AP26103573 – Разработка модели и цифрового инструмента для проектирования и расчета технических параметров и экономических показателей системы сезонного хранения тепловой энергии для повышения эффективности и оценки возможности интеграции с другими технол

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

Актуальность: Актуальность проекта обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности и снижения выбросов CO₂ в условиях резко континентального климата Казахстана, где значительная доля энергопотребления приходится на отопление, часто с использованием угля. Технология сезонного хранения тепловой энергии (СХТЭ) с применением геотермальных тепловых аккумуляторов позволяет эффективно накапливать и использовать тепло, обеспечивая устойчивость энергоснабжения и улучшение экологической ситуации. Однако отсутствие современных цифровых инструментов проектирования с учетом геологической неоднородности и подземных вод ограничивает внедрение таких систем, что делает разработку комплексной модели и цифрового инструмента особенно актуальной задачей.

Научный руководитель: Айжулов Даниар , Phd, старший преподаватель

Ожидаемые и достигнутые результаты:

В ходе реализации проекта предполагается разработка комплексной динамической модели системы сезонного хранения тепловой энергии (ГТА), что позволит достичь значительных количественных и качественных результатов, соответствующих установленным целям и задачам.

Основной результат исследования: Создание верифицированной математической модели, интегрирующей теплообмен скважинных теплообменников с уточненными теплофизическими свойствами грунта. Ожидается, что модель будет включать все ключевые компоненты системы, такие как солнечные коллекторы, кратковременные тепловые аккумуляторы и сети скважинных теплообменников, а также учитывать сезонные и климатические нагрузки, характерные для регионов Казахстана.

В ходе реализации проекта будут опубликованы согласно конкурсной документации.

Область применения и целевые потребители: Результаты проекта будут полезны для исследовательских институтов, государственных учреждений, энергетических компаний и частных инвесторов, заинтересованных в реализации систем хранения тепловой энергии. Применение данной модели обеспечит более эффективное использование солнечных ресурсов и оптимизацию работы систем отопления.

Влияние на научное направление: Ожидается, что разработанная модель существенно повлияет на развитие науки в области теплотехники и возобновляемых источников энергии, а также окажет положительное влияние на смежные области, такие как геотермальная энергетика и экология.

Коммерциализация результатов: Полученные результаты могут быть использованы для создания новых бизнес-моделей в области энергетики, что открывает возможности для их коммерческого применения и внедрения на рынок. Это также может привести к снижению затрат на теплообмен и улучшению энергетической эффективности.

Социально-экономический и экологический эффект: Проект способствует решению актуальных проблем в области энергетической безопасности и устойчивого развития, что особенно важно для Казахстана. Ожидается снижение зависимости от ископаемых источников энергии, а также уменьшение углеродного следа, что окажет положительное влияние на экологическую обстановку в стране.

По результатам исследования по данному проекту будут подготовлены докторант и магистрант.

Таким образом, ожидаемые результаты исследования будут не только значимыми с научной точки зрения, но и практически применимыми, что обеспечит их востребованность в различных областях.

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.