АР08857319 — Исследование путей повышения теплообменных характеристик скважинного грунтового теплообменника вертикального типа для обеспечения высокой продуктивности тепловых насосов

Цель проекта: Целью проекта является исследование механизмов улучшения теплообменных характеристик скважинных грунтовых теплообменников для повышения коэффициента производительности (COP) тепловых насосов в континентальных климатических условиях и разработка соответствующих рекомендаций. Рекомендаций будут основаны на экспериментальных исследованиях создаваемого прототипа грунтового теплового насоса, а также на основе лицензированных ПО и созданных авторами проекта компьютерных алгоритмов расчета гидродинамических и теплообменных процессов.

Актуальность проекта: Строительный сектор является одним из крупнейших потребителей энергии и источников выбросов парниковых газов, что особенно актуально для крупных городов Казахстана с высоким уровнем загрязнения воздуха. Использование традиционных источников энергии для отопления и горячего водоснабжения усугубляет экологические и медицинские проблемы населения. В связи с этим разработка и внедрение энергоэффективных и экологически чистых технологий, таких как грунтовые тепловые насосы, является актуальной задачей современности.

Научный руководитель: Доктор PhD, Беляев Ержан Келесович

Полученные результаты: В ходе выполнения НИР был разработан и экспериментально реализован солнечный грунтовый тепловой насос с вертикальным скважинным теплообменником, подтверждена его работоспособность в климатических условиях Алматы и Астаны. Созданы и верифицированы 3D математические модели тепломассопереноса и гидродинамики, позволившие исследовать влияние геометрических и физических параметров на эффективность системы. Экспериментальные исследования показали, что коэффициент преобразования (COP) системы достигает 2,11–2,76, что подтверждает её энергетическую эффективность. Разработаны рекомендации по проектированию, установке и эксплуатации системы с учетом сезонного аккумулирования тепла в грунте. Проведён технико-экономический анализ, показавший конкурентоспособность технологии при наличии субсидий и снижении затрат на бурение. Полученные результаты обладают высокой научной новизной и практической значимостью для внедрения в системах теплоснабжения.

Список публикаций с ссылками на них

1. Toleukhanov A., Belyayev Ye., Amanzholov T., Seitov A., Aliuly A., Yerdesh Ye., Mohanraj M., Singh R.M. Thermal performance calculation of solar assisted ground source heat pump // Proceedings of the Fourth International Scientific Conference Alternative Energy Sources, Materials & Technologies (AESMT’21). – Ruse, Bulgaria, 2021. – Vol. 3. – P. 9–10. – URL: https://www.aesmt.lima-city.de/Home_AESMT_21.html
2. Әлиұлы А., Толеуханов А.Е., Беляев Е.К., Калтаев А. Моделирование тепловых процессов солнечного водонагревателя // Сатпаевские чтения. – 2021. – Т. 2. – С. 120–123. – URL: https://official.satbayev.university/ru/materialy-satpaevskikh-chteniy
3. Беляев Е.К., Толеуханов А.Е., Аманжолов Т.Е., Калтаев А. Солнечный грунтовой тепловой насос для теплоснабжения в континентальных климатических условиях // Сатпаевские чтения. – 2021. – Т. 2. – С. 124–127. – URL: https://official.satbayev.university/ru/materialy-satpaevskikh-chteniy
4. Ердеш Е.Б., Беляев Е.К., Толеуханов А.Е., Калтаев А. Оценка производительности теплового насоса «Вода–Вода» // Сатпаевские чтения. – 2021. – Т. 2. – С. 127–131. – URL: https://official.satbayev.university/ru/materialy-satpaevskikh-chteniy
5. Сейтов А., Беляев Е.К., Толеуханов А.Е., Тунгатарова М.С. Численный анализ теплопередачи в системе хранения скрытой теплоты с уплотненным слоем // Сатпаевские чтения. – 2021. – Т. 2. – С. 131–135. – URL: https://official.satbayev.university/ru/materialy-satpaevskikh-chteniy
6. Yang L.W., Xu R.J., Xua N., Xia Y., Zhou W.B., Yang T., Belyayev Ye., Wang H.S. Review of the advances in solar-assisted air source heat pumps for the domestic sector // Energy Conversion and Management. – 2021. – No. 247. – P. 114710. – DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114710
7. Amanzholov T., Seitov A., Aliuly A., Yerdesh Ye., Mohanraj M., Botella O., Feidt M., Wang H.S., Belyayev Ye., Toleukhanov A. Thermal response measurement and performance evaluation of borehole heat exchangers in Kazakhstan // Energies. – 2022. 
8. Yerdesh Ye., Amanzholov T., Aliuly A., Seitov A., Toleukhanov A., Mohanraj M., Botella O., Feidt M., Wang H.S., Tsoy A., Belyayev Ye. Experimental and theoretical investigations of ground source heat pump system: a case study in Kazakhstan // Energies. – 2022.
9. Беляев Е.К., Толеуханов А.Е., Ердеш Е.Б., Аманжолов Т.Е., Алиулы А., Сейтов А. Солнечный грунтовой тепловой насос с возможностью восстановления теплофизических свойств грунта // Заявка на патент на изобретение РК. – № 2022/0680.1 от 28.10.2022.
10. Yerdesh Ye., Toleukhanov A., Mohanraj M., Wang H.S., Botella O., Feidt M., Belyayev Ye. Air-to-Water Cascade Heat Pump Thermal Performance Modelling for Continental Climate Regions // Entropie thermodynamique – énergie – environnement – économie. – 2022. – Vol. 3. – P. 1–16. – DOI: https://doi.org/10.21494/ISTE.OP.2022.0836
11. Amanzholov T., Belyayev Ye., Mohanraj M., Toleukhanov A. Study of borehole heat exchanger heat transfer enhancement parameters // Journal of Mathematics, Mechanics, and Computer Science. – 2022. – Vol. 115, No. 3. – P. 65–77. – DOI: https://doi.org/10.26577/JMMCS.2022.v115.i3.07