Експериментально-розрахункове обґрунтування інтегральних теплофізичних характеристик ґрунтового масиву для чисельного моделювання ґрунтово-повітряного теплообмінника

Abstract

UA: 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 глинрізної 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. /// EN: The article presents the results of an experimental and computational determination of the physical and thermophysical characteristics of soil used as input parameters for numerical modeling of an earth-to-air heat exchanger in a geothermal ventilation system. The relevance of the study is determined by the need to account for the actual heterogeneity of the soil profile, since lithological composition, bulk density, moisture content, and heat storage capacity of the soil significantly affect the intensity of heat transfer between the underground air duct and the surrounding soil medium. Field studies were carried out at an experimental site where a prototype geothermal ventilation system had been installed. During manual borehole drilling, layer-by-layer soil sampling was performed, and the lithological type of the material, the mass of the extracted drilling portion, bulk density, and gravimetric moisture content were determined. The boundaries of individual layers were established based on a visual-manual description, taking into account color, grain size, plasticity, cohesion, moisture condition, and the presence of inclusions. The obtained data were summarized in the form of a stratigraphic scheme with depth profiles of bulk density and moisture content. It was found that the studied medium has a heterogeneous lithological structure and is represented by a sequence of a chernozem layer, loams, sandy loam, and clays of different consistencies. The results show that bulk density generally increases with depth, whereas the moisture distribution is nonmonotonic. For the purposes of the computational experiment, the heterogeneous profile was represented as an equivalent homogeneous medium with weighted-average parameters. Based on the experimentally determined values of bulk density, moisture content, and lithological composition, as well as reference data for the corresponding material types, the equivalent values of soil thermal conductivity and specific heat capacity were determined as 0.926 W/(m·K) and 920 J/(kg·K), respectively. The obtained results can be used as input data for further numerical modeling of transient heat transfer between the airflow in the underground duct and the soil mass, which makes it possible to refine the prediction of the temperature regime of an earth-to-air heat exchanger in a geothermal ventilation system.