Регистрация / Вход
Прислать материал

Принципы и методы создания теплонасосных систем снеготаяния, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха

Докладчик: Васильев Григорий Петрович

Должность: научный руководитель, научный руководитель ОАО"НИИМосстрой"

Цель проекта:
1. В процессе зимней уборки городские службы сталкиваются с необходимостью вывоза значительных объемов загрязненного снега. В мегаполисах, расположенных в зоне континентального климата, например в Москве и Санкт-Петербурге, объемы вывозки снега зимой измеряются миллионами кубических метров и возникает проблема утилизации этой снежной массы. При решении этой проблемы необходимо учитывать целый ряд факторов, как экономических, так и экологических. К экономическим факторам, в первую очередь, относится стоимость перевозки снега, практически определяющая способы его утилизации. Применительно к Москве уборка магистралей города и вывоз загрязненного снега в места его утилизации обходится в несколько миллиардов рублей за зимний сезон. Увеличение плеча перевозки снега на 10 километров по стоимости сравнимо с затратами на топливо, требующимися для плавления такого же количества снега. Кроме того, перевозка снега автотранспортом приводит к дополнительной экологической нагрузке на воздушную среду города за счет загрязнения ее выхлопными газами. Поэтому целесообразно иметь сеть утилизирующих снег сооружений, относительно равномерно распределенных по территории города. Экологические факторы, влияющие на решение проблемы утилизации вывозимого снега, заключаются в необходимости ликвидации воздействия имеющихся в снеге загрязнений на окружающую среду. Недопустимо создание на газонах сугробов из убранного с дорог снега, поскольку он загрязнен хлоридами, используемыми в качестве противогололедных реагентов, и пагубно действует на зеленые насаждение. Если же использовать противогололедные реагенты на основе мочевины и нитратов, то может быть нанесен существенный урон водным объектам города. С экологической точки зрения все элементы процесса зимней уборки магистралей города взаимосвязаны и должны рассматриваться как единая, оптимальным образом организованная система. 2. Целью проекта является формирование принципов и методов создания теплонасосных систем снеготаяния, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха, а также изготовление экспериментального образца теплонасосной системы снеготаяния. Результаты разработки позволят создавать энергоэффективные системы снеготаяния, обеспечивающие: - экономию энергии до 50 % за счет использования низкопотенциального тепла атмосферного воздуха; - снижение экологической нагрузки на природу за счет внедрения энергосберегающей экологически безопасной технологии таяния снега; - снижение нагрузки на транспортную систему городов, за счет исключения вывоза снега.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основным научным результатом исследований будет являться создание научно-технического обоснования создания теплонасосных систем снеготаяния, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха обеспечивающего экономию энергии до 50 %, по сравнению с традиционными системами снеготаяния, использующими прямой электрический, дизельный нагрев или энергию от тепловых сетей и вовлечение в процесс таяния снега, убираемого с обслуживаемых городскими коммунальными службами территорий, нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Создаваемый научный задел обеспечит возможность возведения энергоэффективных пунктов теплонасосного снеготаяния без использования прямого электрического и дизельного нагрева, а также без потребления тепловой энергии от внешних источников теплоснабжения и существенно расширит объемы интеграции в энергетический баланс Москвы и других городов России вторичных энергетических ресурсов.
К значимым научным и техническим результатам выполнения исследований по настоящему Предложению можно отнести:
- результаты патентных исследований по ГОСТ 15.011-96 по техническим решениям и методам повышения энергетической эффективности систем снеготаяния и удаления снега;
-оценку располагаемого потенциала ВИЭ и принципиальные технические решения по его использованию в системах таяния и удаления снега;
- результаты лабораторных испытаний трубопроводов и соединительных элементов из полимерных материалов в условиях отрицательных температур;
- результаты исследований элементов технологии таяния и удаления снега и основных факторов, влияющих на эффективность технологии теплонасосного снеготаяния, включая организацию процессов эффективного теплообмена в конструкции тротуаров и площадок снеготаяния, оснащенных теплонасосным оборудованием;
- результаты лабораторных экспериментальных исследований по оценке теплотехнических характеристик грунта, теплоизоляции, покрытий и др. конструктивных материалов теплонасосных систем снеготаяния;
- результаты технико-экономической оценки полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
- эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец теплонасосного оборудования для снеготаяния;
- экспериментальный образец теплонасосной системы снеготаяния;
- проект Технического Задания на выполнение ОКР по теме: «Создание опытных образцов теплонасосного оборудования теплонасосных систем снеготаяния»;
- методические рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики.

2. При проведении исследований планируется решить комплекс актуальных научных задач, решение которых позволит создать новые технические средства в области технологий энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности создание и натурные испытания экспериментального образца теплонасосной системы снеготаяния, теплопроизводительностью до 14 кВт, обеспечивающего экономию энергии до 50 %, по сравнению с традиционными системами снеготаяния, использующими прямой электрический, дизельный нагрев или энергию от тепловых сетей и разработать методы по созданию теплонасосных систем снеготаяния использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха.

3. Применительно к Москве уборка магистралей города и вывоз загрязненного снега в места его утилизации обходится в несколько миллиардов рублей за зимний сезон. Увеличение плеча перевозки снега на 10 километров по стоимости сравнимо с затратами на топливо, требующимися для плавления такого же количества снега. Кроме того, перевозка снега автотранспортом приводит к дополнительной экологической нагрузке на воздушную среду города за счет загрязнения ее выхлопными газами. Поэтому целесообразно иметь сеть утилизирующих снег сооружений, относительно равномерно распределенных по территории города.
Значение и новизна результатов ПНИЭР для народного хозяйства состоит также в улучшении экологической ситуации за счёт отказа от применения противогололёдных реагентов и средств и устранения соответствующего воздействия на окружающую среду, в создании более комфортных и безопасных условий для перемещения по городу маломобильных групп населения и в содействии снижению нагрузки на транспортную систему города за счет исключения вывоза снега с придомовых территорий.
С экологической точки зрения все элементы процесса зимней уборки магистралей города взаимосвязаны и должны рассматриваться как единая, оптимальным образом организованная система.

4. На мировом уровне уже несколько десятилетий непрерывно ведутся научно-технические исследования по усовершенствованию принципов и методов снегоудаления и снеготаяния с использованием НВИЭ, в том числе и с помощью теплонасосных установок. В таких странах как Япония, Китай, Польша, Швеция и т. д. за последние четыре года реализованы множество проектов с использованием низкопотенциальной теплоты грунта, однако в данной работе будут исследованы факторы обосновывающие как с экономической, так и энергетической стороны, применение теплонасосных систем с использованием наиболее распространённого источника - окружающего воздуха.

5. При проведении исследований планируется решить комплекс актуальных научных задач, решение которых позволит создать новые технические средства в области технологий энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности создание экспериментального образца теплонасосной системы снеготаяния, обеспечивающего экономию энергии до 50 %, по сравнению с традиционными системами снеготаяния, использующими прямой электрический, дизельный нагрев или энергию от тепловых сетей и разработать методы по созданию теплонасосных систем снеготаяния использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха.
ПЕРВОЙ ЗАДАЧЕЙ, решаемой в рамках предлагаемых исследований будет являться разработка технических предложений по повышению энергетической эффективности и поиску оптимальных базовых технических решений, в том числе и выявление требований к рациональной конфигурации конструктивных элементов в составе теплонасосных систем снеготаяния и удаления снега. При решении этой задачи будет изучен мировой опыт снегоплавления, снеготаяния и удаления снега, определён располагаемый потенциал ВИЭ, выявлены факторы, определяющие долговечность и надежность эксплуатации теплонасосных систем снеготаяния, проведены лабораторные испытания трубопроводов и соединительных элементов из полимерных материалов в условиях отрицательных температур и на основе этих результатов исследований разработаны принципиальные технические решения по использованию низкопотенциальной теплоты атмосферного воздуха в теплонасосных системах таяния и удаления снега.
На этой стадии работ будут разработаны требования к основным конструктивным элементам теплонасосных систем снеготаяния, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха, а также определены факторы, определяющие долговечность и надежность эксплуатации теплонасосных систем снеготаяния.
ВТОРОЙ ЗАДАЧЕЙ, решаемой при проведении исследований будет выявление рациональных требований к режимным параметрам теплонасосных систем снеготаяния использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха.
При решении этой задачи будут проведены теоретические и экспериментальные исследования элементов технологии таяния и удаления снега и основных факторов, влияющих на эффективность технологии теплонасосного снеготаяния, включая организацию процессов эффективного теплообмена в конструкции тротуаров и площадок снеготаяния и проведено «численное» моделирование технологических режимов для определения оптимальных режимных параметров работы теплонасосного оборудования. В том числе, будут определены рациональные технологические параметры системы и алгоритм управления процессом таяния и удаления снега.
Важной частью работ на этом этапе будет являться «численное» моделирование технологических режимов для определения оптимальных режимных параметров работы теплонасосного оборудования. С этой целью будет применён современный программный комплекс для проведения расчетов Heatpump+. Примеры графиков численного моделирования приведены на рисунке 1 Пояснительной Записки.
ТРЕТЬЕЙ ЗАДАЧЕЙ, решаемой при проведении исследований будет являться создание экспериментального образца теплонасосной системы снеготаяния и его оснащение контрольно-измерительным оборудованием. Для решения задачи будет создан комплект эскизной конструкторской документации и разработана программа и методики испытаний, изготовлен экспериментальный образец теплонасосной системы снеготаяния, а также разработан алгоритм автоматизации экспериментальных исследований и испытания изготовленного экспериментального образца.
Для проведения экспериментальных исследований и испытаний изготовленный экспериментальный образец теплонасосной системы снеготаяния будет оснащен контрольно-измерительным оборудованием.
Кроме того, для проведения экспериментальных исследований и апробации научно-технических результатов Проекта будут использованы испытательные стенды центра коллективного пользования. Фотографии некоторых стендов представлены на рисунках 3 и 4 Пояснительной Записки. В лабораторных условиях будут проведён ряд экспериментальных исследований по оценке теплотехнических характеристик грунта, теплоизоляции, покрытий и др. конструктивных материалов теплонасосных систем снеготаяния.
С целью обеспечения автоматизации при проведении экспериментальных натурных исследований и решения поставленной задачи, будет проведена аналитическая оценка выбора базовых контроллеров и измерительных устройств (датчики измерения температур, давлений, влажности, и пр.) для систем удаленного мониторинга и управления теплонасосными системами снеготаяния, на основе выявления рациональных сочетаний критериев надежности, долговечности, стоимости и точности измерения.
ЧЕТВЕРТОЙ ЗАДАЧЕЙ, решаемой при проведении исследований будет являться проведение испытаний экспериментального образца теплонасосной системы снеготаяния. Для решения задачи будут проведены лабораторные экспериментальные исследования и натурные испытания изготовленного экспериментального образца в соответствии с ранее разработанной программой и методиками испытаний.
С целью определения режимных параметров экспериментального образца будут проведены на стенде центра коллективного пользования лабораторные режимные испытания теплонасосного оборудования для теплонасосной системы снеготаяния. В климатической камере будут смоделированы различные условия тепловлажностного режима окружающего атмосферного воздуха. В лабораторных условиях будет изучено влияние параметров атмосферного воздуха (температура, влажность и т.п.) на режимы работы теплонасосного оборудования, как составной части системы снеготаяния.
С целью апробации научно-технических результатов Проекта будут проведены натурные испытания изготовленного и оснащённого необходимым контрольно-измерительным оборудованием экспериментального образца в соответствии с ранее разработанной программой и методиками испытаний.
ПЯТОЙ ЗАДАЧЕЙ, решаемой при проведении исследований будет являться обобщение результатов ПНИ и разработка рекомендаций по использованию результатов проведенных ПНИ в дальнейших исследованиях и разработках.
При решении этой задачи будут обобщены результаты исследований, дана технико-экономическая оценка полученных результатов и на их основе разработаны «Методические рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики»
На этой стадии будет разработано детальное Техническое Задание на выполнение ОКР по теме: «Создание опытных образцов теплонасосного оборудования теплонасосных систем снеготаяния».
Важными составляющими решения пятой задачи будут являться:
- проведение маркетинговых исследований и оценка рыночного потенциала теплонасосных систем снеготаяния;
- разработка типовых технических и проектных решений основных элементов теплонасосных систем снеготаяния и предложений по их реализации с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального Партнера;
- разработка бизнес–плана освоения промышленного производства теплонасосных систем снеготаяния.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основными потребителями научного результата могут стать коммунальные службы, ответственные за уборку дорог и дворовых территорий, товарищества собственников жилья и предприятия, которые в настоящий момент вынуждены вывозить снег на переработку или складирование, строительные и проектные организации.
2. Для перспектив и предпосылок к практическому внедрению (промышленному освоению) ожидаемых результатов ПНИЭР имеются согласованные с Индустриальным партнером План-график исполнения обязательств с учетом технологических возможностей Индустриального партнера. Подписан предварительный Договор между Участником конкурса ОАО "НИИМосстрой " и Индустриальным партнером ОАО "ИНСОЛАР-ЭНЕРГО".
Реализация результатов работ производится путём внедрения разработанных технических решений и оборудования в городское хозяйство города.
3. Преимущества применения в системах снеготаяния технологий энергоснабжения, использующих НВИЭ, будут связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии и энергетических ресурсов, в том числе: воды, дизельного и иного топлива, мазута, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии, угля, но и с экологической чистотой технологии энергоснабжения, а также предоставляемыми новыми возможностями в области повышения степени автономности систем снеготаяния. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение для городского хозяйства.
Решение проблемы организации таяния снега за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии является как для Москвы, так и для северных городов России весьма эффективным, как с энергетической, так и экологической точек зрения.
В качестве примера можно привести следующие данные: префектурами административных округов Москвы сделан запрос на вывоз снега на ССП из 20214 дворов, на которых нельзя сделать отвалы, в количестве 23,1 тыс. м3 в день, с учетом того, что снег будет идти весь сезон (152 дня). Общая величина убираемых площадей дворовых территорий в городе составляет порядка 58 км2, по округам варьируется от 1000 тыс.м2 до 6000 тыс.м2.
Технические решения, принципы и методы создания теплонасосных систем снеготаяния, разрабатываемых в рамках данного проекта, способствуют выполнению требований 261-ФЗ «ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ И О ПОВЫШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ» по повышению показателей энергоэффективности и снижению в сопоставимых условиях объема потребленных ресурсов, в том числе: воды, дизельного и иного топлива, мазута, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии, угля и будет существенно способствовать интеграции в энергетический баланс городов-мегаполисов вторичных энергетических ресурсов.

Текущие результаты проекта:
1. Проведены аналитические исследования существующих технологий снеготаяния, современной научно-технической литературы, нормативно-технической документации, материалов и выявление особенностей применения традиционных технических средств для таяния и удаления снега, в том числе и с использованием новых технологий и возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
2. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
3. Разработана программа и методика проведения лабораторных испытаний трубопроводов и соединительных элементов из полимерных материалов в условиях отрицательных температур.
4. Проводятся лабораторные испытания трубопроводов и соединительных элементов из полимерных материалов в условиях отрицательных температур и выявляются факторы, определяющие долговечность и надежность эксплуатации теплонасосных систем снеготаяния.
5. проводятся исследования эффективности и долговечности базовых технических решений и конструктивных элементов, выявляются требования к рациональной конфигурации их сочетаний в составе теплонасосных систем снеготаяния.