Energy efficiency of heat pumps heating systems at subsoil waters for South-East regions of Europe

Abstract

This article is devoted to the methods for increasing the operational efficiency of the single-stage and two-stage schemes of heat pump installations for heating systems, based on the energy saving principles. The major aim of the study is the analysis of methods for increasing the efficiency of alternative low-potential heat pump installations based on the subsoil waters, which correspond to the requirements of the energy saving technologies. To achieve the aim a comparative analysis of efficiency of different schemes of heat pump heating systems was performed for the consumers of the South-East of Europe. The rational schematic and constructive solutions and the system operational modes that ensure the increase in the efficiency of the alternative heating system for various climatic conditions were grounded. The main ways of increasing the efficiency of the low-potential heating systems using the heat pump units based on the subsoil waters were determined. Recommendations for the practical application of the alternative heating system solutions, depending on temperature of the outside air were developed. The significance of the obtained results consists in justification of conditions, which make it possible to use the single- and two-stage HPI schemes on the subsoil waters in the South-Eastern Europe. The most significant results are those recommending the increase in the operational efficiency of the heat pump systems on the subsoil waters for the heat supply for the consumers of the South-Eastern Europe. The analysis results can be used for designing the heating systems based on the heat pumps using the low-potential energy of the subsoil waters.

În articol se discută modalitățile și metodele de îmbunătățire a eficienței schemelor cu un singur stadiu și cu două etape ale instalațiilor de pompare a căldurii în scopuri de încălzire, pe baza principiilor economisirii de energie. Scopul principal al studiului constă în analiza modalități de îmbunătățire a eficienței instalațiilor alternative cu pompă de căldură cu potențial termic redus bazate pe ape subterane care îndeplinesc cerințele tehnologiilor de economisire a energiei. Pentru a atinge obiectivul stabilit al studiului, a fost efectuată o analiză comparativă a eficacității diferitelor scheme din cadrul sistemelor de alimentare cu căldură prin pompare de căldură pentru consumatorii din regiunile sud-estice ale Europei. A fost dezvoltat un algoritm pentru calcularea sistemelor alternative de alimentare cu căldură pentru consumatori, luând în considerare condițiile climatice. Este propusă o metodă de evaluare a eficienței energetice a schemelor alternative de alimentare cu căldură eleborate. Implementarea metodei este prezentată pe un exemplu specific și se confirmă eficiența încălzirii alternative pentru consumatori. Importața rezultatelor obținute este de a fundamenta condițiile în care este recomandabil să se utilizeze schemele cu un etaj și două etaje a pompelor de căldură cu utilizarea apelor subterane din regiunile sud- estice ale Europei. Cele mai semnificative rezultate sunt recomandări pentru îmbunătățirea eficienței sistemelor cu pompe de căldură pe baza apelor subterane pentru alimentarea cu căldură a consumatorilor din regiunile sud-estice ale Europei. Rezultatele analizei pot fi utilizate pentru a proiecta rețele de căldură bazate pe pompe de căldură care utilizează energie cu potențial termic redus a apelor subterane.

В статье рассмотрены пути и методы повышения эффективности работы одноступенчатых и двухступенчатых схем теплонасосных установок для целей отопления, основанные на принципах энергосбережения. Основной целью исследования является анализ способов повышения эффективности альтернативных низкопотенциальных теплонасосных установок на базе грунтовых вод, которые соответствуют требованиям энергосберегающих технологий. Для достижения поставленной цели исследования был проведен сравнительный анализ эффективности различных схем тепловых насосных систем теплоснабжения для потребителей Юго-Восточных регионов Европы. Разработан алгоритм расчета альтернативных систем теплоснабжения потребителей с учетом климатических условий. Предложена методика оценки энергоэффективности предложенных альтернативных схем теплоснабжения. Реализация метода показана на конкретном примере и подтверждена эффективность альтернативного отопления для потребителей. Проведено численное моделирование тепловых процессов в элементах одноступенчатой и двухступенчатой теплонасосной установки, коэффициентов преобразования теплоты, мощности, потребляемой электроприводом компрессора. Определены удельные затраты первичной энергии и проведено численное моделирование параметров циклов для предложенных схемных решений. Приведен анализ результатов численного моделирования тепловых процессов в элементах теплонасосной установки. Обоснованы рациональные схематические и конструктивные решения и режимы работы системы, обеспечивающие повышение эффективности альтернативной системы отопления для различных климатических условий. Определены основные пути повышения эффективности низкопотенциальных систем отопления за счет использования тепловых насосов на базе грунтовых вод. Разработаны рекомендации по практическому использованию альтернативной системы отопления в зависимости от температуры наружного воздуха. Значимость полученных результатов состоит обосновании условий, при которых в Юго-Восточных регионах Европы целесообразно использовать одноступенчатые и двухступенчатые схемы ТНУ на грунтовых водах. Наиболее значимыми результатами являются рекомендации по повышения эффективности работы теплонасосных систем на грунтовых водах для теплоснабжения потребителей в Юго-Восточных регионах Европы. Результаты анализа могут быть использованы для проектирования тепловых сетей на базе тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию грунтовых вод.