводности грунта.

About the authors

N. M Ovchinnikov

Perm National Research Polytechnic University

A. V Zaharov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Amis T., Loveridge F. Energy piles and other thermal foundations for GSHP // Rehva journal. - 2014. - P. 32-35.
  2. Захаров А.В. Применение геотермальной энергии грунта для отопления зданий в климатических и инженерно-геологических условиях Пермского края // Вестник гражданских инженеров. - 2010. - № 2 (23). - С. 85-89.
  3. Brandl H. Energy foundation and other thermo-active ground structures // Geotechnique. - 2006. - J 56. - P. 81-122.
  4. Thermal performance and ground temperature of vertical pile-foundation heat exchangers: A case study / Jun Gao, Xu Zhang, Jun Liu Kui, Shan Li, Jie Yang // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 28. - P. 2295-2304. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2008.01.013
  5. López-Acosta N.P., Barba-Galdámez D.F., Sánchez M. Numerical analysis of the thermo-mechanical behavior of an energy pile in Mexico // Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. - 2019. - № 217729 (0). - С. 147-154. doi: 10.1007/978-3-319-99670-7_19
  6. Xu B., Zhang H., Chen Z. Study on heat transfer performance of geothermal pile-foundation heat exchanger with 3-U pipe configuration // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - (147). doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119020
  7. Ma Q., Wang P. Underground solar energy storage via energy piles // Applied Energy. - 2020. - Vol. 261. doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114361
  8. Nicholson S.R., Mwesigye A., Dworkin S.B. Modelling and optimization of helical steel piles as in-ground heat exchangers for Ground-Source Heat Pumps // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2019. - № 5 (609). doi: 10.1088/1757-899X/609/5/052026
  9. An experimental and numerical case study of passive building cooling with foundation pile heat exchangers in Denmark / S.E. Poulsen, M. Alberdi-Pagola, D. Cerra, A. Magrini // Energies. - 2019. - № 14 (12). doi: 10.3390/en12142698
  10. Захаров А.В., Пономарев А.Б., Мащенко А.В. Энергоэффективные конструкции в подземном строительстве. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. - 128 с.
  11. Assessment of soil thermal conduction using artificial neural network models / Tao Zhang, Cai-jin Wang, Song-yu Liu, Nan Zhang, Tong-wei Zhang // Cold Regions Science and Technology. - 2020. - Vol. 169.
  12. Bourne-Webba P.J., Bodas Freitasa T.M., Freitas Assunção R.M. A review of pile-soil interactions in isolated, thermally-activated piles // Computers and Geotechnics. - 2019. - Vol. 108. - P. 61-74. doi: 10.1016/j.compgeo.2018.12.008
  13. Brandl H., Adam D., Markiewicz R. Ground-Sourced Energy Wells for Heating and Cooling of Buildings // Acta Geotechnica Slovenica. - 2006. - Vol. 3, iss. 1. - P. 5-27.
  14. A novel energy pile: The thermo-syphon helical pile / Jie Huang, John S. Mc Cartney, Howard Perko, Drew Johnson, Chao Zheng, Qingwen Yang // Applied Thermal Engineering, - 2019. - Vol. 159. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.113882
  15. Johansen O. Thermal Conductivity of Soils. - Trondheim, Norway, 1977.
  16. Белоокая Н.В., Пивоварова Е.И. Обзор альтернативных источников энергии. Геотермальная энергия // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. - 2015. - № 1 (12). - С. 67-72.
  17. Thermomechanical properties of an energy micro pile - raft foundation in silty clay / Gang-qiang Kong, Te Cao, Yao-hu Hao, Yang Zhou, Lian-wei Ren // Underground Space. - October 2019. doi: 10.1016/j.undsp.2019.09.005
  18. Архангельская Т.А., Лукьященко К.И. Современные подходы к расчетной оценке тепловых свойств почв // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - № 1 (7). - С. 1408-1412.
  19. Чудновский А.Ф. Теплофизика почв. - М.: Наука, 1976. - 352 с.
  20. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. - М.: Москва, 2006. - 186 с.
  21. Королев В.А. Термодинамика грунтов: учеб. пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1997. - 168 с.
  22. Королев В.А. Принципы термодинамики в инженерной геологии // Основные проблемы геологии: материалы школы-семинара. - М., 1982. - С. 15-24.
  23. Филипов Т.В. Рекомендации по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона. - М.: Отдел науч.-техн. информ. НИИЖБ, 1982. - С. 53.
  24. Математические методы и планирование эксперимента в грунтоведении и инженерной геологии: учеб. пособие / В.М. Кнатько [и др.]. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1988. - С. 112.
  25. Овчинников Н.М., Захаров А.В. Иcследование влияния климатических параметров окружающей среды на работу энергоэффективной сваи // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы междунар. науч.-практ. конф. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019. - С. 312-317.

Statistics

Views

Abstract - 14

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Ovchinnikov N.M., Zaharov A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies