Thermodynamic Analysis of an Air Source Heat Pump for Kırıkkale Province

Year 2024, Volume: 7 Issue: 1, 1 - 8, 15.06.2024

Hüsamettin Tan , Zühtü Onur Pehlivanlı

Abstract

This study conducted a thermodynamic analysis of an air-source heat pump using R32 refrigerant to assess its effectiveness in meeting the heating needs of a residence in Kırıkkale province during winter. The air temperature in Kırıkkale was obtained from the Turkish State Meteorological Service according to the average of last ten years. Calculations were based on the heating season between October and April for the years 2022-2023. In the study, parameters such as heat gained from the environment, compressor energy consumption, the system's performance coefficient, and second-law efficiency have been examined. As the external air temperature decreases, the amount of gained heat decreases by approximately 9%. In this regard, the energy consumption of the compressor to meet heating demand has increased by approximately 40%. The results showed that the system performance was calculated as 5.545 and 3.957 for October and January, respectively. However, the second-law efficiency was observed to be 0.3266 for January and 0.2103 for October. The findings emphasize the varying performance of air-source heat pumps depending on climatic conditions.

Keywords

Heat pump, COP, Thermodynamic analysis, II. law

Kırıkkale İli İçin Hava Kaynaklı Bir Isı Pompasının Termodinamik İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, R32 soğutucu akışkanlı hava kaynaklı bir ısı pompasının, Kırıkkale ili sınırları içerisinde bulunan bir konutun, kış aylarında ısı ihtiyacını karşılamak için kullanılabilirliği araştırılarak sistemin termodinamik analizi yapılmıştır. Çalışmada Kırıkkale ilinde son on yıl içerisinde görülmüş olan en düşük hava sıcaklığı Meteoroloji Genel Müdürlüğünden temin edilmiştir. Hesaplamalar, 2022-2023 yılları arasındaki Ekim – Nisan arasındaki ısıtma sezonunu örnek alınarak yapılmıştır. Çalışmada, dış ortamdan çekilen ısı, kompresörün enerji tüketimi, sistemin performans katsayısı ve ikinci yasa verimi parametreleri açısından incelenmiştir. Dış hava sıcaklığı azaldıkça çekilen ısı miktarı yaklaşık olarak %9 değerinde azalmaktadır. Bu doğrultuda ısıtma ihtiyacını karşılamak için kompresörün enerji tüketimi yaklaşık olarak %40 artmıştır. Elde edilen sonuçlar sistem performansı Ekim ve Ocak aylarında sırasıyla 5,545 ve 3,957 olarak hesaplanmıştır. Buna karşın ikinci yasa verimi Ocak ayı için 0,3266, Ekim ayı için 0,2103 olarak gerçekleştiği görülmüştür. Bulgular, hava kaynaklı ısı pompalarının iklimsel koşullara bağlı olarak değişen performansını vurgulamaktadır.

Keywords

Isı pompası, COP, Termodinamik analiz, II. yasa

References

• Baglivo, C., Mazzeo, D., Matera, N., & Congedo, P. M. (2023). Air-source Heat Pump Under Very Climate Change Scenarios: A Numerical Analysis. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, 11(3), 1–12. https://doi.org/10.13044/j.sdewes.d11.0458
• Congedo, P. M., Baglivo, C., Bonuso, S., & D’Agostino, D. (2020). Numerical and experimental analysis of the energy performance of an air-source heat pump (ASHP) coupled with a horizontal earth-to-air heat exchanger (EAHX) in different climates. Geothermics, 87(January 2019), 101845. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2020.101845
• Congedo, P. M., Baglivo, C., D’Agostino, D., & Mazzeo, D. (2023). The impact of climate change on air source heat pumps. Energy Conversion and Management, 276(August 2022), 116554. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116554
• Coşkun, C., Oktay, Z., & Birecikli, B. (2023). International Journal of Energy Applications and Technologies Investigation of the economic aspects of air source heat pump usage for Izmir province. 10(1), 26–33. https://doi.org/10.31593/ijeat.1249609
• Dikici, A., Akbulut, A., & Gülçimen, F. (2006). Güneş, Hava Ve Toprak Enerjisi Kaynaklı Isı Pompalarının Elazığ Şartlarında Kullanımının Deneysel Olarak Araştırılması Ve Enerji Ve Ekserji Analizleri. J. of Thermal Science and Technology, 25, 49–61.
• Jesper, M., Schlosser, F., Pag, F., Walmsley, T. G., Schmitt, B., & Vajen, K. (2021). Large-scale heat pumps: Uptake and performance modelling of market-available devices. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 137(September 2020), 110646. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110646
• Kazjonovs, J., Sipkevics, A., Jakovics, A., Dancigs, A., Bajare, D., & Dancigs, L. (2014). Performance analysis of air-to-water heat pump in Latvian climate conditions. Environmental and Climate Technologies, 14(1), 18–22. https://doi.org/10.1515/rtuect-2014-0009
• Konrad, M. E., & MacDonald, B. D. (2023). Cold climate air source heat pumps: Industry progress and thermodynamic analysis of market-available residential units. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 188(May), 113739. https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113739
• Müdürlüğü, M. G. (2023). Seasonal norms for the provinces. https://Mgm.Gov.Tr/Veridegerlendirme/Il-ve-Ilceler-Istatistik.Aspx?Ysclid=lqqame0z3d363539405.
• 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. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.12.064
• Yang, L., Yuan, H., Peng, J. W., & Zhang, C. L. (2016). Performance modeling of air cycle heat pump water heater in cold climate. Renewable Energy, 87, 1067–1075. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.08.055
• Zhang, Q., Zhang, L., Nie, J., & Li, Y. (2017). Techno-economic analysis of air source heat pump applied for space heating in northern China. Applied Energy, 207, 533–542. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.06.083