Thermodynamic and functional efficiency analysis of solar energy using indoor climate system

Disertacijoje taikant sisteminės, termodinaminės, šilumos ir masės mainų bei parametrinės analizės metodus tiriamas saulės energiją naudojančios mikroklimato sistemos termodinaminis efektyvumas, apribojamas funkciniu efektyvumu. Tiriama šios sistemos įtaka galutiniam pastato vartotojui – žmogui. Šalia savo pagrindinės funkcijos – pakankamos šiluminės aplinkos užtikrinimo – sistema privalo būti termodinamiškai efektyvi. Pagrindinis disertacijos tikslas – nustatyti termodinaminį efektyvumą ir funkcionalumą integruojančias sąsajas mažai energijos vartojančiam pastatui kaip saulės energiją naudojančiai mikroklimato sistemai. Darbe sprendžiami keli pagrindiniai uždaviniai: pirmasis – atliekama sienų šiluminio talpumo įtakos pastato energijos poreikiams analizė; antrasis – termodinaminiu požriu atliekama saulės energiją naudojančios mikroklimato sistemos analizė; trečiasis – algoritmo, skirto eksergijos sąnaudoms pastato inžinerinėse sistemose mažinti, sudarymas derinant termodinaminės ir funkcinės analizės metodus. Disertaciją sudaro įvadas, 3 skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatūros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai bei šeši priedai. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, aprašomas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašoma tyrimų metodika, mokslinis darbo naujumas, ginamieji teiginiai, pristatomos disertacijos tema paskelbtos autoriaus publikacijos ir pranešimai konferencijose bei disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje pateikiami keliami saulės energiją naudojančių mikroklimato sistemų reikalavimai. Taip pat apžvelgtos mikroklimato sistemos, naudojančios saulės energiją, bei analizei taikomi vertinimo metodai. Atlikta tyrimų apžvalga leidžia nustatyti tyrimų kryptį ir suformuluoti uždavinius, leidžiančius pasiekti tyrimo tikslą. Antrajame skyriuje pristatomas sudaryto saulės energiją vartojančios sistemos termodinaminio vertinimo algoritmas, kai atsižvelgiama į pasyvias ir aktyvias mikroklimato sistemas bei į šiluminio komforto lygį patalpoje. Aprašomi veiksmų algoritmai ir sudaryti matematiniai modeliai. Trečiajame skyriuje pateikti saulės energiją naudojančios mikroklimato sistemos termodinaminio ir funkcinio efektyvumo vertinimo tyrimų rezultatai. Rezultatai gauti taikant šių sistemų sukurtą vertinimo modelį

Technical measures to decrease heat energy consumption of final customer in multi-apartment buildings according to Energy Efficiency Directive

Energy consumption in the world increases, so the measures in order to improve energy efficiency must be found. The aim of 2012/27/EU Energy Efficiency Directive targets is to decrease energy consumption for a final energy consumer by 1.5% every year, but there is no definition how these targets could be achieved by an individual member state. This article presents the analysis how these targets could be achieved by the means of individual heat metering by heat cost allocators for every flat thus decreasing an energy consumption for a final consumer. Statistical analysis of identical buildings with individual metering by heat cost allocators and without them is presented. Heat cost allocators do not decrease energy consumption by themselves, so this article presents a technical solution and a set of additional equipment, i.e. thermostatic valves, balance valves, hot water meters and remote data collection system that must be installed. The final results show that the targets of 2012/27/EU Energy Efficiency Directive in Lithuania can be reached, because the buildings with individual heat cost allocators consume about 20–30% less of heat energy. Article in English. Techninės priemonės, skirtos mažinti galutinio vartotojo šiluminės energijos vartojimą daugiabučiuose gyvenamuosiuose pastatuose pagal energijos efektyvumo direktyvą Santrauka  Pasaulyje energijos vartojimas auga, todėl turi būti rastos energetinio efektyvumo pagerinimo priemonės. 2012/27/ES Energijos Efektyvumo Direktyvos tikslas yra sumažinti galutinio energijos vartotojo energijos suvartojimą kasmet po 1,5 %, tačiau nėra nurodyta, kaip kiekviena valstybė narė šiuos tikslus galėtų įgyvendinti. Šis straipsnis pristato analizę, kaip šie tikslai galėtų būti pasiekti, kiekviename bute įrengiant individualios šilumos apskaitos šilumos daliklius, kad sumažėtų energijos vartojimas atskiruose butuose. Pateikta statistinė identiškų pastatų su šilumos dalikliais ir be jų analizė. Šiluminei energijai taupyti neužtenka vien tik šilumos daliklių, todėl straipsnyje pateiktas techninis sprendimas – būtinų įdiegti techninių priemonių paketas, kurį sudaro tokios priemonės: termostatiniai ventiliai, balansiniai ventiliai, karšto vandens skaitikliai, belaidė reguliaraus duomenų nuskaitymo sistema. Galutiniai analizės rezultatai rodo, kad 2012/27/ES Energijos Efektyvumo Direktyvos tikslai Lietuvoje gali būti pasiekti, nes pastatai su individualia šilumos apskaita ir įrengtais šilumos dalikliais vartoja apie 20–30 % mažiau šiluminės energijos nei pastatai be tokios apskaitos. Reikšminiai žodžiai: daugiabučiai pastatai, energijos efektyvumas, šilumos skaitikliai, išmanioji apskaita, šilumos dalikliai, balansiniai ventiliai, karšto vandens skaitikliai, belaidė reguliaraus duomenų nuskaitymo sistema, 2012/27/ES Energijos Efektyvumo Direktyva

Exploring the Control of the Position of the Isotherms of the Heat Pump Cycle in an Air Handling Unit: An Experimental study

The use of heat pumps in the building heating and cooling supply chain is increasing, and air-to-air heat pumps are increasingly being installed in modern air handling units. The energy conversion modes of such devices are constantly changing due to the constant change in the state of the outdoor air (temperature, humidity). Flexibility, the ability to efficiently and rationally respond to ambient air parameters, is an important feature of choosing the operating mode of energy transformers and their control. The overall seasonal efficiency of the air handling unit depends on it. Modern commercial heat pumps have two control degrees of freedom. They have a variable-speed compressor and an electronic expansion valve. This combination of control components once made it possible to increase the seasonal efficiency of heat pumps. For a long time, the possibility of controlling the cycle in this way prevailed, and only electronic control tools were improved. Little attention is paid to how the changes in the thermodynamic cycle are combined with the energy demands of air preparation corresponding to the outdoor temperature. It would be relevant to look for additional components of the heat pump circuit that could control its operating cycle, which could increase the efficiency indicators of the air preparation process. The article’s authors seek to introduce an additional component into traditional measures of heat pump control, providing the third degree of freedom of the control cycle. For this purpose, studies are being conducted to experimentally assess the impact of the volume of the heat pump system on the shifts of the isotherms of its thermodynamic operating cycle. The results show that the system volume parameter has the potential for regulation capabilities in controlling the operation of a heat pump, so it is worthwhile to further develop and study such a technological solution in more detail

Turboventiliatorių, veikiančių be vėjo srauto, eksperimentinis tyrimas / Experimental investigation of turboventilators operating without wind flow

Fans used in modern buildings ventilation systems make up a large part of the building‘s total energy demand. In order to ensure proper air quality and high efficiency of ventilation systems, it is necessary to search new solutions. One of the possible ways is to use renewable energy technologies. Currently it is a widespread use of wind energy in turboventilators. Major part of previous researches are related to tests of different construction turboventilators, determination of their characteristics and analysis of results. However, assessment of the current researches situation indicates the lack of fundamental researches of air flows interaction processes impact to turboventilators efficiency. In addition, researchers on hybrid turboventilators still search for solutions to increase the ventilation functionality when there is not enough wind power for operation of these devices. In order to determine the significance of these processes in more detail, in the present study, two different types of turboventilators are experimentally tested in two different ways. In one case, their rotors are rotated by an additional source of energy, in another case they are tested under different wind speed conditions. The aim of research is to assess not only the characteristics of the testes devices under normal conditions, but also their ventilation potential without wind flow. The results of experimental investigation showed that under normal operation conditions of the device, a large part of the extracted air flow is impacted by rotor rotation and ejection phenomenon. Empirical equations and investigation results presented in the paper can be useful for comparing other experiments and improving the functionality of the device at low wind speeds. Santrauka Šiuolaikinių pastatų vėdinimo sistemose naudojami ventiliatoriai sudaro didelę dalį pastato bendrojo energijos poreikio. Siekiant užtikrinti tinkamą oro kokybę ir aukštą vėdinimo sistemų efektyvumą, būtina ieškoti naujų sprendimų. Vienas iš galimų būdų – atsinaujinančią energiją naudojančių technologijų taikymas. Šiuo metu plačiai paplitęs būdas naudoti vėjo energiją turboventiliatoriuose. Didžioji dalis ankstesniuose moksliniuose tyrimuose atliktų eksperimentų susiję su skirtingų konstrukcijų turboventiliatorių bandymais, jų charakteristikų nustatymu ir rezultatų palyginimu. Visgi, vertinant esamą mokslinių tyrimų situaciją, pastebima, jog trūksta fundamentalių tyrimų nagrinėjant oro srautų sąveikos procesų įtaką turboventiliatorių efektyvumui. Be to, atliekamuose tyrimuose su hibridiniais tokio tipo įrenginiais tebeieškoma sprendimų, kaip padidinti vėdinimo funkcionalumą, kai nepakanka vėjo srauto įrenginiui veikti. Siekiant detaliau nustatyti minėtų procesų svarbą, pristatomame tyrime dviem skirtingais metodais eksperimentiškai bandomi du skirtingo tipo turboventiliatoriai. Vienu atveju jų rotoriai sukami papildomu energijos šaltiniu, kitu atveju bandomi skirtingomis vėjo greičių sąlygomis. Tyrimų metu siekiama įvertinti ne tik bandomų įrenginių charakteristikas veikiant įprastomis sąlygomis, bet ir jų vėdinimo potencialą be vėjo srauto. Eksperimentinių tyrimų rezultatai parodė, jog įrenginiui veikiant įprastomis sąlygomis didelė dalis ištraukiamojo oro srauto veikiama rotorių sukimosi bei ežekcijos reiškinio. Straipsnyje pateiktos empirinės lygtys ir tyrimo rezultatai gali būti naudingi lyginant kitus eksperimentus bei tobulinant įrenginio funkcionalumą esant mažam vėjo greičiui. Reikšminiai žodžiai: turboventiliatorius, vėjo energija, skirta vėdinti, eksperimentinis tyrimas, ištraukiamojo oro srautas, sukimosi dažnis, veiksmingumas

Experimental test stand of a heat pump integrated in air handling unit

Heat pumps are becoming increasingly popular and are playing an important role in the heat and cooling supply chain of buildings sector. Although more than 160 years have passed since the manufacture of the first heat pump, this technology, designed to recover low­potential heat energy and its useful use, can be called an innovative and efficient energy transformer. Air­to­water and air­to­air heat pumps are becoming more popular today due to their installation cost compared to ground­to­water heat pumps. It has been noticed that recently air­to­air heat pumps are more often installed in modern air handling units. The main energy transformers in these air handling units are the air­to­air heat pump and recovery heat exchanger. In the scientific literature little attention is paid to the thermodynamic cycle of the combination of the air handling unit and the heat pump, as well as the search for new possibilities to change and control it, this is a potential direction that can increase the efficiency of the whole system. To study the control capabilities of the unit, an experimental stand of the heat pump built into the ventilation unit is needed; it would help validate the results of theoretical studies and investigate the possibilities of expanding the control. Therefore, this paper presents a review of the experimental stands of non­integrated heat pumps and integrated heat pumps in air handling unit. Based on this review, the basic requirements for the installation of an experimental stand of a heat pump built into an air handling unit are formulated and a conceptual scheme of this stand is drawn up. Article in Lithuanian. Vėdinimo įrenginio šilumos siurblio eksperimentinio tyrimo stendas Santrauka Šilumos siurbliai (ŠS) tampa vis populiaresni ir užima reikšmingą dalį pastatų šilumos bei vėsos aprūpinimo grandinėje. Nors nuo pirmojo ŠS pagaminimo jau praėjo daugiau nei 160 metų, šią technologiją, skirtą žemo potencialo šiluminei energijai atgauti bei naudingai panaudoti, galima pavadinti inovatyviu ir efektyviu energijos transformatoriumi. Šiandien ŠS „oras–vanduo“ ir „oras–oras“ dėl savo įdiegimo kainos lyginant su ŠS „gruntas–vanduo“ tampa vis populiaresni. Pastebėta, kad ŠS „oras–oras“ vis plačiau montuojami šiuolaikiniuose vėdinimo įrenginiuose. Šiuose vėdinimo įrenginiuose pagrindiniai energijos transformatoriai yra „oras–oras“ šilumos siurblys ir šilumogrąžis. Mokslinėje literatūroje mažai dėmesio skiriama vėdinimo įrenginio ir šilumos siurblio derinio termodinaminiam ciklui bei naujų galimybių paieškai jį keisti ir valdyti, o tai potenciali kryptis, kuri galėtų pagerinti visos sistemos efektyvumo rodiklius. Siekiant tyrinėti įrenginio valdymo galimybes, reikalingas į vėdinimo įrenginį integruoto šilumos siurblio eksperimentinis stendas, kuris padėtų validuoti teorinių tyrimų rezultatus bei atskleisti valdymo praplėtimo sprendinius. Todėl šiame darbe atliekama šilumos siurblių atskiro veikimo ir vėdinimo įrenginiuose integruotų eksperimentinių stendų apžvalga. Ja remiantis suformuluojami į vėdinimo įrenginį integruoto šilumos siurblio eksperimentinio stendo įrengimo pagrindiniai reikalavimai ir parengiama šio stendo principinė schema. Reikšminiai žodžiai: vėdinimo įrenginyje integruotas šilumos siurblys, eksperimentinis stendas, šilumos siurblio termodinaminis ciklas

Modernizuotų daugiabučių namų mikroklimato rodiklių ir atitvarų šiluminių charakteristikų tyrimas / Analysis of microclimate indicators and thermal characteristics of envelope of residential multi-storey buildings

The purpose of the study was to analyse the thermal characteristics of the microclimate parameters and envelope of the renovated 12 residential multi-storey buildings by assessing their impact on heat savings. The relevance of this work is related to a significant discrepancy between the theoretically simulated / estimated heat savings after the renovation and the actual measured values of heat meters. After the statistical analysis of the accumulated data, the average indoor temperature of the premises, relative humidity, and CO2 concentration were determined, and the distribution of frequency was assessed. The heat transfer coefficients of the walls, window glasses and window frames, measured according to the manufacturer’s recommended methodology, are reviewed in this work. The results are compared with the current requirements for microclimate. The results revealed that in the investigated buildings after the renovation the weighted average temperature of the premises was higher than the temperature under standard conditions, but the air quality (CO2 concentration) was insufficient. The air quality improvement measures increase heat demand and reduce the expected heat savings. Santrauka Tyrimo tikslas buvo atlikti modernizuotų 12 daugiabučių namų mikroklimato rodiklių ir atitvarų šiluminių charakteristikų analizę įvertinant jų įtaką sutaupytam šilumos kiekiui. Darbo aktualumas susijęs su pastebimu neatitikimu tarp teoriškai sumodeliuoto ar apskaičiuoto sutaupyto šilumos kiekio po modernizavimo ir faktinių užfiksuotų skaitiklių reikšmių. Darbe atlikus sukauptų duomenų statistinę analizę buvo nustatyta vidutinė patalpų vidaus temperatūra, santykinis drėgnis, CO2 koncentracija bei įvertintas reikšmių pasiskirstymo dažnis. Aptarti pagal gamintojų rekomenduojamą metodiką matuotų sienų, lango paketo ir lango rėmo šilumos perdavimo koeficientai. Gauti rezultatai palyginti su šiuo metu galiojančiais mikroklimatui keliamais reikalavimais. Rezultatai atskleidė, kad tirtuose pastatuose po modernizavimo patalpų svorinė vidutinė temperatūra buvo aukštesnė nei norminė, tačiau oro kokybė yra nepakankama. Oro kokybės gerinimo priemonės didina šilumos poreikį ir mažina tikėtiną sutaupytos šilumos kiekį. Reikšminiai žodžiai: daugiabučių namų modernizavimas, monitoringas, mikroklimatas, faktinis šilumos perdavimo koeficientas

From Entropy Generation to Exergy Efficiency at Varying Reference Environment Temperature: Case Study of an Air Handling Unit

The continuous energy transformation processes in heating, ventilation, and air conditioning systems of buildings are responsible for 36% of global final energy consumption. Tighter thermal insulation requirements for buildings have significantly reduced heat transfer losses. Unfortunately, this has little effect on energy demand for ventilation. On the basis of the First and the Second Law of Thermodynamics, the concepts of entropy and exergy are applied to the analysis of ventilation air handling unit (AHU) with a heat pump, in this paper. This study aims to develop a consistent approach for this purpose, taking into account the variations of reference temperature and temperatures of working fluids. An analytical investigation on entropy generation and exergy analysis are used, when exergy is determined by calculating coenthalpies and evaluating exergy flows and their directions. The results show that each component of the AHU has its individual character of generated entropy, destroyed exergy, and exergy efficiency variation. However, the evaporator of the heat pump and fans have unabated quantities of exergy destruction. The exergy efficiency of AHU decreases from 45–55% to 12–15% when outdoor air temperature is within the range of −30 to +10 °C, respectively. This helps to determine the conditions and components of improving the exergy efficiency of the AHU at variable real-world local climate conditions. The presented methodological approach could be used in the dynamic modelling software and contribute to a wider application of the Second Law of Thermodynamics in practiceThis article belongs to the Special Issue Thermodynamic Approaches in Modern Engineering System

Effective operation investigation of unglazed solar air collector

The article presents results of an effective operation analysis of VGTU Environmental Engineering Faculty southern facade integrated unglazed transpired solar collector. During previous research the importance to evaluate influence to ventilation system by such type of collectors was observed. The assessment of analysed collector aerodynamics showed that under specific solar radiation and air flow conditions the amount of energy generated by collector could be smaller than the energy quantity consumed by fans for air suction. The study provides analysis of the coefficient of performance rates and quantities of generated and consumed energy under different operation conditions. The effective operation conditions of collector committed during this research could be useful for designing or creating algorithm for such device. Article in Lithuanian. Neįstiklinto orinio saulės kolektoriaus efektyvaus veikimo tyrimas Santrauka  Straipsnyje pristatoma VGTU Aplinkos inžinerijos fakulteto pietiniame fasade integruoto neįstiklinto orinio saulės kolektoriaus efektyvaus veikimo analizė bei jos rezultatai. Ankstesnio tyrimo metu pastebėta, kad, analizuojant tokio tipo kolektorių, svarbu atsižvelgti į jo poveikį vėdinimo sistemai. Įvertinus analizuojamojo kolektoriaus aerodinamines savybes, nustatyta, kad, esant tam tikroms oro srautų ir saulės spinduliuočių vertėms, įrenginio pagamintas energijos kiekis gali būti mažesnis už orui siurbti naudojamų ventiliatorių vartojamą energijos kiekį. Tyrime pateikiama kolektoriaus energijos transformavimo rodiklių bei pagamintų ir suvartotų energijos kiekių kitimo analizė, esant skirtingiems veikimo režimams. Nustatyti kolektoriaus efektyvaus veikimo režimai gali būti naudingi projektuojant ar kuriant tokio tipo įrenginių valdymo algoritmą. Reikšminiai žodžiai: neįstiklintas pratakus saulės kolektorius, orinis saulės kolektorius, saulės siena, slėgio nuostoliai, energijos transformavimas, COP, pagamintas energijos kiekis, efektyvaus veikimo režimai

Educational Wind Tunnel

The paper analyzes an educational wind tunnel produced by the Department of Building Energetics (DBE) of Vilnius Gediminas Technical University. The equipment could be used for performing laboratory works and simple research. The article presents the projection of inflow and outlet velocity in the working chamber of DBE wind tunnel and carries out actual noise level measurement. The received data are compared with information on the level of noise generated by the fan considering instructions provided by the manufacturer. In order to assess the reliability of the computer program, simulation applying PHOENICS software has been conducted. The aim of modeling is to simulate a pilot model and to compare the obtained results with those of an analogous test presented in scientific articles.Article in Lithuania

Experimental study on energy efficiency of a small adsorption cooling device producing up to 8 kW / Adsorbcinio iki 8 kW vėsos galios įrenginio eksperimentinis efektyvumo tyrimas

The analysis of scientific literature shows that the actual efficiency of the adsorption cooling device has not been properly examined. This article presents experimental study on energy efficiency of the adsorption cooling device (max capacity 8 kW) produced at the Laboratory of Building Energy and Microclimate Systems of Vilnius Gediminas Technical University. The study has focused on the measurement of the actual temperatures and flow rate of a heating source, chilled water, a supply of cooled water to the chiller, electricity consumption for circulation pumps and chiller fans. The article presents collected statistical data and shows the dependency of chilled water and heat source temperatures evaluating the coefficients of performance (COP) and electrical efficiency (EER). The received results show higher electrical efficiency of the examined device than that of a conventional compressor system. Santrauka Mokslinės literatūros analizė parodė, kad realiai veikiančių įrenginių faktinis efektyvumas nėra gerai žinomas, ypač įrengus šaltojo klimato zonos šalyse. Todėl šiame darbe atliekamas eksperimentinis VGTU Pastato energetinių ir mikroklimato sistemų laboratorijoje (PEMS) įrengto SORTECH AG gamintojo ACS 08 adsorbcinio (maksimali vėsinimo galia – 8 kW) įrenginio efektyvumo tyrimas. Matuojamos faktinės šilumnešio, atšaldomo vandens, tiekiamo į aušyklę, aušinimo skysčio temperatūros su debitais bei aušyklės ir cirkuliacinių siurblių elektros sąnaudos. Atliekama sukauptų duomenų statistinė analizė ir pateikiama atšaldomo vandens bei šilumnešio temperatūrų priklausomybė, vertinant energijos transformavimo COP bei elektrinį (EER) tiriamojo įrenginio koeficientus. Tyrimo rezultatai rodo didesnį nei tradicinės kompresorinės sistemos tiriamojo įrenginio elektrinį efektyvumą. Reikšminiai žodžiai: atsinaujinantieji ištekliai; adsorbcinis vėsinimo įrenginys; energijos transformavimo koeficientas (COP)