RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgra inż. Krzysztofa Szczotki nt.:

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Józef Gawlik Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny Katedra Inżynierii Procesów Produkcyjnych RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgra inż. Krzysztofa Szczotki nt.: Badania wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną Promotor: dr hab. inż. Jacek Zimny, prof. AGH Podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH z dnia 13 sierpnia 2018 r. 1. Zakres i charakterystyka rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawa obejmuje 120 stron, a w tym: 2 strony spisu treści, 23 str. wykazu ważniejszych oznaczeń, 10str. spisu literatury (137 pozycji), Praca składa się z 6 rozdziałów. Rozprawa zawiera dość obszerny, udokumentowany i starannie przygotowany pod względem edytorskim materiał badawczy. W wykazie literatury są dwie autorskie pozycje Kandydata oraz osiem współautorskich, co świadczy o tym, że wyniki tych prac były także poddawane publicznej ocenie. We wprowadzeniu - rozdział 1 Autor przedstawia genezę rozprawy, zwracając uwagę na znaczący wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przy równoczesnym zmniejszaniem się zasobów nieodnawialnych źródeł paliw: ropy naftowej, węgla kamiennego, brunatnego i gazu ziemnego. Wprawdzie Polska posiada duże zasoby węgla kamiennego, ale ten cenny surowiec mógłby być efektywniej wykorzystany w gospodarce, a nie głównie poprzez spalanie. Z tym wiążą się także problemy ochrony środowiska (emisja CO2 do atmosfery). Rozwój urządzeń, w tym pomp ciepła i racjonalne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii stają się jednymi z zasadniczych problemów do rozwiązania, przed którymi stoi polska gospodarka. W świetle tych uwarunkowań wybór tematu rozprawy doktorskiej uznaję za trafny z punktu widzenia badawczego, a także w pełni uzasadniony z uwagi na potrzeby gospodarcze. Doktorant kieruje swoją uwagę na pompy ciepła, które wykazują szereg zalet, a między innymi takie, że ich efektywność wzrasta wraz z przybliżaniem się temperatur systemu grzewczego i źródła ciepła. Autor na str.9 używa sformułowania wykorzystanie zasobów energii odnawialnej ; czy energia może być odnawialna i czy istnieją jej zasoby? na str.11 jest stwierdzenie stosowanie takich metod obliczeniowych i symulacyjnych, które zagwarantują maksymalną pewność uzyskania w prototypie ; co to jest maksymalna pewność?, pewność to 100%, a więc czy może ona być większa? Autor rozprawy sformułował cel (cele) pracy, które dotyczą (przedstawiam je w skrócie): a) wykorzystania współczesnych metod teorii eksperymentu; b) określenia wpływu wybranych, możliwych do sterowania parametrów pompy sprężarkowej; c) rozwój technologii wytwarzania oraz nowych zastosowań i wdrożeń sprężarkowych pomp ciepła. Analizując dalsze strony rozprawy stwierdzam, że główny cel pracy został zawarty w punkcie b), który obejmuje: określenie wpływu wybranych parametrów czynników zmiennych możliwych do sterowania cieplnych i przepływowych sprężarkowej pompy ciepła typu powietrzewoda na jej efektywność energetyczną. 1

2 wykorzystanie metod teorii eksperymentu jest ważne i w pełni uzasadnione do wykonania odpowiednio zaplanowanych badań, a nie jest celem wyłącznie tej pracy; w ramach tej rozprawy Doktorant nie zajmował się rozwojem technologii wytwarzania pomp ciepła. W rozdziale 2 został przedstawiony stan wiedzy z zakresu podjętego tematu pracy. Doktorant scharakteryzował sprężarkowe pompy ciepła typu powietrze-woda oraz stan zaawansowania badań, wdrożeń oraz regulacji prawnych w różnych krajach. Określił właściwe dla tych urządzeń współczynniki, tj.: teoretyczny współczynnik wydajności grzejnej, będący też miarą efektywności energetycznej pompy ciepła (wzór 2); sezonowy współczynnik efektywności energetycznej COP Coefficient Of Performance) i jego rodzaje, tj.: systemowy współczynnik SCOP, uwzględniający pobór energii przez sprężarkę; współczynniki - systemowy SCOPsystem oraz współczynnik SCOPinstal, będące pewną miarą energii pobranej przez system grzewczy (wzory 3 i 4). Następnie Doktorant przedstawił dane dotyczące rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła w latach oraz uwarunkowania wynikające z regulacji prawnych Unii Europejskiej. W świetle tych danych określił główne bariery rozwoju rynku sprężarkowych pomp ciepła w UE i w Polsce. Syntetycznie ujmując, w Polsce są to bariery: prawne, informacyjne i edukacyjne, brak wsparcia finansowego, słabe otoczenie badawcze oraz brak fachowej kadry wykonującej instalacje z pompami ciepła. Każdy z tych obszarów wskazanych przez Autora rozprawy został bardziej szczegółowo omówiony. W tym kontekście jawi się znaczenie sprężarkowych pomp ciepła dla pakietu klimatycznoenergetycznego (3x20%), redukcji zużycia energii pierwotnej w budownictwie (rys. 9), stosowania skojarzonej gospodarki ciepła i chłodu w warunkach przemysłowych. Doktorant wskazuje też na możliwości wykorzystania sprężarkowych pomp ciepła dużej mocy w polskim ciepłownictwie, obniżenie emisji CO2 i poprawę jakości powietrza. Moją główną specjalnością jest technologia maszyn, nie podejmuję więc głębszej, merytorycznej analizy i oceny przedstawionych przez Autora rozprawy współczynników, gdyż ta jest przedmiotem zainteresowania specjalistów z zakresu energetyki, termodynamiki Już na wstępie do analizy literatury Doktorant stwierdza, że jest brak opracowań ściśle powiązanych z tematem niniejszej pracy, a to potwierdza słuszność wyboru tematu rozprawy. Dość obszerną liczbę publikacji Doktorant podzielił na trzy grupy, tj.: publikacje dotyczące zagadnień optymalizacji z uwagi na efektywność energetyczną poszczególnych elementów składowych systemów energetycznych; do drugiej grupy zaliczył publikacje dotyczące poprawy efektywności systemów energetycznych powietrznych sprężarkowych pomp ciepła stosowanych w układach grzewczych i w chłodnictwie; trzecia grupa dotyczy oceny efektywności energetycznej, ekologicznej i ekonomicznej istniejących powietrznych sprężarkowych pomp ciepła w budownictwie. W konkluzji Doktorant stwierdza, że większość dotychczas opublikowanych prac zmierza do opracowania modelu teoretycznego określającego pełną charakterystykę przepływową i energetyczną sprężarkowych pomp ciepła. Podkreśla też, że nie ma również ujednoliconej metodyki i metodologii badań, gwarantującej obiektywną i porównywalną analizę otrzymanych wyników badań eksperymentalnych. Na tej podstawie Autor rozprawy sformułował wnioski, które stanowiły wskazania do podjęcia własnych badań, tj.: 2

3 1. brak w dalszym ciągu zdefiniowania związków, które mogłyby dokładnie określić wpływ wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła na ich wskaźniki efektywności energetycznej; 2. zgodnie z metodologią i metodyką badań sprężarkowych pomp ciepła, badania te powinny być prowadzone w sposób kompleksowy. w badaniach dotyczących rozwiązań technicznych i technologicznych sformułowanie dokładnie określić wpływ lepiej jest zastąpić wyrażeniem, np. z założoną (określoną) niepewnością, gdyż stwierdzenie, że pomiar został wykonany dokładnie może być co najwyżej synonimem staranności ; wszelkie badania powinny być prowadzone kompleksowo, ale należy sobie zadać pytanie, czy stan wiedzy i koszty na to pozwalają? Następnie Doktorant sformułował trzy hipotezy pracy. Wg mnie hipotezy nr I oraz nr III są związane z tematem rozprawy. W hipotezie nr I określenie z dużą dokładnością... jest nieprecyzyjne (potoczne). hipoteza nr II odnosi się do wszelkich badań, a nie wyłącznie do opiniowanej rozprawy. nasuwa się pytanie, czy rzeczywiście istnieje tylko jeden tzw. optymalny plan badawczy, jeśli uwzględnić inne możliwości opracowania modelu obiektu badań, np. sztuczne sieci neuronowe, zbiory rozmyte, algorytmy genetyczne? Rozdział 3 zawiera charakterystykę oryginalnego stanowiska badawczego ze szczegółowym zestawieniem wielkości badanych, zakresami zmian parametrów sterowalnych, matematycznym modelem badań rozpoznawczych oraz zaproponowanym przez Doktoranta algorytmem badań doświadczalnych (str.34 str.52 i rys.12) i macierzą planowania doświadczeń (tab. 3). W następnym punkcie Doktorant przedstawia statystyczny model sprężarkowej pompy ciepła. Jest on sformułowany poprawnie. Natomiast uważam, że nie ma potrzeby tak szerokiego opisywania zalet planowania doświadczeń (str.45 str.46), ponieważ są one od ponad 40 lat już stosowane. Także na str.47 Doktorant stwierdza, że pozwala to na bardzo dokładne określenie efektów wpływu poszczególnych czynników badanych ; określenie bardzo dokładne uwaga jak poprzednio, a przyjęcie poziomu istotności świadczy, że ten wpływ zawiera się w określonym przedziale wartości; hipoteza zerowa nie odnosi się do addtywności (str. 51), tylko do adekwatności modelu. Rozdział 4 (str. 53 str.103 zawiera obszerną dokumentację przeprowadzonych badań doświadczalnych wraz z ich analizą. Funkcja obiektu badań (wzór 34) została przedstawiona w formalnym ogólnym zapisie, a poziom istotności został przyjęty na poziomie α = 0,05. Pomiary były powtarzane 3-krotnie dla każdej kombinacji parametrów zgodnie z macierzą planowania doświadczeń (tab.3). Uwaga: str.52 - Doktorant stwierdza, że 3-krotne powtórzenia były wykonane dla dokładniejszej analizy statystycznej. Pytanie: ile należy wykonać powtórzeń, aby osiągnąć 100% dokładności (pewność)? W następnych tabelach zostały ujęte macierze doświadczeń i wyniki badań wpływu parametrów zmiennych na: współczynnik efektywności energetycznej (COP) sprężarkowej powietrznej pomy ciepła (tab.4) oraz wyznaczone współczynniki równania w postaci wielomianowej (tab.5); 3

4 temperaturę zasilania instalacji grzewczej (tzco) sprężarkowej powietrznej pomy ciepła (tab.8) oraz wyznaczone współczynniki równania w postaci wielomianowej (tab.9); moc pobieraną przez sprężarkę (Nel) tab. 12 oraz wyznaczone współczynniki równania w postaci wielomianowej (tab.13). Odpowiednio do wyników badań Doktorant wyznaczył równania regresji dla zmiennych parametrów w postaci zakodowanej (zależności 35, 41, 47) oraz po odkodowaniu dla zmiennych rzeczywistych (zależności 36, 42, 48). Zależności te zostały również przedstawione w postaci graficznej w układzie osi x-y (odpowiednio rys.16 rys.27; rys.35 rys. 46; rys.54 rys. 65) oraz w układzie x-y-z (odpowiednio rys. rys.28 rys.33; rys.47 rys.52; rys.66 rys.71). Analiza statystyczna została wykonana poprawnie, natomiast nasuwają się pytania: dlaczego wielkość R jest nazywana współczynnikiem korelacji, zaś R 2 współczynnikiem korelacji wielokrotnej, skoro dotyczy to tej samej wielkości? Czy dla zmiennych odkodowanych jest uzasadnione sformułowanie w odniesieniu do równania, że po analizie matematycznej ma postać fizyczną? (we wnioskach Doktorant nie używa już tego sformułowania). Korzystając z wyników badań Doktorant zastosował procedury systematycznego przeszukiwania w połączeniu z procedurą losową w celu określenia najlepszych parametrów pracy i procesu z uwagi na kryterium przyjętej funkcji celu metodą optymalizacji jednokryterialnej, odpowiednio dla wielkości wynikowych, tj.: współczynnika efektywności energetycznej (COP) - tab.7; temperatury zasilania instalacji grzewczej (tzco) tab.11; mocy pobieranej przez sprężarkę (Nel) tab.15. Analiza wykresów zamieszczonych w rozprawie wskazuje, że w części skojarzeń parametrów sterowalnych są to powierzchnie typu powierzchni siodłowych. Nasuwają się zatem pytania: czy wyznaczone jako optymalne, wartości parametrów pracy pompy i proces z zastosowaniem metody optymalizacji jednokryterialnej dla określonych skojarzeń wartości pozostałych parametrów, można jednoznacznie uznać za optymalne warunki pracy systemu grzewczego? czy w takim przypadku nie należało zastosować metody optymalizacji wielokryterialnej dla wyznaczenia wartości średniej ważonej z uwzględnieniem funkcji wagi dla poszczególnych parametrów sterowalnych? W rozdziale 5 zawarł Doktorant interesującą analizę ekonomiczną i uwarunkowania ekologiczne związane z zastosowaniem sprężarkowych pomp ciepła. Z tej analizy wynika, że pompy ciepła to efektywny ekonomicznie sposób redukcji CO2, a zatem rozwój tej techniki i technologii ogrzewania jest w pełni uzasadniony. Rozdział 6 - wnioski z przeprowadzonych badań i analiz są zawarte we wnioskach teoretycznopoznawczych, wnioskach praktycznych oraz propozycjach dalszych badań. Generalnie we wnioskach Doktorant odniósł się do przeprowadzonych badań i uzyskanych wyników. Bardzo trafnie sformułował też kierunki dalszych badań. Można by też dalsze badania poszerzyć o modelowanie sieciami neuronowymi, jak i sieciami w połączeniu z logiką rozmytą. Jednak niektóre stwierdzenia nasuwają pewne pytania, a mianowicie: który model teoretyczny ma Doktorant na myśli i jak określono adekwatność tego modelu w stosunku do badań eksperymentalnych? (dot. wniosków teoretyczno- poznawczych); czy stwierdzenie, że najlepszą efektywność energetyczną uzyskuje się dla pozostałych czynników na granicach badanego obszaru zmienności (dot. wniosków praktycznych) sugeruje, że należy poszerzyć zakresy badanych parametrów wejściowych? 4

5 jak należy interpretować stwierdzenie, że można określić parametry pracy, które równoważą korzyści energetyczne z ekonomicznymi i ekologicznymi? W analizie rozprawy doktorskiej starałem się w bardzo skrótowy sposób scharakteryzować kolejne kroki, które podjął Doktorant w celu rozwiązania postawionego problemu badawczego. Uważam, że Doktorant rzeczowo dokonał analizy zagadnienia na podstawie dobrze dobranej, reprezentatywnej literatury. Podsumowując tę część opracowania stwierdzam, że mgr inż. Krzysztof Szczotka wykazał, iż opanował na wymaganym poziomie umiejętność analizy i syntezy złożonych problemów badawczych, a tym samym potwierdził dobre przygotowanie do pracy naukowej. Zaproponowaną koncepcję badań oceniam pozytywnie. Za oryginalny wkład Doktoranta w rozwój dyscypliny Budowa i Eksploatacja Maszyn uznaję: opracowanie i zestawienie oryginalnego stanowiska badawczego, umożliwiającego prowadzenie eksperymentów w szerokim zakresie zmienności parametrów wejściowych; opracowanie odpowiedniego algorytmu przeprowadzenia badań i weryfikacji wyników; opracowanie statyczno-doświadczalnego modelu ujmującego istotne parametry cieplne i przepływowe sprężarkowej powietrznej pompy ciepła o dobór zalecanych parametrów pracy z zastosowaniem procedury optymalizacji jednokryterialnej To skrótowe przedstawienie zakresu wykonanych eksperymentów przez mgr. inż. Krzysztofa Szczotkę upoważnia do wyrażenia opinii, że Jego wiedza i umiejętności prowadzenia badań oraz rozwiązywania złożonych problemów naukowych i inżynierskich, z możliwością ich ukierunkowania na przemysłowe zastosowania są na dobrym poziomie. 2. Ocena metodologicznej i metodycznej koncepcji rozprawy doktorskiej Na podstawie przedstawionej analizy rozprawy doktorskiej i rozwiązywania postawionych zadań badawczych, metodologiczną i metodyczną koncepcję rozprawy doktorskiej oceniam pozytywnie, albowiem zawiera ona merytoryczną analizę stanu dotychczasowych badań oraz propozycję rozwiązania postawionego problemu badawczego. O odpowiednim przygotowaniu Autora rozprawy do prowadzenia prac badawczych świadczy właściwe zastosowanie wiedzy z zakresu planowania i organizacji badań, umiejętne i na wymaganym poziomie opracowanie wyników badań. 3. Ocena końcowa rozprawy doktorskiej Przedstawiona rozprawa doktorska należy do ważnego i wciąż nie w pełni poznanego obszaru badawczego, związanego z wdrażaniem technologii bazujących na odnawialnych źródłach energii. Mgr inż. Krzysztof Szczotka opanował na wymaganym poziomie współczesne metody organizacji badań i właściwe dla nich narzędzia, służące do rozwiązywania złożonych, wielowariantowych problemów badawczych. Opiniowana rozprawa doktorska, mieszcząca się w dyscyplinie Budowa i Eksploatacja Maszyn posiada oryginalne cechy nowości i w perspektywie możliwości zastosowań przemysłowych. Na podstawie przedstawionej opinii stwierdzam, że rozprawa doktorska mgra inż. Krzysztofa Szczotki nt.: Badania wpływu wybranych parametrów cieplnych i przepływowych sprężarkowych pomp ciepła typu powietrze-woda na ich efektywność energetyczną spełnia wymagania ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (ustawa z dnia 14 marca 2003 r., tekst ujednolicony z dnia 29 września 2014 r. wraz z późniejszymi rozporządzeniami) i wnoszę o dopuszczenie jej Autora do publicznej obrony. Kraków, dnia 30 sierpnia 2018 r. 5