EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR
An urgent task in the design of complex local energy supply systems (cluster) using renewable energy sources (RES) is to take into account the experience of operating specific types of equipment in real conditions. The paper considers the possibility of effective use as an element of the energy clus...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/388 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103613909073920 |
|---|---|
| author | Zurian, О. Oliynichenko, V. |
| author_facet | Zurian, О. Oliynichenko, V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "О. Zurian",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "V. Oliynichenko",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Zurian, О. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:18Z |
| description | An urgent task in the design of complex local energy supply systems (cluster) using renewable energy sources (RES) is to take into account the experience of operating specific types of equipment in real conditions. The paper considers the possibility of effective use as an element of the energy cluster of the buffer storage system of the heat pump system as a thermal energy accumulator to provide multi-purpose objects with thermal energy. The buffer storage is a part of the low-capacity system for obtaining heat energy, which is part of the general system (unit), which consists of a buffer storage of the heat carrier, a heat pump and fan coils. The structural diagram of the energy cluster and the place of the low-capacity thermal energy production system in it are given.  The working layout of the experimental hydrothermal heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, which includes a buffer storage device, is presented. The research methodology is described. The characteristics of the measuring equipment installed on the experimental setup, which was used to obtain data in the process of conducting research, are given. The results of research work, obtained in the course of theoretical calculations and conducted experimental studies of the effectiveness of the buffer storage of the hydrothermal heat pump system as a thermal energy accumulator, are outlined. The calculation of the conversion factor of the "water-to-water" heat pump in the heating system of a room with an area of up to 100 m2 with the use of fan coils and buffer storage of thermal energy of different capacities is given. The calculation of the required volume of the heat carrier and the capacity of the buffer storage, per one kilowatt of produced thermal energy, was performed to ensure the autonomous operation of the heat pump system, where it performs the function of a battery and a collector of thermal energy at the same time. A sufficient volume of coolant and battery capacity per kilowatt of thermal energy produced by the heat pump to ensure stable operation of the hydrothermal heat pump system as a whole was determined. It has been experimentally confirmed and theoretically substantiated that the buffer storage of the heat pump system is a necessary element of the system, it performs both the function of a shock absorber and significantly increases the efficiency of the heat pump system as a whole. Including the buffer storage device, depending on the thermal load, it can work independently as an autonomous source of low-potential thermal energy. Conclusions were made that further research on the possibility of use as a source to maintain the necessary energy potential in the buffer storage of the heat pump system, the solar system for heating water, has a perspective. But it is relevant to carry out research on the comparison of the efficiency of the complex operation of the solar system for heating water and the heat pump, where the heat exchange takes place: first, in the circuit of the evaporator of the heat pump; secondly, in the circuit of the condenser of the heat pump. The work was carried out as part of the scientific research work: "Development of energy clusters to provide multi-purpose objects with electric and thermal energy using renewable and hydrogen energy technologies (code: "Energy-guarantor")" |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.1(72).69-80 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:38:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
69
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
УДК 504.062.2; 697.975 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.1(72)69-80
ЕФЕКТИВНІСТЬ РОБОТИ БУФЕРНОГО НАКОПИЧУВАЧА ГІДРОТЕРМАЛЬНОЇ ТЕПЛОНАСОСНОЇ
СИСТЕМИ ЯК АКУМУЛЯТОРА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ
Отримано 20 лют. 2023; рекомендовано до публікації 22 бер. 2023
Доступно онлайн 31 бер. 2023
О. В. Зур’ян1, В. Г. Олійніченко2
Автор для коресподенції: Олексій Зур’ян,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
Актуальною задачею при проєктуванні комплексних ло-
кальних систем (кластера) енергозабезпечення з використанням відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) є
врахування досвіду експлуатації конкретних типів обладнання в реальних умовах. У роботі розгляда-
ється можливість ефективного застосування як елемента енергетичного кластера буферного нако-
пичувача гідротермальної теплонасосної системи як акумулятора теплової енергії для забезпечення
об’єктів багатоцільового призначення тепловою енергією. Буферний накопичувач входить до складу
малоємнісної системи отримання теплової енергії, яка є частиною загальної системи (юніт), що скла-
дається з буферного накопичувача теплоносія, теплового насоса та фанкойлів. Показана структурна
схема енергетичного кластера та місце в ній малоємнісної системи отримання теплової енергії. Пред-
ставлений діючий макет розробленої й сконструйованої в Інституті відновлюваної енергетики НАН
України експериментальної гідротермальної теплонасосної системи, до складу якої входить буферний
накопичувач. Описана методика проведення досліджень. Наведено характеристики вимірювального
обладнання, встановленого на експериментальній установці, яке використовувалося для отримання
даних у процесі проведення досліджень. Викладено результати науково-дослідної роботи, отримані в
ході теоретичних розрахунків і проведених експериментальних досліджень ефективності буферного
накопичувача гідротермальної теплонасосної системи як акумулятора теплової енергії. Наведено роз-
рахунок коефіцієнта перетворення теплового насосу «вода-вода» в системі опалення приміщення пло-
щею до 100 м2 з використанням фанкойлів та буферного накопичувача теплової енергії різної ємності.
Виконано розрахунок необхідного об’єму теплоносія та ємності буферного накопичувача, на один кіло-
ват виробленої теплової енергії, для забезпечення автономної роботи теплонасосної системи, де він
виконує функцію акумулятора та колектора теплової енергії одночасно. Надано практичні рекоменда-
ції щодо кількісних та якісних характеристик обладнання при проєктуванні систем накопичення низь-
копотенційної теплової енергії для гідротермальних теплонасосних систем. Визначено достатній
об’єм теплоносія та ємність акумулятора, на один кіловат виробленої теплової енергії тепловим на-
сосом, для забезпечення стабільної роботи гідротермальної теплонасосної системи в цілому. Експери-
ментально підтверджено та теоретично обґрунтовано, що буферний накопичувач теплонасосної си-
стеми є необхідним елементом системи, він виконує як функцію амортизатора, так і суттєво підви-
щує ефективність роботи теплонасосної системи в цілому. Також буферний накопичувач залежно від
теплового навантаження може самостійно працювати як автономне джерело низькопотенційної те-
плової енергії. Зроблено висновки, що мають перспективу подальші дослідження щодо можливості за-
стосування як джерела, для підтримання необхідного енергетичного потенціалу в буферному накопи-
чувачі гідротермальної теплонасосної системи, сонячної системи для нагріву води. Також є актуаль-
ними дослідження з порівняння ефективності комплексної роботи сонячної системи для нагріву води
та теплового насоса, де теплообмін відбувається: по-перше, в контурі випарника теплового насоса;
по-друге, в контурі конденсатора теплового насоса. Робота проведена в рамках виконання науково-
дослідної роботи «Розроблення енергетичних кластерів для забезпечення об’єктів багатоцільового
призначення електричною та тепловою енергією з використанням технологій відновлюваної та вод-
невої енергетики (шифр: «Енерго-гарант»)».
Ключові слова: тепловий насос, теплонасосна система, теплопостачання, фанкойл, коефіцієнт пе-
ретворення
1 канд. техн. наук.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
2 наук. співр.
https://orcid.org/0000-0003-4651-9628
1, 2 Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна.
70
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM
AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR
Received 20 Feb. 2023; accepted 22 Mar. 2023
Available online 31 Mar. 2023
O. Zurian1, V. Oliynichenko2
Author for correspondence: Oleksii Zurian,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
An urgent task in the design of complex local energy supply
systems (cluster) using renewable energy sources (RES) is to take into account the experience of operating
specific types of equipment in real conditions. The paper considers the possibility of effective use as an element
of the energy cluster of the buffer storage system of the heat pump system as a thermal energy accumulator to
provide multi-purpose objects with thermal energy. The buffer storage is a part of the low-capacity system for
obtaining heat energy, which is part of the general system (unit), which consists of a buffer storage of the heat
carrier, a heat pump and fan coils. The structural diagram of the energy cluster and the place of the low-capacity
thermal energy production system in it are given. The working layout of the experimental hydrothermal heat
pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of
Sciences of Ukraine, which includes a buffer storage device, is presented. The research methodology is
described. The characteristics of the measuring equipment installed on the experimental setup, which was used
to obtain data in the process of conducting research, are given. The results of research work, obtained in the
course of theoretical calculations and conducted experimental studies of the effectiveness of the buffer storage
of the hydrothermal heat pump system as a thermal energy accumulator, are outlined. The calculation of the
conversion factor of the "water-to-water" heat pump in the heating system of a room with an area of up to 100 m2
with the use of fan coils and buffer storage of thermal energy of different capacities is given. The calculation of
the required volume of the heat carrier and the capacity of the buffer storage, per one kilowatt of produced
thermal energy, was performed to ensure the autonomous operation of the heat pump system, where it
performs the function of a battery and a collector of thermal energy at the same time. A sufficient volume of
coolant and battery capacity per kilowatt of thermal energy produced by the heat pump to ensure stable
operation of the hydrothermal heat pump system as a whole was determined. It has been experimentally
confirmed and theoretically substantiated that the buffer storage of the heat pump system is a necessary
element of the system, it performs both the function of a shock absorber and significantly increases the
efficiency of the heat pump system as a whole. Including the buffer storage device, depending on the thermal
load, it can work independently as an autonomous source of low-potential thermal energy. Conclusions were
made that further research on the possibility of use as a source to maintain the necessary energy potential in
the buffer storage of the heat pump system, the solar system for heating water, has a perspective. But it is
relevant to carry out research on the comparison of the efficiency of the complex operation of the solar system
for heating water and the heat pump, where the heat exchange takes place: first, in the circuit of the evaporator
of the heat pump; secondly, in the circuit of the condenser of the heat pump. The work was carried out as part
of the scientific research work: "Development of energy clusters to provide multi-purpose objects with electric
and thermal energy using renewable and hydrogen energy technologies (code: "Energy-guarantor")"
Key words: heat pump, heat pump system, heat supply, fan coil, conversion factor
Перелік використаних скорочень та позначень
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ТН – тепловий насос
ТО – термоперетворювач опору
ПЗ – програмне забезпечення
ГВП – гаряче водопостачання
БДТЕ – безліч джерел теплової енергії
БТС – безліч технічних засобів
БС – безліч структур
φ – коефіцієнт перетворення теплоти (англ.
Coefficient of performance), коефіцієнт, що пока-
зує ефективність теплового насоса
1 Cand. of Tech. Sciences.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
2 Researcher.
https://orcid.org/0000-0003-4651-9628
1, 2 Institute of Renewable Energy NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine.
71
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
Вступ. Підвищення енергетичної ефективності та необхід-
ність ресурсозбереження є нагальними проблемами
майже в усіх країнах світу. Для вирішення цих проблем
останніми роками стає актуальною нова енергетична по-
літика, яка ґрунтується на використанні розподіленої енер-
гетики та створенні на її основі енергетичних кластерів.
Останнім часом відбувся великий прорив у створенні ве-
ликих енергетичних систем з комплексним використан-
ням традиційних та відновлюваних джерел енергії. Од-
нак актуальним залишається питання забезпечення на-
дійності гібридних систем при істотній варіативності па-
раметрів природних носіїв енергії. Без вирішення цих
завдань побудова комплексних енергетичних комплек-
сів неможлива через різке зростання витрат, виклика-
них прийняттям неоптимальних рішень.
Основний недолік відновлюваної енергії – її непостій-
ність. Виробництво і теплової, і електричної енергії енер-
гетичними установками, що як джерело енергії викори-
стовують ВДЕ, залежить як від місця розміщення та умов
експлуатації, так і від погодно-кліматичних умов, зміна
яких має випадковий характер. Тому в локальних енер-
госистемах з ВДЕ є ризики енергопостачання спожива-
чів, пов'язані з мінливістю енергоносія. Наслідки від цих
ризиків полягають у високій імовірності порушення ене-
ргопостачання споживачів. Отже, важливим питанням
стає розробка методики вибору оптимального поєд-
нання ВДЕ з урахуванням випадкового характеру факто-
рів, що впливають на стабільність отримання енергії від
ВДЕ.
Питанням підвищення ефективності та надійності ро-
боти комплексних енергетичних систем та її складовим
елементам присвячена велика кількість досліджень. У
роботі [1] розглянуто технології, методи та засоби пере-
творення нетрадиційних і відновлюваних джерел енер-
гії для отримання теплової та електричної енергії або но-
вих видів палива. Дослідження ефективності комбінова-
ного використання енергії вітру, Сонця і тепла Землі ви-
конані авторами в роботі [2]. Методичні засади для оп-
тимальної побудови енергетичних комплексів з викори-
станням відновлюваних джерел енергії розглядаються в
роботах [3, 4]. Розробленню математичної моделі ро-
боти системи з кількома відновлюваними джерелами
енергії присвячено роботи [5, 6]. Наукове обґрунтуван-
ня залучення розумних мереж (Smart Grid) у систему
управління комплексними енергосистемами на основі
ВДЕ викладено в праці [7].
Водночас теоретичні та практичні методи побудови енер-
гетичних комплексів з використанням відновлюваних
джерел енергії в Україні досі не відпрацьовані.
В Інституті відновлюваної енергетики НАН України прово-
дяться дослідження в галузі використання відновлюва-
них джерел енергії, широко ведуться роботи з дослі-
дження джерел енергії та приладів для її перетворення,
що можуть бути використані в умовах конкретного регі-
ону, досліджуються особливості спільного використання
різних відновлюваних джерел енергії для роботи в єди-
ній системі та різноманітних систем її акумулювання.
Одним з високоефективних пристроїв перетворення низько-
потенційної відновлюваної енергії є теплові насоси.
Водночас ефективність роботи теплонасосної системи
суттєво залежить від температури на вході до випар-
ника теплового насоса. Це обумовлює проведення ши-
рокого спектра досліджень щодо визначення оптималь-
ного поєднання в низькотемпературному контурі кон-
денсатора теплового насоса його основних компонен-
тів: самого відновлюваного джерела та системи відбору
низькопотенційної теплової енергії, до складу якої вхо-
дить мережа подачі теплоносія, насосне обладнання та
буферний накопичувач теплонасосної системи.
Науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи з
підвищення ефективності теплових насосів проводяться
як в Україні, так і в інших країнах вже тривалий час. Пер-
спективи застосування теплових насосів досліджені в
роботах [8, 9, 10]. Аналіз ефективності використання те-
плового потенціалу довкілля та верхніх шарів земної
кори наведено в роботах [12, 13]. У роботах [14, 15, 16]
проведено оцінку ефективності теплових насосів різних
типів. Авторами [17, 18] зроблено порівняльний енерге-
тичний аналіз теплових насосів.
Очевидно, що пряме копіювання стандартних проєктів,
відсутність науково обґрунтованого підходу до впрова-
дження даних систем у конкретних умовах експлуатації
можуть не тільки призвести до неоптимальних рішень,
але й узагалі дискредитувати саму ідею впровадження
теплонасосних технологій.
Постановка завдання. Об’єкт дослідження – процес те-
плообміну між випарником теплового насоса та буфер-
ним накопичувачем теплового насоса типу вода-вода.
Предмет дослідження – підвищення ефективності ком-
плексної локальної системи (кластера) енергозабезпе-
чення з використанням відновлюваних джерел енергії
(ВДЕ) завдяки використанню буферного накопичувача в
контурі випарника теплового насоса як акумулятора те-
плової енергії.
Метою роботи є аналіз термодинамічної ефективності
теплонасосної системи; визначення оптимальних режи-
мів роботи й конструктивних особливостей буферного
накопичувача теплоносія, який використовується як аку-
мулятор низькопотенційної теплової енергії в контурі
випарника теплового насоса типу вода-вода.
Відповідно до поставленої мети дослідження мають
бути вирішені такі завдання:
1. Обґрунтування структури енергетичного кластера та
місця в ній системи акумулювання низькопотенцій-
ної теплової енергії.
2. Встановлення основних теплофізичних параметрів,
що визначають ефективність системи акумулювання
низькопотенційної теплової енергії.
72
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
3. Обґрунтування складу комплекту обладнання та ви-
мірювальних приладів, що використовувалися для
отримання даних у процесі проведення досліджень.
4. Створення методики проведення досліджень.
5. Узагальнення результатів, отриманих в ході теоре-
тичних розрахунків і проведених експериментальних
досліджень ефективності буферного накопичувача
гідротермальної теплонасосної системи як акумуля-
тора теплової енергії.
6. Виконання порівняльного аналізу ефективності ви-
користання гідротермальної теплонасосної системи
з урахуванням роботи буферного накопичувача в різ-
них конфігураціях.
7. Визначення перспективи подальших наукових роз-
робок у цьому напрямі.
Виклад основного матеріалу
У методиці побудови енергетичних комплексів з вико-
ристанням відновлюваних джерел енергії зазвичай го-
ловними критеріями вибору ВДЕ є: загальна потужність
системи, вартість енергії, що виробляється, розміри й
вартість застосовуваних енергоустановок, частка замі-
щення вуглеводневого палива та інше.
Ми проаналізували існуючі методики побудови цих си-
стем. Насамперед тих, які стосувалися як методики ви-
бору оптимального поєднання відновлюваних джерел
енергії, так і управління гібридними енергетичними си-
стемами з відновлюваними джерелами енергії [19].
Система зі змінною структурою (рис. 1) та відновлюва-
ними джерелами енергії для забезпечення визначеної
температури в процесі постачання теплоносія спожива-
чам, як кортеж S, має вигляд:
S = {БДТЕ, БТС, БС}, (1)
де БДТЕ – безліч джерел теплової енергії;
БТС – безліч технічних засобів;
БС – безліч структур.
Для об’єкта енергетики, що представлений у такому ви-
гляді, також потрібна система управління, яка дає змогу
вибрати найліпший варіант з можливих запропонова-
них залежно від потреб споживача, параметрів тепло-
носіїв системи й умов навколишнього природного сере-
довища. Тобто дозволяє раціонально забезпечити з
представлених множин вибір джерел енергії, технічних
пристроїв та структури об’єкта.
Енергетичний кластер формується з окремих «юнітів»,
які мають самостійні елементи, та має змінну структуру,
автономну та комбіновану форми живлення, з викорис-
танням можливостей розосередженої генерації й техно-
логій «розумних мереж», будується за модульним
принципом з можливістю масштабування до потреб
споживача (рис. 1).
Рис. 1. Структурна схема енергетичного кластера генерування теплової енергії (K), який складається з безлічі
структур (юнітів, У1 - Уm), до складу кожного з яких входить безліч елементів (джерел теплової енергії та
технічних засобів, Е1- Еn).
Fig. 1. Structural diagram of the energy cluster of thermal energy generation (K), which consists of many structures
(units, У1 - Уm), each of which includes many elements (sources of thermal energy and technical means, Е1 - Еn)
теплової
теплової
73
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
У роботі розглядається можливість ефективного засто-
сування як елемента енергетичного кластера, для забез-
печення об’єктів багатоцільового призначення тепло-
вою енергією, малоємнісної системи отримання тепло-
вої енергії, що складається з буферного накопичувача
теплоносія, теплового насоса та фанкойлів (Юніт – У3).
Для проведення досліджень теплових і гідродинаміч-
них процесів в Інституті відновлюваної енергетики НАН
України на прибудинковій ділянці корпусу 2, що розта-
шований за адресою вул. Метрологічна, буд. 50, було
створено експериментальну систему видобування гео-
термальних джерел енергії типу ГЦС (геотермальна цир-
куляційна система).
Основними фізичними параметрами для розрахунку гі-
дротермальних теплонасосних систем є температура
води на гирлі свердловини, яка для малих глибин (до
300 м) дорівнює температурі води водоносного горизон-
ту, а також дебет свердловини, який повинен бути по-
стійним (стабільним) при встановленому зниженні [21].
Експериментальна установка ІВЕ НАН України є тепло-
обмінним пристроєм, який складається із двох свердло-
вин, з’єднаних трубопроводами для циркуляції підзем-
них вод між водоносним горизонтом та тепловим насо-
сом, розташованим у будівлі Інституту. Контур конден-
сатора теплового насоса з’єднано з фанкойлами, розта-
шованими в офісному приміщенні будівлі. При цьому
забезпечена конструктивна можливість підключення до
контуру випарника теплового насоса буферного нако-
пичувача теплової енергії, об’єм якого може
змінюватися залежно від завдань дослідження та потуж-
ності підключених приладів.
З метою проведення дослідження термодинамічної
ефективності теплонасосної системи та визначення оп-
тимальних режимів роботи й конструктивних особливо-
стей буферного накопичувача теплоносія, що викорис-
товується як акумулятор низькопотенційної теплової
енергії в контурі випарника теплового насоса типу вода-
вода, в процесі дослідження, що проводилося, циркуля-
ція теплоносія відбувалася тільки по малому контуру,
між буферним накопичувачем та випарником тепло-
вого насоса. Як навантаження для теплового насоса ви-
користовувалися фанкойли. Буферний накопичувач теп-
лоносія, тепловий насос та фітинги, що їх поєднують,
складають елементи досліджуваної системи (рис. 2).
• Тепловий насос – холодильна машина типу вода-
вода. Він забирає низькопотенційну енергію з навко-
лишнього середовища за допомогою теплоносія,
яким у нашому випадку є вода, й передає її з підви-
щеним потенціалом для забезпечення опалення або
кондиціювання у приміщення за допомогою тепло-
обмінних приладів.
• Фанкойл – теплообмінний прилад, який передає те-
плову енергію або холод від теплоносія (води) пові-
трю приміщень.
• Буферний накопичувач теплової енергії – теплоне-
ізольована ємкість, яка виконує роль акумулятора
теплової енергії та стабілізатора теплових наванта-
жень на систему. До акумулятора теплової енергії
Рис. 2. Експериментальна гідротермальна теплонасосна система Інституту відновлюваної енергетики НАН
України: 1 – свердловина; 2 – водоносний горизонт; 3 – сонячний колектор; 4 – фанкойл; 5 – буферний накопичу-
вач теплоносія; 6 – тепловий насос; 7 – акумулятор теплової енергії; 8 – малоємнісна система отримання
теплової енергії
Fig. 2. Experimental hydrothermal heat pump system of the Institute of Renewable Energy of the National Academy of
Sciences of Ukraine: 1 – well; 2 – aquifer; 3 – solar collector; 4 – fan coil; 5 – coolant buffer storage; 6 – heat pump; 7 –
thermal energy accumulator; 8 – low-capacity heat energy production system
74
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
може бути підключено додаткове джерело теплової
енергії для нагріву теплоносія при низьких темпера-
турах оточуючого середовища, коли ефективність те-
плового насоса істотно знижується.
Відповідно до поставленого завдання дослідження для
вимірювань температури у контрольних точках системи
були встановлені датчики температури (термоперетво-
рювачі опору) ТСП-204. Термоперетворювачі опору
ТСП-204 внесені до Державного реєстру засобів вимірю-
вальної техніки України за номером У246-07. Робочий
діапазон вимірюваних температур від –40 до +270 °С,
показник теплової інерції не більше 6–8 с.
Датчики температури встановлені: на вході та виході з
випарника й конденсатора теплового насоса. Також
було встановлено пристрої для вимірювання темпера-
тури повітря в підвальному приміщенні, де розташовані
буферні накопичувачі теплоносія, в приміщенні де роз-
ташовані фанкойли, та на вулиці. Крім того, для вимірю-
вання об’єму використаного теплоносія були встанов-
лені лічильники протоку рідини NOVATOR ЛК-15Г. Поріг
чутливості 0,015 м3/год. Максимальний тиск – 1 МПа,
температура – 0,1–30 °С.
На рис. 3 представлено елементи теплонасосної си-
стеми, які входять до складу експериментальної установ-
ки, та вимірювальні пристрої, що були використані під
час проведення дослідження.
Для перетворення даних з вимірювальних пристроїв на
цифрову інформацію та її візуалізації для комфортного
аналізу оператором застосовували вимірювач темпера-
тури восьмиканальний І8 8УВ/1ОК-RS485-ІПІ-Щ. Інфор-
мація з вимірювача знімалася в автоматичному режимі
за допомогою перетворювача інтерфейсів ПІ RS 485/USB
з часовим інтервалом у десять секунд. Для візуалізації
отриманих з датчиків температури даних та їх архівації
було використано програмне забезпечення ПЗ SSD
v/3.7, встановлене на персональний комп’ютер.
Дослідження проводилися в два етапи, зі зміною ємко-
сті (об’єму) буферного накопичувача. На першому етапі
дослідження була використана ємкість об’ємом 1 м3, за-
повнена водою у кількості 900 л. На другому етапі дос-
лідження була використана ємкість об’ємом 2 м3, запов-
нена водою у кількості 1800 л. В обох випадках наванта-
ження теплового насоса залишалося незмінним. Було
використано два фанкойли потужністю 2,5 кВт. Макси-
мальна температура нагріву теплоносія на виході з кон-
денсатора теплового насоса була встановлена 43 °С.
На рис. 4 та рис. 5 представлено графіки коливань тем-
ператур у контрольних точках системи буферний нако-
пичувач – тепловий насос – фанкойл у процесі прове-
дення першого та другого етапів дослідження.
Для визначення ефективності буферного накопичувача
при роботі як акумулятора теплової енергії було розра-
ховано такі параметри:
1. Теплова енергія, яка відводиться з теплового
акумулятора при різних його об’ємах.
2. Теплова енергія, яка відводиться з теплового
насоса при різних об’ємах теплового акуму-
лятора.
3. Теплова енергія, яка підводиться до акумуля-
тора від зовнішнього відновлюваного дже-
рела в місці його розташування.
a б в г
Рис. 3. Вимірювальні пристрої та елементи теплонасосної системи, які входять до складу експериментальної
установки ІВЕ НАНУ: a – буферний накопичувач теплоносія; б – лічильник протоку рідини NOVATOR ЛК-15Г; в –
тепловий насос вода-вода; г – термоперетворювачі опору ТСП-204, змонтовані на фітингах теплового насоса
Fig. 3 Measuring devices and elements of the heat pump system, which are part of the experimental installation of the
Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine: a – buffer storage of the heat carrier; б – heat meter NOVATOR LK-15G;
в – water-water heat pump; г - Liquid flow meter TSP-204 mounted on heat pump fittings
75
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
4. Коефіцієнт перетворення теплового насоса
під час роботи в автономному режимі від теп-
лового акумулятора різної ємності.
5. Об’єм акумулятора цієї конструкції, необхід-
ний для стабільної роботи системи в автоном-
ному режимі на кожний кіловат виробленої
теплової енергії тепловим насосом.
Експериментально отримані дані витрат теплоносія та зна-
чень температури в контрольних точках експерименталь-
ної системи під час автономної роботи теплового насоса на
максимальну загрузку від акумулятора теплової енергії різ-
ної ємності (900 та 1800 л) наведено в табл. 1.
Кількість теплової енергії Q (кВт), що виробляється за
одиницю часу, визначається за співвідношенням:
Q = m∙Cν∙ΔT/3600, (1)
де: Сv – питома масова теплоємність рідини [Дж / кг ⋅ К];
m – об’єм теплоносія, [м3];
ΔT – різниця температур теплоносія до і після віддачі
теплової енергії [K].
Рис. 4. Графік залежності температури в контрольних точках теплонасосної системи при використанні як аку-
мулятора теплової енергії буферного накопичувача об’ємом 1 м3, заповненого водою у кількості 900 л
Fig. 4. Graph of temperature dependence at the control points of the heat pump system when using a buffer storage with a
volume of 1 m3 filled with water in the amount of 900 liters as a heat energy accumulator
Рис. 5. Графік залежності температури в контрольних точках теплонасосної системи при використанні як
акумулятора теплової енергії буферного накопичувача об’ємом 2 м3, заповненого водою у кількості 1800 л
Fig. 5. Graph of the temperature dependence at the control points of the heat pump system when using a buffer storage
with a volume of 2 m3 filled with water in the amount of 1800 liters as a thermal energy accumulator
76
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
Результати розрахунку основних параметрів системи на
основі експериментально отриманих даних, наведено в
табл. 2.
Подібно до всіх інших холодильних машин, тепловий
насос використовує механічну (електричну або іншу)
енергію для реалізації термодинамічного циклу. Ця енер-
гія витрачається на привід компресора. Основною харак-
теристикою теплового насоса є коефіцієнт трансформа-
ції (коефіцієнт перетворення).
Коефіцієнт перетворення (φТ) – це співвідношення теп-
лової енергії, що відводиться з теплового насоса Q1, та
електроенергії N, що споживається тепловим насосом.
1 2 2
2 11
( )
( )T
Q Q N T
N N T T
ϕ +
= = =
−
, (2)
де: Q1 – теплова енергія, що відводиться з теплового на-
соса, Вт;
N – потужність компресора теплового насоса, Вт;
Q2 – теплова енергія, що підводиться до теплового
насоса від низькопотенційного джерела;
T2 – температура теплоносія на виході з конденса-
тора, К;
Т11 – температура теплоносія на вході у випарник, К.
Дійсний коефіцієнт трансформації теплового насоса
φ може мати вигляд
T THϕ ϕ η= , (3)
де ηTH – коефіцієнт втрат, що враховує реальні процеси,
які здійснюються робочим тілом в ТН [19].
Розрахункові дані коефіцієнта перетворення теплового
насоса, отримані під час роботи в автономному режимі
Таблиця 1. Експериментально отримані дані витрат теплоносія та значень температури в контрольних точках
експериментальної системи
Table 1. Experimentally obtained data on coolant consumption and temperature values at control points of the
experimental system
Номер та дата
проведення
дослідження
Кількість
води в
системі (л)
Контур теплового
насоса
Витрати води
(м3/год)
ΔT
(°С)
Δt1
(°С)
№1: 03.02.2023 900 випарник 1200 3 0,8
конденсатор 350 13 0
№2: 10.02.2023 1800 випарник 1200 3 0,35
конденсатор 350 13 0
* Δt1 – падіння температури теплоносія в акумуляторі теплової енергії під час автономної роботи теплового
насосу на максимальну нагрузку, за годину
* Δt1 – temperature drop of the heat carrier in the heat energy accumulator, during autonomous operation of the heat
pump at maximum load, per hour
Таблиця 2. Розрахункові дані ефективності теплонасосної системи та джерела теплової енергії
Table 2. Estimated data on the efficiency of the heat pump system and the source of heat energy
Номер та дата
проведення дос-
лідження
Кількість теп-
лоносія в аку-
муляторі (л)
Q1
(Вт/год)
Q2
(Вт/год)
Q3
(Вт/год)
V1
(м3)
V2
(м3)
№1: 03.02.2023 900 5280,00 4180,00 741,95 5,07 1,21
№2: 10.02.2023 1800 5280,00 4128,00 1483,90 5,07 1,21
* Q1 – теплова енергія, що відводиться з теплового насоса; Q2 – теплова енергія, що підводиться до тепло-
вого насоса від низькопотенційного джерела; Q3 – теплова енергія, що підводиться до акумулятора від зовні-
шнього відновлюваного джерела в місці його розташування; V1 – необхідний об’єм теплового акумулятора для
забезпечення роботи теплонасосної системи в автономному режимі заданої потужності; V2 – необхідний
об’єм теплового акумулятора для забезпечення роботи теплонасосної системи в автономному режимі, на
1 кВт потужності теплового насосу.
* Q1 – thermal energy removed from the heat pump; Q2 – thermal energy supplied to the heat pump from a low-poten-
tial source Q3 – thermal energy supplied to the battery from an external renewable source in the city of its location;
V1 – the necessary volume of the heat accumulator to ensure the operation of the heat pump system in the autonomous
mode of the given capacity; V2 – the necessary volume of the heat accumulator to ensure the operation of the heat pump
system in autonomous mode, per 1 kW of heat pump power.
77
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
від теплового акумулятора різної ємності, представлено
на графіку (рис. 6).
Розрахунок проводився з урахуванням показників тем-
ператури теплоносія на виході з конденсатора та на
вході до випарника теплового насоса на відрізку часу,
що дорівнював одній годині. Інформація про значення
температури була отримана експериментально. Трива-
лість експерименту визначалася досягненням мінімаль-
ної температури подачі теплоносія у випарник, при якій
гарантовано унеможливлювалося його обмерзання та
закупорювання льодяною сумішшю.
З розрахункових даних можна зробити висновок, що
підвищення об’єму акумулятора подовжує час його ро-
боти, але водночас на його ефективність впливає теп-
лова потужність середовища, яке його оточує, що є особ-
ливістю акумулятора, розміщеного в приміщенні, розта-
шованому нижче рівня землі.
Крім того, було проведено дослідження з визначення
потужності середовища, в якому перебуває акумулятор
теплової енергії, як джерела теплової енергії для реге-
нерації (відновлення) його ємності.
Експериментально було встановлено, що після закін-
чення дослідження № 1 відновлення значення темпера-
тури з позначки 8,6 до 11,1 °С відбулося за 3 год 30 хв,
(Δt2 = 0,71). Де, Δt2 – відновлення температури тепло-
носія в акумуляторі теплової енергії в час, коли тепло-
вий насос не працює, за годину.
На підставі розрахунків за формулою (1) встановлено,
що об’єм акумулятора цієї конструкції необхідний для
підтримання стабільної автономної роботи теплонасос-
ної системи цієї конструкції в автономному режимі до-
рівнює 1,21 м3 на кожний кіловат виробленої теплової
енергії тепловим насосом.
В табл. 3 наведені дані щодо необхідної кількості тепло-
носія для різних систем відбору низькопотенційної теп-
лової енергії для теплових насосів типу вода-вода. Роз-
рахунки проводилися з урахуванням використання: для
ґрунтових зондів – теплообмінника у вигляді поліпропі-
ленової труби діаметром 32 мм, – розміщених вертикаль-
но або горизонтально у ґрунті; для свердловин, якими
розкрито водоносний горизонт, – поліпропіленової
труби діаметром 32 мм; для акумуляторів теплової ене-
ргії, розміщених нижче рівня землі, – ємкості, виготов-
леної з поліпропілену, об’ємом 1 м3.
Порівняльний аналіз отриманих даних свідчить, що ви-
користання буферного накопичувача в контурі випар-
ника теплонасосної системи як теплового акумулятора
для автономної роботи конструктивно є недоцільним,
оскільки він займає велику площу та потребує значного
обсягу теплоносія для ефективної роботи. Водночас,
враховуючі можливі зміни дебіту при роботі гідротер-
мальних циркуляційних систем, використання буфер-
ного накопичувача має суттєве значення для забезпе-
чення стабільності температури теплоносія на вході у
випарник теплового насоса та підтримання постійного
високого значення коефіцієнта трансформації системи.
Рис. 6. Графік залежності коефіцієнта перетворення теплонасосної системи в автономному режимі від трива-
лості роботи: 1 – як акумулятор використана ємкість об’ємом 1 м3, заповнена водою у кількості 900 л;
2 – як акумулятор використано дві ємкості об’ємом 2 м3, заповнені водою у кількості 1800 л
Fig. 6. The graph of the dependence of the conversion factor of the heat pump system in autonomous mode on the period of
operation: 1 – a container with a volume of 1 m3 filled with water in the amount of 900 liters was used as an accumulator;
2 – two containers with a volume of 2 m3 filled with water in the amount of 1800 liters were used as a battery
78
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
На основі експериментально отриманих даних та аналі-
тичних розрахунків доведено, що тепловий акумулятор
цієї конструкції, наповнений теплоносієм у кількості
300 л, може працювати з коефіцієнтом перетворення
теплового насоса потужністю 5 кВт не менше ніж 3,6
протягом однієї години до досягнення мінімальної вста-
новленої температури теплоносія 3 °С на вході до випар-
ника. Отже, можна зробити висновок, що для підтри-
мання стабільної роботи гідротермальної циркуляційної
системи з коефіцієнтом перетворення не менше 3,6 не-
обхідно встановлювати буферну ємність з урахуванням
співвідношення на 1 кВт теплової енергії, що виробляє
теплонасосна система – 60 л теплоносія в буферній єм-
ності цієї конструкції.
Доцільно використовувати для відновлення ємності
акумулятора теплової енергії крім геотермальної енергії
інші джерела відновлюваної енергії, що входять до енер-
гетичного кластера.
Висновки:
1. Теоретично обґрунтовано, що малоємнісна система
акумулювання теплової енергії, до якої входить бу-
ферний накопичувач теплоносія, тепловий насос та
фанкойли, може ефективно застосовуватися як са-
мостійний елемент енергетичного кластера для за-
безпечення об’єктів багатоцільового призначення
тепловою енергією.
2. Експериментально підтверджено, що коефіцієнт пе-
ретворення теплового насоса вода-вода в системі
опалення з використанням фанкойлів та буферного
накопичувача теплової енергії як акумулятора тепло-
вої енергії, що працює автономно, є високим та дорів-
нює 4 (чотирьом), але суттєво залежить від тепло-
вого навантаження, часу роботи та ємності буфер-
ного накопичувача.
3. Експериментально підтверджено, що для стабільної
роботи системи в автономному режимі необхідно на
кожний кіловат виробленої теплової енергії тепло-
вим насосом встановлювати один акумулятор низь-
копотенційної теплової енергії, заповнений тепло-
носієм (водою) у кількості 1210 л. Слід враховувати,
що на ефективність акумулятора має вплив його кон-
струкція (форма та матеріал виготовлення).
4. Аналітично доведено, що доцільно при застосуванні
гідротермальних теплонасосних систем потужністю
до 50 кВт використовувати буферні накопичувачі у
співвідношенні: на 1 кВт теплової енергії, що вироб-
ляє теплонасосна система – буферний накопичувач,
заповнений теплоносієм (водою) у кількості не
менше 60 л.
5. Мають перспективу подальші дослідження щодо
можливості застосування сонячної системи нагріву
води для інтенсифікації регенераційних процесів у
тепловому акумуляторі з метою підтримання опти-
мальної температури на вході до випарника тепло-
вого насоса та забезпечення максимального коефіці-
єнта перетворення системи. Також є актуальними
проведення досліджень з порівняння ефективності
комплексної роботи сонячної системи для нагріву
води та теплового насоса, де теплообмін відбува-
ється: по-перше, в контурі випарника теплового на-
соса; по-друге, в контурі конденсатора теплового на-
соса.
ПОСИЛАННЯ
1. Кудря С. О. Нетрадиційні та відновлювані джерела
енергії. Київ.: НТУУ «КПІ» ВПІ ВПК «Політехніка».
2012. 489 с.
2. Кудря С. О., Морозов Ю. П., Кузнєцов М. П. Дослі-
дження ефективності комбінованого використання
енергії вітру, сонця і теплоти землі для отримання
водню при електролізі води. Водень в альтернатив-
ній енергетиці та новітніх технологіях: Tези доп. нау-
кової звітної сесії НАН України. 2013. Київ.
3. Зур’ян О. В. Комбіновані енергосистеми для ефекти-
вного отримання екологічно безпечної енергії. Еко-
логія та промисловість. 2016. № 3. С. 96–100.
Таблиця 3. Показники щодо необхідної кількості теплоносія в колекторі та площі для його розміщення в системі
відбору низькопотенційної теплової енергії для теплових насосів типу вода-вода потужністю 5/10/50 кВт по теплу
Table 3. Indicators regarding the required amount of coolant in the collector and the area for its placement in the low-
potential thermal energy selection system for water-to-water heat pumps with a capacity of 5/10/50 kW by heat
№
з. п. Система
Довжина
труби
(м)
Кількість
ємкостей
(шт.)
Кількість
теплоносія
(л)
Необхідна
площа поверхні
під теплообмінник (м2)
1 Горизонтальні
ґрунтові зонди
200/400/2000 --------- 250/470/2500 175/330/1750
2 Вертикальні
ґрунтові зонди
160/300/1600 --------- 100/187/1000 5/25/125
3
Свердловини, якими
розкрито водоносний
горизонт
100/100/100 --------- 125/125/125 5/5/5
4 Ємкості, розміщені
нижче рівня землі
------- 5/10/50 3200/
6000/
32000
20/30/200
79
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
4. Тимчук С. О. Прийняття оптимальних рішень при ке-
руванні гібридними електричними мережами з від-
новлювальними джерелами енергії. /С. О. Тимчук,
В. В. Шендрик, С. О. Шендрик, О. В. Шулима. Елект-
ромеханічні і енергозберігаючі системи. 2016. № 2
(34). С. 55–61.
5. Зур’ян О. В. Екологічно безпечні відновлювані дже-
рела отримання теплової енергії .Укр. Держ. геоло-
горозвідувальний ін-т [Електронний ресурс]: автор
дисертації Зур’ян О. В. Режим доступу:
http://www.niiep.kharkov.ua/sites/default/files/dis_Z
urian.pdf
6. Tiba C., Candeias A.L.B., Fraidenraich N. et al. A GIS-
based decision support tool for renewable energy
management and planning in semi-arid rural
environments of northeast of Brazil. Renewable Energy.
2010. № 35 (12). Рp. 2921–2932.
7. Dagdougui H., Minciardi R., Ouammi A. et al. A dynamic
optimization model for smart micro-grid: integration of
a mix of renewable resources for a green building.
Proceedings of the 2010 International Congress on
Environmental Modelling and Software. Canada.
Ottawa. 2010.
8. Безродний М. К. Пуховий І. І., Кутра Д. С. Теплові на-
соси та їх використання: навч. посіб. К. НТУУ «КПІ».
2013. 312 с.
9. Долинский А. А., Драганов Б. Х. Тепловые насосы в
системе теплоснабжения зданий. Промышленная
теплотехника. 2008. Т. 30. № 6. С. 71–83.
10. Кудря С. О. Відновлювані джерела енергії. ІВЕ НАН
України. Київ. 2020. 354 с.
11. Lund J., Sanner B., Rybach L. Curtis R., Hellstrоm G.
Geothermal (ground-source) heat pumps a world
overview. GHC bulletin. 2004. Vol. 9. Pp. 1–10.
12. Морозов Ю. П., Чалаєв Д. М., Ніколаєвська Н. В., До-
бровольський М. П. Оцінка ефективності викорис-
тання теплового потенціалу довкілля та верхніх ша-
рів Землі України. Відновлювана енергетика. 2019.
№ 4 (63). С. 80–88. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2020.4(63).80-88
13. Zhu Ke, Blum Philipp, Ferguson Grant, Balke Klaus-
Dieter, Bayer Peter. The geothermal potential of urban
heat islands. 2010. Environ. Res. Lett. No. 5. Pp. 1–6.
http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
14. Морозов Ю. П. та ін. Енергетична ефективність вико-
ристання перших від поверхні водоносних горизон-
тів для тепло- і хладопостачання /Ю. П. Морозов, А.
А. Барило, Д. М. Чалаєв, М. П. Добровольський. Від-
новлювана енергетика. 2019. № 2. С. 70–78. DOI:
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78
15. Zurian O. V. Comparison of efficiency of geothermal and
hydrothermal energy systems. XIX International
Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM.
Renewable Energy Sources and Clean Tech. Varna.
Bulgaria. 2019. С. 83–90.
https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
16. Малкін Е. С., Кулінко Є. О. Перспективи та аспекти
застосування систем теплохолодопостачання, які ви-
користовують приповерхневі шари води в якості те-
плового акумулятора. Вентиляція, освітлення та теп-
логазопостачання. 2014. № 17. С. 63–69.
17. Denisov O. I. Comparative energy analysis of heat
pumps and traditional heating systems. Tehnicheskaya
teplofizika i promyishlennaya teploenergetika. Ukraine.
2010. Vol. 2, Pp. 22–34.
18. Зур’ян О. В., Олійніченко В. Г. Гідротермальна сис-
тема отримання теплової енергії, фізичні процеси,
ефективність. Вісник Вінницького політехнічного ін-
ституту. 2021. № 4. С. 40–46.
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2021-157-4-40-46
19. Зур’ян. О. В. Експериментальні дослідження тепло-
вого режиму гідротермальної теплонасосної системи.
Відновлювана енергетика. 2021. 4 (67). С. 77–89.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
20. Антипова Е. И. Исследование и разработка эксперт-
ной системы определения оптимального состава
оборудования комбинированной системы энерго-
снабжения жилого помещения с использованием
возобновляемых источников энергии / Е. И. Анти-
пова. Алматы. 2014. 54 с.
21. Zurian O. Barilo А. Impact of the natural temperature
regime of the upper layers of Earth on efficiency of a
hydrothermal heat pump system. Journal of Geology,
Geography and Geoecology. 2022. Vol 31 No 3. P. 575–
584 https://doi.org/10.15421/112254
REFERENCES
1. Kudria S. O. Netradytsiini ta vidnovliuvani dzherela en-
erhii. [Non-traditional and renewable energy sources]
Kyiv.: NTUU «KPI» «Politekhnika». 2012. 489 с.
2. Kudria S. O., Morozov Yu. P., Kuznietsov M. P.
Doslidzhennia efektyvnosti kombinovanoho vy-
korystannia enerhii vitru, sontsia i teploty zemli dlia ot-
rymannia vodniu pry elektrolizi vody. Voden v alternat-
yvnii enerhetytsi ta novitnikh tekhnolohiiakh [Research
on the effectiveness of the combined use of wind, sun
and earth's heat to obtain hydrogen during water elec-
trolysis. Hydrogen in alternative energy and the latest
technologies]: Tezy dop. naukovoi zvitnoi sesii NAN
Ukrainy. 2013. Kyiv.
3. Zurian O. V. Kombinovani enerhosystemy dlia efektyv-
noho otrymannia ekolohichno bezpechnoi enerhii.
[Combined energy systems for efficient production of
environmentally safe energy] Ekolohiia ta promyslovist.
2016. № 3. С. 96–100.
80
Відновлювана енергетика. №1/2023 | Геотермальна енергетика
4. Tymchuk S. O. Pryiniattia optymalnykh rishen pry
keruvanni hibrydnymy elektrychnymy merezhamy z vid-
novliuvalnymy dzherelamy enerhii [Making optimal de-
cisions when managing hybrid electrical networks with
renewable energy sources]. /S. O. Tymchuk,
V. V. Shendryk, S. O. Shendryk, O. V. Elektromekhanichni i
enerhozberihaiuchi systemy. 2016. №2 (34). С. 55–61.
5. Tymchuk S. O. Pryiniattia optymalnykh rishen pry
keruvanni hibrydnymy elektrychnymy merezhamy z vid-
novliuvalnymy dzherelamy enerhii. [Environmentally
safe renewable sources of heat energy] /S. O. Tymchuk,
V. V. Shendryk, S. O. Shendryk, O. V. Shulyma. El-
ektromekhanichni i enerhozberihaiuchi systemy
http://www.niiep.kharkov.ua/sites/de-
fault/files/dis_Zurian.pdf
6. Tiba C., Candeias A.L.B., Fraidenraich N. et al. A GIS-
based decision support tool for renewable energy man-
agement and planning in semi-arid rural environments
of northeast of Brazil. Renewable Energy. 2010. № 35
(12). Рp. 2921–2932.
7. Dagdougui H., Minciardi R., Ouammi A. et al. A dynamic
optimization model for smart micro-grid: integration of
a mix of renewable resources for a green building. Pro-
ceedings of the 2010 International Congress on Environ-
mental Modelling and Software. Canada. Ottawa. 2010.
8. Bezrodnyi M. K. Pukhovyi I. I., Kutra D. S. Teplovi nasosy
ta yikh vykorystannia. [Heat pumps and their use]:
navch. posib. K. NTUU «KPI». 2013. 312 с.
9. Dolynskyi A. A., Drahanov B. Kh. Teplovыe nasosы v sys-
teme teplosnabzhenyia zdanyi. [Heat pumps in the heat
supply system are installed] Promіshlennaia teplo-tekh-
nyka. 2008. Т. 30. № 6. Pp. 71–83.
10. Kudria S.O. Vidnovliuvani dzherela enerhii. [Renewable
energy sources]. IVE NAN Ukrainy. Kyiv. 2020. 354 p.
11. Lund J., Sanner B., Rybach L. Curtis R., Hellstrоm G. Ge-
othermal (ground-source) heat pumps a world over-
view. GHC bulletin. 2004. Vol. 9. P. 1–10.
12. Morozov Yu. P., Chalaiev D. M., Nikolaievska N. V., Do-
brovolskyi M. P. Otsinka efektyvnosti vykorystannia
teplovoho potentsialu dovkillia ta verkhnikh shariv
Zemli Ukrainy. [Evaluation of the effectiveness of the
use of the thermal potential of the environment and the
upper layers of the Earth of Ukraine]. Vidnovliuvana en-
erhetyka. 2019. № 4 (63). P. 80–88.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
13. Zhu Ke, Blum Philipp, Ferguson Grant, Balke Klaus-Di-
eter, Bayer Peter. The geothermal potential of urban
heat islands. 2010. Environ. Res. Lett. No. 5. P. 1–6.
http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
14. Morozov Yu. P. et al. Enerhetychna efektyvnist vy-
korystannia pershykh vid poverkhni vodonosnykh
horyzontiv dlia teplo- i khladopostachannia. [Energy ef-
ficiency of using the first aquifers from the surface for
heating and cooling] /Yu. P. Morozov, A. A. Barylo, D. M.
Chalaiev, M. P. Dobrovolskyi. Vidnovliuvana ener-
hetyka. 2019. № 2. P. 70–78. DOI:
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78
15. Zurian O. V. Comparison of efficiency of geothermal and
hydrothermal energy systems. XIX International Multi-
disciplinary Scientific GeoConference SGEM. Renewable
Energy Sources and Clean Tech. Varna. Bulgaria. 2019.
С. 83–90.
https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
16. Malkin E. S., Kulinko Ye. O. Perspektyvy ta aspekty zas-
tosuvannia system teplokholodopostachannia, yaki vy-
korystovuiut prypoverkhnevi shary vody v yakosti
teplovoho akumuliatora. [Prospects and aspects of the
application of heat and cold supply systems that use
near-surface layers of water as a heat accumulator].
Ventyliatsiia, osvitlennia ta teplohazopostachannia.
2014. № 17. P. 63–69.
17. Denisov O. I. Comparative energy analysis of heat
pumps and traditional heating systems. Tehnicheskaya
teplofizika i promyishlennaya teploenergetika. Ukraine.
2010. Vol. 2. Pp. 22–34.
18. Zurian O. V., Oliinichenko V. H. Hidrotermalna systema
otrymannia teplovoi enerhii, fizychni protsesy, efektyv-
nist. [Hydrothermal system for obtaining thermal energy,
physical processes, efficiency]. Visnyk Vinnytskoho
politekhnichnoho instytutu. 2021. № 4. P. 40–46.
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2021-157-4-40-46
19. Zurian. O. V. Eksperymentalni doslidzhennia teplovoho
rezhymu hidrotermalnoi teplonasosnoi systemy. [Ex-
perimental studies of the thermal regime of the hydro-
thermal heat pump system]. Vidnovliuvana enerhetyka.
2021. 4 (67). 77–89. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2021.4(67).77-89
20. Antypova E. Y. Yssledovanye y razrabotka эkspertnoi
systemы opredelenyia optymalnoho sostava oborudo-
vanyia kombynyrovannoi systemы эnerhosnabzhenyia
zhyloho pomeshchenyia s yspolzovanyem
vozobnovliaemыkh ystochnykov эnerhyy. [Research
and development of an expert system for determining
the optimal equipment composition of a combined res-
idential energy supply system using renewable energy
sources]. Алматы. 2014. 54 p.
21. Zurian O. Barilo А. Impact of the natural temperature
regime of the upper layers of Earth on efficiency of a
hydrothermal heat pump system. Journal of Geology,
Geography and Geoecology. 2022. Vol 31 No. 3. P. 575–
584 https://doi.org/10.15421/112254
.
|
| id | veorgua-article-388 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:10:59Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/b1/b4759c9034698c8b1a1a9751349a01b1.pdf |
| spelling | veorgua-article-3882026-07-18T06:32:18Z EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR ЕФЕКТИВНІСТЬ РОБОТИ БУФЕРНОГО НАКОПИЧУВАЧА ГІДРОТЕРМАЛЬНОЇ ТЕПЛОНАСОСНОЇ СИСТЕМИ ЯК АКУМУЛЯТОРА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ Zurian, О. Oliynichenko, V. heat pump, heat pump system, heat supply, fan coil, conversion factor тепловий насос, теплонасосна система, теплопостачання, фанкойл, коефіцієнт перетворення An urgent task in the design of complex local energy supply systems (cluster) using renewable energy sources (RES) is to take into account the experience of operating specific types of equipment in real conditions. The paper considers the possibility of effective use as an element of the energy cluster of the buffer storage system of the heat pump system as a thermal energy accumulator to provide multi-purpose objects with thermal energy. The buffer storage is a part of the low-capacity system for obtaining heat energy, which is part of the general system (unit), which consists of a buffer storage of the heat carrier, a heat pump and fan coils. The structural diagram of the energy cluster and the place of the low-capacity thermal energy production system in it are given.  The working layout of the experimental hydrothermal heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, which includes a buffer storage device, is presented. The research methodology is described. The characteristics of the measuring equipment installed on the experimental setup, which was used to obtain data in the process of conducting research, are given. The results of research work, obtained in the course of theoretical calculations and conducted experimental studies of the effectiveness of the buffer storage of the hydrothermal heat pump system as a thermal energy accumulator, are outlined. The calculation of the conversion factor of the "water-to-water" heat pump in the heating system of a room with an area of up to 100 m2 with the use of fan coils and buffer storage of thermal energy of different capacities is given. The calculation of the required volume of the heat carrier and the capacity of the buffer storage, per one kilowatt of produced thermal energy, was performed to ensure the autonomous operation of the heat pump system, where it performs the function of a battery and a collector of thermal energy at the same time. A sufficient volume of coolant and battery capacity per kilowatt of thermal energy produced by the heat pump to ensure stable operation of the hydrothermal heat pump system as a whole was determined. It has been experimentally confirmed and theoretically substantiated that the buffer storage of the heat pump system is a necessary element of the system, it performs both the function of a shock absorber and significantly increases the efficiency of the heat pump system as a whole. Including the buffer storage device, depending on the thermal load, it can work independently as an autonomous source of low-potential thermal energy. Conclusions were made that further research on the possibility of use as a source to maintain the necessary energy potential in the buffer storage of the heat pump system, the solar system for heating water, has a perspective. But it is relevant to carry out research on the comparison of the efficiency of the complex operation of the solar system for heating water and the heat pump, where the heat exchange takes place: first, in the circuit of the evaporator of the heat pump; secondly, in the circuit of the condenser of the heat pump. The work was carried out as part of the scientific research work: "Development of energy clusters to provide multi-purpose objects with electric and thermal energy using renewable and hydrogen energy technologies (code: "Energy-guarantor")" Актуальною задачею при проєктуванні комплексних локальних систем (кластера) енергозабезпечення з використанням відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) є врахування досвіду експлуатації конкретних типів обладнання в реальних умовах. У роботі розглядається можливість ефективного застосування як елемента енергетичного кластера буферного накопичувача гідротермальної теплонасосної системи як акумулятора теплової енергії для забезпечення об’єктів багатоцільового призначення тепловою енергією. Буферний накопичувач входить до складу малоємнісної системи отримання теплової енергії, яка є частиною загальної системи (юніт), що складається з буферного накопичувача теплоносія, теплового насоса та фанкойлів. Показана структурна схема енергетичного кластера та місце в ній малоємнісної системи отримання теплової енергії. Представлений діючий макет розробленої й сконструйованої в Інституті відновлюваної енергетики НАН України експериментальної гідротермальної теплонасосної системи, до складу якої входить буферний накопичувач. Описана методика проведення досліджень. Наведено характеристики вимірювального обладнання, встановленого на експериментальній установці, яке використовувалося для отримання даних у процесі проведення досліджень. Викладено результати науково-дослідної роботи, отримані в ході теоретичних розрахунків і проведених експериментальних досліджень ефективності буферного накопичувача гідротермальної теплонасосної системи як акумулятора теплової енергії. Наведено розрахунок коефіцієнта перетворення теплового насосу «вода-вода» в системі опалення приміщення площею до 100 м2 з використанням фанкойлів та буферного накопичувача теплової енергії різної ємності. Виконано розрахунок необхідного об’єму теплоносія та ємності буферного накопичувача, на один кіловат виробленої теплової енергії, для забезпечення автономної роботи теплонасосної системи, де він виконує функцію акумулятора та колектора теплової енергії одночасно. Надано практичні рекомендації щодо кількісних та якісних характеристик обладнання при проєктуванні систем накопичення низькопотенційної теплової енергії для гідротермальних теплонасосних систем. Визначено достатній об’єм теплоносія та ємність акумулятора, на один кіловат виробленої теплової енергії тепловим насосом, для забезпечення стабільної роботи гідротермальної теплонасосної системи в цілому. Експериментально підтверджено та теоретично обґрунтовано, що буферний накопичувач теплонасосної системи є необхідним елементом системи, він виконує як функцію амортизатора, так і суттєво підвищує ефективність роботи теплонасосної системи в цілому. Також буферний накопичувач залежно від теплового навантаження може самостійно працювати як автономне джерело низькопотенційної теплової енергії. Зроблено висновки, що мають перспективу подальші дослідження щодо можливості застосування як джерела, для підтримання необхідного енергетичного потенціалу в буферному накопичувачі гідротермальної теплонасосної системи, сонячної системи для нагріву води. Також є актуальними дослідження з порівняння ефективності комплексної роботи сонячної системи для нагріву води та теплового насоса, де теплообмін відбувається: по-перше, в контурі випарника теплового насоса; по-друге, в контурі конденсатора теплового насоса. Робота проведена в рамках виконання науково-дослідної роботи «Розроблення енергетичних кластерів для забезпечення об’єктів багатоцільового призначення електричною та тепловою енергією з використанням технологій відновлюваної та водневої енергетики (шифр: «Енерго-гарант»)». Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-04-13 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/388 10.36296/1819-8058.2023.1(72).69-80 Vidnovluvana energetika ; No. 1(72) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 69-80 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(72) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 69-80 Відновлювана енергетика; № 1(72) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 69-80 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.1(72) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/388/302 Copyright (c) 2023 О. Zurian, V. Oliynichenko https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | heat pump heat pump system heat supply fan coil conversion factor Zurian, О. Oliynichenko, V. EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title | EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title_alt | ЕФЕКТИВНІСТЬ РОБОТИ БУФЕРНОГО НАКОПИЧУВАЧА ГІДРОТЕРМАЛЬНОЇ ТЕПЛОНАСОСНОЇ СИСТЕМИ ЯК АКУМУЛЯТОРА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ |
| title_full | EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title_fullStr | EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title_full_unstemmed | EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title_short | EFFICIENCY OF THE BUFFER ACCUMULATOR OF THE HYDROTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A HEAT ENERGY ACCUMULATOR |
| title_sort | efficiency of the buffer accumulator of the hydrothermal heat pump system as a heat energy accumulator |
| topic | heat pump heat pump system heat supply fan coil conversion factor |
| topic_facet | heat pump heat pump system heat supply fan coil conversion factor тепловий насос теплонасосна система теплопостачання фанкойл коефіцієнт перетворення |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/388 |
| work_keys_str_mv | AT zuriano efficiencyofthebufferaccumulatorofthehydrothermalheatpumpsystemasaheatenergyaccumulator AT oliynichenkov efficiencyofthebufferaccumulatorofthehydrothermalheatpumpsystemasaheatenergyaccumulator AT zuriano efektivnístʹrobotibufernogonakopičuvačagídrotermalʹnoíteplonasosnoísistemiâkakumulâtorateplovoíenergíí AT oliynichenkov efektivnístʹrobotibufernogonakopičuvačagídrotermalʹnoíteplonasosnoísistemiâkakumulâtorateplovoíenergíí |