Optimising the operation of the HVAC system with a ground source heat pump in a school building

• Autorzy: Kocik Stanisław , Ciuman Piotr

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2024.2.3

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja pracy systemu HVAC z gruntową pompą ciepła w budynku szkolnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A properly designed and assembled HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) system in an educational building is crucial for ensuring thermal comfort, improving indoor air quality, and positively impacting health and learning efficiency. Utilising renewable energy sources, such as a ground source heat pump, contributes to energy savings, reducing operating costs and CO₂ emissions. However, a faulty installation can lead to incorrect operation, necessitating a comprehensive HVAC system modernisation for proper functioning. The paper presents examples of design and operational errors in such installations, based on the actual HVAC system with a ground source heat pump and a vertical ground heat exchanger in the building of the Primary School in Ożarowice, Poland. The building inventory and analysis of the existing HVAC system revealed issues related to the improper functioning of the heat pump installation and ventilation system, as well as irregularities in their design and the selection of devices in respective installations. The possibility of optimising the operation of the existing system was indicated by, among others, expanding the ground heat exchanger installation and replacing current heat pump units with ones that are better suited to cover the building’s heat demand. Also, upgrading air handling units with ones equipped with heat exchangers of higher efficiency was recommended.

PL

Prawidłowo zaprojektowana i wykonana instalacja HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) w budynkach edukacyjnych jest niezbędna dla zapewnienia komfortu cieplnego, poprawy jakości powietrza oraz pozytywnego wpływu na zdrowie i efektywność nauki. Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, na przykład gruntowej pompy ciepła, przyczynia się do oszczędności energii, obniżając koszty eksploatacji budynku oraz emisję CO₂. Wadliwie wykonany system HVAC może prowadzić do jego nieprawidłowego funkcjonowania i ostatecznie wymagać kompleksowej modernizacji. W publikacji przedstawiono przykładowe błędy projektowe i eksploatacyjne w tego typu instalacjach, na podstawie rzeczywistego systemu HVAC z gruntową pompą ciepła i pionowym wymiennikiem ciepła w budynku Szkoły Podstawowej w Ożarowicach w Polsce. Inwentaryzacja budynku i analiza istniejącego systemu HVAC ujawniły problemy związane z niewłaściwym funkcjonowaniem instalacji pompy ciepła oraz systemu wentylacyjnego, a także nieprawidłowości w ich projektach oraz doborze urządzeń w poszczególnych instalacjach. Możliwość optymalizacji działania istniejącego systemu wskazano między innymi poprzez rozbudowę instalacji gruntowego wymiennika ciepła oraz wymianę obecnych jednostek pomp ciepła na takie, które są lepiej dopasowane do pokrycia zapotrzebowania budynku na ciepło. Zalecono także wymianę central wentylacyjnych na wyposażone w wymienniki ciepła o wyższej efektywności.

Słowa kluczowe

EN

school building; HVAC system; ground source heat pump; ground heat exchanger; optimisation; modernisation; renewable energy sources

PL

budynek szkolny; system HVAC; gruntowa pompa ciepła; gruntowy wymiennik ciepła; optymalizacja; modernizacja; odnawialne źródła energii

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 2
• Strony: 28--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., fot., rys., tab.

Twórcy

autor

Kocik Stanisław

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Department of Heating, Ventilation and Dust Removal Technology, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0009-0002-5391-9750

autor

Ciuman Piotr

• Silesian University of Technology, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Department of Heating, Ventilation and Dust Removal Technology, Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2691-1588

Bibliografia

• [1] Główny Urząd Statystyczny. Edukacja w roku szkolnym 2022/2023 (wyniki wstępne). https://stat.gov.pl (in Polish) [access: 15.12.23]
• [2] 93.3 million pupils and students enrolled in the EU. https://ec.europa.eu [access: 15.12.23]
• [3] Wargocki P., Porras-Salazar J., Contreras-Espinoza S. (2019). The relationship between classroom temperature and children’s performance in school. Building and Environment, 157, 197-204, doi: 10.1016/j.buildenv.2019.04.046.
• [4] Kanama N., Ondarts M., Guyot G., Outin J., Golly B., Gonze E. (2023). Effect of energy renovation on indoor air quality and thermal environment in winter of a primary school in a highly poluted French alpine valley. Journal of Building Engineering, 72, 106529, doi: 10.1016/j.jbe.2023.106529.
• [5] Xu Y., Yan C., Wang G., Shi J., Sheng K., Li J., Jiang Y. (2023). Optimization research on energy-saving and life-cycle decarbonization retrofitting of existing school buildings: A case study of a school in Nanjing. Solar Energy, 254, 54-66, doi: 10.1016/j.solener.2023.03.006.
• [6] Ginestet S., Aschan-Leygonie C., Bayeux T., Keirsbulck M. (2020). Mould in indoor environments: The role of heating, ventilation and fuel poverty. A French perspective. Building and Environment, 169, 106577, doi: 10.1016/j.buildenv.2019.106577.
• [7] Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of energy from renewable sources.
• [8] Sakowicz R. A., Werner-Juszczuk A. J. (2022). Operating costs of air and ground source heat pumps. INSTAL, 7/8, 33-37, doi: 10.36119/15.2022.7-8.4.
• [9] Piotrowska-Woroniak J. (2016). Badanie rozkładu temperatury w pionowym gruntowym wymienniku ciepła podczas pracy pompy ciepła w północno-wschodniej Polsce. INSTAL, 6, 9-18 (in Polish).
• [10] Piotrowska-Woroniak J., Załuska W., Woroniak G. (2015). Analiza pracy poziomego gruntowego wymiennika ciepła współpracującego z pompą ciepła typu solanka-woda. INSTAL, 10, 26-33 (in Polish).
• [11] Sławiński D. (2019). Niestacjonarna analiza wymiany ciepła w gruntowym wymienniku ciepła posadowionym na gruntach niewysyconych. INSTAL, 9, 24-30, doi: 10.36119/ 15.2019.9.3 (in Polish).
• [12] Sławiński D. (2019). Numeryczne modelowanie szybkości migracji ciepła w gruntowym wymienniku ciepła w glebach nienasyconych. INSTAL, 2, 20-24 (in Polish).
• [13] Hurnik M. (2013). Pomiary in situ sprawności odzysku ciepła w instalacji wentylacyjnej z gruntowym wymiennikiem ciepła. INSTAL, 4, 19-23 (in Polish).
• [14] Sławiński D., Badur J. (2018). Termiczna adaptacja pionowego gruntowego wymiennika ciepła w wyniku oddziaływania cyklicznych obciążeń cieplnych. INSTAL, 7/8, 11-14 (in Polish).
• [15] Piotrowska-Woroniak J. (2016). Rozwiązanie technologiczne i praca źródła ciepła z pompami ciepła typu solanka-woda na potrzeby budynku użyteczności publicznej. INSTAL, 7/8, 19-25 (in Polish).
• [16] Piotrowska-Woroniak J., Sokołowski Z. (2017). Zabezpieczenie potrzeb elektryczno-energetycznych w budynku biurowym poprzez wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. INSTAL, 12, 14-22 (in Polish).
• [17] Hanuszkiewicz-Drapała M. (2021). Analiza długookresowego działania układu grzewczego z gruntową pompą ciepła zasilanego panelami fotowoltaicznymi. Rynek Energii, 6, 3-12 (in Polish).
• [18] Stefanowicz E., Piechurski K. (2019). Przyczyny i skutki przeciążenia dolnego źródła gruntowej pompy ciepła. Rynek Instalacyjny, 9, 32-36 (in Polish).
• [19] Ryńska J. (2023). Zastosowanie gruntowych wymienników ciepła w instalacjach wentylacyjnych. Rynek Instalacyjny, 7-8, 90-96 (in Polish).
• [20] Rynkowski P. (2022). Przykładowe profile temperatury wzdłuż gruntowych pionowych wymienników ciepła w systemie grzewczym z pompą ciepła. Materiały Budowlane, 7, 65-67, doi: 10.15199/33.2022.07.14.
• [21] Zalewski W. (2019). Obliczenia projektowe gruntowych wymienników ciepła pomp ciepła. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja, 50/1, 16-21, doi: 10.15199/9.2019.1.3 (in Polish).
• [22] Jingyang H., Minghui C., Junyi C., Wenjuan L. (2021). Analysis of thermal performance and economy of ground source heat pump system: a case study of the large building. Geothermics, 89, 101929, doi: 10.1016/j.geother-mics.2020.101929.
• [23] Cruz-Peragón F., Gómez-de la Cruz F.J., Palomar-Carnicero J.M., López-García R. (2022). Optimal design of a hybrid ground source heat pump for an official building with thermal load imbalance and limited space for the ground heat exchanger. Renewable Energy, 195, 381-394, doi: 10.1016/j.renene.2022.06.052.
• [24] Rashid F.L., Dhaidan N.S., Hussein A.K., Al-Mousawi F.N., Younis O. (2023). Ground heat exchanger in different configuration: Review of recent advances and development. Geoenergy Science and Engineering, 227, 211872, doi: 10.1016/j.geoen.2023.211872.
• [25] Shilei L., Xue Z., Ran W., Zichen W. (2023). System optimization and mode modification of the solar assisted ground source heat pump system for primary schools in northern rural areas of China. Solar Energy, 262, 111879, doi: 10.1016/j.solener.2023.111879.
• [26] Allaerts K., Koussa J. A., Desmedt J., Salenbien R. (2017). Improving the energy efficiency of ground-source heat pump systems in heating dominated school buildings: A case study in Belgium. Energy and buildings, 138, 559-568, doi: 10.1016/j.enbuild.2016.09.046.
• [27] Euiyoung K., Jaekeun L., Youngman J., Yujin H., Sangheon L., Naehyun P. (2012). Performance evaluation under the actual operating condition of a vertical ground source heat pump system in a school building. Energy and Buildings, 50, 1-6, doi: 10.1016/j.enbuild.2012.02.006.
• [28] Yu X., Zhang Y., Deng N., Ma H., Dong S. (2016). Thermal response test for ground source heat pump based on constant temperature and heat-flux methods. Applied Thermal Engineering, 93, 678-682, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.10.007.
• [29] PN-EN 12831:2006. Instalacje ogrzewcze w budynkach - Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego (in Polish).
• [30] https://spozarowice.szkolnastrona.pl/ [access: 15.12.23]
• [31] Port PC. Wytyczne projektowania, wykonania i odbioru instalacji z pompami ciepła, Część 1: Dolne źródła ciepła. Wydanie 02/2021 (in Polish).

Uwagi

The APC was funded by the Department of Heating, Ventilation and Dust Removal Technology, Silesian University of Technology (Gliwice, Poland) (under state research project 08/010/BK_23/0067).