Aeroterminio šilumos siurblio garintuvo užšalimo procesų tyrimai dinaminėmis aplinkos sąlygomis

Abstract

Disertacijoje nagrinėjamas aeroterminio šilumos siurblio (angl. air-source heat pump – ASHP) garintuvo veikimas ir užšalimo procesai esant dinamiškoms klimato sąlygoms. Tyrimo aktualumas grindžiamas didėjančiu tokių šilumos siurblių taikymu energijos tvarumo kontekste, ypač šaltuoju metų sezonu, kai dėl žemų temperatūrų ir aukštos absoliutinės lauko oro drėgmės formuojasi šerkšnas ant garintuvo šilumokaičio, mažinantis aeroterminio šilumos siurblio efektyvumą. Pagrindinis darbo tikslas – ištirti orinio šilumos siurblio veikimą šaltuoju metų laiku ir sukurti dinaminį modelį, integruojantį garintuvo atitirpinimo vertinimo metodiką, įgalinančią nustatyti užšalimo įtaką sezoniniam šilumos siurblio efektyvumui. Disertacijoje sprendžiami šie uždaviniai: įvertinti šerkšno vertinimo ir mažinimo priemones, atlikti eksperimentinius tyrimus skirtingomis aplinkos sąlygomis, sukurti veikimo vertinimo metodiką ir dinaminį aeroterminio šilumos siurblio modelį nestacionariųjų (laike kintančių) procesų sistemų modeliavimo įrankio (angl. Transient System Simulation Tool) – TRNSYS aplinkoje. Taikomi termodinaminės, parametrinės bei sisteminės analizės metodai, kurie derinami su eksperimentiniais tyrimais ir dinaminiu modeliavimu. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, literatūros šaltiniai, autoriaus mokslinių publikacijų disertacijos tema sąrašas. Pirmajame skyriuje pateikiama aeroterminio šilumos siurblio veikimo ir garintuvo užšalimo problemos literatūros apžvalga. Antrajame – eksperimentinių tyrimų metodika, stendo aprašymas ir dinaminio modelio sudarymo bei logikos metodinis pagrindas. Trečiajame – analizuojami eksperimentinių tyrimų duomenys, pateikiami sukurto dinaminio modelio TRNSYS aplinkoje rezultatai, kartu apimantys modelio validaciją ir modelio taikymą skirtingo klimato atvejais. Disertacijos mokslinis naujumas grindžiamas: eksperimentiniu šerkšno formavimosi tyrimu realiomis sąlygomis, šerkšno vertinimo metodikos kūrimu ir jos integravimu į dinaminį TRNSYS modelį, leidžiantį prognozuoti aeroterminio šilumos siurblio veikimą įvairiomis klimato sąlygomis ar esant skirtingam pačio šilumos siurblio veikimo režimui. Praktinė reikšmė – galimybė pritaikyti modelį projektuojant sistemas ir prognozuojant jų veikimą net esant nepakankamiems gamintojo duomenims. Disertacijos tema paskelbta 9 mokslinių publikacijų, iš kurių 2 – leidiniuose, referuojamuose Web of Science duomenų bazėje, o tyrimų rezultatai pristatyti 4 mokslinėse konferencijose, iš kurių 3 vyko Lietuvoje ir viena užsienyje.

The dissertation examines the operation of the evaporator in an air–source heat pump (ASHP) and freezing processes under dynamic climatic conditions. The relevance of the research stems from the increasing application of such heat pumps in the context of energy sustainability, especially during the cold season, when low temperatures and high absolute outdoor air humidity can cause frost to form on the evaporator heat exchanger, reducing the efficiency of the air–source heat pump. The main objective of the work is to investigate the operation of an air heat pump during the cold season and to develop a dynamic model integrating an evaporator defrost evaluation methodology to determine the impact of freezing on the heat pump’s seasonal efficiency. The following tasks are addressed in the dissertation: to evaluate frost assessment and mitigation measures, to perform experimental investigations under different environmental conditions, to develop an operational evaluation methodology and a dynamic air–source heat pump model in the environment of the transient (time–varying) process systems modelling tool (Transient System Simulation Tool) – TRNSYS. Thermodynamic, parametric, and system analysis methods are applied, combined with experimental investigations and dynamic modelling. The dissertation consists of an introduction, three chapters, general conclusions, references, and a list of the author’s scientific publications on the topic of the dissertation. The First Chapter presents a literature review on the operation of the air–source heat pumps and the problem of evaporator freezing. The Second Chapter describes the methodology of experimental investigations, the test bench, and the methodological basis for the development and logic of the dynamic model. The Third Chapter analyses the data of the experimental investigations. It presents the results of the developed dynamic model in the TRNSYS environment, including model validation and application of the model under different climatic conditions. The scientific novelty of the dissertation is based on experimental investigation of frost formation under real conditions, development of a frost assessment methodology and its integration into a dynamic TRNSYS model, enabling prediction of air–source heat pump performance under different climates or different operating modes of the heat pump itself. The practical significance lies in the possibility of applying the model to system design and performance prediction even with insufficient manufacturer data. The topic of the dissertation has been published in nine scientific publications, of which two are in journals indexed in the Web of Science database, and the research results have been presented at four scientific conferences, three of which were held in Lithuania and one abroad.