Том 336 № 12 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/12/4948
Численное моделирование и искусственный интеллект для прогнозирования эффективности новой конфигурации теплообменника земля–воздух в прохладных регионах Алжира
Актуальность. Интерес к поиску устойчивых альтернатив классическим системам отопления и охлаждения. Геотермальная энергия используется из-за ее меньшего воздействия на окружающую среду по сравнению с традиционными источниками энергии. Исследование вызвано необходимостью изучить влияние различных конструктивных параметров на температуру воздуха на выходе и среднюю эффективность систем теплообменников с земляным воздухом. Цель: изучить влияние различных конструктивных параметров, таких как длина трубы, скорость движения воздуха, диаметр трубы и условия на входе, на температуру воздуха на выходе и среднюю эффективность системы теплообменника с земляным воздухом. Числовые данные были использованы для обучения алгоритма искусственных нейронных сетей на основе искусственного интеллекта, который применялся для прогнозирования температуры воздуха при более расширенном диапазоне влияющих параметров. Методы: численный анализ с использованием ANSYS FLUENT для моделирования новой геометрической конфигурации теплообменника земля–воздух со спиральной конструкцией трубы. Расчеты определили температуру на выходе и эффективность воздушного теплообменника, были использованы для обучения алгоритма искусственных нейронных сетей для прогнозирования температуры на выходе в более широком диапазоне параметров. Результаты и выводы. В ходе исследования было изучено влияние нескольких факторов, таких как расстояние между шагами, скорость движения воздуха, диаметр трубы, температура воздуха на входе и длина, на эффективность системы в самые холодные месяцы 2023 г. Мы пришли к следующим выводам: необходимая глубина для эффективного теплообмена в теплообменнике земля–воздух составляет 6–7 м для всех указанных глубин; температура нагнетаемого воздуха повышается при уменьшении диаметра трубы; при снижении скорости воздуха температура выходящего воздуха повышается; увеличение расстояния между шагами спиральной трубы приводит к снижению температуры воздуха на выходе EAHE; при увеличении скорости воздуха средняя эффективность η падает. Наибольшее снижение наблюдалось при меньшей скорости воздуха и меньшем диаметре трубы. Наибольшее падение η между диаметрами труб 110 и 250 мм составляет около 21 %; применение метода искусственных нейронных сетей было оправдано, так как он позволил предсказать температуру воздуха с очень высокой точностью.
Ключевые слова:
численное исследование, теплообменник земля–воздух, отопление, геотермальная энергия, спиральная труба
Библиографические ссылки:
1. Bansal V., Misra R., Agarwal G.D., Mathur J. Performance analysis of earth-pipe-air heat exchanger for winter heating. Energy and Buildings, 2009, vol. 41 (11), pp. 1151–1154. DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.05.010
2. Bansal V., Misra R., Agrawal G.D., Mathur J. Performance analysis of earth–pipe–air heat exchanger for summer cooling. Energy and Buildings, 2010, vol. 42 (5), pp. 645–648. DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.11.001
3. Abbaspour-Fard M.H., Gholani A.M., Khojastehpour M. Evaluation of an earth-to-air heat exchanger for the north-east of Iran with semi-arid climate. International Journal of Green Energy, 2011, vol. 8 (4), pp. 499–510. DOI: 10.1080/15435075.2011.576289
4. Benrachi N., Ouzzane M., Smaili A., Lamarche L., Badache M. Numerical parametric study of a new earth-air heat exchanger configuration designed for hot and arid climates. International Journal of Green Energy, 2020, vol. 17 (2), pp. 115–126. DOI: 10.1080/15435075.2019.1700121
5. Zhao Y., Li R., Ji C., Huan C. Parametric study and design of an earth-air heat exchanger using model experiment for memorial heating and cooling. Applied Thermal Engineering, 2019, vol. 148, pp. 838–845. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.11.018
6. Serageldin A.A., Abdelrahman A.K., Ookawara S. Earth-air heat exchanger thermal performance in Egyptian conditions: experimental results, mathematical model, and computational fluid dynamics simulation. Energy Conversion and Management, 2016, vol. 122, pp. 25–38. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.05.053
7. Pakari A., Ghani, S. Performance evaluation of a near-surface earth-to-air heat exchanger with short-grass ground cover: an experimental study. Energy Conversion and Management, 2019, vol. 201, 112163. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.112163
8. Benhamza M.E., Brima A., Houda S., Noureddine M. Contribution to the study of the reduction of energy consumption through the exchanger coupled conventional air-ground-air conditioner. Application to the building. Heat Transfer, 2017, vol. 46 (8) pp. 1104–1118. DOI: 10.1002/htj.21262
9. Zhou T., Xiao Y., Liu Y., Lin J., Huang H. Research on cooling performance of phase change material-filled earth-air heat exchanger. Energy Conversion and Management, 2018, vol. 177, pp. 210–223. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.09.047
10. Li H., Ni L., Yao Y., Sun C. Experimental investigation on the cooling performance of an Earth to Air Heat Exchanger (EAHE) equipped with an irrigation system to adjust soil moisture. Energy and Buildings, 2019, vol. 196, pp. 280–292. DOI: 10.1016/j.enbuild.2019.05.007
11. Sanusi A.N.Z., Shao L., Ibrahim N. Passive ground cooling system for low energy buildings in Malaysia (Hot and Humid Climates). Renewable Energy, 2013, vol. 49, pp. 193–196. DOI: 10.1016/j.renene.2012.01.033
12. Jakhar S., Misra R., Soni M.S., Gakkhar N. Parametric simulation and experimental analysis of earth air heat exchanger with solar air heating duct. Engineering Science and Technology, 2016, vol. 19 (2), pp. 1059–1066. DOI: 10.1016/j.jestch.2016.01.009
13. Soroush H., Soroush E., Esmail L. Numerical investigation of serpentine earth-to-air heat exchanger for passive building heating systems by recovery criteria. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2022, vol. 53, 102728. DOI: 10.1016/j.seta.2022.102728
14. Zeitoun W., Lin J., Siroux M. Energetic and exergetic analyses of an experimental earth–air heat exchanger in the northeast of France. Energies, 2023, vol. 16 (3), 1542 DOI: 10.3390/en16031542
15. Sehli A., Hasni A., Tamali M. The potential of earth-air heat exchangers for low energy cooling of buildings in South Algeria. Energy Procedia, 2012, vol. 18, pp. 496–506. DOI: 10.1016/j.egypro.2012.05.061
16. Maaden H., Menhoudj S., Mokhtari A.M., Benzaama, M. H. Experimental and numerical study of the sunspot's effect on the dynamic thermal behavior of a room equipped with an earth-air heat exchanger, in the heating season. Journal of Building Engineering, 2023, vol. 68, 106109. DOI: 10.1016/j.jobe.2023.106109
17. Chigbogu G.O., Akpan U.P. A review and appraisal of Nigeria's solar energy policy objectives and strategies against the backdrop of the renewable energy policy of the Economic Community of West African States. Renaw. Sustain. Energy, 2021, vol. 143, 110887.
18. Kumar R. Kaushik S.C., Garg S.N. Heating and cooling potential of an earth-to-air heat exchanger using artificial neural network. Renew. Energy, 2006, vol. 31 (8), pp. 1139–1155.
19. Mihalakakou G. On the heating potential of a single buried pipe using deterministic and intelligent techniques. Energy, 2003, vol. 28 (6), pp. 917–927.
20. Diaz S.E., Sierra J.M.T., Herrera J.A. The use of earth-air heat exchanger and fuzzy logic control can reduce energy consumption and environmental concerns even more. Energy and Buildings, 2013, vol. 65, pp. 458–463.
21. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of Heat in Solids. 2nd ed. Oxford, Clarenden Press, 1959. 510 p.
22. Brum R.S., Vaz J., Rocha L.A.O., Santos E.D., Isolde L.A. A new computational modeling to predict the behavior of earth-air heat exchangers. Energy and Buildings, 2013, vol. 64, pp. 395–402. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.05.032
23. Kamble L.V., Pangavhane D.R., Singh T.P. Heat transfer studies using artificial neural network - a review. Int. Energy J., 2014, vol. 14 pp. 25–42.
24. Magali R.G.M., Paulo E.M.A., Marcelo G.S.A. Comprehensive review for industrial applicability of artificial neural networks. IEEE Trans. Ind. Electron, 2003, vol. 50 pp. 585–601. DOI: 10.1109/TIE.2003.812470
25. Misra R., Bansal V., Agrawal G.D., Mathur J., Aseri T. Transient analysis based determination of derating factor for earth air tunnel heat exchanger in winter. Energy and Buildings, 2013, vol. 58, pp. 76–85. DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.11.002
