شماره ركورد
34631
پديد آورنده
سيد اميرمهدي حسيني
عنوان
مدل¬سازي و بهينه¬سازي پمپ حرارتي گازي (GHP) جهت تامين گرمايش، سرمايش و برق ساختمان
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
سيستم هاي انرژي گرايش تكنولوژي انرژي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/11/19
استاد راهنما
دكتر روح اله احمدي
استاد مشاور
-
دانشكده
فناوري هاي نوين
چكيده
اين پژوهش با رويكردي نوين به بررسي و بهينهسازي سيستم پمپ حرارتي موتور گازي (GHP) با قابليت تأمين همزمان سرمايش، آب گرم مصرفي و بهويژه توليد برق ساختمان ميپردازد؛ نوآورياي كه آن را به يك راهكار جامع و مستقل براي تأمين كل نيازهاي انرژي ساختمانهاي مسكوني تبديل ميكند. با هدف دستيابي به خودكفايي انرژي ساختمان و كاهش وابستگي به شبكه برق و سوختهاي فسيلي، سيستم GHP از موتور احتراق داخلي گازسوز براي راهاندازي كمپرسور پمپ حرارتي و ژنراتور بهره ميبرد و حرارت اتلافي موتور را براي گرمايش و توليد آب گرم بازيافت ميكند؛ قابليتي كه در سيستمهاي برودتي الكتريكي متداول وجود ندارد. مطالعه بر روي يك ساختمان مسكوني به مساحت 5716 متر مربع- هشتطبقه با چهار واحد در هر طبقه در اقليم گرم و مرطوب بندرعباس انجام شد. بار حرارتي، بار برودتي، نياز برق سالانه ساختمان و ميزان انتشار دياكسيدكربن حاصل از مصرف انرژي با استفاده از نرمافزار DesignBuilder استخراج گرديد. سپس، مدل محاسباتي دقيق در محيط Python براي شبيهسازي سيكل تبريد، عملكرد موتور احتراق داخلي، بازيافت حرارت و توليد برق توسعه داده شد. سه سناريوي عملياتي شامل بار كامل، بار متغير و تأمين صرفاً بار سرمايشي مورد ارزيابي قرار گرفتند كه نتايج نشان داد سناريوي بار متغير با انطباق پويا با نيازهاي واقعي ساختمان، بهترين عملكرد را ارائه ميدهد و به عنوان پايه فرآيند بهينهسازي انتخاب شد. فرآيند بهينهسازي چندهدفه با استفاده از الگوريتم MOPSO و دو رويكرد مبتني بر پايگاه داده و دادههاي تصادفي انجام شد كه در نهايت رويكرد دادههاي تصادفي عملكرد برتري نشان داد. نتايج بهينهسازي بيانگر كاهش 15 درصدي مصرف گاز سالانه (از 301٬878 به 257٬157 مترمكعب)، افزايش نسبت انرژي اوليه (PER) از 1.31 به 1.62 در ماههاي با بيشترين بار الكتريكي و برودتي، و تأمين 100 درصد برق موردنياز ساختمان در محدوده توليد 117 تا 130 كيلووات در طول سال است. از منظر زيستمحيطي، انتشار سالانه دياكسيدكربن از 588٬660 كيلوگرم به 501٬450 كيلوگرم (كاهش 15 درصدي) كاهش يافت. تحليل اقتصادي نيز نشان داد كه هزينه چرخه عمر به 291,095 ميليارد ريال و هزينه سالانه معادل به 72,750 ميليارد ريال رسيده و دوره بازگشت سرمايه، 6 سال و 9 ماه است. نوآوريهاي كليدي اين پژوهش شامل ادغام همزمان سه خدمت انرژي (سرمايش، گرمايش و توليد برق)، مديريت هوشمند تطبيقپذير با بار متغير و توليد برق محلي براي حذف تلفات شبكه است كه اين سيستم را به گامي مهم در جهت توسعه فناوري انرژي ساختمان تبديل ميكند. پيشنهادات آتي شامل توسعه نمونههاي آزمايشگاهي، تركيب سيستم با منابع تجديدپذير و بهرهگيري از هوش مصنوعي براي كنترل هوشمند عملكرد ميباشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/01/14
عنوان به انگليسي
Modeling and Optimization of a Gas Heat Pump (GHP) System for Building Heating, Cooling, and Power Supply
تاريخ بهره برداري
3/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيداميرمهدي حسيني
چكيده به لاتين
This study, for the first time, investigates and optimizes a gas engine–driven heat pump (GHP) system capable of simultaneously providing space cooling, domestic hot water, and—most notably—on-site electricity generation. This innovation transforms the GHP into a comprehensive and autonomous solution for meeting the entire energy demand of residential buildings. Aimed at achieving building energy self-sufficiency and reducing dependence on the electrical grid and fossil fuels, the proposed GHP system employs a gas-fueled internal combustion engine to drive both the heat pump compressor and an electric generator, while recovering the engine’s waste heat for space heating and domestic hot water production—capabilities that are inherently absent in conventional electric cooling systems. The study was conducted on an eight-story residential building with four dwelling units per floor, located in the hot and humid climate of Bandar Abbas, Iran. Annual heating and cooling loads, electricity demand, and carbon dioxide emissions associated with energy consumption were extracted using DesignBuilder software. Subsequently, a high-fidelity computational model was developed in the Python environment to simulate the refrigeration cycle, internal combustion engine performance, heat recovery processes, and electricity generation. Three operational scenarios—full-load operation, variable-load operation, and cooling-only supply—were evaluated. The results demonstrated that the variable-load scenario, due to its dynamic adaptation to real building energy demands, delivered superior overall performance and was therefore selected as the baseline for the optimization process. A multi-objective optimization procedure was then implemented using the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm under two approaches: a database-driven method and a random data–based method. The latter exhibited superior performance. Optimization results indicate a 15% reduction in annual natural gas consumption (from 301,878 to 257,157 m³), an increase in the primary energy ratio (PER) from 1.31 to 1.62 during months with peak electrical and cooling loads, and the ability to supply 100% of the building’s electricity demand, with annual on-site power generation ranging from 117 to 130 kW. From an environmental perspective, annual CO₂ emissions decreased from 588,660 kg to 501,450 kg, corresponding to a 15% reduction. Economic analysis further revealed that the life cycle cost reached 291.095 billion IRR, the equivalent annual cost amounted to 72.750 billion IRR, and the simple payback period was only 6 years and 9 months. The key innovations of this research include the simultaneous integration of three energy services (cooling, heating, and electricity generation), intelligent adaptive management under variable-load conditions, and localized electricity production that eliminates grid transmission losses. These features position the proposed system as a fundamental technological advancement in building energy systems. Future research directions include the development of laboratory-scale prototypes, hybridization with renewable energy sources, and the application of artificial intelligence–based strategies for intelligent performance control.
كليدواژه هاي فارسي
پمپ حرارتي موتور گازي، توليد برق محلي، بازيافت حرارت اتلافي، بهينهسازي چندهدفه، استقلال انرژي ساختمان، كاهش انتشار كربن.
كليدواژه هاي لاتين
Gas engine–driven heat pump, on-site power generation, waste heat recovery, multi-objective optimization, building energy independence, carbon emission reduction.
Author
Seyed Amirmahdi Hosseini
SuperVisor
Dr. Rouhollah Ahmadi