Performance optimization of hybrid heating systems with combined heat sources and mechanical ventilation heat recovery

Abstract

EN: This study develops and validates a comprehensive thermoeconomic model to optimize hybrid heat supply systems for residential and small industrial buildings, specifically tailored to the continental climate of Kharkiv Oblast, Ukraine. Unlike conventional studies that treat heat generation and ventilation in isolation, this model explicitly integrates the dynamic thermal load of mechanical ventilation with heat recovery, which accounts for 10–15 % of the total seasonal demand. Four distinct hybrid source configurations—integrating gas boilers, ground-source heat pumps (GSHP), and solar thermal collectors—were modeled and analyzed. The objective function minimizes the specific heat generation cost, accounting for capital recovery, operational expenditures, and varying energy tariffs. Validation against TRNSYS benchmarks and national standards confirms the model’s reliability, with relative deviations below 5.88 %. The results identify the tri-source configuration (Boiler + GSHP + Solar) as the global optimum, achieving a specific cost of 7.65 USD/GJ and minimizing carbon emissions. Furthermore, the study establishes that mechanical ventilation heat recovery with 𝜂rec ≥ 0.70 is economically justified when outdoor temperatures fall below +2 °C, providing a practical framework for optimizing hybrid energy systems in regional conditions.

UA: Дослідження присвячено розробленню та верифікації комплексної термоекономічної моделі для оптимізації гібридних систем теплопостачання житлових і малих промислових будівель, адаптованої до кліматичних і тарифних умов Харківської області. На відміну від традиційних підходів, де генерацію теплоти і вентиляційні втрати розглядають ізольовано, запропонована модель інтегрує динамічне теплове навантаження механічної вентиляції з рекуперацією теплоти, частка якого становить 10–15 % загального сезонного попиту на енергію. Такий підхід дає змогу більш повно врахувати взаємозв’язок між параметрами систем теплопостачання, вентиляції та умовами експлуатації будівель. У статті проаналізовано чотири конфігурації гібридних джерел енергії, що поєднують газові котли, ґрунтові теплові насоси та сонячні колектори. Для кожної конфігурації оцінено енергетичні, економічні та екологічні показники з урахуванням сезонної нерівномірності теплового навантаження, змін зовнішніх кліматичних умов і чинних тарифів на енергоносії. Цільова функція моделі спрямована на мінімізацію питомих витрат на виробництво теплоти з урахуванням капітальних інвестицій, експлуатаційних витрат, вартості енергоносіїв і витрат, пов’язаних із роботою вентиляційного обладнання. Верифікація моделі за допомогою програмного комплексу TRNSYS і вимог чинних стандартів ДСТУ підтвердила її достовірність: відхилення розрахункових результатів не перевищує 6 %. Отримані результати дали змогу ідентифікувати триджерельну конфігурацію, що включає газовий котел, тепловий насос і сонячний колектор, як глобально оптимальне рішення. Застосування такої системи забезпечує досягнення питомих витрат на рівні 7,65 USD/ГДж за одночасного мінімуму викидів CO₂. Крім того, встановлено, що впровадження рекуперації теплоти вентиляційного повітря з ефективністю ηrec ≥ 0,70 є економічно доцільним за температур зовнішнього повітря нижче +2 °C. Отримані результати формують практичну основу для підвищення енергоефективності будівель і розроблення оптимальних систем теплопостачання для умов континентального клімату.