APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES
The work is dedicated to solving the urgent problem of increasing the technical and economic efficiency of heat pumps that use low-potential heat of the environment during the winter period of operation with unstable parameters of the outdoor air temperature. In this work, the efficiency of the refr...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/448 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103732957052928 |
|---|---|
| author | Perepelytsia , I. Zurian , O. |
| author_facet | Perepelytsia , I. Zurian , O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "I. Perepelytsia ",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "O. Zurian ",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Perepelytsia , I. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:19Z |
| description | The work is dedicated to solving the urgent problem of increasing the technical and economic efficiency of heat pumps that use low-potential heat of the environment during the winter period of operation with unstable parameters of the outdoor air temperature. In this work, the efficiency of the refrigeration system (technological equipment and air conditioning system) operating at the Darnytsia Pharmaceutical Company was analyzed, which consists of refrigeration systems with the Free cooling function and a heat pump. An applied methodology for the complex application of Free cooling and heat pump technologies has been developed based on a scientifically based algorithm for the transition between technologies depending on the cost of energy carriers. It is known that the mode of operation of refrigerating machines and the application of the Free cooling system are determined by the temperature of the external environment. And the mode of operation of the heat pump is limited by the temperature schedule of the heating system. It has been proven that when the outside temperature is below -5C, the temperature in the heat network is equal to or exceeds the maximum temperature that the heat pump can produce and, accordingly, the efficiency of heat utilization is lost. Researched statistical data on the operation of the equipment, the relationship between the cost of electricity and natural gas, and determined the limits of the economic profitability of the transition between these technologies. On the basis of the obtained results, a table of the efficiency of the Free cooling and heat pump technologies was compiled, depending on the tariffs for electricity and natural gas for the period of 120 days of the winter period of operation of the systems. Further research on modeling the possibility of using various types of compressor equipment with the Free cooling system for obtaining cold in order to increase the overall energy efficiency of obtaining industrial cold has a perspective. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.1(76).109-117 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
109
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
УДК 504.062.2; 697.975 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.1(76)109-117
ПРИКЛАДНА МЕТОДОЛОГІЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ
FREE COOLING І ТЕПЛОВИЙ НАСОС
Отримано 04 бер. 2024 р.; рекомендовано до публікації 22 бер. 2024 р.
Доступно онлайн 01 квіт. 2024 р.
Пе репелиця І. В.1, Зур'ян О. В.2
Автор для коресподенції: Зур’ян Олексій,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
Анотація. Стаття присвячена вирішенню актуальної
задачі підвищення техніко-економічної ефективності роботи теплових насосів, що використовують
низькопотенційну теплоту навколишнього середовища в зимовий період експлуатації при нестабіль-
них параметрах температури зовнішнього повітря. Було проаналізовано ефективність роботи дію-
чої на підприємстві Фармацевтичної компанії «Дарниця» системи холодозабезпечення (технологічне
обладнання та система кондиціонування повітря), включно з системою холодозабезпечення з функ-
цією Free cooling та теплового насоса. Розроблена прикладна методологія комплексного застосу-
вання технологій Free cooling та тепловий насос на основі науково обґрунтованого алгоритму пере-
ходу між технологіями залежно від вартості енергоносіїв. Відомо, що режим роботи холодильних
машин та застосування системи Free cooling визначаються температурою зовнішнього середовища.
А режим роботи теплового насоса обмежений температурним графіком системи опалення. Дове-
дено, що при зовнішній температурі нижче –5 °С температура в тепловій мережі дорівнює максима-
льній температурі, яку може видати тепловий насос, або перевищує її, й, відповідно, ефективність
утилізації тепла втрачається. Досліджені статистичні дані роботи обладнання, співвідношення
між вартістю електроенергії та природного газу й визначені межі економічної рентабельності пе-
реходу між цими технологіями. На базі отриманих результатів складено таблицю ефективності за-
стосування технологій Free cooling та тепловий насос залежно від тарифів на електричну енергію
та природний газ за період 120 днів зимового періоду експлуатації систем. Мають перспективу по-
дальші дослідження щодо моделювання можливості застосування різних видів компресорного облад-
нання з системою Free cooling для отримання холоду з метою підвищення загальної енергоефектив-
ності отримання промислового холоду.
Ключові слова: система холодозабезпечення, Free cooling, насос, вартість енергоносіїв, холодильна
машина, утилізація теплоти
APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING
AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES
Received Mar. 04, 2024; accepted Mar. 22, 2024
Available online Apr. 01, 2024
Perepelytsia I.1, Zurian O.2
Author for correspondence: Zurian Oleksii,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
Abstract. The work is dedicated to solving the urgent problem
of increasing the technical and economic efficiency of heat
pumps that use low-potential heat of the environment during the winter period of operation with unstable pa-
rameters of the outdoor air temperature. In this work, the efficiency of the refrigeration system (technological
equipment and air conditioning system) operating at the Darnytsia Pharmaceutical Company was analyzed, which
1 Postgraduate Student.
https://orcid.org/0009-0000-9724-8368
2 Сand. of Tech. Sciences.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
1,2 Institute of Renewable Energy NAS Ukraine,
Kyiv, Ukraine
1 асп.
https://orcid.org/0009-0000-9724-8368
2 канд. техн. наук.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
1,2 Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна
110
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
consists of refrigeration systems with the Free cooling function and a heat pump. An applied methodology for the
complex application of Free cooling and heat pump technologies has been developed based on a scientifically
based algorithm for the transition between technologies depending on the cost of energy carriers. It is known that
the mode of operation of refrigerating machines and the application of the Free cooling system are determined
by the temperature of the external environment. And the mode of operation of the heat pump is limited by the
temperature schedule of the heating system. It has been proven that when the outside temperature is below -5C,
the temperature in the heat network is equal to or exceeds the maximum temperature that the heat pump can
produce and, accordingly, the efficiency of heat utilization is lost. Researched statistical data on the operation of
the equipment, the relationship between the cost of electricity and natural gas, and determined the limits of the
economic profitability of the transition between these technologies. On the basis of the obtained results, a table
of the efficiency of the Free cooling and heat pump technologies was compiled, depending on the tariffs for elec-
tricity and natural gas for the period of 120 days of the winter period of operation of the systems. Further research
on modeling the possibility of using various types of compressor equipment with the Free cooling system for ob-
taining cold in order to increase the overall energy efficiency of obtaining industrial cold has a perspective.
Key words: Cooling system, Free cooling, heat pump, cost of energy carriers, freezing machine, heat utilization
Перелік використаних позначень та скорочень:
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ТН – тепловий насос
ПЗ – програмне забезпечення
ГВП – гаряче водопостачання
БДТЕ – безліч джерел теплової енергії
БТС – безліч технічних засобів
БС – безліч структур
АСУ – автоматизована система управління
FREECOOLING – холодильна система, яка передбачає ре-
жим природного охолодження
Вступ. Відновлювана енергетика є важливим інструмен-
том для досягнення цілей сталого розвитку, включно зі
збереженням довкілля, забезпеченням сталого вироб-
ництва та зменшення впливу енергетичного сектору на
клімат. Відновлювані джерела енергії (ВДЕ), є нескін-
ченними джерелами, що не вичерпуються з часом. Це
забезпечує стабільне джерело енергії на майбутнє.
Водночас основний недолік відновлюваної енергії – її
непостійність. Виробництво як теплової, так і електрич-
ної енергії енергетичними установками, які як джерело
енергії використовують ВДЕ, залежить від місця розмі-
щення й умов експлуатації та погодно-кліматичних
умов, зміна яких має випадковий характер. Тому в лока-
льних енергосистемах з ВДЕ є ризики енергопостачання
споживачів, пов’язані з мінливістю енергоносія. Нас-
лідки від цих ризиків полягають у високій імовірності по-
рушення енергопостачання споживачів. Отже, важли-
вим питанням стає розробка методики проєктування
енергетичних систем, що працюють за рахунок ВДЕ з
урахуванням випадкового характеру факторів, що впли-
вають на стабільність отримання енергії.
Підтримання точних параметрів клімату у виробничих
приміщеннях фармацевтичних підприємств є важливим
завданням при виробництві ліків. Для функціонування
систем підтримки клімату потрібна одночасна робота
контурів холодозабезпечення та теплозабезпечення. Як
джерело холоду використовуються потужні холодильні
установки, споживання електроенергії яких становить
до 60–70 % загального енергоспоживання підприємст-
вом. Питання раціонального споживання електроенер-
гії для виробництва холоду в такому разі постає дуже го-
стро. Використання технології Free cooling дозволяє сут-
тєво скоротити витрати на виробництво холоду в зимо-
вий період. Система Free cooling використовує зовнішні
кліматичні умови для зниження температури води або
повітря, що циркулює в системі охолодження, без пот-
реби у використанні компресорних холодильних ма-
шин. Це може значно знизити витрати на електроенер-
гію, особливо в холодніші періоди року, коли зовнішня
температура є нижчою за температуру, яку потрібно
підтримувати в системі. Такі системи особливо ефекти-
вні в регіонах з холодним кліматом, де більшу частину
року можна використовувати енергію навколишнього
середовища для охолодження. Також вони можуть бути
ефективними в регіонах з великими денними і нічними
температурними коливаннями.
Джерелом тепла для системи теплозабезпечення фар-
мацевтичних підприємств є парові або водяні котельні,
в яких для отримання тепла спалюють органічне паливо.
Однією з ефективних систем перетворення енергії з ни-
зьким потенціалом є теплові насоси. Використання теп-
лових насосів у варіанті, коли контур холодозабезпе-
чення служить джерелом тепла, а витрата тепла
відбувається в контурі теплозабезпечення, дозволяє
отримати ефективний обмін енергією між постійно дію-
чими системами, що в результаті призводить до скоро-
чення використання палива для теплогенерації в опалю-
вальних установках.
Науково-дослідні та дослідно-конструкторські роботи з
підвищення ефективності теплових насосів проводяться
111
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
як в Україні, так і світі вже тривалий час. Перспективи за-
стосування теплових насосів досліджені в роботах [1–3].
В роботах [6–8] проведено оцінку ефективності тепло-
вих насосів різних типів. Авторами [9, 10] виконано по-
рівняльний енергетичний аналіз теплових насосів. Про-
водяться активні науково-дослідницькі роботи щодо
створення ефективної системи управління при проєкту-
ванні комплексних локальних систем (кластера) енерго-
забезпечення з використанням ВДЕ [14–16].
Результати цих досліджень підтверджують перспектив-
ність напряму підвищення енергоефективності за раху-
нок використання низькопотенційної теплової енергії
систем промислових підприємств для потреб опалення,
кондиціювання, гарячого водопостачання та забезпе-
чення технологічних потреб споживачів.
Постановка завдання. Підвищенням ефективності та
надійності теплових насосів та систем Free cooling зай-
маються передові комерційні компанії та наукові інсти-
тути світу. Цей процес відбувається постійно, що сприяє
зменшенню металоємності приладу, його вартості та
підвищенню надійності та функціональності.
Метою роботи є розробка прикладної методології ком-
плексного застосування технологій Free cooling та тепло-
вий насос в системі холодозабезпечення фармацевтич-
ного виробництва на основі науково обґрунтованого
алгоритму переходу між технологіями залежно від вар-
тості енергоносіїв. Відповідно до поставленої мети були
вирішені такі завдання: по-перше, досліджено фактичні
дані споживання енергоносіїв системами холодозабез-
печення на підприємстві (холодильна машина з функ-
цією Free cooling та тепловий насос ); по-друге, на основі
застосування критерію мінімальної вартості енергоресу-
рсів побудована модель комплексної роботи систем хо-
лодозабезпечення; по-третє, на основі запропонова-
ного алгоритму та застосування системи SCADA
отримано можливість автоматичного керування робо-
тою систем Free cooling та тепловий насос залежно від
тарифу на електричну енергію та природний газ.
Виклад основного матеріалу
Основний недолік відновлюваної енергії – її непостій-
ність. Виробництво як теплової, так і електричної енергії
енергетичними установками, які як джерело енергії ви-
користовують ВДЕ, залежить від місця розміщення й
умов експлуатації та погодно-кліматичних умов, зміна
яких має випадковий характер [14].
У методиці побудови енергетичних комплексів з вико-
ристанням відновлюваних джерел енергії зазвичай го-
ловними критеріями вибору ВДЕ є: загальна потужність
системи, вартість енергії, яка виробляється, вартість
енергоустановок, що використовуються, частка замі-
щення вуглеводневого палива та інше.
Впровадження технологій Free cooling та теплових насо-
сів доцільне з погляду енергетичної ефективності. Але
завжди існує питання, яка з цих технологій є більш еко-
номічно привабливою для підприємства? Якщо в одній
системи холодозабезпечення впроваджено одночасно
дві технології, то яка з них є більш економічно доціль-
ною і за яких умов?
Ми проаналізували існуючі методики побудови компле-
ксних систем. Насамперед тих, які стосувалися як мето-
дики вибору оптимального поєднання ВДЕ, так і управ-
ління гібридними енергетичними системами з ВДЕ [15].
Для автоматизованого управління системою теплопо-
стачання потрібно знати властивості цієї установки зага-
лом і окремих її елементів.
За основу методики розробки комплексної системи холо-
дозабезпечення зі змінною структурою вибрано об’єктно-
орієнтований аналіз. Методику описано в три етапи.
На першому етапі аналізу здійснюється декомпозиція
на підсистеми. Синтезуються інформаційні моделі, що
описують зв’язки й атрибути концептуально важливих
об’єктів, які утворюють підсистеми.
На другому етапі синтезуються моделі станів, формалі-
зуються життєві цикли об’єктів, які містять стан об’єктів,
переходи в стани й події, які обумовлюють ці переходи.
Третій етап присвячується розробці технологічних ал-
горитмів, які враховують специфіку технологічного про-
цесу, що підлягає автоматизації.
Результати аналізу згідно з запропонованою методи-
кою дають змогу: визначити й обґрунтувати структуру
системи, можливі режими роботи й конфігурації,
обов’язкові для забезпечення потреб споживача; розг-
лянути властивості елементів системи і їх дії в часі; ви-
значити алгоритми функціонування контролера з
огляду на вибір доцільної конфігурації залежно від міні-
мальної вартості енергоресурсів та потреб споживача.
Система зі змінною структурою й для забезпечення за-
даної температури в процесі постачання теплової енер-
гії до споживача, як кортеж S, має вигляд
S = {МДТЕ , МТС , МС}
де МДТЕ – безліч джерел теплової енергії,
МТС – безліч технічних засобів,
МС – безліч структур.
Для об’єкта енергозабезпечення, що представлений у
такому вигляді, потрібна система управління, яка дає
змогу вибрати найліпший варіант з можливих, запропо-
нованих залежно від вартості енергоресурсів, потреб
споживача, параметрів системи й умов навколишнього
природного середовища. Тобто дозволяє раціонально
забезпечити з представлених множин вибір джерел
енергії, технічних пристроїв та структури об’єкта.
Для оцінки ефективності комплексної енергетичної сис-
теми, яка має змінювану структуру, запропоновано кри-
терій k, який є відношенням сумарних витрат енергії до
112
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
поточної вартості енергоресурсів для забезпечення за-
даної температури в приміщеннях:
∆= ∑ ∫
=
n
i
ii dttQtEk
1 0
))(/(min
τ
де Ei – первинні енергетичні ресурси, що використову-
ються системою для забезпечення заданої темпера-
тури, Дж; Q(t) – поточна вартість енергоресурсів для за-
безпечення заданої температури, грн; t – кінцевий
часовий інтервал, на якому проходить обмін й спожи-
вання енергоресурсів, c; n – кількість різних видів енер-
гетичних ресурсів системи.
Використання технологічних алгоритмів дозволяє змі-
нювати структуру системи залежно від потреб спожи-
вача та умов навколишнього природного середовища
на основі критерію оцінки ефективності системи.
Для аналізу були використані дані, отримані в ході екс-
плуатації існуючої системи холодозабезпечення, части-
ною якої є холодильні машини з функцією Free cooling,
тепловий насос та дані споживання енергоносіїв у холо-
дний період року (рис. 1).
Система холодозабезпечення складається з холодиль-
них машин TRANE, що є основним джерелом холоду, які
обладнані системою Free cooling, розгалуженої системи
трубопроводів, регулювальної арматури й теплового
насоса як допоміжного джерела холоду.
Рис. 1. Структурна схема холодозабезпечення фармацевтичної компанї «Дарниця»
Fig. 1. Structural diagram of the refrigeration supply of the "Darnytsia" pharmaceutical company
Холодильні машини TRANE, загальною холодильною
потужністю 1360 кВт, забезпечують температуру холо-
доносія 6–12 °С для споживачів виробництва цілодо-
бово. При температурі зовнішнього повітря вище 5 °С
працюють холодильні машини. Залежно від наванта-
ження контролер керування холодильними машинами
вмикає обидва чіллери чи залишає в роботі один. При
температурі зовнішнього повітря нижче 5 °С холодильні
машини вимикаються, в роботу вмикається Free cooling
який встановлений на двох холодильних машинах та за-
лежно від навантаження та температури вмикається
один або два Free cooling для підтримання заданих па-
раметрів.
Тепловий насос Aermec, Модель WRK0350HL, призначе-
ний для рекуперації тепла з холодильного контуру
(температура холодоносія 6–12 °С) в систему опалення
(температура теплоносія 45–65 °С). Теплова потуж-
ність – 103,8 кВт, електрична потужність – 21,9 кВт, хо-
лодильна потужність – 81,9 кВт. У схему теплового на-
сосу включені два циркуляційні відцентрові насоси Wilo
TOP S 50/15.
Залежно від зовнішньої температури повітря та тарифів
на енергоносії проведено розрахунки та отримано дані,
на підставі яких можливо прийняти рішення щодо залу-
чення в технологічному процесі отримання холоду конк-
ретних систем, що впроваджені на підприємстві (табл. 1).
Для отримання найбільшої репрезентативності, викори-
стані дані за 120 днів 2022 та 2023 років з температурою
зовнішнього повітря нижче +4 °С.
113
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
Таблиця 1. Середня річна тривалість періоду з низькою температурою зовнішнього середовища
Table 1. The average annual duration of the period with low ambient temperature
Температура зовнішнього середовища, 0С Тривалість в днях Навантаження вентиляторів,%
5–0 50 100
0 – (-5) 30 75
(-5) – (-10) 20 50
(-10) – (-15) 10 25
(-15) – (-25) 10 0
Для статистичного аналізу використовуємо дані фактич-
ного добового споживання електричної енергії системою
холодозабезпечення за останні два роки (2022–2023). Че-
рез нерівномірність температури зовнішнього середо-
вища протягом доби автоматика холодильної машини пе-
ремикає роботу систему Free cooling та роботу фреонових
компресорів, що видно на графіку в інтервалі середньодо-
бової температури від +5 до +12 С°. У розрахунку викорис-
тані дані споживання електричної енергії, коли працювала
тільки система Free cooling, без включення в роботу елект-
ричних компресорів, тому використовуємо температур-
ний діапазон від +5 С° та нижче (рис. 2).
Рис. 2. Залежність споживання електроенергії від середньодобової температури зовнішнього повітря
Fig. 2. Dependence of electricity consumption on the average daily outdoor air temperature
Тариф на електроенергію змінюється щогодини і для
промислового підприємства в Україні може бути знач-
ним залежно від таких чинників, як [17, 18]:
1. Тип ринку. Ринок «на добу вперед» – ціни залежать
від попиту та пропозиції на електроенергію протягом
дня. Коливання можуть сягати 30–50 %. «Балансуючий
ринок» – використовується для балансування попиту та
пропозиції в режимі реального часу.
2. Час доби. В «Пікові години» ціни зазвичай вищі вранці
(з 8:00 до 11:00) та ввечері (з 18:00 до 21:00), коли попит
на електроенергію найвищий. У «нічні години» ціни за-
звичай нижчі вночі (з 23:00 до 7:00), коли попит на еле-
ктроенергію найнижчий.
3. Сезон. У холодний період ціни зазвичай вищі взимку,
коли попит на електроенергію зростає через опалення.
У теплий період ціни зазвичай нижчі влітку, коли попит
на електроенергію падає.
114
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
4. Погодні умови. Взимку ціни можуть зростати під час
морозів, коли зростає попит на електроенергію для опа-
лення. Влітку ціни можуть зростати, коли зростає попит
на електроенергію для кондиціювання.
5. Державне регулювання. Уряд України може вводити
тимчасові цінові обмеження на електроенергію для за-
хисту споживачів від різких коливань цін.
За підсумками грудня 2023 року середня вартість 1 кВт⋅г
електроенергії для фармацевтичної компанії «Дар-
ниця» становила 5,22 грн без ПДВ.
Тариф природного газу визначається один раз на місяць
на контрактній основі. За підсумками грудня 2023 року
вартість 1 м3 газу становила 13,08 грн без ПДВ.
Розрахунок було виконано в три етапи:
Перша частина – це визначення всіх витрат та економії
при одночасній роботі системи Free cooling та теплового
насосу із завантаженням близько 100 % за 120 днів
взимку. При цьому споживання електроенергії холоди-
льною машиною TRANE з функцією Free cooling:
WTRANE1 = 103 827 кВт⋅год
Споживання електроенергії тепловим насосом Aermec:
WAermec = 70 329 кВт⋅год
W1 = WTRANE1 + WAermec = 174 156 кВт⋅год
З урахуванням тарифу витрати становлять:
В1 = 174 156 кВт⋅год 5,22 грн/кВт⋅год = 909 097 грн
За визначений період тепловим насосом було отримано
298 944 кВт⋅год теплової енергії, що при теплоті зго-
рання газу 9,55 кВт⋅год/м3 дорівнює економії 31 304 м3
газу при виробництві теплоти на опалення.
Екгаз = 31 30 м3⋅13,08 грн/м3 = 409 495 грн
Таким чином, фінансові витрати за розрахунковий пе-
ріод становлять:
Ф1 = В1 – Екгаз = 909 097 – 409 495 = 499 602 грн
Друга частина – розрахунок витрат при роботі лише си-
стеми Free cooling.
В цьому разі збільшується навантаження на вентиля-
тори охолодження системи Free cooling пропорційно
співвідношенню витрат води на охолодження в тепло-
вому насосі та холодильній машині й дорівнює 23 %.
При цьому збільшення електроспоживання на охоло-
дження холодильною системою без роботи теплового
насоса дорівнює:
Wприріст = 12 113 кВт⋅год
WTRANE2 = WTRANE1 + Wприріст = 115 940 кВт⋅год
З урахуванням тарифу витрати становлять:
В2 = 115 940 кВт⋅год⋅5,22 грн/кВт⋅год = 605 208 грн
Третя частина – порівняння перших двох розрахунків та
підсумок
Ф2 = В2 – Ф1 = 605 208 – 499 640 = 105 567 грн
Таким чином, за розрахунковий період при вище зазна-
ченій вартості електричної енергії та природного газу
економічний ефект від використання теплового насоса
становить 105,5 тис. грн.
Змінюючи в розрахунку тарифи на енергоносії, можна
спрогнозувати рентабельність роботи задіяних енергоо-
щадних технологій і визначити, робота якого облад-
нання буде в пріоритеті.
В результаті розрахунків побудована таблиця розрахун-
кової економії залежно від тарифів на електричну енер-
гію та природній газ. Тобто в табл. 2 пораховано еконо-
мічний ефект (грн) від роботи Free cooling або теплового
насоса за 120 днів взимку.
Таблиця 2. Коефіцієнт економічної ефективності застосування технологій Free cooling та теплонасосних техноло-
гій залежно від тарифів на електроенергію та природний газ за період 120 діб
Table 2. The ratio of economic efficiency of the application of Free cooling and heat pump technologies depending on
the tariffs for electricity and natural gas for a period of 120 days
За 120 днів Вартість електроенергії, грн/кВт⋅год
Вартість газу, грн/м3 5 6 7 8 9 10
10 21 958 -36 258 -94 474 -152 691 -210 907 -269 124
12,5 100 219 42 002 -16 214 -74 431 -132 647 -190 864
15 178 479 120 262 62 046 3 829 -54 387 -112 603
17,5 256 739 198 523 140 306 82 090 23 873 -34 343
20 334 999 276 783 218 566 160 350 102 133 43 917
Результат з «+» означає, що використання теплового
насоса є вигіднішим порівняно з Free cooling
Результат з «–» означає, що використання теплового
насоса не є вигіднішим порівняно з Free cooling
При завантаженні отриманої таблиці в систему керу-
вання SCADA отримаємо можливість автоматичного
керування роботою теплового насоса залежно від ча-
сового тарифу електроенергії, що дозволить отри-
мати додаткову економію (рис. 3).
115
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
Рис. 3. Алгоритм автоматичного керування роботою систем Free cooling та теплового насоса залежно від
тарифу на електричну енергію та природний газ
Fig. 3. Algorithm for automatic control of Freecooling and heat pump systems depending on the tariff for electricity and
natural gas
Висновки
Розрахунок пріоритетності використання енергоощад-
них технологій – Free cooling або теплового насоса – до-
зволяє вибрати найбільш рентабельну технологію зале-
жно від вартості енергоносіїв.
Використання отриманих результатів в автоматичній си-
стемі SCADA дозволяє налаштувати алгоритм пріоритет-
ності роботи без участі людини.
Результати цих досліджень підтверджують перспектив-
ність напряму підвищення енергоефективності за раху-
нок використання низькопотенційної теплової енергії
систем промислових підприємств для потреб опалення,
кондиціювання, гарячого водопостачання та забезпе-
чення технологічних потреб споживачів.
Мають перспективу подальші дослідження щодо розра-
хунку можливості застосування різних видів компресор-
ного обладнання з системою Free cooling та теплових
насосів для отримання холоду з метою підвищення за-
гальної енергоефективності отримання промислового
холоду.
ПОСИЛАННЯ
1. Безродний М. К., Пуховий І. І., Кутра Д. С. Теплові на-
соси та їх використання: навч. посіб. К.: НТУУ «КПІ».
2013. 312 с.
2. Долинский А. А., Драганов Б. Х. Тепловые насосы в
системе теплоснабжения зданий. Промышленная
теплотехника. 2008. Т. 30. № 6. С. 71–83.
3. Кудря С. О. Відновлювані джерела енергії. ІВЕ НАН
України. Київ. 2020. 354 с.
4. 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. Pp. 1–10.
5. 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
6. 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. Pp. 1–6.
http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
116
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
7. Морозов Ю. П. та ін. Енергетична ефективність вико-
ристання перших від поверхні водоносних горизонтів
для тепло- і хладопостачання. / Ю. П. Морозов, А. А.
Барило, Д. М. Чалаєв, М. П. Добровольський. Віднов-
лювана енергетика. 2019. № 2. С. 70–78. DOI:
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57).70-78
8. 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.
Pp. 83–90.
https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
9. Малкін Е. С., Кулінко Є. О. Перспективи та аспекти за-
стосування систем теплохолодопостачання, які вико-
ристовують приповерхневі шари води в якості тепло-
вого акумулятора. Вентиляція, освітлення та
теплогазопостачання. 2014. № 17. С. 63–69.
10. 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.
11. Bayer P., Saner D., Bolay S., Rybach L., Blum P.
Greenhouse gas emission savings of ground source heat
pump systems in Europe: a review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews. 2012. № 16.
1256–1267.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.027
12. Зур’ян. О. В. Експериментальні дослідження тепло-
вого режиму гідротермальної теплонасосної сис-
теми. Відновлювана енергетика. 2021. 4(67). 77–89.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
13. 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. Pp.
575–584 https://doi.org/10.15421/112254
14. Зур’ян О. В. Комплексне використанням підземного
акумулювання теплоти, теплонасосної системи та со-
нячних колекторів. Вісник Кременчуцького націона-
льного університету імені Михайла Остроградського.
2023. № 5(142). С. 94–102.
https://doi.org/10.32782/1995-0519.2023.5.11
15. Зур’ян О. В., Матях С. В. Система управління енерге-
тичним кластером на основі теплового насосу. Від-
новлювана енергетика. 2023. № 2. С. 92–99.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73).92-99
16. Кузнєцов М. П. Особливості комбінованих енергоси-
стем з відновлюваними джерелами енергії : моно-
графія. /ІВЕ НАН України/. Київ. ІВЕ НАН України,
2022. 152 с. – (Обл.-вид. арк. 8,1). – ISBN 978-966-
641-11. URL : https://www.ive.org.ua/wp-
content/uploads/Kuznetzov_monografy_PRINT.pdf
17. Про ринок електричної енергії: Закон України від
13.04.2017 № 2019-VIII. URL:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2019-19#Text
(дата звернення: 04.11.2021).
18. Про затвердження Правил ринку: Постанова Націо-
нальної комісії, що здійснює державне регулювання
у сферах енергетики та комунальних послуг від
14.03.2018 № 307. URL:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v0307874-
18#Text (дата звернення: 04.11.2021).
19. Про затвердження Правил ринку «на добу наперед»
та внутрішньодобового ринку: Постанова Національ-
ної комісії, що здійснює державне регулювання у
сферах енергетики та комунальних послуг від
14.03.2018 № 308. URL:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v0308874-
18#Text (дата звернення: 03.09.2021).
REFERENCES
1. Bezrodnyi M. K. Pukhovyi I. I., Kutra D. S. Heat pumps and
their use: navch. posib. K. NTUU «KPI». 2013. 312 p.
2. Dolynskyi A. A., Drahanov B. Kh. Heat pumps in the heat
supply system are installed. Promіshlennaia tep-
lotekhnyka.2008. T. 30. № 6. Pp. 71–83.
3. Kudria S. O. Renewable energy sources. IVE NAN
Ukrainy. Kyiv. 2020. 354 с.
4. 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. Pp. 1–10.
5. Morozov Yu. P., Chalaiev D. M., Nikolaievska N. V., Do-
brovolskyi M. P. 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). Pp. 80–88.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
6. 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. Pp. 1–6.
http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
7. Morozov Yu. P. et al. Energy efficiency of using the first
aquifers from the surface for heating and cooling. Vid-
novliuvana enerhetyka. 2019. № 2. Pp. 70–78. DOI:
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.2(57). 70-78
8. 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.
Pp. 83–90 .
https://doi.org/10.5593/sgem2019/4.1/S17.011
117
Відновлювана енергетика. №1/2024 | Геотермальна енергетика
9. Malkin E. S., Kulinko Ye. O. 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. Pp. 63–69.
10. 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.
11. Bayer P., Saner D., Bolay S., Rybach L., Blum, P. Green-
house gas emission savings of ground source heat pump
systems in Europe: a review. Renewable and Sustaina-
ble Energy Reviews. 2012. № 16:
Pp. 1256–1267.
https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.09.027
12. Zurian. O. V. Experimental studies of the thermal regime
of the hydrothermal heat pump system. Vidnovliuvana
enerhetyka. 2021. 4(67). 77–89.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
13. 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. Pp.
575–584 https://doi.org/10.15421/112254
14. Zurian O. V. Complex use of underground heat storage,
heat pump system and solar collectors. Visnyk Kremen-
chutskoho natsionalnoho universytetu imeni Mykhaila
Ostrohradskoho. 2023. № 5(142). 2023. Pp. 94–102.
https://doi.org/10.32782/1995-0519.2023.5.11
15. Zurian O. V., Matiakh S. V. Energy cluster management
system based on a heat pump. Vidnovliuvana ener-
hetyka. 2023. № 2. S. Pp. 92–99.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73).92-99
16. Kuznietsov M. P. Peculiarities of combined energy systems
with renewable energy sources. /IVE NAN Ukrainy/. Kyiv.
IVE NAN Ukrainy. 2022. 152 p. (Obl.-vyd. ark. 8,1).ISBN
978-966-641-11. URL: https://www.ive.org.ua/wp-con-
tent/uploads/Kuznetzov_monografy_PRINT.pdf
17. On the electricity market: Zakon Ukrainy vid
13.04.2017 № 2019-VIII. URL: https://za-
kon.rada.gov.ua/laws/show/2019-19#Text (data
zvernennia: 04.11.2021).
18. On the approval of the Market Rules: Postanova
Natsionalnoi komisii, shcho zdiisniuie derzhavne re-
huliuvannia u sferakh enerhetyky ta komunalnykh
posluh vid 14.03.2018 № 307. URL: https://za-
kon.rada.gov.ua/laws/show/v0307874-18#Text (data
zvernennia: 04.11.2021).
19. On the approval of the Rules of the "day-ahead" and in-
traday market: Postanova Natsionalnoi komisii, shcho
zdiisniuie derzhavne rehuliuvannia u sferakh ener-
hetyky ta komunalnykh posluh vid 14.03.2018 № 308.
URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/v0308874-
18#Text (data zvernennia: 03.09.2021).
|
| id | veorgua-article-448 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:12:53Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/f1/78f41e2c5b1b42d9d46fac7eb5d73cf1.pdf |
| spelling | veorgua-article-4482026-07-18T06:32:19Z APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES ПРИКЛАДНА МЕТОДОЛОГІЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ FREE COOLING І ТЕПЛОВИЙ НАСОС Perepelytsia , I. Zurian , O. Cooling system, Free cooling, heat pump, cost of energy carriers, freezing machine, heat utilization система холодозабезпечення, Free cooling, насос, вартість енергоносіїв, холодильна машина, утилізація теплоти The work is dedicated to solving the urgent problem of increasing the technical and economic efficiency of heat pumps that use low-potential heat of the environment during the winter period of operation with unstable parameters of the outdoor air temperature. In this work, the efficiency of the refrigeration system (technological equipment and air conditioning system) operating at the Darnytsia Pharmaceutical Company was analyzed, which consists of refrigeration systems with the Free cooling function and a heat pump. An applied methodology for the complex application of Free cooling and heat pump technologies has been developed based on a scientifically based algorithm for the transition between technologies depending on the cost of energy carriers. It is known that the mode of operation of refrigerating machines and the application of the Free cooling system are determined by the temperature of the external environment. And the mode of operation of the heat pump is limited by the temperature schedule of the heating system. It has been proven that when the outside temperature is below -5C, the temperature in the heat network is equal to or exceeds the maximum temperature that the heat pump can produce and, accordingly, the efficiency of heat utilization is lost. Researched statistical data on the operation of the equipment, the relationship between the cost of electricity and natural gas, and determined the limits of the economic profitability of the transition between these technologies. On the basis of the obtained results, a table of the efficiency of the Free cooling and heat pump technologies was compiled, depending on the tariffs for electricity and natural gas for the period of 120 days of the winter period of operation of the systems. Further research on modeling the possibility of using various types of compressor equipment with the Free cooling system for obtaining cold in order to increase the overall energy efficiency of obtaining industrial cold has a perspective. Стаття присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення техніко-економічної ефективності роботи теплових насосів, що використовують низькопотенційну теплоту навколишнього середовища в зимовий період експлуатації при нестабільних параметрах температури зовнішнього повітря. Було проаналізовано ефективність роботи діючої на підприємстві Фармацевтичної компанії «Дарниця» системи холодозабезпечення (технологічне обладнання та система кондиціонування повітря), включно з системою холодозабезпечення з функцією Free cooling та теплового насоса. Розроблена прикладна методологія комплексного застосування технологій Free cooling та тепловий насос на основі науково обґрунтованого алгоритму переходу між технологіями залежно від вартості енергоносіїв. Відомо, що режим роботи холодильних машин та застосування системи Free cooling визначаються температурою зовнішнього середовища. А режим роботи теплового насоса обмежений температурним графіком системи опалення. Доведено, що при зовнішній температурі нижче –5 °С температура в тепловій мережі дорівнює максимальній температурі, яку може видати тепловий насос, або перевищує її, й, відповідно, ефективність утилізації тепла втрачається. Досліджені статистичні дані роботи обладнання, співвідношення між вартістю електроенергії та природного газу й визначені межі економічної рентабельності переходу між цими технологіями. На базі отриманих результатів складено таблицю ефективності застосування технологій Free cooling та тепловий насос залежно від тарифів на електричну енергію та природний газ за період 120 днів зимового періоду експлуатації систем. Мають перспективу подальші дослідження щодо моделювання можливості застосування різних видів компресорного обладнання з системою Free cooling для отримання холоду з метою підвищення загальної енергоефективності отримання промислового холоду. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-04-05 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/448 10.36296/1819-8058.2024.1(76).109-117 Vidnovluvana energetika ; No. 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 109-117 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(76) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 109-117 Відновлювана енергетика; № 1(76) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 109-117 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.1(76) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/448/357 Copyright (c) 2024 I. Perepelytsia , O. Zurian https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | Cooling system Free cooling heat pump cost of energy carriers freezing machine heat utilization Perepelytsia , I. Zurian , O. APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title | APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title_alt | ПРИКЛАДНА МЕТОДОЛОГІЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ FREE COOLING І ТЕПЛОВИЙ НАСОС |
| title_full | APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title_fullStr | APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title_full_unstemmed | APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title_short | APPLIED METHODOLOGY OF COMPLEX APPLICATION OF FREE COOLING AND HEAT PUMP TECHNOLOGIES |
| title_sort | applied methodology of complex application of free cooling and heat pump technologies |
| topic | Cooling system Free cooling heat pump cost of energy carriers freezing machine heat utilization |
| topic_facet | Cooling system Free cooling heat pump cost of energy carriers freezing machine heat utilization система холодозабезпечення Free cooling насос вартість енергоносіїв холодильна машина утилізація теплоти |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/448 |
| work_keys_str_mv | AT perepelytsiai appliedmethodologyofcomplexapplicationoffreecoolingandheatpumptechnologies AT zuriano appliedmethodologyofcomplexapplicationoffreecoolingandheatpumptechnologies AT perepelytsiai prikladnametodologíâkompleksnogozastosuvannâtehnologíjfreecoolingíteplovijnasos AT zuriano prikladnametodologíâkompleksnogozastosuvannâtehnologíjfreecoolingíteplovijnasos |