U ovom radu izvršena je numerička analiza (uz korišćenje softvera EnergyPlus) primene geotermalne toplotne pumpe za grejanje i hlađenje trospratne stambene zgrade locirane u Kragujevcu. Geotermalna toplotna pumpa je na primarnoj strani povezana sa geotermalnim vertikalnim sondama, dok je na sekundarnoj strani povezana sa podnim panelnim grejačima. Rezultati simulacija pokazali su da je potrošnja električne energije za grejanje 6122,7 kWh/god, dok se za hlađenje utroši 1842,41 kWh/god. U radu su prikazane mesečne vrednosti faktora grejanja i hlađenja, kao i ekološki indikatori koji su na strani ovakvih termo-tehničkih sistema. Za zemlje u razvoju, poput Srbije, korišćenje geotermalne energije je od još većeg nacionalnog značaja, jer je energetska tranzicija u toku

Josijevic, Mladen

Jurišević, Nebojša

Nešović, Aleksandar

Savić, Aleksa

Sustersic, Vanja

Vukasinovic, Vladimir

SCIDAR - Дигитална архива Универзитета у Крагујевцу

60 energija, ekonomija, ekologija, 2023, god. XXV, br. 3doi: 10.46793/EEE23-3.60S radUDK 004.942:[621.577.2:728.22analiza toplotnih performansi geotermalne toplotne pumpe za potrebe Numerical Analysis of the Ground Source Heat Pump Thermal Performances for Heating and Cooling of the Residential Building, , Aleksanda , Vladimir VukašinoviFakultet inženjerskih nauka, Univerzitet u KragujevcuRezime - U ovom radu izvršena je analiza (uzprimene geotermalne toplotne pumpe za grejanje trospratne stambene zgrade locirane u Kragujevcu. Geotermalna toplotna pumpa je na primarnoj strani povezana sa geotermalnim vertikalnim sondama, dok je na Rezultati simulacija pokazali su da je potrošenergije za grejanje 6122,7 kWh/god, dok se z1842,41 kWh/god. U radu su prikazanestrani ovakvih termo- h sistema. Za zemlje u razvoju, jer je energetska tranzicija u toku.- geotermalna energija, toplotna pumpa, vertikalna , EnergyPlus.Abstract - In this paper, a numerical analysis (using EnergyPlus software) of the ground source heat pump for heating and coolingin a three-story residential building located in Kragujevac was performed. The ground source heat pump is connected to geothermal vertical probes on the primary side, while on the secondary side, it is connected to floor panel heaters. The simulation results showed that the electricity consumption for heating is 6122.7 kWh/a, while 1842.41 kWh/a is used for cooling. The paper presents monthly values of heating and cooling factors, as well as ecological indicators that are on the side of such thermos-technical systems. For developing countries, such as Serbia, geothermal energy use is of even greater national importance, because the ongoing energy transition.Index Terms - Geothermal energy, Heat pump, Vertical probe, Floor panel heater, Simulation, EnergyPlus.I UVODpotrebe za primenom obnovljivih izvora energije (OIE). Za zemlje koje su nezavisnost od stranih uticaja [1].sektor je odgovoran za 40% potrošnje ukupne finalne energije u stambenim i poslovnim zgradama [2], od koje se veliki deo troši [3]. Zadatak energije, kao i putem poboljšanja energetske efikasnosti, što bi održivosti ovog sektora, a time i cele privrede [4]. Procenjeno je da, e m energetske efikasnosti u svim sektorima privrede i društva, za 50dokolapsom,neefikasnih tehnologija [5].Geotermalne toplotne pumpe (GTP), nude mnoge pogodnosti, u odnosu na druge tehnologije, kada je u [6]. Pored toga, GTPemisiju CO2 pri zagrevanju stambenih zgrada, pogotovo u kombinaciji sa fotonaponskim (FN) panelima [7]. Agencija zazaštitu životne sredine [8] je GTP ocenila kao najefikasniju i ekološki najpogodniju tehnologiju za grejanje . Sa druge strane, primena GTP u stambenom sektoru Srbije još uvek nije dovoljna, bez obzira što sama tehnologija nije nova [9]. Prema proceni, trenutno se u Srbiji koristi oko 1.005 GTPinstalisanih snaga u opsegu 10-40 kW. Na godišnjem nivou, ovanje je oko 2860 sati pri punom kapacitetu [10].Osnovni prioriteti prilikom predstavlja investicija u sistem i troškovi energenta [11], dok su ekološkifaktor i svest o potrebi energetske tranzicije relativno slabo izraženi. Ekonomski aspekt nabavke modernih sistema je prema potencijalnom subvencionisanju troškova za zamenu m [12]. Kombinacija upotrebe tradicionalnih sistema ukoliko je u pitanju ugradnja u a individualnom Upotreba GTP Srbiji, jer se nalazi u umereno kontinentalnom pojasu. Tokom grejne sezone, GTP Oenergija, ekonomija, ekologija, 2023, god. XXV, br. 3 61treba da obezbedi toplotnu energiju [14] za grejanje prostora i pripremu tople potrošne vode, a tokom sez javljaju se potrebe za rashladnom energijom.Zbog svega navedenog, u ovom radu analizirana je potencijalna implementacija GTP unutar trospratne stambene zgrade koja se nalaz - . glavnih toplotnih parametara GTP (potrošnja finalne, tj. 2)tokom cele godine, cilj rada je , posebno unacionalnom stambenom sektoru.II METODOLOGIJAPrilikom prora i hla enje, pažnja je fokusirana na sve energetske tokove u analiziranoj zgradi (Sl. 1). Poznato je da parametri, poput unutrašnje projektne temperature, toplotnih dobitaka (unutrašnji: ljudi, ventilacija, itd., kao i [15]) i spoljašnji vremenski uslovi (spoljašnja projektna temperatura) tat [16].Prema Direktivi EU [17] o energetskoj efikasnosti zgrada, (2):nZINTSUNVTnZHZH EEEEEE11, (1)nZINTSUNVTnZCZC EEEEEE11, (2)gde su:EH [kWh/god] -zgrade tokom godine,EC [kWh/god] -zgrade tokom godine,EZ,H [kWh/god] -jedne zone unutar zgrade tokom godine,EZ,C [kWh/god] -jedne zone unutar zgrade tokom godine,ET [kWh/god] - toplotne energije koja se transmisionim putem odvodi (grejanje) ili dovodi godine, EV [kWh/god] -ESUN [kWh/god] - tokom godine dovodi EINT -III MATERIJALAnaliziranju energetskih tokova u zgradi prethodi njeno modeliranje u softveru Google SketchUp (Slika 1.). Ovaj (transparentnih i netransparentnih) zgrade, odnosno zona (prostorija) od kojih se zgrada sastoji.glednom vizuelnom prikazu, kao i predstavljanja dvodimenzionalnog plana zgrade. na strani softvera je modela zgrade u formatu koji se može koristiti u okviru drugih programa [18 g modela zgrade predstavljaju ulazne podatke za softver EnergyPlus [19] koji je u tokova.Nakon izrade modela zgrade u softveru Google SketchUp, uokviru programa EnergyPlus, pre , neophodno je definisati materijale i sastav svih gr Sem toga, treba definisati i rasporede prisustva ljudi, rasporede termo- ukoliko postoje u zgradi). Uzpotrošnju energije, za bilo koju namenu, za bilo koji vremenski period tokom godine (cela godina, sezona, mesec, dan, sat, minut).IV STUDIU okviru ovog rada, a na osnovu opisane metodologije, , kao i energijaneophodna ika 1) kojase nalazi na teritoriji grada Kragujevca. Slika 1. Izometrijski prikaz analizirane zgadeSastoji se od 22 zona (prostorija) na tri etaže, sa karakteristikama prikazanim u Tabeli 1. Ukupna neto površina analizirane zgrade AZ=364,2 m2, tretira (greje i hladi) 193,5 m2. Ostatak (170,7 m2) predstavlja negrejani prostor.Tabela 1. Zonske geometrijske karakteristikeZona AZ [m2] HZ [m] ZZ [m3] tretmanDS1 27,65 2,67 73,83 DASTEP1 10,56 2,67 28,20 NEKUP1 4,07 2,67 10,87 DAHOD1 4,39 2,67 11,72 DA62 energija, ekonomija, ekologija, 2023, god. XXV, br. 3Zona AZ [m2] HZ [m] ZZ [m3] tretmanHOD2 7,42 2,67 19,81 DASS1 18,54 2,67 49,50 DASS2 18,42 2,67 49,18 NEDS2 27,65 2,67 73,83 DASTEP2 10,56 2,67 28,20 NEKUP2 4,07 2,67 10,87 DAHOD3 4,39 2,67 11,72 DAHOD4 7,42 2,67 19,81 DASS3 18,54 2,67 49,50 DASS4 18,42 2,67 49,18 DAOST1 9,80 2,10 20,58 NEOST2 9,48 2,10 19,91 NEOST3 10,22 2,10 21,46 NEDS3 25,27 2,10 53,07 DAHOD5 4,39 2,10 9,22 DASS5 17,26 2,10 36,25 DASTEP3 10,56 2,10 22,18 NEKUP3 4,07 2,10 8,55 DAKR 91,05 - - NE364,20 - 677,41 -Legenda: DS - dnevna soba, STEP - stepenište, KUP - kupatilo, HOD -hodnik, SS - OST - ostava, KR - krov.U Tabeli 2 dat je prikaz instalisanih snagaQZ,U [W/m2] i svetiljki, tj. rasvete QZ,R [W/m2] po zonama uanaliziranoj zgradi (Sl. 1).Tabela 2. Zonska instalisana snaga Zona QZ,U [W/m2] QZ,R [W/m2]SS1 16,18 4,05KUP1 638,82 24,57DS1 72,33 4,34SS3 16,18 4,05SS4 16,29 4,07KUP2 638,82 24,57DS2 72,33 4,34KUP3 638,82 24,57DS3 79,15 4,75SS5 17,38 4,35U Tab. 3 prikazane su karakteristike (debljina, toplotna Tabela 3. FiziMaterijal [m] [W/mK] [kg/m3] cp [J/kgK]0,025 0,81 1600 1050Cementna košuljica 0,04 1,4 2100 1050PVC folija 0,002 0,19 1100 1460Staklena vuna 0,1 0,03 50 840Ekstrud. polistiren 0,1 0,03 33 1260Fasadni malter 0,012 0,7 1700 1050Eksp. polistiren 0,1 0,03 33 12600,015 0,87 1700 920Parket 0,02 0,21 700 1670Crep 0,01 0,99 1900 8800,12 0,19 800 1090Giter blok 0,25 0,52 1200 920Materijal [m] [W/mK] [kg/m3] cp [J/kgK]Nearmirani beton 0,15 0,93 1800 960Armirani beton 1 0,04 2,04 2400 960Armirani beton 2 0,25 2,04 2400 960Šljunak 0,2 0,81 1700 840Heraklit 0,012 0,052 700 1500Monta 0,16 0,6 1200 920Borovina 0,07 0,14 550 2090Sezona grejanja u Republici Srbiji traje od 15. oktobra do 15. aprilaperiodu od 15. aprila do 15. oktobra. Unutrašnja projektna temperatura za sezonu grejanja iznosi 20°C, dok za sezonu 24°C.V REZULTATI I DISKUSIJAZonska izmena vazduha putem prirodne ventilacije, tj. zonsko provetravanje nZ [h-1], zonska instalisana snaga sistema grejanjaQZ,H [W], zonska instalisana snaga sist QZ,C [W], kao i zonska duzina cevnih zmija u konstrukciji podnih panelnih LZ [m], u analiziranoj zgradi (Slika 1), prikazane su u Tabela 4. Broj izmena vazduha po zonama, Pravilniku o energetskoj efikasnosti zgrada [20]. GTP tipa HOTTERM EARTH EVI 19 [21], nominalne snage 18,7 kW, usvojena je prethodnim sumiranjem vrednosti QH= Z,H i QC= Z,C.M finalne ( ) u analiziranoj zgradi za potrebe grejanja (rad kompresora) tokom grejne sezone (EKOMP[kWh]) prikazana je u Tabelirazlika toplotne energije koja se putem kondenzatora (EKOND[kWh]) ela 1, Tabela4) i toplotne energije koja se preko vertikalnih geotermalnih GTP (EISP [kWh]).Može se primetiti da je januaru (1589,94 kWh/mes), a potom u decembru (1434,68 kWh/mes), kada su spoljašnje temperature najniže. Ukupna , tokom sezone grejanja, iznosila je 6122,7 kWh/god.Tabela 4. Opis sistemazonamaZona nZ [h-1] QZ,H [W] QZ,C [W] LZ [m]DS1 1,5 3306,25 1071,68 184,32KUP1 1,5 570,04 181,25 27,14HOD1 0,5 469,26 50,02 29,26HOD2 0,5 538,25 63,29 49,44SS1 0,5 1257,99 298,71 123,60DS2 1,5 3568,69 1233,76 184,32KUP2 1,5 529,18 154,56 27,14HOD3 0,5 450,87 53,90 29,26HOD4 0,5 504,55 67,99 49,44SS3 0,5 1328,99 291,34 123,60SS4 0,5 1338,69 303,12 122,78DS3 1,5 2663,40 895,47 168,44HOD5 0,5 419,35 48,99 29,26SS5 0,5 1097,52 264,44 115,09KUP3 1,5 506,66 148,25 27,14- 18549,69 5178,00 1290,23energija, ekonomija, ekologija, 2023, god. XXV, br. 3 63Tabela 5. analiziranoj zgradi za potrebe grejanja tokom grejne sezoneMesec EKOND [kWh] EISP [kWh] EKOMP [kWh]Oktobar 409,09 277,29 131,81Novembar 2411,36 1609,33 802,03Decembar 4121,36 2686,68 1434,68Januar 4491,08 2901,15 1589,94Februar 3576,69 2309,45 1267,24Mart 2259,34 1469,73 789,61April 311,9 204,51 107,3917580,82 11458,13 6122,7prikazana je u Tabelirazlika toplotne energije koja se putem kondenzatora (EKOND[kWh]) predaje zemljištu i toplotne energije koja se iz prostorijaodvodiGTP (EISP [kWh]).toplotne energije predaje se zemljištu tokom jula, kada se utroši 476,16 kWh . Na drugom mestu je avgust (EKOMP=444,36 kWh).energije, koja se iznosila je 1842,41 kWh/god.Tabela 6. analiziranoj zgradi za potrebe Mesec EKOND [kWh] EISP [kWh] EKOMP [kWh]April 249,74 188,88 60,86Maj 859,01 644,61 214,4Jun 1421,04 1054,1 366,94Jul 1821,15 1345 476,16Avgust 1698,53 1254,17 444,36Septembar 934,97 692,84 242,14Oktobar 146,65 109,09 37,567131,1 5288,69 1842,41Na narednom dijagramu (Sika. 2)varijacije faktora grejanja [-] C [-].Slika 2.Faktor grejanja tokom sezone grejanja kretao se u granicama od 2,82 (januar i februar) do 3,1 (oktobar). Sa druge strane, 3,1 (maj). indikatora GTP bila je 2,91.Ako se usvoji da faktor emisije CO2 iznosi 0,7662 kgCO2/kWh (preporuka dostupna u [22]), godišnja emisija gasova staklene bi 6069,42 kgCO2/god. Redukcija gasova staklene bašte odgovarala bi vrednostima ja2, bila bi 17662 kgCO2 u odnosu na GTP).Tabela 7. Ekonomska analiza geotermalne toplotne pumpe u [23]Parametar Cena [din]Cena [€](1 € = 117,6 din)Geotermalna toplotna pumpa 959.500 8.159,01Dodatna oprema 370.000 3.146,26Ugradnja 100.000 850,34Bušotine 531.000 4.515,31Ukupni investicioni troškovi 1.960.500 16.670,92Troškovi grejanja 95.185 809,4026.689 226,95Ukupni eksploatacioni troškovi 121.874 1.036,34U ekonomskom smislu, ukupni investicioni troškovi ovakvog termo-iznosili bi oko 2 miliona dinara (Tabela 7). jednotarifnog brojila, troškovi grejanja tokom grejne sezone procenjeni su na 95.185 dinara, a t na 26.689 dinara [24].Analizom je dobijeno da bi ukupna dužina sondi bila 296 m. Ove dubina svake bušotine iznosila 74 m. U svaku bušotinu bila bi položena po jedna U-sonda.Ako se u obzir uzmu varijabilnost tržišne cene energenata, i narušavanja e napraviti predikcija ekonomskih troškova GTP za projekta od 20 godina (Slika 3).Slika 3. Predikcija ukupnih godišnjih troškova GTP za period od 20 godinaNa dijagramu troškova (Slikadiskontinuitet koji nastaje nakon 10 godina ekspolatacije, zbog dodatnih ulaganja (30% od vrednosti investicionih troškova) u skladu sa preporukama servisera ovakvih instalacija.2.82.93.03.13.2Toplotni indikator GTP [-]MesecFaktor grejanja01020304050601 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Ukupni troškovi GTP ×103[€/god]Vremenski period [god]64 energija, ekonomija, ekologija, 2023, god. XXV, br. 3V ZU okviru ovog GTP za Kragujevcu. U okviru programa Google SketchUmodel pomenute zgrade, koji je dalje simuliran u softverskom paketu EnergyPlus. U ovoj fazi, je i ivremenski fajl, kako bi simulacioni rezultati bili što bliži realnim uslovima.Rezultati simulacija pokazali su da bi penergije za grejanje tokom grejne sezone, škovi GTP viši od investicionih troškova drugih termo-ekonomske i ekološke benefite na duže vremenske staze.LITERATURA/REFERENCES[1] Atam, E., Helsen, L. Ground-coupled heat pumps: Part 2 - Literature review and research challenges in optimal design. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 54, pp. 1668-1684, 2016. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.009[2] Menegazzo, D., Lombardo, G., Bobbo, S., De Carli, M., Fedele, L. State of the art, perspective and obstacles of ground-source heat pump technology in the european building sector: a review, Energies, Vol. 15, No. 7, pp. 2685,2022. https://doi.org/10.3390/en15072685[3]isplativosti sistema grejanja sa toplotnom pumpom tipa zemlja-voda u ipogonske mašine, Vol. 23, No. 3/4, pp. 81-89, 2018.[4] Kokeza, G. Doprinos energetskog sektora ostvarenju održivog razvoja privrede, Energija, ekonomija, ekologija, Vol. 20, No. 1-2, pp. 54-59, 2018.[5] BabiEnergija, ekonomija, ekologija, No. 1-2, pp. 1-9, 2020.https://doi.org/10.46793/EEE20-1-2.001B[6] Rees, S.J. An introduction to ground-source heat pump technology, in: Rees S. (Ed.), Advances in Ground-Source Heat Pump Systems. Woodhead Publishing, pp. 1-25, 2016.  https://doi.org/10.1016/C2014-0-03840-3[7] Rosenow, J., Gibb, D., Nowak, T., lowers, R. Heating up the global heat pump market, Nature Energy, Vol. 7, pp. 901-904, 2022. https://doi.org/10.1038/s41560-022-01104-8[8] Geothermal Heating and Cooling Technologies (EPA), https://www.epa.gov/rhc/geothermal-heating-and-cooling-technologies [pristupljeno 04.04.2023][9]primene geotermalnih toplotnih pumpi u Srbiji i zemljama okruženja, Energija, ekonomija, ekologija, Vol, 18, No. 1-2, pp. 314-320, 2016. [10] Geothermal energy in Serbia - Current state, utilization and perspectives, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 162, 112442, 2022. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112442[11] Damette, O., Delacote, P., Del Lo, G. Households energy consumption and transition toward cleaner energy sources, Energy Policy, Vol. 113, pp. 751-764, 2018. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2017.10.060[12] , , , M. Izazovi energetske tranzicije u sektoru individualnog grejanja, Energija, ekonomija, ekologija, Vol. 24, No. 1, pp. 17-21, 2022. https://doi.org/10.46793/EEE22-1.17P[13] Sarbu, I., Sebarchievici, C. General review of ground-source heat pump systems for heating and cooling of buildings, Energy and buildings, Vol. 70, pp. 441-454, 2014. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.11.068[14] Gaur, A.S., Fitiwi, D.Z., Curtis, J. Heat pumps and our low-carbon future: A comprehensive review, Energy Research & Social Science, Vol. 71, 101764, 2021. https://doi.org/10.1016/j.erss.2020.101764[15] Ru , , B. potrebne za intermitentno i parcijalno grejanje objekata, Energija, ekonomija, ekologija, Vol. 20, No. 1-2, pp. 222-235, 2018.[16] Dodoo, A., Tettey, U.Y.A., Gustavsson, L. On input parameters, methods and assumptions for energy balance and retrofit analyses for residential buildings, Energy and buildings, Vol. 137, pp. 76-89, 2017.https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.12.033[17] Directive 2010/31/EU. Directive 2010/31/EU of the European parliament and of the council of 19 May2010 on the energy performance of buildings (Recast).https://eur-l     ex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2010:153:0013:0035:EN:PDF [pristupljeno 06.04.2023][18] Ellis,P.G., Torcellini, P.A., Crawley, D.B. Energy design plugin: an EnergyPlus plugin for SketchUp. in Proc. IBPSA-USA SimBuild 2008 Conference, Berkeley, California, pp. 238-245, 30 July - 1 August 2008.[19] EnergyPlus™ Version 22.2.0 Documentation: EnergyPlus Essentials.https://bigladdersoftware.com/epx/docs/22-2/essentials/index.html[pristupljeno 04.04.2023][20] “Službeni glasnik RS”, br. 61/2011, Pravilnik o energetskoj efikasnosti zgrada,  https://www.paragraf.rs/propisi/pravilnik_o_energetskoj_efikasnosti_zgrada.html [pristupljeno 02.12.2023. god.].[21] HOTTERM, https://hotterm.pl/ [pristupljeno 15.05.2023][22] Gordic, D., Nikolic, J., Vukasinovic, V., Josijevic, M., Aleksic, A.D. Offsetting carbon emissions from household electricity consumption in Europe, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 175, 113154, 2023. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113154[23] -st - - master rad,Fakultet inženjerskih nauka, Kragujevac, 2022.[24]http://kalkulator.eps-snabdevanje.rs/kalkulator [pristupljeno 15.05.2023]AUTORI/AUTHORSmsr - mas. inž. maš., Fakultet inženjerskih nauka,aleksa.savic.fin@gmail.com, ORCID 0009-0008-7157-3996dr - red. prof., Fakultet inženjerskih nauka, vanjas@kg.ac.rs, ORCID 0000-0001-7773-4991, *autor za korespodencijudr - docent, Fakultet inženjerskih nauka,mladenjosijevic@gmail.com, ORCID 0000-0001-9619-0897msr - Fakultet inženjerskih nauka, aca.nesovic@gmail.com, ORCID 0000-0002-1690-2389dr - Fakultet inženjerskih nauka, jurisevic@kg.ac.rs, ORCID 0000-0002-1609-6313dr - vanr. prof., Fakultet inženjerskih nauka,vladimir.vukasinovic@kg.ac.rs, ORCID 0000-0001-6489-2632

Numerical Analysis of the Ground Source Heat Pump Thermal Performances for Heating and Cooling of the Residential Building

Aleksa Savić

Vanja Šušteršič

Mladen Josijević

Aleksandar Nešović

Nebojša Jurišević

Vladimir Vukašinović

Directory of Open Access Journals

Numerička analiza toplotnih performansi geotermalne toplotne pumpe za potrebe grejanja i hlađenja stambene zgrade

https://scidar.kg.ac.rs/bitstream/123456789/19565/1/M52-4.pdf

Numerical Analysis of the Ground Source Heat Pump Thermal Performances for Heating and Cooling of the Residential Building

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

SCIDAR - Дигитална архива Универзитета у Крагујевцу

Directory of Open Access Journals