Techno-Economic Optimization of Heat Pump-Based Heating Systems Utilizing Heat Extraction from Watercourses

Authors

  • N. M. Slobodian Vinnytsia National Technical University
  • О. І. Obodianska Vinnytsia National Technical University
  • V. О. Goncharuk Vinnytsia National Technical University

DOI:

https://doi.org/10.31649/1997-9266-2025-180-3-63-71

Keywords:

heat supply, heat pump unit, low-grade heat of flow, watercourses, optimization, coefficient of performance (COP), heat transfer, heat and mass transfer, techno-economic indicators, energy efficiency, heat exchanger, payback period, tubular grates, hydraulic resistance

Abstract

The paper examines the techno-economic aspects of implementing heat pump units (HPUs) in heating systems based on the utilization of low-grade heat (LGH) from natural water sources, particularly river watercourses. Heat pump systems can efficiently use natural resources to meet energy demands, which is a crucial factor in reducing energy consumption and minimizing environmental impact. The advantages of employing a closed-loop heat extraction system with a circulating antifreeze heat transfer fluid are substantiated, ensuring reliable system operation during winter and reducing the risk of ice formation in heat exchangers.

Several design configurations of heat exchangers for extracting heat from aquatic environments are presented. These configurations enhance heat transfer efficiency and reduce hydraulic losses in the system. The study also analyzes the drawbacks of conventional bottom collectors made from polyethylene pipes, including their high material consumption, complex installation, and susceptibility to clogging, which ultimately reduces overall system efficiency. As an alternative, the use of tubular grates oriented perpendicular to the flow direction is proposed. This approach improves heat exchange, reduces hydraulic resistance, and enhances heat extraction efficiency by increasing the contact surface area between the heat transfer fluid and the water environment. Such a solution significantly reduces the system’s operational costs and ensures a more stable and reliable heating process.

The research addresses key parameters such as hydraulic resistance, material costs, optimal heat transfer fluid selection, and other operational characteristics that impact the overall economic efficiency of the system. A techno-economic optimization problem for the heat exchanger design is formulated, considering two variables — pipe diameter and total pipe length. The optimization criterion is the minimization of the system’s payback period compared to a baseline option of direct electric heating. Mathematical model is developed to determine economically feasible design parameters for the heat exchanger, accounting for HPU performance, capital investment, and potential energy savings. Conclusions are drawn regarding the potential for widespread adoption of river-sourced heat pump systems in sustainable heating practices, highlighting their capacity to reduce energy costs and environmental impact.

Author Biographies

N. M. Slobodian, Vinnytsia National Technical University

Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor of the Chair of Engineering Systems in Construction

О. І. Obodianska, Vinnytsia National Technical University

 Cand. Sc. (Eng.), Associate Professor of the Chair of Engineering Systems in Construction

V. О. Goncharuk, Vinnytsia National Technical University

 Post-Graduate Student of the Chair of Engineering Systems in Construction

References

А. О. Редько, М. Н. Безродний, М. В. Загорученко, О. Ф. Редько, Г. С. Ратушняк, і М. І. Хмельнюк, Низькопотенційна енергетика. Харків, України: ТОВ «Друкарня Мадрид», 2016, 412 с.

ДСТУ Б В.2.5-44:2010, Проєктування систем опалення будівель з тепловими насосами. Національний стандарт України, чинний від 2010-09-01. Київ, 2010, 46 с.

Г. Г. Півняк, та ін., Традиційні та нетрадиційні системи енергозабезпечення урбанізованих і промислових територій України, моногр., Г. Г. Півняк, заг. ред. Дніпро, Україна: Національний гірничий університет, 2013, 333 с.

О. І. Ободянська і А. С. Бровко, «Особливості функціонування теплових насосів в системах тепло- та холодопостачання,» у Матеріали L науково-технічної конференції ФБТЕГП ВНТУ. [Електронний ресурс], Режим доступу: https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/all-fbtegp/all-fbtegp-2021/paper/view/11737 .

В. Б. Горбань, та ін., Енергоефективність та енергозбереження: економічний, технікотехнологічний та екологічний аспекти, моногр. Полтава, Україна: ПП «Астрая», 2019, 312 с.

О. Ю. Співак і Н. В. Резидент, Тепломасообмін. Вінниця, Україна: ВНТУ, 2021, 113 с.

Є. А. Бобров, Енергетична безпека держави. Київ, Україна: Університет економіки та права, ВНЗ «КРОК», 2013, 306 с.

О. І. Ободянська, О. А. Іванов і К. Р. Войновський, «Використання енергії навколишнього середовища за допомогою теплових насосів,» на Інноваційні технології в будівництві, Міжна. наук.-техн. конф. [Електронний ресурс], Режим доступу: https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/itb/itb2020/paper/view/10834 .

О. І. Ободянська, О. А. Іванов і К. Р. Войновський, «Альтернативні джерела енергії, як енергоносії,» на Енергоефективність в галузях економіки України, Міжна. наук.-техн. конф. [Електронний ресурс], Режим доступу: https://conferences.vntu.edu.ua/index.php/egeu/egeu2021/paper/view/13932 .

Енергетична стратегія України на період до 2050 року: офіційний текст станом на 21.04.2023 [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/373-2023-%D1%80#Text. Дата звернення 19.03.2025.

Л. Р. Ладієва, Методи оптимізації та пошуку оптимальних рішень. Київ, Україна: НТУУ «КПІ ім. Ігоря Сікорського», 2023, 73 с.

Downloads

Abstract views: 17

Published

2025-06-27

How to Cite

[1]
N. M. Slobodian, Obodianska О. І., and Goncharuk . V. О., “Techno-Economic Optimization of Heat Pump-Based Heating Systems Utilizing Heat Extraction from Watercourses”, Вісник ВПІ, no. 3, pp. 63–71, Jun. 2025.

Issue

Section

ENERGY GENERATION, ELECTRIC ENGINEERING AND ELECTROMECHANICS

Metrics

Downloads

Download data is not yet available.