The Influence of Atmospheric Air Temperature and Humidity on the Heat Pump COP
Keywords:
heat pump, heat pump COP and capacity
Abstract
The use of energy-saving technologies for heat supply to buildings is relevant for Russia, since in most regions of the country, long winters result in significant costs for heating. Interest in the use of air heat pumps for these purposes is observed all over the world. However, in the majority of regions, the atmospheric air temperature during the heating season is in the region of negative values. Under such conditions, the air heat pump coefficient of performance (COP) is significantly poorer in comparison with that of heat pumps operating on other low-grade thermal energy sources. The simplest and most cost-effective process cycle circuit of heat pumps using low-grade atmospheric heat has limitations in application stemming from significant temperature variations not only during the heating season, but also during the day. Factors influencing the air heat pump COP are considered: atmospheric air temperature and relative humidity, and frost formation on the evaporator walls during operation in the range of negative temperatures. The evaporator defrosting cycles are calculated taking into account the atmospheric air thermal and humidity characteristics. A defrosting method involving the use of heating elements placed in between the heat transfer tubes has been chosen. The studies were conducted in the Chelyabinsk region (in the heating season 2022-2023). During the study period, the heat pump COP varied in the range from 3.78 to 2.18. In evaluating the heat pump COP, the energy consumed for the defrosting mode was taken into account; as a result, the pump COP was found to be in the range from 3.6 to 1.57, and the seasonal COP became by 9.26% lower. This circumstance should be taken into account in choosing the air heat pump capacity.
References
1. Жарков Е.В., Гусева О.А. Анализ эффективности работы теплонасосной установки от вида теплообменника в условиях Южного Урала // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика: материалы Междунар. науч.-практ. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н.И. (1945—2015). Екатеринбург: Уральский федеральный ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. С. 660—663.
2. Малышев А.А., Киреев В.С. Эксергетический анализ теплового насоса для условий Северо-Запада России // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2017. № 4. С. 22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL.
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 656. P. 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Белова В.С. Возможность применения воздушных тепловых насосов в г. Владивостоке // Молодежь и научно-технический прогресс: Материалы Регион. науч.-практ. конф. Владивосток: Дальневосточный федеральный ун-т, 2020. С. 291—294. EDN: DRLDYN.
5. Кабанова И.А., Колденкова Т.А. Воздушные тепловые насосы в системе отопления при бивалентном режиме работы // Энергетика, информатика, инновации — 2019: Сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. Смоленск: Универсум, 2019. Т. 1. С. 105—109. EDN: LERBYT.
6. Ахмедьянова А.Р. Использование воздушных тепловых насосов в условиях республики Башкортостан // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: Материалы III Всерос. науч.-практ. конф., посвященной 20-летию образования энергетического факультета Башкирского ГАУ, в рамках Российского энергетического форума и международной выставки «Энергетика Урала», Уфа: Башкирский гос. аграрный ун-т, 2018. С. 71—74. EDN: WOOWER.
7. Алоян Р.М. и др. Возможный диапазон работы воздушного теплового насоса в отопительный период // Известия высших учеб. заведений. Серия «Технология текстильной промышленности». 2017. № 4(370). С. 278—281. EDN: YLHYSE.
8. Волкова О.С., Пташкина-Гирина О.С., Евграфов П.А. Исследование эффективности работы воздушных тепловых насосов на базе компрессоров с впрыском пара в условиях Южного Урала // Экологическая безопасность и устойчивое развитие урбанизированных территорий: Сб. докл. III Междунар. науч.-практ. конф. Нижний Новгород: Нижегородский гос. архитектурно-строительный ун-т, 2023. С. 127—132. EDN: UKHXGO.
9. Шунгаров Э.Х., Протопопов К.В., Гаранов С.А. Характеристики спиральных компрессоров для применения в низкотемпературных воздушных тепловых насосах // Холодильная техника. 2019. № 11. С. 28—32. EDN: FMITEI.
10. Федосов С.В., Федосеев В.Н. Теплообмен и десублимация в испарительной линии воздушного теплового насоса // Приволжский научный журнал. 2022. № 2(62). С. 100—113. EDN: WZNOBZ.
11. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений: Сб. науч. тр. Иваново: Ивановский гос. политехн. ун-т, 2015. С. 241—251. EDN: VLUOEJ.
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002. V. 45. Pp. 4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection // J. Mech. Sci. Technol. 2010. V. 24. Pp. 1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 97. Pp. 569—577.
15. Маринюк Б.Т., Королев И.А. Особенности формирования и динамики роста инея на теплообменных поверхностях криогенного оборудования // Холодильная техника. 2017. № 11. С. 38—41. EDN: YQNPQD
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zharkov E.V., Guseva O.A. Analiz Effektivnosti Raboty Teplonasosnoy Ustanovki ot Vida Teploobmennika v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Energo- i Resursosberezhenie. Energoobespechenie. Netraditsionnye i Vozobnovlyaemye Istochniki Energii. Atomnaya Energetika: Materialy Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konferentsii Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh, Posvyashchennoy Pamyati Prof. Danilova N.I. (1945—2015). Ekaterinburg: Ural'skiy Federal'nyy Un-t im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2018:660—663. (in Russian).
2. Malyshev A.A., Kireev V.S. Eksergeticheskiy Analiz Teplovogo Nasosa dlya Usloviy Severo-Zapada Rossii. Nauchnyy Zhurnal NIU ITMO. Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2017;4:22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL. (in Russian).
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019;656:012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Belova V.S. Vozmozhnost' Primeneniya Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v g. Vladivostoke. Molodezh' I Nauchno-tekhnicheskiy Progress: Materialy Region. Nauch.-prakt. Konf. Vladivostok: Dal'nevostochnyy Federal'nyy Un-t, 2020:291—294. EDN: DRLDYN. (in Russian).
5. Kabanova I.A., Koldenkova T.A. Vozdushnye Teplovye Nasosy v Sisteme Otopleniya pri Bivalentnom Rezhime Raboty. Energetika, Informatika, Innovatsii — 2019: Sb. Tr. IX Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Smolensk: Universum, 2019;1:105—109. EDN: LERBYT. (in Russian).
6. Akhmed'yanova A.R. Ispol'zovanie Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v Usloviyakh Respubliki Bashkortostan. Aktual'nye Problemy Energoobespecheniya Predpriyatiy: Materialy III Vseros. Nauch.-prakt. Konf., Posvyashchennoy 20-letiyu Obrazovaniya Energeticheskogo Fakul'teta Bashkirskogo GAU, v Ramkakh Rossiyskogo Energeticheskogo Foruma i Mezhdunarodnoy Vystavki «Energetika Urala», Ufa: Bashkirskiy Gos. Agrarnyy Un-t, 2018:71—74. EDN: WOOWER. (in Russian).
7. Aloyan R.M. i dr. Vozmozhnyy Diapazon Raboty Vozdushnogo Teplovogo Nasosa v Otopitel'nyy Period. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Tekhnologiya Tekstil'noy Promyshlennosti». 2017;4(370):278—281. EDN: YLHYSE. (in Russian).
8. Volkova O.S., Ptashkina-Girina O.S., Evgrafov P.A. Issledovanie Effektivnosti Raboty Vozdushnykh Teplovykh Nasosov na Baze Kompressorov s Vpryskom Para v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Ekologicheskaya Bezopasnost' i Ustoychivoe Razvitie Urbanizirovannykh Territoriy: Sb. Dokl. III Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy Gos. Arkhitekturno-stroitel'nyy Un-t, 2023:127—132. EDN: UKHXGO. (in Russian).
9. Shungarov E.Kh., Protopopov K.V., Garanov S.A. Kharakteristiki Spiral'nykh Kompressorov dlya Primeneniya v Nizkotemperaturnykh Vozdushnykh Teplovykh Nasosakh. Kholodil'naya Tekhnika. 2019;11:28—32. EDN: FMITEI. (in Russian).
10. Fedosov S.V., Fedoseev V.N. Teploobmen i Desublimatsiya v Isparitel'noy Linii Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Privolzhskiy Nauchnyy Zhurnal. 2022;2(62):100—113. EDN: WZNOBZ. (in Russian).
11. Voronov V.A., Emelin V.A., Fedoseev V.N., Zaytseva I.A. Klimaticheskie Usloviya i Faktory, Vliyayushchie na Proizvoditel'nost' Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Teoriya i Praktika Tekhnicheskikh, Organizatsionno-tekhnologicheskikh i Ekonomicheskikh Resheniy: Sb. Nauch. Tr. Ivanovo: Ivanovskiy Gos. Politekhn. Un-t, 2015:241—251. EDN: VLUOEJ. (in Russian).
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002;45:4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection. J. Mech. Sci. Technol. 2010;24:1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016;97:569—577.
15. Marinyuk B.T., Korolev I.A. Osobennosti Formirovaniya i Dinamiki Rosta Ineya na Teploobmennykh Poverkhnostyakh Kriogennogo Oborudovaniya. Kholodil'naya Tekhnika. 2017;11:38—41. EDN: YQNPQD. (in Russian)
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Малышев А.А., Киреев В.С. Эксергетический анализ теплового насоса для условий Северо-Запада России // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2017. № 4. С. 22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL.
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 656. P. 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Белова В.С. Возможность применения воздушных тепловых насосов в г. Владивостоке // Молодежь и научно-технический прогресс: Материалы Регион. науч.-практ. конф. Владивосток: Дальневосточный федеральный ун-т, 2020. С. 291—294. EDN: DRLDYN.
5. Кабанова И.А., Колденкова Т.А. Воздушные тепловые насосы в системе отопления при бивалентном режиме работы // Энергетика, информатика, инновации — 2019: Сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. Смоленск: Универсум, 2019. Т. 1. С. 105—109. EDN: LERBYT.
6. Ахмедьянова А.Р. Использование воздушных тепловых насосов в условиях республики Башкортостан // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: Материалы III Всерос. науч.-практ. конф., посвященной 20-летию образования энергетического факультета Башкирского ГАУ, в рамках Российского энергетического форума и международной выставки «Энергетика Урала», Уфа: Башкирский гос. аграрный ун-т, 2018. С. 71—74. EDN: WOOWER.
7. Алоян Р.М. и др. Возможный диапазон работы воздушного теплового насоса в отопительный период // Известия высших учеб. заведений. Серия «Технология текстильной промышленности». 2017. № 4(370). С. 278—281. EDN: YLHYSE.
8. Волкова О.С., Пташкина-Гирина О.С., Евграфов П.А. Исследование эффективности работы воздушных тепловых насосов на базе компрессоров с впрыском пара в условиях Южного Урала // Экологическая безопасность и устойчивое развитие урбанизированных территорий: Сб. докл. III Междунар. науч.-практ. конф. Нижний Новгород: Нижегородский гос. архитектурно-строительный ун-т, 2023. С. 127—132. EDN: UKHXGO.
9. Шунгаров Э.Х., Протопопов К.В., Гаранов С.А. Характеристики спиральных компрессоров для применения в низкотемпературных воздушных тепловых насосах // Холодильная техника. 2019. № 11. С. 28—32. EDN: FMITEI.
10. Федосов С.В., Федосеев В.Н. Теплообмен и десублимация в испарительной линии воздушного теплового насоса // Приволжский научный журнал. 2022. № 2(62). С. 100—113. EDN: WZNOBZ.
11. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений: Сб. науч. тр. Иваново: Ивановский гос. политехн. ун-т, 2015. С. 241—251. EDN: VLUOEJ.
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002. V. 45. Pp. 4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection // J. Mech. Sci. Technol. 2010. V. 24. Pp. 1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 97. Pp. 569—577.
15. Маринюк Б.Т., Королев И.А. Особенности формирования и динамики роста инея на теплообменных поверхностях криогенного оборудования // Холодильная техника. 2017. № 11. С. 38—41. EDN: YQNPQD
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zharkov E.V., Guseva O.A. Analiz Effektivnosti Raboty Teplonasosnoy Ustanovki ot Vida Teploobmennika v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Energo- i Resursosberezhenie. Energoobespechenie. Netraditsionnye i Vozobnovlyaemye Istochniki Energii. Atomnaya Energetika: Materialy Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konferentsii Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh, Posvyashchennoy Pamyati Prof. Danilova N.I. (1945—2015). Ekaterinburg: Ural'skiy Federal'nyy Un-t im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2018:660—663. (in Russian).
2. Malyshev A.A., Kireev V.S. Eksergeticheskiy Analiz Teplovogo Nasosa dlya Usloviy Severo-Zapada Rossii. Nauchnyy Zhurnal NIU ITMO. Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2017;4:22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL. (in Russian).
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019;656:012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Belova V.S. Vozmozhnost' Primeneniya Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v g. Vladivostoke. Molodezh' I Nauchno-tekhnicheskiy Progress: Materialy Region. Nauch.-prakt. Konf. Vladivostok: Dal'nevostochnyy Federal'nyy Un-t, 2020:291—294. EDN: DRLDYN. (in Russian).
5. Kabanova I.A., Koldenkova T.A. Vozdushnye Teplovye Nasosy v Sisteme Otopleniya pri Bivalentnom Rezhime Raboty. Energetika, Informatika, Innovatsii — 2019: Sb. Tr. IX Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Smolensk: Universum, 2019;1:105—109. EDN: LERBYT. (in Russian).
6. Akhmed'yanova A.R. Ispol'zovanie Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v Usloviyakh Respubliki Bashkortostan. Aktual'nye Problemy Energoobespecheniya Predpriyatiy: Materialy III Vseros. Nauch.-prakt. Konf., Posvyashchennoy 20-letiyu Obrazovaniya Energeticheskogo Fakul'teta Bashkirskogo GAU, v Ramkakh Rossiyskogo Energeticheskogo Foruma i Mezhdunarodnoy Vystavki «Energetika Urala», Ufa: Bashkirskiy Gos. Agrarnyy Un-t, 2018:71—74. EDN: WOOWER. (in Russian).
7. Aloyan R.M. i dr. Vozmozhnyy Diapazon Raboty Vozdushnogo Teplovogo Nasosa v Otopitel'nyy Period. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Tekhnologiya Tekstil'noy Promyshlennosti». 2017;4(370):278—281. EDN: YLHYSE. (in Russian).
8. Volkova O.S., Ptashkina-Girina O.S., Evgrafov P.A. Issledovanie Effektivnosti Raboty Vozdushnykh Teplovykh Nasosov na Baze Kompressorov s Vpryskom Para v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Ekologicheskaya Bezopasnost' i Ustoychivoe Razvitie Urbanizirovannykh Territoriy: Sb. Dokl. III Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy Gos. Arkhitekturno-stroitel'nyy Un-t, 2023:127—132. EDN: UKHXGO. (in Russian).
9. Shungarov E.Kh., Protopopov K.V., Garanov S.A. Kharakteristiki Spiral'nykh Kompressorov dlya Primeneniya v Nizkotemperaturnykh Vozdushnykh Teplovykh Nasosakh. Kholodil'naya Tekhnika. 2019;11:28—32. EDN: FMITEI. (in Russian).
10. Fedosov S.V., Fedoseev V.N. Teploobmen i Desublimatsiya v Isparitel'noy Linii Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Privolzhskiy Nauchnyy Zhurnal. 2022;2(62):100—113. EDN: WZNOBZ. (in Russian).
11. Voronov V.A., Emelin V.A., Fedoseev V.N., Zaytseva I.A. Klimaticheskie Usloviya i Faktory, Vliyayushchie na Proizvoditel'nost' Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Teoriya i Praktika Tekhnicheskikh, Organizatsionno-tekhnologicheskikh i Ekonomicheskikh Resheniy: Sb. Nauch. Tr. Ivanovo: Ivanovskiy Gos. Politekhn. Un-t, 2015:241—251. EDN: VLUOEJ. (in Russian).
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002;45:4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection. J. Mech. Sci. Technol. 2010;24:1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016;97:569—577.
15. Marinyuk B.T., Korolev I.A. Osobennosti Formirovaniya i Dinamiki Rosta Ineya na Teploobmennykh Poverkhnostyakh Kriogennogo Oborudovaniya. Kholodil'naya Tekhnika. 2017;11:38—41. EDN: YQNPQD. (in Russian)
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Published
2024-02-20
Section
Energy Systems and Complexes (2.4.5)
