title: Ψηφιακό μοντέλο μελέτης λειτουργίας αντλίας θερμότητας για θέρμανση εσωτερικού χώρου με αξιοποίηση της απορριπτόμενης θερμότητας φωτοβολταϊκού πάνελ
title: Digital model of a heat pump operation for indoor space heating using the rejected heat of a photovoltaic panel
Creators: name: Νικολουδακης Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Στην εποχή που διανύουμε η όλο και αυξανόμενη ανάγκη για κάλυψη των αναγκών θέρμανσης (και ψύξης), στους εσωτερικούς χώρους, προϋποθέτει την αύξηση της παραγόμενης ενέργειας. Το περιβαλλοντικό αποτύπωμα παραγωγής της ενέργειας (εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας φυσικού αερίου/πετρελαίου) είναι πολύ υψηλό, γεγονός που εντείνει το πρόβλημα της κλιματικής και ενεργειακής κρίσης. Στο σημείο αυτό είναι σημαντική η εύρεση τρόπων εξοικονόμησης ενέργειας, όπως και η βελτίωση συστημάτων που θα έχουν μεγαλύτερη απόδοση, δηλαδή θα χρειάζονται λιγότερη ενέργεια για την λειτουργία τους και θα μπορούν να καλύψουν ικανοποιητικά τις ανάγκες αυτές. Ένα σύστημα που μπορεί βοηθήσει στο θέμα αυτό είναι η αντλία θερμότητας.
Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε θεωρητική μελέτη για λειτουργία αντλίας θερμότητας η οποία χρησιμοποιεί το φωτοβολταϊκό πάνελ ως άμεση πηγή θερμότητας για τον ατμοποιητή του συστήματος. Στο πίσω μέρος του πάνελ προσαρμόζεται μια απορροφητική πλάκα χαλκού όπου πάνω της προσκολλάται το σύστημα σωληνώσεων όπου γίνεται η κυκλοφορία του ρευστού. Το ρευστό που χρησιμοποιείται είναι το ψυκτικό R134-A, το οποίο απορροφά άμεσα θερμότητα από το πάνελ για να αλλάξει φάση και να μετατραπεί σε ατμό. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ ορίστηκαν ως μονοκρυσταλλικού τύπου τα οποία έχουν συνολική επιφάνεια 4 m2 και απόδοση μετατροπής σε ηλεκτρική ενέργεια ίση με 0,15 (15%). Για την πραγματοποίηση της μελέτης πάρθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα για το έτος 2016 στην περιοχή του Πολυτεχνείου Κρήτης. Από τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα θερμοκρασίας περιβάλλοντος και ηλιακής ακτινοβολίας. Έπειτα υπολογίστηκαν οι απώλειες θερμότητας για εσωτερικό χώρο διαστάσεων 4 x 4 x 3 (Μ-Π-Υ) για τις οποίες η αντλία θερμότητας έπρεπε να καλύψει τις απώλειες αυτές.
Η λειτουργία του συστήματος της αντλίας θερμότητας βασίστηκε στον ψυκτικό κύκλο συμπίεσης ατμού, με σταθερές πιέσεις ατμοποίησης και συμπύκνωσης. Έπειτα έγινε χρήση του θεωρητικού μοντέλου και του κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού python για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών τιμών, όπου υπολογίστηκε ο συντελεστής απόδοσης (COP) της αντλίας θερμότητας, το έργο εισόδου του συμπιεστή (Wc), η θερμότητα που απορρίφθηκε στον εσωτερικό χώρο (Qcond) όπως και οι θερμοκρασίες εξόδου από το πάνελ (Τ1) και θερμοκρασία συμπύκνωσης (Τ3).
Οι απώλειες του εσωτερικού χώρου για τις ώρες λειτουργίας της αντλίας θερμότητας ήταν ίσες με 3,74 kWh. Η αντλία θερμότητας λειτούργησε μεταξύ των πιέσεων P1 και P2 στα 1,639 kPa και 6 kPa, έχοντας θερμοκρασία Τ1 ίση με -15⁰C και θερμοκρασία Τ3 ίση με 21,5⁰C. Σε αυτό το εύρος πιέσεων η αντλία θερμότητας παρήγαγε και απέρριψε στον εσωτερικό χώρο 2,79 kWh θερμότητας, καλύπτοντας το 75% των αναγκών θέρμανσης. Επίσης ο συντελεστής απόδοσης της αντλίας υπολογίστηκε θεωρητικά στο 6,9. Η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος της αντλίας θερμότητας ήταν ίση με 0,42 kWh ενώ τα φ/β πάνελ παρήγαγαν 0,87 kWh ηλεκτρικής ενέργειας, άρα τα πάνελ μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες για ενέργειας της αντλίας. Σε αντιστοιχία με ένα κοινό σύστημα αντλίας θερμότητας των 12000 btu το οποίο θα κατανάλωνε 2,68 kWh ηλεκτρικής ενέργειας για να παράξει την ίδια ποσότητα θερμότητας, το θεωρητικό μοντέλο χρησιμοποίησε μόνο το 15% της ηλεκτρικής ενέργειας του κλιματιστικού. Τέλος η απόδοση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας των φ/β πάνελ, λόγω ψύξης από την αντλία θερμότητας, αυξήθηκε στο 25,8% ενώ για το σενάριο λειτουργίας χωρίς τον ατμοποιητή της αντλίας θερμότητας η απόδοση προέκυψε ίση με 19,4%.
description: In the era we live in, the ever-increasing need to cover heating (and cooling) needs, indoors, requires an increase in the energy produced. The environmental footprint of energy production (gas/oil power plants) is very large, which exacerbates the problem of the climate and energy crisis. At this point, it is important to find ways to save energy, as well as to improve systems that will be more efficient, i.e., they will need less energy for their operation and will be able to satisfactorily cover these needs. A system that can help in this matter is the heat pump.
In this thesis, a theoretical study was made for the operation of a heat pump that uses the photovoltaic panel as the vaporizer of the system. An absorbent copper plate is attached to the back of the panel to which the pipes where the fluid circulates are attached. The fluid used is R134-A refrigerant, which directly absorbs heat from the panel to change phase and turn into vapor. Photovoltaic panels were defined as monocrystalline type which have a total surface area of ​​4 m2 and an electrical energy conversion efficiency equal to 0.15 (15%). For the realization of the study, meteorological data were taken for the year 2016 in the area of ​​the Technical University of Crete. From these data, the ambient temperature and solar radiation data were used. Heat losses were then calculated for an interior space of dimensions 4 x 4 x 3 (L-W-H) for which the heat pump had to cover these losses.
The operation of the heat pump system was based on the vapor compression refrigeration cycle, with constant vaporizing and condensing pressures. Then the theoretical model and the code in python programming language were used to calculate the thermodynamic values, where the coefficient of performance (COP) of the heat pump, the input work of the compressor (Wc), the heat rejected to the indoor space (Qcond) were calculated, as well as panel outlet temperature (T1) and condensation temperature (T3).
The heat losses of the interior space for the operating hours of the heat pump were equal to 3,74 kWh. The heat pump was operating in the pressure range of 1,639 kPa and 6 kPa, with temperature T1 equal to -15⁰C and temperature Τ3 equal to 21,5⁰C. In this particular pressure range the heat pump produced 2,79 kWh of heat that was dumped into the interior space, covering at a percentage of 75% the heat demand of the space. The coefficient of performance was also calculated and was equal to 6,9. The electricity consumption of the heat pump was equal to 0,42 kWh, while the PV panels produced 0,87 kWh of electricity for the same amount of time. Thus, the PV panels can cover the electricity demand of the heat pump. In correspond to a split unit air conditioner of 12000 Btu that would consume 2,68 kWh of electricity for the same operating hours, the heat pump only needed the 15% of that electricity to cover the heat demands. Finally, the conversion efficiency of the pv panel, due to cooling from the heat pump’s evaporator, increased at 25,8%, while the pv panels without the evaporator had a conversion efficiency equal to 19,4%.