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

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБезродний, Михайло Костянтинович
dc.contributor.authorОсловський, Сергій Олексійович
dc.date.accessioned2024-02-05T13:34:15Z
dc.date.available2024-02-05T13:34:15Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractОсловський 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.
dc.description.abstractotherOslovskyi S. O. Increasing the energy efficiency of ground-source heat pump systems for heating and air conditioning. – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. The thesis on completion of the Doctor of Philosophy degree on specialty 144 − Heat power engineering. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2023. The education was carried out at The Department of Heat and Alternative Power Engineering of the National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The introduction justifies the relevance of increasing the energy efficiency of systems based on heat pumps, demonstrates the growing problem of energy resource shortage, provides a general overview of the operation of heat pumps, formulates the objective of the dissertation work, outlines the main tasks, object and subject of research, presents the scientific novelty and practical value of the obtained results, provides information about the personal contribution of the researcher and the work's validation, its structure and scope. The first chapter of the thesis includes a literature review of sources and an analysis of the current state of research in the scientific field regarding the topic of the dissertation. The problem of using ground source heat pump systems and geothermal heat supply in general, as discussed in the literature, is considered. The main reasons for the low level of ground source heat pump utilization in Ukraine and worldwide are analyzed. The directions and stages of rational design for heating, ventilation, and air conditioning systems using ground source heat pumps are identified. The economic aspects of implementing ground source heat pumps and the specifics of the Ukrainian market are analyzed. Analogues of state support programs and economic incentives for energy-efficient HVAC technologies are shown worldwide. An analysis of research on the structural features of the lower circuit heat exchanger of ground source heat pumps, which are widely discussed in the literature, is conducted. Factors influencing the energy efficiency of ground source heat pumps at different stages of implementation are identified and analyzed. The impact of surface coverings, groundwater movement, moisture transfer, and soil freezing on the performance of ground source heat pumps is highlighted. A conclusion is made regarding the overall state of research in the field of ground source heat pump technologies, and research objectives are set based on the results of the literature review. In the second chapter, a detailed analysis was conducted on the heating and ventilation schemes that use heat of soil with low-potential energy sources. The thermodynamic analysis provided valuable insights into improving the operating conditions of the heat supply system based on ground heat pump and utilizing the heat of waste water, the heat from which is extracted using the heat recovery unit of the ventilation unit. A combined heating and ventilation scheme was developed, utilizing heat of soil, waste water, and ventilation emissions. A thermodynamic model was created, incorporating equations to calculate the energy balance of individual components and the system as a whole. An algorithm was designed to determine parameters at different points of the system, enabling numerical analysis. The results were presented graphically, showcasing the operation of the circuit under various conditions. Based on the data obtained, it was concluded that implementing this scheme can lead to potential reductions in capital and operating costs for heating and ventilation, contributing to energy saving and environmental protection in the utility sector. Lastly, a heat supply system using a combination of air and ground heat pumps in cascade operation was examined. A computational model was developed to evaluate system performance, taking into account heat and material balances. The analysis yielded a system of equations to assess two key indicators of energy efficiency: the relative heat load on the soil heat exchanger and the specific total costs of external work required for system control. These indicators were studied in relation to the depth of utilization of heat obtained from ventilation emissions. The results demonstrated that optimal energy efficiency and cost efficiency can be achieved when the depth of utilization of ventilation emissions aligns with the condition of equal COP for both air and ground heat pumps. Overall, it was concluded that utilizing a heating and ventilation system with two heat pumps can positively impact energy consumption and investment costs, provided that the depth of utilization of ventilation emissions meets the condition of equal conversion factors for air and soil heat pumps. In the third chapter, an analysis is conducted on the thermodynamic efficiency of combined conditioning schemes based on ground source heat pump. A study was conducted to analyze the energy efficiency of an air conditioning system that utilizes ground heating with horizontal ground heat exchangers. The research findings indicate that the optimal efficiency of this system is achieved when cold and hot periods have approximately the same duration. Temperatures at key points of the system and efficiency are determined, and relationships between these parameters and system variables are established. A comparison was made between the proposed system and the standard split system, revealing a significant positive effect of the system based on soil HP. However, it should be noted that buildings using an air conditioning system with a ground source heat pump will require stricter thermal insulation requirements. Nevertheless, utilizing the system throughout the year can lead to substantial energy savings for air conditioning. The heat pump air conditioning system based on a vertical soil heat exchanger is also considered. Two research tasks were defined: analyzing efficiency in active and passive modes of conditioning. A thermodynamic analysis of the efficiency of the proposed scheme was carried out, and the main operating parameters of the system at nodal points were determined. The framework of the system's operation in passive and active modes according to the main parameters was determined using balance equations. Graphical dependencies of energy efficiency indicators on the determining parameters of the system were constructed and analyzed. It is shown at which parameter values the system has optimal operating costs. The results of the study are then compared with those for the split system, determining the advantages and disadvantages of using the proposed solution. It was found that the HP system, which utilizes soil heat for air conditioning with a vertical soil heat exchanger, has stricter requirements for the thermal insulation of the air-conditioning object compared to the system based on the air heat pump. The fourth chapter of the thesis focuses on the practical application of the proposed heating, ventilation, and air conditioning solutions using soil HP. In order to analyze the energy efficiency of a ground heat pump-based heat supply scheme, the heat emitted from ventilation and sewage water was utilized to heat and ventilate a real production workshop in Cherkasy. This involved calculating the heat losses of the premises, selecting appropriate heating equipment, determining the system's external energy consumption and heating requirements. Hourly temperature data for the heating season in studied region was used to determine the working time and number of heat pump compressors, and a comparison was made with a traditional ground source heat pump system. The conclusion assesses the viability of the proposed solution and demonstrates its actual impact when implemented. An analysis focused on the thermodynamic efficiency of an air conditioning system using soil heat pumps with a horizontal soil heat exchanger for cooling a private country house in Khodosivka, Kyiv region. The calculation involved determining the heat inflow into the premises and selecting an appropriate heat pumps. The operating limits of the heat pump in active and passive modes were established, including the temperature threshold at which the heat pump compressor engages. Hydrometeorological data from the previous hot season in Kyiv was analyzed to predict the system's active mode operation time. A comparison between the proposed solution and a traditional split air conditioning system was conducted and the results were presented through graphical representations. Conclusions were drawn regarding the characteristics of the proposed system, and its real-world effectiveness was demonstrated.
dc.format.extent155 с.
dc.identifier.citationОсловський, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/64307
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectтепловий насос
dc.subjectґрунтовий теплообмінник
dc.subjectнизькотемпературні джерела енергії
dc.subjectопалення
dc.subjectвентиляція
dc.subjectгеотермальне теплопостачання
dc.subjectенергетична ефективність
dc.subjectкоефіцієнт перетворення
dc.subjectтермодинамічний аналіз
dc.subjectстічні води
dc.subjectвентиляційні викиди
dc.subjectатмосферне повітря
dc.subjectтеплоутилізатор
dc.subjectпитомі затрати зовнішньої енергії
dc.subjectкондиціювання
dc.subjectхолодильний коефіцієнт
dc.subjectheat pump
dc.subjectground heat exchanger
dc.subjectlow-temperature energy sources
dc.subjectheating
dc.subjectventilation
dc.subjectgeothermal heat supply
dc.subjectenergy efficiency
dc.subjectcoefficient of performance
dc.subjectthermodynamic analysis
dc.subjectwastewater
dc.subjectventilation emissions
dc.subjectatmospheric air
dc.subjectheat recovery unit
dc.subjectspecific external energy costs
dc.subjectair conditioning
dc.subjectenergy efficiency ratio
dc.subject.udc621.577; 697.1;697.9
dc.titleПідвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Oslovskyi_dys.pdf
Розмір:
3.08 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТАЕ)
Дисертації (вільний доступ)