Waste Heat Recovery by Electric Heat Pump from Exhausted Ventilating Air for Domestic Hot Water in Multi-Family Residential Buildings

• Autorzy: Cepiński Wojciech , Kowalski Piotr , Szałański Paweł

Warianty tytułu

PL

Odzysk ciepła odpadowego za pomocą elektrycznej pompy ciepła z wywiewanego powietrza wentylacyjnego do systemu ciepłej wody użytkowej w wielorodzinnych budynkach mieszkalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article discusses the possibility of recovering waste heat from the exhaust air from the ventilation system of multi-family residential buildings. A system of waste heat recovery from the extracted air with an electric heat pump was proposed for the preparation of domestic hot water (DHW). The proposed system has been analysed in TRNSYS 17 software for exemplary multi-family residential building. The influence of exhaust air humidity and heat pump outlet temperature on the energy effect was analysed. For the analysed case and the Polish conditions of electricity production, a possible reduction of the final energy amount for DHW preparation (EKW) by 35.1% and primary energy consumption (EPW) by 9.1% was determined in comparison with the use of a gas condensing boiler only. The factors influencing the energy effect of the system for the recovery of waste heat from the exhaust air were indicated. The authors specified directions of further research aimed at determining how to recover available waste heat from the exhaust air with lower energy expenditure and for which installations in the building they should be used.

PL

W artykule podjęto temat możliwości odzyskania ciepła odpadowego z powietrza wywiewanego z systemu wentylacyjnego budynków wielorodzinnych mieszkalnych. Zaproponowano system odzysku ciepła odpadowego z powietrza wywiewanego elektryczną pompą ciepła dla potrzeb przygotowania ciepłej wody. Zaproponowany system przeanalizowano w oprogramowaniu TRNSYS 17 dla przykładowego budynku wielorodzinnego. Przedstawiono wpływ wilgotności względnej powietrza wywiewanego i temperatury zasilania pompy ciepłej na efekt energetyczny. Dla analizowanego przypadku i polskich warunków produkcji energii elektrycznej, wyznaczono możliwe zmniejszenie zapotrzebowania energii końcowej na przygotowanie ciepłej wody użytkowej (EKW) o 35,1% i energii pierwotnej (EPW) o 9,1% w porównaniu z zastosowaniem tylko gazowego kotła kondensacyjnego. Wskazano czynniki wpływające na efekt energetyczny systemu do odzysku ciepła odpadowego z powietrza wywiewanego. Autorzy podali kierunki dalszych badań zmierzających do określenia jak odzyskać dostępne ciepło odpadowe z wywiewu przy mniejszym nakładzie energetycznym i do jakich instalacji w budynku je wykorzystać.

Słowa kluczowe

EN

air-to-water electric heat pump; waste heat recovery; heat recovery in ventilation; domestic hot water; TRNSYS

PL

sprężarkowa pompa ciepła powietrze/woda; odzysk ciepła odpadowego; odzysk ciepła z wentylacji; ciepła woda użytkowa; TRNSYS

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2020
• Tom: Tom 22, cz. 2
• Strony: 940--958
• Opis fizyczny: Bibliogr. 43 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Cepiński Wojciech

• Wroclaw University of Science and Technology, Poland

autor

Kowalski Piotr

• Wroclaw University of Science and Technology, Poland

autor

Szałański Paweł

• Wroclaw University of Science and Technology, Poland

Bibliografia

• Alzoubi, H. H., & Malkawi, A. T. (2019). A Comparative Study for the Traditional and Modern Houses in Terms of Thermal Comfort and Energy Consumption in Umm Qais City, Jordan. Journal of Ecological Engineering, 20(5), 14-22. DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/105324
• Bohdal, T., Charun, H., & Sikora, M. (2015). Wybrane aspekty prawno-techniczne i ekologiczne stosowania sprężarkowych pomp ciepła. Rocznik Ochrona Srodowiska, 17(1), 261-284.
• Cepiński, W., & Szałański, P. (2019). Increasing the efficiency of split type air conditioners/heat pumps by using ventilating exhaust air. E3S Web of Conferences, 100, 0-3. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201910000006
• Chmielewska, A. (2017). Modelowanie zapotrzebowania na energię użytkową do przygotowania ciepłej wody w budynkach wielorodzinnych = Modelling of the energy demand for domestic hot water preparation in multi-family buildings. Politechnika Wrocławska.
• Directive 2002/91/EC. (2002). Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2002. In Official Journal Of The European Union. European Commision (65-71). https://doi.org/10.1039/ap9842100196
• Directive 2010/31/EU. (2010). Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast). In Official Journal of the European Union. DOI: https://doi.org/doi:10.3000/17252555.L _2010.153.eng
• Dolna, O., & Mikielewicz, J. (2017). Studies on the field type ground heat exchanger coupled with the compressor heat pump (Part 1). Rocznik Ochrona Srodowiska, 19, 240-252.
• Dongellini, M., Naldi, C., & Morini, G. L. (2015). Annual performances of reversible air source heat pumps for space conditioning. Energy Procedia, 78, 1123-1128. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.070
• Dudkiewicz, E., & Fidorów-Kaprawy, N. (2017). The energy analysis of a hybrid hot tap water preparation system based on renewable and waste sources. Energy, 127, 198-208. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.061
• Dudkiewicz, E., & Szałański, P. (2019). A review of heat recovery possibility in flue gases discharge system of gas radiant heaters. E3S Web of Conferences, 00017.
• Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690. (2012). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
• Dz.U. 2007 nr 191 poz. 1373. (2007). Ustawa z dnia 19 września 2007 r. – o zmianie ustawy Prawo budowlane.
• Dz.U. 2013 poz. 926. (2013). Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 5 lipca 2013 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dziennik Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej, 32. http://isap.sejm.gov.pl/Download?id=WDU20130000926&type=2
• Dz.U. 2015 poz. 376. (2015). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (Dz.U. 2015 poz. 376.).
• Dz.U. 2017 poz. 2285. (2017). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
• Dz.U. nr 201 poz. 1238. (2008). Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
• Englart, S., Jedlikowski, A., Cepiński, W., & Badura, M. (2019). Renewable energy sources for gas preheating. E3S Web of Conferences, 00019.
• Esser, A., & Sensfuss, F. (2016). Final report Evaluation of primary energy factor calculation options for electricity Review of the Default Primary Energy Factor (Pef) Reflecting the Estimated Average Eu Generation Efficiency Referred to in Annex Iv of Directive 2012/27/Eu And Po.
• EUROSTAT. (2019). Statistics Explained Housing statistics 2019.
• Géczi, G., Bense, L., & Korzenszky, P. (2014). Water tempering of pools using air to water heat pump environmental friendly solution. Rocznik Ochrona Srodowiska, 16(1), 115-128.
• GUS. (2011). Narodowy Spis Powszechny Ludności i Mieszkań 2011.
• Hys, L., & Wiak, T. (2013). Emission and trends in reclaiming waste heat in industrial instalations. Journal of Ecological Engineering. DOI: https://doi.org/10.5604/2081139X.1043170
• Jaber, S., & Ezzat, A. W. (2017). Investigation of energy recovery with exhaust air evaporative cooling in ventilation system. Energy and Buildings, 139, 439-448. DOI: https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD.2017.01.019
• Jafarinejad, T., Shafii, M. B., & Roshandel, R. (2019). Multistage recovering ventilated heat through a heat recovery ventilator integrated with a condenser-side mixing box heat recovery system. Journal of Building Engineering. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.100744
• Kang, Y., Wang, Y., Zhong, K., & Liu, J. (2010). Temperature ranges of the application of air-to-air heat recovery ventilator in supermarkets in winter, China. Energy and Buildings. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.07.012
• Klein, S. A. et al. (2010). TRNSYS 17. A Transient System Simulation Program, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin, Madison, USA (17). http://sel.me.wisc.edu/trnsys
• Kowalski, P., & Szałański, P. (2018). Airtightness test of single-family building and calculation result of the energy need for heating in Polish conditions. E3S Web of Conferences, 44. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184400078
• Kowalski, P., & Szałański, P. (2019). Seasonal coefficient of performance of air-to-air heat pump and energy performance of a building in Poland. E3S Web of Conferences. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911600039
• Kowalski, P., & Szałański, P. (2017). Computational and the real energy performance of a single-family residential building in Poland – an attempt to compare : a case study. E3S Web of Conferences, 00045. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/ 20171700045
• Liu, L., Fu, L., & Zhang, S. (2014). The design and analysis of two exhaust heat recovery systems for public shower facilities. Applied Energy, 132, 267-275. DOI: https://doi.org/10.1016/J.APENERGY.2014.07.013
• Luo, Y., Andresen, J., Clarke, H., Rajendra, M., & Maroto-Valer, M. (2019). A decision support system for waste heat recovery and energy efficiency improvement in data centres. Applied Energy. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.05.029
• Mahajan, G., Thompson, S. M., & Cho, H. (2017). Energy and cost savings potential of oscillating heat pipes for waste heat recovery ventilation. Energy Reports. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2016.12.002
• Naldi, C., Dongellini, M., & Morini, G. L. (2015). Climate Influence on Seasonal Performances of Air-to-water Heat Pumps for Heating. Energy Procedia, 81, 100-107. DOI: https://doi.org/10.1016/J.EGYPRO.2015.12.064
• O'connor, D., Calautit, J. K. S., & Hughes, B. R. (2016). A review of heat recovery technology for passive ventilation applications. In Renewable and Sustainable Energy Reviews. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.039
• Pardiñas, Á. Á., Alonso, M. J., Diz, R., Kvalsvik, K. H., & Fernández-Seara, J. (2017). State-of-the-art for the use of phase-change materials in tanks coupled with heat pumps. Energy and Buildings, 140, 28-41. DOI: https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD. 2017.01.061
• Pasichnyi, O., Wallin, J., Levihn, F., Shahrokni, H., & Kordas, O. (2019). Energy performance certificates – New opportunities for data-enabled urban energy policy instruments? Energy Policy, 127, 486-499. DOI: https://doi.org/10.1016/J.ENPOL. 2018.11.051
• Pisarev, V., Rabczak, S., & Nowak, K. (2016). Ventilation System with Ground Heat Exchanger. Journal of Ecological Engineering, 17(5), 163-172. DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/65466
• PN-B-03430:1983. (1983). Wentylacja w budynkach mieszkalnych zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej – Wymagania.
• Stolarska, A. (2019). The Effect of a Winter Garden on Energy Consumption of a Detached Passive House. Journal of Ecological Engineering, 20(10), 146-154. DOI: https://doi.org/10.12911/22998993/113138
• Suslov, A., Fatychov, J., & Ivanov, A. (2015). Energy saving technologies with the use of heat pumps. Rocznik Ochrona Srodowiska, 17(1), 200-208.
• TESSLibs 17. (2012). Component Libraries for the TRNSYS Simulation Environment, TESS – Thermal Energy Systems Specialists, LLC of Madison (17). http://www.tess-inc.com
• Uwe R. Fritsche, H.-W. G. (2015). Development of the Primary Energy Factor of Electricity Generation in the EU-28 from 2010-2013. March.
• Wang, Q., Ploskić, A., Song, X., & Holmberg, S. (2016). Ventilation heat recovery jointed low-temperature heating in retrofitting – An investigation of energy conservation, environmental impacts and indoor air quality in Swedish multifamily houses. Energy and Buildings, 121, 250-64. DOI: https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD.2016.02.050

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).