Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка принципов и методов создания адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом

Докладчик: Горнов Виктор Фёдорович

Должность: Директор проектного отделения ОАО "Инсолар-Инвест"

Цель проекта:
Одним из наиболее перспективных путей решения проблемы энергетической эффективности национальной экономики России является широкое внедрение новых технологий теплохладоснабжения, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) и, в первую очередь, технологий, базирующихся на применении геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ) и использующих такой повсеместно доступный источник тепловой энергии низкого потенциала, как грунт поверхностных слоев Земли. Применение ГТСТ в России сдерживается высокими первоначальными капитальными вложениями в систему, обусловленными, во многом, высокими вложениями в устройство термоскважин, непосредственно обеспечивающих извлечение низкопотенциального геотермального тепла. Существенную долю в общих затратах на создание ГТСТ, как правило, составляют затраты, связанные с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей, поскольку основой эксплуатируемого в мире теплонасосного оборудования сегодня (и, по видимому, на ближайшую перспективу) являются парокомпрессионные тепловые насосы с электроприводом. В ряде случаев, в которых не требуется кондиционирование (холодоснабжение) здания, именно эти затраты становятся определяющими при принятии решения о применении ГТСТ. В тоже время, для большинства жилых и общественных зданий характерна низкая эффективность использования подведенной к зданию (разрешенной) электрической мощности. В связи с вышеизложенным в качестве цели выполнения работы обозначена разработка новых принципов и методов создания адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения обеспечивающих двукратное снижение пиковой электрической нагрузки от привода ГТСТ и снижение стоимости ГТСТ на 20%, достигаемое за счет гармонизации суточных и сезонных графиков энергетических нагрузок объектов с техническими возможностями ГТСТ, а также за счет новых технических решений, повышающих эффективность удельного съема низкопотенциальной геотермальной тепловой энергии с единицы длины термоскважин.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным научным результатом исследований будет являться создание научного задела для реализации новой научной концепции адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом, а также определение путей и средств для оптимального использования возможностей грунтового массива как источника тепла низкого потенциала с одновременным снижением затрат на грунтовые теплообменники. Концепция предполагает максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом, с энергетическими возможностями ГТСТ и обеспечивает двукратное снижение дополнительной пиковой электрической нагрузки объекта от привода ГТСТ. В основу научной концепции создаваемых ГТСТ положен принцип рассмотрения комплекса «здание + ГТСТ» как единой теплоэнергетической системы. Создание адаптивных ГТСТ позволит принципиально расширить область применения геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, включив в нее не только объекты нового строительства, но и здания, строящиеся или реконструируемые в условиях сложившейся инженерной инфраструктуры существующих поселений. Новое поколение адаптивных ГТСТ может кардинально изменить ситуацию на отечественном рынке в пользу энергоэффективных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения и существенно расширит объемы интеграции в энергетический баланс России повсеместно доступного экологически чистого возобновляемого источника тепловой энергии – низкопотенциального геотермального тепла.
К значимым научным и техническим результатам выполнения исследований по предлагаемой теме можно отнести:
-отчет о патентных исследованиях по техническим решениям, методам и способам адаптации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения к графикам энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом;
- блока математической модели, обеспечивающей многопараметрическую оптимизацию конфигурации комплекса «здание + ГТСТ»;
-блока математической модели, описывающей нестационарный тепловой режим термоскважин и систем сбора низкопотенциального геотермального тепла при периодическом и/или прерывистом отборе геотермальной тепловой энергии;
- математическое представление в модели совместной работы термоскважин в поле системы теплосбора с учетом их взаимного теплового влияния;
- новые теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные научные данные о новых принципах и методах адаптации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения к графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом, включающие новые научные данные:
- о структуре и характере сезонных и суточных изменений графиков энергетических нагрузок жилых и общественных зданий, оборудованных ГТСТ, и выявленных на основе их анализа методах снижения и/или смещения по времени моментов наступления расчётных и пиковых энергетических нагрузок;
-об особенностях формирования теплового режима зданий, оборудованных ГТСТ, включающих данные о влиянии на него (тепловой режим) периодической и/или прерывистой подачи тепловой энергии для отопления, вентиляции и горячего водо-снабжения и аккумуляции тепловой энергии, в том числе и в ограждающих конструк-циях здания;
- об особенностях формирования теплового режима термоскважин и систем сбо-ра низкопотенциального геотермального тепла при периодическом и прерывистом от-боре низкопотенциальной тепловой энергии;
- об эффективности снижения пиковых нагрузок на систему электроснабжения здания за счет использования естественного холода скважин для пассивного холодоснабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последую-щим потреблением холода днём как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов;
-об эффективности снижения пиковых нагрузок на систему электроснабжения здания за счет применения ГТСТ с каскадными теплонасосными установками, автоматически адаптирующимися к изменяющимся тепловым нагрузкам здания и температуре геотермального тепла, в том числе при его комбинации с имеющимися в здании вторичными энергоресурсами – низкопотенциальным теплом вентиляционных выбросов и канализационных стоков здания.
-об эффективности снижения пиковых нагрузок на систему электроснабжения здания за счет применения в ГТСТ различных схем управления компрессорами тепло-насосного оборудования, в том числе и инверторных;
- об путях повышения эффективности использования тепловой энергии грунта в системах, состоящих более чем из одного грунтового теплообменника, и о методах управления термоскважинами или полями термоскважин с учётом теплового взаимо-влияния и изменения температуры окружающего грунтового массива для оптимального использования возможностей грунтового массива как источника тепла низкого потенциала с одновременным снижением затрат на грунтовые теплообменники.
- модернизированные и новые испытательные стенды, программа и методика экспериментальных исследований (номенклатура модернизируемых и создаваемых стендов уточняется на стадии разработки программы и методики экспериментальных исследований);
-экспериментальный образец адаптивной ГТСТ, созданный на здании, принадлежащем ОАО «Инсолар-Инвест» и расположенном по адресу: г. Москва, Большая Филевская ул. вл. 22, стр. 2.
- новые научные данные об экспериментальной лабораторной и натурной оценке эффективности разработанных новых методов и принципов адаптации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения графикам энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом;
- проект Технического задания на выполнение опытно-конструкторских работ по со-зданию опытных образцов «Адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом»/
Научная новизна исследований и предложенной новой концепции адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий подтверждаются пакетом Патентов РФ, которые были получены в последние годы, а также многочисленными работами иностранных учёных и специалистов, посвящённых этой тематике.
Мировой тенденцией является работа по поиску путей повышения эффективности использования тепла грунта за счёт проведения более точных прогнозных расчётов и построения новых моделей процессов теплообмена в грунте, а также за счёт оптимизации конструкций, расположения и прочих параметров самих грунтовых теплообменников. Настоящая работа объединяет все эти подходы и ставит целью достижение двукратного снижения дополнительной пиковой электрической нагрузки объекта теплохладоснабжения от привода ГТСТ при более чем 20%-ом снижении стоимости ГТСТ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Потребителями ожидаемых научных и научно-технических результатов будут являться фирмы и организации, специализирующиеся в проектировании, монтаже и сервисном обслуживании инженерных систем жилых и общественных зданий. Приоритетными потребителями будут домостроительные комбинаты города Москвы (ДСК №1, ДСК №2, ДСК №3 и другие), обеспечивающие сегодня массовое жилищное строительство в Москве и московском регионе. Соответствующие предпосылки и договорённости с ДСК о применении научно-технических результатов предлагаемых исследований имеются.
ДСК сегодня являются владельцами типовых серий жилых домов для массового стро-ительства, таких как П44Т, КОПЭ, 111-355, П3 и т.д. Суммарный объем производства типо-вых жилых домов достигает 3 млн. кв. м в год. Имеющийся у ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» научный задел по предлагаемому Проекту позволяет рассчитывать на получение трех Патен-тов РФ, которые целесообразно, кроме того, защитить в Канаде, Швеции, Финляндии и США.
Сегодня домостроительные комбинаты озабочены поиском технических и технологи-ческих решений, позволяющих им в выпускаемых типовых жилых домах обеспечить выпол-нение требований к энергоэффективности зданий, установленных ФЗ №261-ФЗ «Об энерго-сбережении и повышении энергетической эффективности...» от 23.11.2009 г. Применение адаптивных ГТСТ предоставляет им в этом вопросе серьёзные конкурентные преимущества. Упомянутым ФЗ №261 и Государственной программой города Москвы «Градостроительная политика на 2012-2016 гг.», утверждённой постановлением Правительства Москвы от 3 ок-тября 2011 г. № 260-ПП установлены новые нормативы удельного энергопотребления зда-ний. В соответствии с этими нормативами все вновь построенные и капитально отремонти-рованные жилые дома в г. Москве должны потреблять не более 160 кВтч тепловой и элек-трической энергии на 1 кв. метр площади квартир в год включая затраты энергии на отопле-ние, инфильтрацию свежего наружного воздуха (вентиляцию), горячее водоснабжение, кон-диционирование и электроснабжение общедомового оборудования. С 1 января 2016 года этот норматив снижен до 130 кВтч/кв. м в год. Достижение этих показателей без примене-ния теплонасосных систем теплоснабжения практически невозможно.
Потенциальный объем рынка для научно-технических результатов предлагаемых ис-следований только в новом жилищном строительстве, реконструкции и капитальном ремон-те жилого фонда г. Москвы в период до 2025 года можно оценить в 100÷115 млн. кв. м, из которых около 30 млн. кв. м может составить малоэтажное строительство на новых территориях Москвы.
Стратегия действий по доведению ожидаемых научно-технических результатов иссле-дований до потребителей предполагает их внедрение в практику жилищного строительства через типовые серии малоэтажных и многоэтажных жилых домов. Такая стратегия является в сегодняшних условиях наиболее эффективной и позволит в наиболее популярных типовых сериях жилых домов быстро внедрить научно-технические результаты исследований в массовое жилищное строительство. Как уже отмечалось, планируемая стратегия предполагает приоритетное внедрение ожидаемых научно-технических результатов в типовые проекты многоквартирных жилых домов массовых серий, выпускаемых на домостроительных комбинатах города Москвы, обеспечивающих сегодня массовое жилищное строительство в Москве и московском регионе.
Кроме того, стратегия действий по доведению ожидаемых научно-технических ре-зультатов исследований до потребителей предполагает:
-популяризацию полученных научных и научно-технических результатов в статьях научных и инженерных журналов, как международных, так и российских;
-информирование научной и инженерной общественности на симпозиумах и конфе-ренциях;
-включение научно-технических результатов в разрабатываемый в настоящее время ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» стандарт Национального объединения строителей (НО-СТРОЙ) СТО-149-2013 «УСТРОЙСТВО ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ». НОСТРОЙ объединяет более 200 тысяч российских компаний, специализирующихся в области строительства;
-демонстрацию и популяризацию научных и научно-технических результатов иссле-дований и преимуществ адаптивных ГТСТ в натурных условиях эксплуатации на экспери-ментальном здании в Москве по адресу ул. Большая Филевская, вл. 22, стр. 2, в том числе с проведением мастер-классов, веб-семинаров и привлечением средств массовой информации.


Текущие результаты проекта:
На настоящий момент выполняется только первый этап проекта.
Проведенный в рамках первого этапа работ анализ современной научно- технической литературы, нормативно-технической документации и па-тентной информации по существующим техническим и технологическим решениям адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладо-снабжения подтвердил правильность и обоснованность выбранных направлений исследований, позволил конкретизировать и адаптировать к самому современному мировому научному уровню требования к разрабатываемым математическим моделям, техническим и технологическим решениям.
Аналитические исследования показали, что применение теплонасосных систем теплохладоснабжения является одной из главных мировых тенденций развития систем энергоснабжения зданий. С их помощью практически в любой точке планеты ( от районов с вечной мерзлотой до экватора) уже сегодня возможно энергетически эффективно обеспечить здание тепловой энергией и холодом, «добывая» необходимую энергию в том месте и в то время, где и когда она необходима потребителю.
Результаты аналитических исследований подтвердили предложенную авторами настоящего отчета научную Концепцию создания «адаптивных» геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (АГТСТ) зданий, предполагающую максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов теплохладоснабжения с энергетическими возможностями АГТСТ. Как показал анализ изученной литературы, применение геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения как в России, так и за рубежом, сдерживается, прежде всего, высокими первоначальными капитальными вложениями в систему, обусловленными не только высокими вложениями в устройство термоскважин, непосредственно обеспечивающих извлечение низкопотенциального геотермального тепла, но затратами, связанными с увеличением электрической нагрузки здания и пропускной способности подведенных к зданию электрических сетей, поскольку, основой экс-плуатируемого в мире теплонасосного оборудования, сегодня (и, по види-мому, на ближайшую перспективу) являются парокомпрессионные тепловые насосы с электроприводом.
Важно отметить, что, судя по представленным в публикациях данным, существенные изменения происходят в подходах к оценке экономической эффективности систем энергоснабжения зданий. Явно просматривается мировая тенденция « демонтажа», или, по крайней мере, кардинального пересмотра устаревших принципов. Новые подходы сегодня все более явно выдвигаются на первый план. Прежде всего, это связано с тем, что мы уже не можем себе позволить отдельно рассматривать экономическую эффективность систем энергоснабжения здания и системы энергоснабжения города, мы вынуждены учитывать их взаимосвязь как единой эко-энергетической системы. Действительно, мы сегодня уже не можем не учитывать эффективность использования первичной энергии в регионе, издержки, связанные с транспортировкой традиционного топлива ( на привод компрессорных газоперекачивающих станций тратится до 30% перекачиваемого газа), инвестиции в строительство и обслуживание энергогенерирующих мощностей и многое другое. Без учета этих обстоятельств мы вынуждены пытаться окупить новые технологии децентрализованного энергоснабжения зданий только за счет экономии энергоресурсов у потребителя, тарифы на которые устанавливают энергетические компании (зачастую монопольные) и в которые уже инвестированы огромные средства, в том числе и государ-ством. В таком «искаженном» экономическом пространстве новым технологиям очень трудно конкурировать, поскольку мы пока не умеем экономически интерпретировать и объективно оценивать их конкурентные преимущества, такие как: экологическая эффективность, независимость от монопольного поставщика энергоресурсов и его тарифов, автономность и энергетическая безопасность здания, повышенная комфортность внутреннего микроклимата и пр.
Как уже отмечалось, важным результатом проведенных аналитических исследований явилось уточнение требований к разработанным на данном этапе математическим моделям теплового режима адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения. Разработанные на данном этапе блоки математической модели обеспечивают:
-многопараметрическую оптимизацию конфигурации комплекса «здание +ГТСТ» и определение оптимальных параметров комплекса «здание+ГТСТ» в зависимости от климатических условий района строительства, теплозащитных качеств здания, эксплуатационных характеристик теплонасосного оборудования, циркуляционных насосов, нагревательных приборов системы отопления, а также режимов их эксплуатации;
- моделирование нестационарного теплового режима термоскважин и систем сбора низкопотенциального геотермального тепла при периодическом и/или прерывистом отборе геотермальной тепловой энергии;
-моделирование совместной работы термоскважин в поле системы теплосбора с учётом их взаимного теплового влияния.
В основе созданных модельных блоков лежат разработанные авторами настоящего отчета оригинальные методы математического моделирования теплового режима систем сбора низкопотенциального геотермального тепла, которые позволяют обойти трудности, связанные с информативной неопределенностью моделей и аппроксимацией внешних воздействий, за счет использования в программе экспериментально полученной информации о естественном тепловом режиме грунта и частично учесть весь комплекс факторов (таких, как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, «тепловой» фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора и совместный учет которых в строгой постановке задачи на сегодняшний день практически не возможен. Существенное внимание в созданных модельных блоках уделено совместной работе ГТСТ, тепловой оболочки здания и его инженерных систем, в особен-ности, процессам теплообмена, связанным с прерывистой подачей тепла в здание, его аккумулированием в ограждающих конструкциях и математической интерпретации методов и способов интеллектуализации управления тепловым режимом здания. В созданных моделях использованы как аналитические, так и современные конечно-разностные методы решения пространственных нестационарных задач теплопроводности сопряженных с задачами массообмена, в том числе позволяющие учесть взаимное тепловое влияние термоскважин в поле системы теплосбора.
Работы, выполненные в рамках отчетного этапа за внебюджетные средств, направлены на создание научно-технического обеспечения коммерциализации результатов работ по теме и организации их внедрения Индустриальным партнером проекта.