Геотермальні теплові насоси з багатоконтурними ґрунтовими полями для автономного теплопостачання кампусів

UKR: Актуальність дослідження зумовлена необхідністю трансформації кампусних інфраструктур до низьковуглецевих, автономних та високоефективних систем теплопостачання, у яких використання геотермальних теплових насосів з багатоконтурними ґрунтовими полями розглядається як одне з найперспективніших рішень. З огляду на високу сезонну та добову мінливість теплових навантажень сучасних кампусів і значну неоднорідність геологічних умов виникає потреба у науковому обґрунтуванні оптимальних параметрів проєктування та експлуатації таких систем. Мета статті полягає у науковому обґрунтуванні інженерних принципів проєктування та раціональних режимів експлуатації геотермальних теплових насосів із багатоконтурними ґрунтовими полями з урахуванням теплофізичних властивостей ґрунту, динаміки теплового навантаження кампусу та вимог енергоефективності. Методи дослідження включають системний аналіз теплофізичних параметрів ґрунтових масивів, моделювання довготривалої динаміки температурних полів, структурно-технологічний аналіз роботи теплових насосів у змінних режимах та оцінювання техніко-експлуатаційних умов інтеграції геотермальних установок у теплові мережі кампусу. Застосовано аналітичне порівняння конфігурацій багатоконтурних полів і параметрів їх взаємодії з тепловими насосами, а також проведено аналіз світової практики функціонування подібних систем. У результаті проведеного дослідження встановлено закономірності формування та еволюції температурного поля багатоконтурних ґрунтових масивів, доведено визначальну роль теплопровідності, вологості й геометрії контурів у забезпеченні стабільної тепловіддачі. Обґрунтовано критичний вплив температури теплоносія на вході, гідравлічного балансування та динаміки теплового опору ґрунту на сезонну ефективність теплових насосів. Виявлено техніко-експлуатаційні умови для успішної інтеграції геотермальних систем у теплову інфраструктуру кампусу та визначено основні проблеми довготривалої стійкості багатоконтурних полів, зокрема деградацію теплового потенціалу, геологічну неоднорідність і територіальні обмеження. У висновках доведено, що поєднання багатоконтурної структури ґрунтових полів з інтелектуальними стратегіями керування, резервуванням критичних елементів та застосуванням низькотемпературних внутрішніх мереж формує передумови для забезпечення автономного, стабільного та енергоощадного теплопостачання кампусів у довгостроковому періоді. Перспективи подальших досліджень пов’язані з такими напрямами: розробленням точніших моделей термогідродинаміки ґрунтових масивів, удосконаленням методик визначення оптимальної щільності свердловин на обмежених територіях та інтеграцією геотермальних систем у мультиджерельні енергетичні комплекси нового покоління.

ENG: The relevance of this study arises from the growing need to transform campus infrastructure into low carbon, autonomous, and highly efficient heating systems in which geothermal heat pumps with multiloop ground fields represent one of the most promising solutions. Given the high seasonal and daily variability of thermal loads in modern campuses and the significant heterogeneity of geological conditions, there is a demand for scientifically grounded design and operational parameters for such systems. The aim of the article is to substantiate the engineering principles of designing and operating geothermal heat pumps with multiloop ground fields, taking into account the thermophysical properties of the soil, the dynamic thermal load of the campus, and energy efficiency requirements. The research methods include a systematic analysis of the thermophysical characteristics of soil masses, long term temperature field modeling, structural and technological analysis of heat pump performance under variable operating modes, and evaluation of the technical and operational conditions for integrating geothermal systems into campus heating networks. The study applies analytical comparisons of multiloop field configurations and their interaction parameters with heat pumps, as well as an examination of global best practices in the operation of similar systems. The results reveal the governing patterns in the formation and evolution of temperature fields in multiloop ground masses and demonstrate the fundamental role of thermal conductivity, soil moisture, and loop geometry in maintaining stable heat extraction. The study substantiates the critical influence of inlet fluid temperature, hydraulic balancing, and the dynamics of soil thermal resistance on the seasonal efficiency of heat pumps. It also identifies the technical and operational conditions required for successful integration of geothermal systems into campus thermal infrastructure and outlines key challenges to the long term stability of multiloop fields, including heat potential degradation, geological heterogeneity, and spatial constraints. The conclusions confirm that combining a multiloop ground field structure with intelligent control strategies, redundancy of critical components, and the use of low temperature internal heating networks creates the necessary conditions for autonomous, stable, and energy efficient campus heat supply over the long term. Future research prospects include advancing thermohydrodynamic models of soil masses, improving methods for determining optimal borehole density in constrained areas, and integrating geothermal systems into next generation multisource energy complexes.