Экстремальные погодные явления, нехватка воды и другие последствия изменения климата поставили под угрозу энергетическую инфраструктуру во всем мире. Повышенное энергопотребление угрожает долговечности надежного энергоснабжения, и для уменьшения продолжающегося воздействия потепления климата необходимы значительные сокращения коллективного потребления энергии. Большинство источников энергии требуют топлива и выделяют парниковые газы и другие формы загрязнения воздуха. Например, на отопление и охлаждение зданий приходится более 25 процентов мирового потребления энергии. В частности, в Европейском Союзе на здания приходится около 40 процентов потребления энергии и 36 процентов выбросов углекислого газа. Поскольку почти три четверти его зданий считаются неэффективными с точки зрения энергопотребления, ЕС недавно обновил свою Директиву об энергетических показателях зданий, чтобы к 2021 году все вновь построенные здания были почти нулевыми.
Устойчивые системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), такие как те, которые используют геотермальную энергию с низкой энтальпией, необходимы для достижения огромной цели ЕС. В этих системах используется водяной тепловой насос, подключенный к геотермальному теплообменнику с вертикальными скважинами (глубокие, узкие отверстия в земле). Скважины оснащены коаксиальными или U-образными трубами, которые транспортируют текучую теплоносящую жидкость, которая обменивается теплом с землей, используя землю в качестве источника тепла зимой и теплоотвода летом. Такие геотермальные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха действительно могут быть возобновлены только в том случае, если стратегия теплообменника и впрыска / извлечения тепла разработана правильно. В противном случае возникающее в результате термическое истощение земли ухудшает производительность системы.
В статье, опубликованной 12 февраля в журнале SIAM Journal по прикладной математике, Мигель Херманнс и Сантьяго Ибаньес используют методы асимптотического расширения для изучения гармонического теплового отклика вертикальных геотермальных скважин на субгодичные гармонические возбуждения. Интерес Германна к геотермальному теплообмену начался в 2011 году, когда испанская строительная компания связалась с ним по поводу проведения исследований и разработок для теоретического моделирования геотермальных теплообменников. «Геотермальные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха являются одними из самых энергоэффективных решений в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, доступных в настоящее время», — сказал Германнс. «Их широкое распространение может явно помочь в продолжающейся борьбе с изменением климата».
Правильный выбор размеров этих теплообменников имеет решающее значение при использовании низкотемпературной геотермальной энергии. «Эта калибровка проводится на этапе проектирования здания с использованием обширного численного моделирования для прогнозирования теплового отклика геотермального теплообменника и окружающей его земли на следующие 25, 50 или даже 100 лет эксплуатации», — сказал Германнс. «Если оно слишком большое, геотермальная система ОВК экономически не выгодна. Если оно слишком мало, ожидаемая экономия энергии не достигается». По этим причинам необходимы быстрые и точные теоретические и численные модели.
