ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РОЗРАХУНКОВЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ІНТЕГРАЛЬНИХ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ҐРУНТОВОГО МАСИВУ ДЛЯ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ ҐРУНТОВО-ПОВІТРЯНОГО ТЕПЛООБМІННИКА
DOI:
https://doi.org/10.32782/2078-0877-2026-26-2-12Ключові слова:
геотермальна вентиляція, стратифікація, літологічна неоднорідність, об’ємна густина, вологість, теплопровідність, питома теплоємністьАнотація
У статті наведено результати експериментально-розрахункового визначення фізичних і тепло- фізичних характеристик ґрунту, які використовуються як вхідні параметри для чисельного моделювання роботи ґрунтово-повітряного теплообмінника системи геотермальної вентиляції. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю врахування фактичної неоднорідності ґрунтового профілю, оскільки літологічний склад, об’ємна густина, вологість і теплоакумулювальна здатність ґрунту істотно впливають на інтенсивність теплообміну між підземним повітропроводом і навколишнім ґрунтовим середовищем. Польові дослідження виконували на дослідному полігоні, де було змонтовано зразок системи геотермальної вентиляції. Під час ручного буріння свердловини здійснювали пошаровий відбір проб, визначали літологічний тип матеріалу, масу вилученої бурової порції, об’ємну густину та масову вологість. Межі окремих шарів встановлювали за результатами візуально-тактильного опису з урахуванням кольору, зернистості, пластичності, зв’язності, вологості та наявності включень. Отримані дані було узагальнено у вигляді стратиграфічної схеми з профілями зміни об’ємної густини та вологості за глибиною. Встановлено, що досліджуване середовище має неоднорідну літологічну будову та представлене послідовністю чорноземного шару, суглинків, супіску й глин різної консистенції. Показано, що об’ємна густина загалом зростає з глибиною, тоді як розподіл вологості має немонотонний характер. Для потреб розрахункового експерименту неоднорідний профіль було подано як еквівалентне однорідне середовище з середньозваженими параметрами. На основі експериментально встановлених значень об’ємної густини, вологості та літологічного складу, а також довідкових даних для відповідних типів матеріалу, визначено еквівалентні значення коефіцієнта теплопровідності та питомої теплоємності ґрунту, які становлять відповідно 0,926 Вт/(м·К) і 920 Дж/(кг·К). Отримані результати можуть бути використані як вхідні дані для подальшого чисельного моделювання нестаціонарного теплообміну між повітряним потоком у підземному каналі та ґрунтовим масивом, що дає змогу уточнити прогноз температурного режиму ґрунтово-повітряного теплообмінника системи геотермальної вентиляції.
Посилання
Трунова І. М., Мірошник О. О., Галько С. В. Дослідження енергоефективності систем мікроклімату тваринницьких приміщень з використанням комп’ютерних технологій. Науковий вісник ТДАТУ. 2023. Т. 13, № 2. Ст. 37. DOI: https://doi.org/10.31388/2220-8674-2023-2-37.
Ковязін О. С., Чижиков І. О., Дереза О. О., Пастушенко А. С. Аналіз впливу температури на адаптацію та продуктивність сільськогосподарських тварин. Праці Таврійського державного агротехнологічного університету імені Дмитра Моторного. 2025. Т. 25, № 1. С. 8–14. DOI: https://doi.org/10.32782/2078-0877-2025-25-1-1.
Ковязін О. С., Чижиков І. О., Дереза С. В., Пастушенко А. С. Аналіз альтернативних джерел енергії для терморегуляції повітря у тваринницьких приміщеннях. Науковий вісник ТДАТУ. 2025. Т. 15, № 1. С. 61–67. DOI: https://doi.org/10.32782/2220-8674-2025-25-1-6.
Савченко О. О., Желих В. М., Дуднік К. А., Конончук О. М. Технічні передумови влаштування геотермальної вентиляції пасивних будинків. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва. 2015. № 823. С. 281–285.
Benhammou M., Draoui B. Parametric study on thermal performance of earth-to-air heat exchanger used for cooling of buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. Vol. 44. P. 348–355. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.12.030.
Abu-Hamdeh N. H. Thermal properties of soils as affected by density and water content. Biosystems Engineering. 2003. Vol. 86, No. 1. P. 97–102. DOI: https://doi.org/10.1016/S1537-5110(03)00112-0.
Wessolek G., Bohne K., Trinks S. Validation of soil thermal conductivity models. International Journal of Thermophysics. 2023. Vol. 44. Art. 20. DOI: https://doi.org/10.1007/s10765-022-03119-5.
Simms R. B., Haslam S. R., Craig J. R. Impact of soil heterogeneity on the functioning of horizontal ground heat exchangers. Geothermics. 2014. Vol. 50. P. 35–43. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2013.08.007.
Недбайло О. М., Божко І. К., Ткаченко М. В., Андрейчук С. В. Чисельне моделювання параметрів повітряно-ґрунтових теплообмінників для геотермальної вентиляції. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. 2020. № 35. С. 41–48. DOI: https://doi.org/10.32347/2409-2606.2020.35.41-48.
Gan G. Simulation of dynamic interactions of the earth–air heat exchanger with soil and atmosphere for preheating of ventilation air. Applied Energy. 2015. Vol. 158. P. 118–132. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.08.081.
Vaz J. et al. Experimental and numerical analysis of an earth–air heat exchanger. Energy and Buildings. 2011. Vol. 43, No. 9. P. 2476–2482. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.06.003.
Imanloozadeh A., Lubitz W. D. Characteristics, design, and optimization of earth-air heat exchangers: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2026. Vol. 230. Art. 116677. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.116677.
Serageldin A. A. et al. Earth-Air Heat Exchanger thermal performance in Egyptian conditions. Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 122. P. 25–38. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.05.053.
Basok B. et al. Analysis of the energy efficiency of the earth-to-air heat exchanger. Rocznik Ochrona Środowiska. 2022. Vol. 24. P. 202–213. DOI: https://doi.org/10.54740/ros.2022.015.
Díaz-Hernández H. P. et al. Experimental study of an earth to air heat exchanger. Geothermics. 2020. Vol. 84. Art. 101741. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2019.101741.
Yaropud V. Experimental studies of the air flow heating process in a vertical soil heat exchanger. Техніка, енергетика, транспорт АПК. 2024. № 2(125). С. 83–90. DOI: https://doi.org/10.37128/2520-6168-2024-2-9.
D’Agostino D. et al. Parametric analysis on an earth-to-air heat exchanger. Energies. 2020. Vol. 13, No. 11. Art. 2925. DOI: https://doi.org/10.3390/en13112925.
Hegazi A. A. et al. Parametric optimization of earth-air heat exchangers. International Journal of Refrigeration. 2021. Vol. 129. P. 278–289. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.05.009.
Koviazin O. et al. Research ways to increase the energy efficiency of ground heat exchangers. Rural Development 2019: Research and Innovation for Bioeconomy. 2019. P. 155–161. DOI: https://doi.org/10.15544/RD.2019.019.
Minaei A., Safikhani H. A new transient analytical model for heat transfer of earth-to-air heat exchangers. Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 33. Art. 101560. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101560.
Ковязін О. С. Дослідження функціонування теплообмінника у ґрунтах різної температуропровідності. Геофізичний журнал. 2018. Т. 40, № 2. С. 164–170. DOI: https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100. v40i2.2018.128938.
Зур’ян О. В., Четверик Г. О. Експериментальні дослідження та математичне моделювання теплових процесів в ґрунті. Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2023. № 3. С. 34–46. DOI: https://doi.org/10.31649/1997-9266-2023-168-3-34-46.
Tang F. et al. A numerical study into effects of soil compaction and heat storage on thermal performance of a horizontal ground heat exchanger. Renewable Energy. 2021. Vol. 172. P. 740–752. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.025.
Ali M. H. et al. Estimating the impact of the thermo-physical properties of the multilayer soil on earthair heat exchanger system performance. International Journal of Thermofluids. 2024. Vol. 23. Art. 100722. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100722.
Elminshawy N. A. S. et al. Experimental investigation on the performance of earth-air pipe heat exchanger for different soil compaction levels. Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 124. P. 1319–1327. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.06.119.
Agrawal K. K. et al. Effect of soil moisture contents on thermal performance of earth-air-pipe heat exchanger for winter heating in arid climate. Geothermics. 2019. Vol. 77. P. 12–23. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2018.08.004.
Low J. E. et al. A comparison of laboratory and in situ methods to determine soil thermal conductivity. Acta Geotechnica. 2015. Vol. 10. P. 209–218. DOI: https://doi.org/10.1007/s11440-014-0333-0.
Agrawal K. K. et al. A review on effect of geometrical, flow and soil properties on the performance of earth air tunnel heat exchanger. Energy and Buildings. 2018. Vol. 176. P. 120–138. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.07.035.
Luo J. et al. A review of ground investigations for ground source heat pump systems. Energy and Buildings. 2016. Vol. 117. P. 160–175. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.02.038.
Басок Б. І. та ін. Теплофізичні властивості природного ґрунту. Промислова теплотехніка. 2008. Т. 30, № 4. С. 77–85.
ДСТУ CEN ISO/TS 17892-2:2007. Геотехнічні дослідження та випробування. Лабораторні випробування ґрунту. Частина 2. Визначення щільності дрібнозернистого ґрунту. Київ : Держспоживстандарт України, 2009.
ДСТУ Б В.2.1-17:2009. Основи та підвалини будинків і споруд. Ґрунти. Методи лабораторного визначення фізичних властивостей. Київ : Мінрегіонбуд України, 2010.
ASTM D2488-17e1. Standard practice for description and identification of soils (visual-manual procedures). West Conshohocken: ASTM International, 2017. DOI: https://doi.org/10.1520/D2488-17E01.
Shi Z. et al. Comparative analysis of ground thermal conductivity and thermal resistance of borehole heat exchanger. Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 91. Art. 109603. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109603.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
