Підвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів

Ескіз

Файли

Oslovskyi_dys.pdf (3.08 MB)

Дата

2023

Автори

Науковий керівник

Безродний, Михайло Костянтинович

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Ословський С. О. Підвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Підготовка здійснювалась на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. У вступі обґрунтовано актуальність підвищення енергетичної ефективності систем на базі теплових насосів (ТН), показано проблему наростаючого дефіциту енергоресурсів, подано загальну характеристику роботи ТН, сформульована мета дисертаційної роботи, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, представлено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію роботи, її структуру та обсяг. В першому розділі роботи проведено літературний огляд джерел та проаналізовано сучасний стан досліджень в науковому просторі стосовно теми дисертації. Розглянуто проблему використання теплонасосних установок, яка висвітлюється в літературі. Проаналізовано основні причини низького рівня застосування ТН та геотермального теплопостачання загалом в Україні та світі. Визначено напрямки та етапи раціонального проектування систем опалення, вентиляції та кондиціювання повітря (ОВ і К) на базі ТН. Проаналізовано економічні аспекти впровадження ТН та специфіку українського ринку. Показано аналоги державних програм підтримки та економічного стимулювання енергоефективних технологій ОВ і К в світі. Проведено аналіз досліджень в напрямку конструктивних особливостей теплообмінника нижнього контуру ґрунтового ТН, який широко представлений в літературі. Визначено та проаналізовано фактори, що впливають на енергетичну ефективність ґрунтового ТН на різних етапах впровадження. Висвітлено вплив наземного покриття, руху підземних вод, перенесення вологи, промерзання ґрунту на ефективність роботи ТН. Зроблено висновок про загальний стан досліджень в сфері теплонасосних технологій та, за результатами літературного огляду, поставлено задачі дослідження. У другому розділі проведено термодинамічний аналіз розроблених схем опалення та вентиляції на базі ґрунтового ТН з використанням низькопотенційних джерел енергії та комбінації з повітряним ТН. Розроблено комбіновану схему теплонасосного опалення і вентиляції з використанням теплоти ґрунту, стічних вод та вентиляційних викидів, теплота від яких відбирається за допомогою теплоутилізатору вентиляційної установки. Для цієї схеми розроблено термодинамічну модель, яка містить рівняння для розрахунку енергетичного балансу окремих компонентів і системи в цілому. Було запропоновано алгоритм для визначення параметрів у різних вузлових точках системи, що дозволяє числовий аналіз схеми. Результати цього аналізу представлені у вигляді графічних зображень, що ілюструють роботу схеми при різних початкових параметрах і температурах навколишнього середовища. На основі отриманих даних зроблено висновки щодо потенційного зниження капітальних та експлуатаційних витрат на опалення та вентиляцію за рахунок впровадження запропонованого рішення. Підкреслено ефективність комбінованої схеми та її спроможність сприяти енергозбереженню та збереженню навколишнього середовища в комунальному секторі. Розглянуто систему теплопостачання, що використовується комбінацію повітряного та ґрунтового ТН, що включені в роботу каскадно. Щоб оцінити продуктивність системи, розробляється обчислювальна модель на основі набору рівнянь, які враховують тепловий і матеріальний баланси в системі. Аналіз обчислювальної моделі дає систему рівнянь, що дозволяє перевірити два ключових показники енергоефективності: відносне теплове навантаження на ґрунтовий теплообмінник і питомі загальні витрати на зовнішню роботу, необхідну для керування системою. Ці показники вивчаються відносно глибини утилізації тепла, отриманого від вентиляційних викидів. Результати демонструють, що оптимальної енергоефективності та ефективності витрат у системі опалення та вентиляції з двома ТН можна досягти, коли глибина використання вентиляційних викидів узгоджується з умовою рівних коефіцієнтів перетворення як для повітряних, так і для ґрунтових ТН. Загалом, зроблено висновок, що позитивний вплив на енергоспоживання та інвестиційні витрати може бути досягнуто шляхом використання системи опалення та вентиляції з використанням двох ТН, за умови, що глибина використання вентиляційних викидів відповідає умові рівних коефіцієнтів перетворення для повітря і ґрунтові ТН. У третьому розділі проаналізовано термодинамічну ефективність використання комбінованих схем кондиціювання повітря на базі ґрунтових ТН. Проведено аналіз енергетичної ефективності системи кондиціонування повітря, на базі ґрунтового ТН з горизонтальним ґрунтовим теплообмінником. Результати досліджень свідчать про те, що оптимальна ефективність такої системи досягається при приблизно однаковій тривалості холодного і спекотного періодів. Визначено температури в ключових точках системи та коефіцієнт корисної дії, а також встановлюються зв’язки між цими параметрами та змінними системи. Проведено порівняння між запропонованою системою та стандартною сплітсистемою, що виявило значний позитивний вплив системи на базі ґрунтового ТН. Однак зазначається, що вимоги до теплоізоляції для будівель, які використовують систему кондиціонування повітря з ґрунтовим тепловим насосом, повинні будуть бути більш жорсткими. Тим не менш, використання системи протягом року може призвести до значної економії енергії для кондиціонування повітря. Розглянуто теплонасосну систему кондиціювання повітря на базі вертикального ґрунтового теплообмінника. Визначено дві задачі дослідження: аналіз ефективності в активному та пасивному режимах кондиціювання. Проведено термодинамічний аналіз ефективності роботи запропонованої схеми. Визначено основні параметри роботи системи у вузлових точках. За допомогою балансових рівнянь визначено рамки роботи системи в пасивному та активному режимах за основними параметрами. Побудовано та проаналізовано графічні залежності показників енергетичної ефективності від визначальних параметрів роботи системи. Показано, за яких значень параметрів система має оптимальні витрати на експлуатацію. Результати дослідження співставлено з такими ж даними для спліт-системи. Визначено переваги і недоліки використання запропонованого рішення. Визначено, що теплонасосна система з використанням теплоти ґрунту для кондиціювання повітря з вертикальним ґрунтовим теплообмінником має більш жорсткі вимоги до термічної ізоляції об’єкту кондиціювання, аніж система на базі повітряного ТН. Четвертий розділ включає в себе дослідження практичного використання запропонованих рішень для опалення, вентиляції та кондиціювання повітря на базі ґрунтового ТН. Проаналізовано енергетичну ефективність схеми теплопостачання на базі ґрунтового ТН з використанням теплоти вентиляційних викидів та стічних вод для опалення та вентиляції реального виробничого цеху в м. Черкаси. Для цього проведено розрахунок теплових втрат приміщень, підібрано теплонасосне обладнання, визначено затрати зовнішньої енергії на систему та кількість ТН. Наведено дані щодо температури за опалювальний період погодинно в досліджуваному регіоні. На основі цих даних показано частку часу за опалювальний сезон, коли працюють компресори ТН та їх кількість, проведено порівняння з традиційною системою на базі ґрунтового ТН. Зроблено висновки щодо доцільності використання запропонованого рішення та показано реальний ефект від його застосування. Проведено аналіз термодинамічної ефективності використання системи кондиціювання повітря на базі ґрунтового ТН з горизонтальним ґрунтовим теплообмінником для охолодження приватного заміського будинку в с. Ходосівка, Київської області. Проведено розрахунок надходжень теплоти до приміщень, обрано ТН. Визначено межі роботи ТН для кондиціювання повітря в активному та пасивному режимах, показано граничну температуру навколишнього повітря, за якої вмикається компресор ТН. Проаналізовано гідрометеорологічні дані за останній теплий сезон в м. Києві. На основі такого аналізу спрогнозовано кількість часу роботи системи в активному режимі. Зроблено порівняння запропонованого рішення з традиційною спліт-системою кондиціювання повітря. Результат порівняння наведено у вигляді графічних залежностей. Зроблено висновки про особливості роботи запропонованої системи, показано реальний ефект від її використання.

Опис

Ключові слова

тепловий насос, ґрунтовий теплообмінник, низькотемпературні джерела енергії, опалення, вентиляція, геотермальне теплопостачання, енергетична ефективність, коефіцієнт перетворення, термодинамічний аналіз, стічні води, вентиляційні викиди, атмосферне повітря, теплоутилізатор, питомі затрати зовнішньої енергії, кондиціювання, холодильний коефіцієнт, heat pump, ground heat exchanger, low-temperature energy sources, heating, ventilation, geothermal heat supply, energy efficiency, coefficient of performance, thermodynamic analysis, wastewater, ventilation emissions, atmospheric air, heat recovery unit, specific external energy costs, air conditioning, energy efficiency ratio

Бібліографічний опис

Ословський, С. О. Підвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів : дис. … д-ра філософії : 144 теплоенергетика / Ословський Сергій Олексійович. – Київ, 2023. – 155 с.

URI

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64307

DOI

Зібрання

Дисертації (ТАЕ)
Дисертації (вільний доступ)