DOI: https://doi.org/10.32515/2664-262X.2022.5(36).1.47-54

Thermodynamic Energy Efficiency of a Groundwater Heat Pump

Mykola Bosiy, Volodymyr Kropivnyi, Olexandr Kuzyk, Alena Kropivna, Ludmyla Molokost

About the Authors

Mykola Bosiy, Senior Lecturer, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: bosiymv@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-3090-0427

Volodymyr Kropivnyi, Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: vlkropivny@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-5313-0226

Olexandr Kuzyk, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: krasotamv@ukr.net, ORCID ID: 0000-0002-3047-3760, e-mail: kuzykov1985@gmail.com

Alena Kropivna, Associate Professor, PhD in Technics (Candidate of Technics Sciences), Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: vlkropivny@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-7296-8713

Ludmyla Molokost, Senior Lecturer, Central Ukrainian National Technical University, Kropyvnytskyi, Ukraine, e-mail: kntucpfzk@gmail.com, ORCID ID: 0000-0002-8418-0672

Abstract

The thermodynamic energy efficiency of a steam compression heat pump (PKTN) using natural sources of environmental heat, in particular groundwater, is considered in the article. The scheme of PKTN "water-water" for the heat supply system, temperature levels in the general system of PKTN "water-water" are presented and the example of work of the PKTN "water-water" cycle in the p-h diagram for propane (R290) is given. The results of a thermodynamic study of the energy efficiency of the use of PKTN when using groundwater as a source of low-potential thermal energy are presented. The article considers the use of pure hydrocarbons as working substances for PKTN, as well as a method for assessing energy efficiency by exergy analysis of thermodynamic energy conversion processes occurring in PKTN, the working fluid of which is the refrigerant R290. The energy efficiency of PКTN was estimated by the conversion coefficient of TH COP, it is calculated to be 4.5. The thermodynamic efficiency of PKTN in heat supply systems was considered using exergy efficiency depending on the average thermodynamic temperatures of heat carriers in the condenser and evaporator, which characterizes the perfection of energy conversion and is 44%. A thermodynamic study of the effectiveness of PKTN "water-water" for the space heating system using groundwater as a source of low-potential thermal energy. Evaluation of energy efficiency of thermodynamic processes of energy conversion occurring in PKTN "water-water" whose working fluid is a refrigerant R290 (propane) is performed by the method of exergetic analysis. It is shown that the exergetic efficiency of PKTN "water-water" depending on the average thermodynamic temperatures of evaporation and condensation is 44%.

Keywords

heat pump, low-potential energy source, energy efficiency, HP conversion factor (COP), exergy HP efficiency, heat supply system

Full Text:

PDF

References

1. Draganov, B.H., Dolinsky, A.A., Mishchenko, A.V. & Written, E.M. (2005). Heat engineering. Draganova B.H. (Ed.). Kyiv: INCOS [in Ukrainian].

2. Tkachenko, S.Y. & Ostapenko, O.P. (2009). Parokompresijni teplonasosni ustanovky v systemakh teplopostachannia [Steam compression heat pump installations in heat supply systems]. Vinnytsia: VNTU [in Ukrainian].

3. Ostapenko, O.P. (2015). Kholodyl'na tekhnika ta tekhnolohiia. Teplovi nasosy [Refrigeration equipment and technology. Heat pumps]. Vinnytsia: VNTU [in Ukrainian].

4. Arsenyev, V.M. & Meleichuk, S.S. (2018). Teplovi nasosy: osnovy teorii i rozrakhunku [Heat pumps: the basics of the theory and design]. Sumy, SDU [in Ukrainian].

5. Arsenyev, V.M. (2009). Teplonasosnaja tehnologija energozberezhennja [Heat pump technology of energy saving]. Sumy: SDU Publishing House [in Ukrainian].

6. Trubaev, P.A. & Grishko, B.M. (2010). Teplovye nasosy [Heat pumps]. Belgorod: BSTU Publishing House [in Russian].

7. Bosiy, M.V. & Kuzyk, О.V. (2020). Efektyvnist' tsyklu teplovoho nasosa dlia teplopostachannia [Heat pump cycle efficiency for heat supply]. Tsentral'noukrains'kyj naukovyj visnyk. Tekhnichni nauky – Central Ukrainian Scientific Bulletin. Technical sciences,Vol. 3 (34), 136-142 [in Ukrainian].

8. Malyarenko, V.A. (2008). Enerhetychni ustanovky. Zahal'nyj kurs [Power plants. General course]. Tutorial. H: SAGA Publishing House [in Ukrainian].

9. Shevel, V.I. (2004). Rabota kompressorov serijnogo ispolnenija na smeci propan-butan v teplonasosnom rezhime raboty [Operation of serial compressors on a propane-butane mixture in a heat pump operation mode] . Compressor technology and pneumatics in the XXI century: materialy XIII Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj 62 konferencii po kompressorostroeniju – XIII International Scientific and Technical Conference on Compressor Engineering (P. 239-244). Sumy: Sumy State University, [in Ukrainian].

10. Khmelnyuk, M.G. & Martynyuk, M.O. (2008). Povyshenie jeffektivnosti ustanovki nizkotemperaturnoj kondensacii prirodnogo gaza [Increasing the efficiency of low-temperature condensation of natural gas]. Tehnicheskie gazy – Technical gases.. Odessa: ODAH. Technical Gases, 4, 30-35 in Ukrainian].

11. Site. aerum.com.ua. Retrieved from http://aerum.com.ua/gree-vypuskaet-kondicionery-na-propan/ [in Ukrainian].

12. Martynovsky, V.S. (1979). Cycles, schemes and characteristics of thermal transformers. Brodyansky V.M. (Ed.). Мoskow: Energy [in Russian].

13. Sokolov, E.Y. & Brodyansky, V.M. (1981). Jenergeticheskie osnovy transformacii tepla i processov ohlazhdenija [Energy bases of heat transformation and cooling processes]. Moskow: Energoizdat [in Russian].

14. Brodyansky, V.M. (1973). Jeksergeticheskij metod termodinamicheskogo analiza [Exergetic method of thermodynamic analysis]. Moskow: Energy, [in Russian].

15. Arsenyev, V.M. & Grechanenko, V.A. (2002). Jeksergeticheskaja ocenka jeffektivnosti teplonasosnoj tehnologi jenergosberezhenij [Exergetic evaluation of the efficiency of heat pump technology of energy savings].. Vіsnik Sums'kogo derzhavnogo unіversitetu – Bulletin of Sumy State University, 9 (42), 81-85[in Ukrainian].

16. Kudelya, P.P., Solomakha, A.S. & Ocheretyanko, M.D. (2016). Otsinka efektyvnosti opaliuval'nykh teplovykh nasosiv z vykorystanniam metodu tsykliv [Evaluation of the efficiency of heating heat pumps using the method of cycles]. Vidnovliuval'na enerhetyka – Renewable energy, №4, 74-85 [in Ukrainian].

GOST Style Citations

  1. Драганов Б.Х., Долінський А.А., Міщенко А.В., Письменний Є.М. (за ред. Драганова Б.Х.) Теплотехніка: підр. Київ «ІНКОС», 2005. 504 с.
  2. Ткаченко С.Й., Остапенко О.П. Парокомпресійні теплонасосні установки в системах теплопостачання: монографія. Вінниця: ВНТУ, 2009. 176 с.
  3. Остапенко О.П. Холодильна техніка та технологія. Теплові насоси: навч. посіб. Вінниця: ВНТУ, 2015. 123 с.
  4. Арсеньєв В.М., Мелейчук С.С. Теплові насоси: основи теорії і розрахунку: навч. посіб. Суми.СДУ, 2018. 364с.
  5. Арсеньев В.М. Теплонасосная технология енергозбереження. Суми: Вид-во СДУ, 2009. 251 с.
  6. Трубаев П.А. Гришко Б.М. Тепловые насосы: учеб. пособие. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 134 с.
  7. Босий М.В., Кузик О.В. Ефективність циклу теплового насоса для теплопостачання . Центральноукраїнський науковий вісник. Технічні науки. 2020. Вип. 3(34). С.136-142.
  8. Маляренко В.А. Енергетичні установки. Загальний курс: навч. посіб. Х.: “Видавництво САГА”, 2008. 320с.
  9. Шевель В. И. Работа компрессоров серийного исполнения на смеcи пропан-бутан в теплонасосном режиме работы . Компрессорная техника и пневматика в ХХI веке:материалы ХІІІ Международной научно-технической 62 конференции по компрессоростроению. Сумы: СумГУ, 2004. С. 239-244.
  10. Хмельнюк М. Г., Мартынюк М. О. Повышение эффективности установки низкотемпературной конденсации природного газа. Технические газы. 2008. № 4. С. 30-35.
  11. Сайт. URL: http://aerum.com.ua/gree-vypuskaet-kondicionery-na-propane/
  12. Мартыновский В.С. Цыклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / под ред. Бородянского В.М. М . : Энергия, 1979. 288 с.
  13. Соколов Е.Я., Бродянский В.М.. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. М . : Энергоиздат, 1981. 320 с.
  14. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М . : Энергия, 1973. 296 с.
  15. Арсеньев В.М., Гречаненко В.А. Эксергетическая оценка эффективности теплонасосной технологи энергосбережений. Вісник Сумського державного університету. 2002. №9(42). С.81-85.
  16. Куделя П.П., Соломаха А.С., Очеретянко М.Д. Оцінка ефективності опалювальних теплових насосів з використанням методу циклів . Відновлювальна енергетика. 2016. №4. С.74-85.
Copyright (c) 2022 Mykola Bosiy, Volodymyr Kropivnyi, Olexandr Kuzyk, Alena Kropivna, Ludmyla Molokost