Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних теплових насосів
| dc.contributor.advisor | Безродний, Михайло Костянтинович | |
| dc.contributor.author | Місюра, Тимофій Олексійович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-09T09:26:34Z | |
| dc.date.available | 2024-02-09T09:26:34Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | Місюра Т. О. Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних 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», м. Київ, 2023. У вступі дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об’єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз сучасних даних щодо ефективного застосування систем HVAC (опалення, вентиляція та кондиціювання повітря) на базі повітряних теплових насосів з додатковим використанням різних низькопотенційних джерел теплоти або холоду. Проаналізовано сучасні підходи та актуальні тенденції до збільшення енергоефективності теплонасосних систем, наведено літературний огляд з питань організації цих заходів. На основі проведеного огляду встановлено перелік питань, які потребують більш глибокого дослідження. У другому розділі розглянуто принципову теплонасосну систему вентиляції та повітряного опалення виробничого приміщення з надлишковим вологовиділенням, у якій застосовано часткову рециркуляцію відпрацьованого повітря для підтримання заданих комфортних умов всередині приміщення. Показано, що необхідний для опалення додатковий підігрів припливного повітря може бути визначений через простий коефіцієнт пропорційності до перепаду температур всередині і ззовні приміщення, значення якого визначається характеристиками приміщення і кратністю повітрообміну. Проведено термодинамічний аналіз роботи системи для визначення необхідних режимів її роботи в холодний період року. Показано, що для підтримання заданих температури та вологовмісту повітря в приміщенні за різних параметрів довкілля коефіцієнт рециркуляції має змінюватись в залежності від температури і відносної вологості атмосферного повітря. Показані граничні межі застосування системи, після яких для підтримання комфортних умов в приміщенні необхідна робота системи в режимі кондиціювання припливного повітря. Отримані розрахункові величини питомих затрат зовнішньої енергії в даній системі, які характеризують енергетичну ефективність її роботи в залежності від параметрів навколишнього середовища. У третьому розділі досліджуються можливості застосування системи вентиляції та кондиціювання з тепловим насосом для підтримки комфортних умов усередині виробничої зони в теплу пору року. У зв’язку з цим було проведено термодинамічний аналіз теплонасосної системи з частковою рециркуляцією відпрацьованого повітря та змінною часткою свіжого зовнішнього повітря. Потім було проведено чисельний аналіз для оцінки впливу змін температури та відносної вологості навколишнього середовища та характеристик об’єкта вентиляції та кондиціювання на параметри системи. Це дозволило визначити потенційні можливості цієї системи підтримувати комфортні умови у виробничій зоні. Також було показано, що необхідне додаткове охолодження припливного повітря на вході в приміщення для потреб кондиціонування повітря можна визначити за допомогою простого коефіцієнта, і у розділі наведено методику його розрахунку. Теплонасосна система має найбільшу енергоефективність у зоні низьких температур навколишнього середовища та багато в чому залежить від відносної вологості зовнішнього повітря. Це свідчить, що досліджена система підходить до застосування у країнах із помірно-континентальним кліматом. У четвертому розділі проведено термодинамічний аналіз теоретичної моделі теплонасосної установки вентиляції та кондиціювання повітря з рециркуляцією холоду в залежності від параметрів зовнішнього повітря для підтримання температурних і вологісних умов у виробничому приміщенні в теплий період року. За допомогою чисельного аналізу методом послідовних наближень визначено параметри повітря в вузлових точках схеми та оцінено її енергетичну ефективність. Це дозволило встановити режими роботи установки в залежності від параметрів зовнішнього повітря, характеристик об’єктів вентиляції та кондиціювання та надходжень теплоти. Була кількісно відображена вагомість рециркуляції холоду для забезпечення високої ефективності роботи схеми. Досліджена система може бути придатною для застосування в країнах з помірним континентальним і вологим тропічним кліматом в усьому діапазоні температур навколишнього середовища, коли об’єктом вентиляції виступає виробниче приміщення з невисокою кратністю повітрообміну. У п’ятому розділі досліджено ефективність та режими роботи моделі теплонасосної системи вентиляції та кондиціювання повітря з рекуперацією холоду вентиляційного повітря в залежності від параметрів зовнішнього повітря, ефективності рекуперації та характеристик приміщення. За прототип був взятий цех з виробництва кондитерських виробів, де в теплу пору року необхідно підтримувати технологічний режим (температурно-вологісний режим). Проведено розрахунки методом послідовних наближень для оцінки параметрів повітря у вузлових точках системи. Це дозволило визначити теоретичну холодильну ефективність системи та довело переваги рекуперації в порівнянні з рециркуляцією для зменшення споживання енергії тепловим насосом. Досліджена система має найвищу енергоефективність в області відносно низьких температур і відносної вологості, що підходить для країн з помірно-континентальним кліматом. У шостому розділі викладено результати термодинамічного аналізу моделі теплонасосної системи вентиляції, кондиціювання та осушення виробничого приміщення за змінних величин внутрішніх надходжень вологи та теплоти у період перехідної та теплої пори роки. Встановлено та оцінено вплив рекуперації енергії відпрацьованого повітря на ефективність системи. У якості прототипу було прийнято ковальський цех, де необхідно підтримувати технологічні умови (температуру і відносну вологість). Принцип даної схеми полягає в тому, що виконуються умови постійних параметрів припливного повітря як по температурі, так і по вологості, у той час як в реальній практиці тільки один із параметрів є цільовим (найчастіше температура). Дана обставина виконується спеціальною організацією повітряних потоків таким чином, щоб досягалась максимально ефективна утилізація енергії, яка була згенерована в системі. Встановлено теоретичну холодильну ефективність даної системи та показало переваги рекуперації енергії для зниження енергозатрат на роботу системи. Дану модель можна застосувати для проектування припливновитяжних установок із встановленим контуром теплового насоса. У сьомому розділі міститься порівняльний термодинамічний аналіз двох найбільш популярних рішень загальної вентиляції та кондиціювання повітря: припливно-витяжних установок (ПВУ), що базуються на вбудованих контурах теплових насосів (ТН) або зовнішніх компресорно-конденсаторних блоках (ККБ) як основних джерелах енергії. Теоретичний аналіз проводився за однакових постійних умов у холодному режимі роботи в теплу пору року, коли необхідно охолоджувати припливне повітря. У результаті досліджень були побудовані графіки залежностей параметрів двох систем (температури та вологості повітря у вузлових точках систем, енергоефективності ТН або ККБ та схем в цілому) від параметрів зовнішнього повітря та потреб у вентиляції та кондиціюванні повітря всередині приміщення за умовами проекту. Досліджені теоретичні моделі двох систем можна використовувати для оцінки доцільності тієї чи іншої схеми в залежності від проекту, а також під час проектування ПВУ. Використовуючи даний аналіз, можна точно та ефективно підібрати такі реальні компоненти установки, як теплообмінники, компресор, ТРВ тощо для виробництва припливно-витяжних установок. | |
| dc.description.abstractother | Misiura T. O. Energy efficiency of combined heating, ventilation and air conditioning systems based on air heat pumps. – 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 introduction to the thesis highlights the relevance of the research topic today and the connection of the work with scientific programs and plans. The goal, scientific task, object, subject and methods of research are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are determined, the data on the approval of the thesis and available publications with an outline of the personal contribution of the author are presented. In the first chapter of the thesis, a review and analysis of modern data on the effective use of HVAC (heating, ventilation and air conditioning) systems based on air heat pumps with the additional use of various low-potential sources of heat or cold is carried out. Modern approaches and current trends to increase the energy efficiency of heat pump systems are analyzed , and a literature review on the organization of these measures is provided. Based on the review, a list of issues requiring deeper research was established. In the second chapter, the basic heat pump system of ventilation and air heating of the industrial premises with excess moisture release is considered, in which partial recirculation of the exhaust air is used to maintain the given comfortable conditions inside the premises. It is shown that the additional heating of supply air required for heating can be determined through a simple coefficient of proportionality to the temperature difference inside and outside the room, the value of which is determined by the characteristics of the room and the frequency of air exchange. A thermodynamic analysis of the system’s operation was carried out to determine the necessary modes of its operation in the cold period of the year. It is shown that to maintain the specified temperature and moisture content of the air in the room under different environmental parameters, the recirculation coefficient must change depending on the temperature and relative humidity of the atmospheric air. The maximum limits of the system’s application are shown, after which the operation of the system in supply air conditioning mode is necessary to maintain comfortable conditions in the room. Estimated values of the specific costs of external energy in this system were obtained, which characterize the energy efficiency of its operation depending on the environmental parameters. The third chapter explores the possibilities of using the ventilation and air conditioning system with a heat pump to maintain comfortable conditions inside the production area in the warm season. In this regard, a thermodynamic analysis of a heat pump system with partial recirculation of exhaust air and a variable proportion of fresh outside air was conducted. Numerical analysis was then carried out to assess the influence of changes in temperature and relative humidity of the environment and the characteristics of the ventilation and air conditioning facility on the system parameters. This made it possible to determine the potential capabilities of this system to maintain comfortable conditions in the production area. It was also shown that the required additional cooling of the supply air at the entrance to the room for air conditioning needs can be determined using a simple coefficient, and the method of its calculation is given in the section. The heat pump system has the greatest energy efficiency in the zone of low ambient temperatures and largely depends on the relative humidity of the outside air. This shows that the studied system is suitable for use in countries with a temperate continental climate. In the fourth chapter, a thermodynamic analysis of the theoretical model of a heat pump ventilation and air conditioning unit with cold recirculation is carried out depending on the parameters of the outside air for maintaining temperature and humidity conditions in the production premises in the warm period of the year. With the help of numerical analysis by the method of successive approximations, the parameters of the air at the nodal points of the scheme were determined and its energy efficiency was estimated. This made it possible to establish the operating modes of the installation depending on the parameters of the outside air, the characteristics of the ventilation and air conditioning facilities, and the heat input. The importance of cold recirculation to ensure high efficiency of the scheme was quantified. The studied system can be suitable for use in countries with a moderate continental and humid tropical climate in the entire range of ambient temperatures, when the object of ventilation is a production room with a low air exchange rate. In the fifth chapter, the effectiveness, and modes of operation of the model of the heat pump ventilation and air conditioning system with the recovery of the cold ventilation air depending on the parameters of the outside air, the recovery efficiency and the characteristics of the room are investigated. The workshop to produce confectionery products was taken as the prototype, where in the warm season it is necessary to maintain the technological regime (temperature and humidity regime). Calculations were carried out using the method of successive approximations to estimate the air parameters at the nodal points of the system. This made it possible to determine the theoretical cooling efficiency of the system and proved the advantages of recovery compared to recirculation for reducing the energy consumption of the heat pump. The studied system has the highest energy efficiency in the region of relatively low temperatures and relative humidity, which is suitable for countries with a temperate continental climate. The sixth chapter presents the results of the thermodynamic analysis of the model of the heat pump system of ventilation, air conditioning and drying of the production premises for variable amounts of internal moisture and heat inflows during the transitional and warm seasons. The impact of exhaust air energy recovery on system efficiency was established and evaluated . As a prototype, a blacksmith shop was adopted, where it is necessary to maintain technological conditions (temperature and relative humidity). The principle of this scheme is that the conditions of constant supply air parameters are met both in terms of temperature and humidity, while in real practice only one of the parameters is the target (most often temperature). This circumstance is fulfilled by a special organization of air flows in such a way as to achieve the most effective utilization of the energy that was generated in the system. The theoretical refrigerating efficiency of this system was established and the advantages of energy recovery for reducing energy consumption for system operation were shown. This model can be used to design supply and exhaust systems with an installed circuit of a heat pump. The seventh chapter contains a comparative thermodynamic analysis of the two most popular solutions for general ventilation and air conditioning: air-handling units (AHU) based on built-in circuits of heat pumps (HP) or external compressor-condenser units (CCU) as the main energy sources. The theoretical analysis was carried out under the same constant conditions in the cold mode of operation in the warm season, when it is necessary to cool the supply air. As a result of the research, graphs of the dependences of the parameters of the two systems (temperature and air humidity at the nodal points of the systems, energy efficiency of HP or CCU and schemes as a whole) were constructed on the parameters of the outside air and the needs for ventilation and air conditioning inside the premises according to the project conditions. The researched theoretical models of the two systems can be used to assess the feasibility of one or another scheme depending on the project, as well as during the design of the AHU. Using this analysis, it is possible to select such real plant components accurately and effectively as heat exchangers, compressors, heat pumps, etc. to produce supply and exhaust units. | |
| dc.format.extent | 168 с. | |
| dc.identifier.citation | Місюра, Т. О. Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних теплових насосів : дис. … д-ра філософії : 144 теплоенергетика / Місюра Тимофій Олексійович. – Київ, 2023. – 168 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64418 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | теплонасосна система | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | вентиляція | |
| dc.subject | повітряне опалення | |
| dc.subject | рециркуляція | |
| dc.subject | кондиціювання | |
| dc.subject | холодильна ефективність | |
| dc.subject | повітряний тепловий насос | |
| dc.subject | рекуперація | |
| dc.subject | відновлювані джерела енергії | |
| dc.subject | осушення | |
| dc.subject | припливно-витяжна установка | |
| dc.subject | ККБ | |
| dc.subject | heat pump system | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | modelling | |
| dc.subject | ventilation | |
| dc.subject | air heating | |
| dc.subject | recirculation | |
| dc.subject | air conditioning | |
| dc.subject | cooling efficiency | |
| dc.subject | air heat pump | |
| dc.subject | recuperation | |
| dc.subject | renewable energy sources | |
| dc.subject | dehumidification | |
| dc.subject | air-handling unit | |
| dc.subject | CCU | |
| dc.subject.udc | 621.577:697.1 | |
| dc.title | Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних теплових насосів | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: