Регистрация / Вход
Прислать материал

Проведение прикладных исследований в области технологий высоконадежных систем энергоснабжения объектов различного назначения на основе современных устройств альтернативной и гибридной генерации, аккумуляции, распределения и потребления энергии.

Номер контракта: 14.577.21.0069

Руководитель: Сафонов Евгений Владимирович

Должность: доцент кафедры "Двигатели летательных аппаратов" ЮУрГУ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет"(национальный исследовательский университет)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
возобновляемые источники энергии, альтернативная энергетика, автономное энергоснабжение, энергоэффективность, энергосбережение, аккумуляция

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблемы повышения энергоэффективности существующих систем энергоснабжения зданий и сооружений различного назначения, снижение затрат на потребляемую энергию путем научно-обоснованного выбора рационального сочетания типов потребляемых энергоресурсов в системах энергоснабжения, использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), применения оптимальных алгоритмов управления и установки эффективных аккумулирующих емкостей. 2. Целью реализуемого проекта является: а) повышение энергетической эффективности зданий до 40% за счет применения энергетических комплексов с комбинированным использованием альтернативных и традиционных источников энергии; б) повышение энергетической эффективности использования солнечной энергии и низкопотенциальной энергии окружающей среды со среднегодовым коэффициентом преобразования энергии до 3,5 в условиях российского климата; в) развитие научно-технической инфраструктуры, обеспечивающей создание задела для исследований и разработок в области нетопливной энергетики будущего, а также технологическая поддержка проведения законченного цикла НИОКР и НИОТР по созданию современной импортозамещающей приборной продукции, устройств и программных комплексов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Важнейшие научно-технические результаты, ожидаемые в ходе выполнения ПНИЭР:
а) повышение эффективности использования тепловой энергии за счет управления в реальном времени режимами работы элементов теплоснабжения при качественном, качественно-количественном и количественном регулировании источниками тепловой энергии;
б) создание алгоритма моделирования и подбора комбинированных систем энергоснабжения на основе традиционных и альтернативных источниках энергии;
в) создание моделей тепловых режимов здания с центральным, индивидуальным и комбинированным теплоснабжением на альтернативных и традиционных источниках энергии, а также математическая модель потоков энергии в локальной сети с использованием ветроэлектрической установки, солнечной батареи и дизель-генератора;
г) создание экспериментальных образцов, направленных на выполнение основных целей реализуемого проекта;
д) создание научно-технического задела на проведение ОКР по теме: «Разработка и создания унифицированного автоматизированного технологического комплекса управления режимами работы комбинированных систем энергоснабжения»;
е) создание научно-технического задела на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание высокоэффективного аккумулирующего устройства тепловой энергии на основе теплообменных элементов из полимерных полых волокон»;
ж) создание научно-технического задела на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание накопительных устройств электрической энергии на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)»;
и) создание научно-технического задела на проведение ОКР по теме: «Разработка и создание воздушно-солнечного теплового конвектора на основе эффективного термодинамического преобразования солнечной энергии в тепловую».

2. Основные технические характеристики создаваемых экспериментальных образцов
а) экспериментальный образец комбинированной системы энергоснабжения:
Технические характеристики:
1) первый источник альтернативной энергии: солнечная энергия (солнечный коллектор);
2) второй источник альтернативной энергии: аэротермальная энергия (тепловой насос);
3) аккумуляция тепловой энергии: 2 бака косвенного нагрева;
4) теплоноситель аккумуляции энергии: вода;
5) общая площадь гелиополя: 5,22 м2;
6) гелиоконтур: двухконтурный;
7) циркуляция теплоносителя в гелиоконтуре: принудительная;
8) теплопроизводительность одного коллектора гелиополя: от 0,1 кВт до 1,5 кВт;
9) К.П.Д: от 0,75 до 0,85;
10) максимальная температура теплоносителя гелиоконтура: до 100 °С
11) тип теплового насоса: воздушный;
12) теплопроизводительность/коэффициент мощности
(А-7/W75) теплового насоса: от 18,1 кВт/1,8 до 110; кВт/4,5;
номинальная потребляемая мощность (А2/W35) теплового насоса: от 4 до 7 кВт;
13) подающий/обратный контура теплоносителя теплового насоса: до 75 °С / от 18 °С;
14) теплопотребление: контур отопления,
15) контур горячего водоснабжения (ГВС).
16) максимальная температура теплоносителя контура ГВС: до 55 °С;
17) максимальная температура теплоносителя отопительного контура: до 110°С;
18) отопление: радиаторное.
б) экспериментальный образец аккумулирующего устройства с высокоэффективными теплообменными элементами на основе полимерных полых волокон:
Технические характеристики:
1) объём, л.: 500;
2) высота, мм.: не более 1600;
3) макс. рабочее превышение давления в резервуаре, МПа: 1.6;
4) макс. рабочее превышение давления в теплообменнике, МПа: 1.6;
5) максимальная температура отопительной воды, °C: 110;
6) максимальная температура ТТВ, °C: 95;
7) площадь нагрева поверхности солнечного теплообменника, м2: до 1,5;
8) площадь нагрева поверхности теплообменника бойлера, м2: до 1,0.
в) экспериментальный образец накопительного устройства электрической энергии на основе ВТСП:
Технические характеристики
1) запасенная энергия: 4 МДж;
2) время накопления энергии: 5-6 мин;
3) время отдачи энергии: 5-8 мин;
4) к.п.д.: 95-97%.
г) экспериментальный образец воздушно-солнечного теплового конвектора:
Технические характеристики:
1) предельная температура эксплуатации (температура воздуха): от минус 25°C до плюс 50 °C;
2) тип солнечного коллектора: плоский (панель абсорбера);
3) тип установки: горизонтальный;
4) максимальная температура теплоносителя ГВС: до 55 °С;
5) температура подающего / обратного контура теплоносителя: до 55 ˚С / от 18 ˚С;
6) теплопроизводительность / коэффициент мощности при A+2/W35 (при инсоляции 300 Вт/м2): кВт /- от 1,36 / 3,10;
7) теплопроизводительность / коэффициент мощности при A+7/W35 (при инсоляции 300 Вт/м2): кВт /- от 1,54 / 3,50;
8) теплопроизводительность / коэффициент мощности при A+10/W35 (при инсоляции 300 Вт/м2): кВт /- от 1,65 / 3,50;
9) уровень шума: дБ(А) не более 65;
10) уровень звукового давления на расстоянии 10 м (со стороны выброса отработанного воздуха): дБ(А) не более 45;
11) размеры (ширина x глубина x высота): мм 2200 x300x 1000;
12) вес (включая упаковку): кг до 150;
13) номинальное напряжение / защита по току: В/А 220/25;
14) напряжение электросети для подключения: 3/PE~220V, 50 Hz;
15) теплопроизводительность при температуре наружного воздуха +7 °С, плотности солнечного излечения 300 Вт/м2, температурный режим в системе отопления 40/35 °С:
16) отопительная мощность: до 1,5 кВт (в зависимости от уровня инсоляции);
17) к.п.д. среднегодовой: от 1 до 3.
д) экспериментальный образец программно-технического комплекса управления комбинированной системой энергоснабжения:
Основные технические характеристики ПТК Системы:
1) процессор (рекомендуемый): PXA270, 32-бит и 520 MГц или совместимый.
2) таймер реального времени (секунды, минуты, часы, день недели/месяца, месяц и года (от 1980 до 2079);
3) объем ОЗУ: не менее 128 Мб;
4) флэш-память: не менее 96 Mб (64 Mб для образа ОС, 31 Mб для встроенного флеш-диска, 1 Mб для регистра);
5) МicroSD разъем, не менее: для 1 GB microSDcard.
6) слоты ввода/вывода: не менее 3-х слотов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В рамках ПНИЭР планируется решить задачу создания современных энергетических комплексов для эффективного энергоснабжения объектов различного назначения и экономного потребления традиционных энергоресурсов.
Задача повышения эффективности пользования энергоресурсами может быть решена несколькими способами. Один из них – это эффективное использование возобновляемых источников энергии либо отдельно, либо в совокупности с традиционными. К источникам возобновляемой энергии относятся: ветряные (движение воздушных масс), геотермальные (тепло планеты), солнечные (электромагнитное излучение солнца), гидроэнергетические (движение воды в реках или морях), биотопливные (теплота сгорания биотоплива). Однако разрешение основных технических проблем и создание дешевых технологий не решит полностью проблемы повышения энергетической эффективности. Необходимо комплексное предложение готовых типовых энергоэффективных систем энергообеспечения для объектов ЖКХ и промышленности, адаптированных к различным климатическим условиям. Развитие системы энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии в России потребует интеграции в уже существующие системы центрального или индивидуального теплоэнергоснабжения, а, следовательно, необходима разработка систем мониторинга и управления тепловыми режимами здания для обеспечения энергоэффективности зданий. Увеличение количества элементов комплексной системы энергообеспечения и системы мониторинга потребует дополнительных маломощных источников питания.
В условия общего повышения энергетической эффективности вспомогательным источником питания могут выступать устройства преобразования энергии солнечного излучения, ветра и низкопотенциального тепла.
Эти проблемы можно решить, разрабатывая современные технические комплексы, позволяющие в заданном или энергосберегающем режиме управлять работой источников энергоснабжения здания, КПД которых в настоящий момент наиболее экономически выгоден.

2. Новизна предлагаемых к исследованию технологических схемных и технических решений комбинированной системы энергоснабжения одно- и многоэтажных жилых зданий состоит, прежде всего, в предложенном принципиально новом подходе к построению таких систем, заключающемся в рассмотрении комплекса: централизованное энергоснабжение + комбинированные системы + здание + потребитель + климат + окружающая среда – как единой экоэнергетической системы. Исследуемая комбинированная система направлена на рациональное сочетание и использование как возможности и преимущества альтернативных источников в повышении степени автономности жилых домов, так и возможности централизованной системы энергоснабжения города. Конфигурация разработанной комбинированной системы энергоснабжения обеспечит наилучшие технико-экономические показатели и перспективы внедрения в массовое жилищное строительство российских городов.

3. К аналогам исследуемой комбинированной системы энергоснабжения можно отнести решения, предлагаемые крупнейшими иностранными разработчиками технических решений для систем водо- и теплоснабжения, например «Vitosol», «Buderus», «Vaillant», «Oventrop» и др. В отличие от зарубежных, ориентированных на элитное жилье или офисные здания с современными двухтрубными системами отопления, разрабатываемый комплекс должен быть предназначен для внедрения в уже существующий жилищный фонд без необходимости реконструкции систем отопления. В Рос-сии системы подобного типа в настоящий момент отсутствуют. Кроме этого, в область применения результата можно включить системы надежного бесперебойного и эффективного энергоснабжения малоэтажных жилых зданий, объектов соцкультбыта и т.д., расположенных в коттеджных поселках, сельских поселениях.

4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Ключевыми факторами успешной реализации проекта по разработке являются:
- опыт организации-заявителя и соисполнителей в выполнения проектов в рамках заявленной тематики;
- организация-заявитель и соисполнители имеют научно-технический задел в предметной области проекта;
- организация-заявитель и соисполнители имеют опыт коммерциализации разработок;
- организация-заявитель и соисполнители имеют высококвалифицированные кадры, а также возможность привлечения профильных специа-листов.
Среди основных рисков данного проекта можно выделить:
- рыночный, связанный с возможными потерями, возникающими в результате изменения конъюнктуры рынка. Вероятность наступления данного риска, связанная с изменением политики государства по отношению к реформированию ЖКХ и теплоэнергетического сектора, минимальна;
- технический, связанный с вероятностью получения отрицательных результатов опытно-конструкторских, технологических и экспериментальных разработок. Вероятность наступления данного риска – минимальна. Возможной мерой снижения риска является привлечение к выполнению работ разработчиков, обладающих высокой квалификацией и значительным опытом в данной области, что выводит разработку на уровень гарантированного результата;
- контрактный, связанный с ненадежностью соисполнителей. Возможной мерой снижения риска является проведение тщательного отбора организаций-контрагентов, обладающих успешным опытом в данной области;
- конъюнктурный - вероятность непредвиденной конкуренции. Данный риск минимален.
- сбытовой - вероятность неполучения запланированных доходов от продажи продукции проекта в связи завышенной стоимостью из-за ошибочного подбора компонентов и неоптимального проектирования. Данный риск минимален.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Технология высокоэффективной системы комбинированного энергоснабжения и соответствующие программные продукты, а также разрабатываемые экспериментальные образцы, реализующие данную технологию, могут быть востребованы следующими целевыми классами потребителей (пользователей):
а) производственные предприятия, специализирующиеся на выпуске средств и систем генерации, накопления и потребления тепловой энергии, а также автоматизации технологических процессов;
б) инвестиционно-строительные организации;
в) научные и образовательные учреждения, осуществляющие исследовательские работы в области энергетики и энергосбережения.

2. Направлением практического внедрения планируемых результатов является унифицированное комплексное решение, предназначенное для массового использования в типовых многоквартирных зданиях, а также зданиях, относящихся к первой категории потребителей тепла (СНиП 41-01-2003 “Тепловые сети”): больницы, роддомы, операционные и реанимационные помещения, школы, садики и т.д., составляющие 80% жилого фонда Российской Федерации. Комплексное решение позволяет внедрять энергосберегающие технологии в самых масштабных проектах, например, в рамках федеральной программы по капитальному ремонту.

3. Одним из целью исследования является развитие научно-технической инфраструктуры, обеспечивающей создание задела для исследований и разработок в области нетопливной энергетики будущего, а также технологическая поддержка проведения законченного цикла НИОКР и НИОТР по созданию современной импортозамещающей приборной продукции, устройств и программных комплексов, в т.ч.:
а) предоставление научно-исследовательским организациям новых и эффективных методов и средств проведения исследований в области создания систем теплообеспечения на основе комбинации традиционных и альтернативных источников энергии;
б) выявление оптимальных конструктивных технических решений элементов комплекса гибридной генерации, аккумуляции, распределения и потребления тепловой энергии с высокими эксплуатационными характеристиками, позволяющих вывести на рынок новую научно-техническую продукцию мирового уровня;
в) разработка методов моделирования и расчета оптимальных параметров систем энергоснабжения на основе комбинации традиционных и альтернативных источников энергии для российских климатических условий;
г) исследование влияния тепловых и гидравлических процессов на основные технические характеристики автономных гибридных систем теплоснабжения;
д) создание методики отбора технических решений маломощных источников вспомогательного энергообеспечения, использующих энергию солнечного излучения, ветра и низкопотенциального тепла окружающей среды.

4. Созданный в ходе ПНИЭР научный задел и научно-техническая инфраструктура в области технологий альтернативной энергетики и гибридных систем энергоснабжения позволит проводить широкий перечень комплексных, в том числе междисциплинарных и международных исследований по данной тематике. Данный проект реализует большинство современных тенденций, направленных на создание и внедрение современных энергосберегающих технологий, и позволяет создать совместную международную лабораторию по исследованию проблем и технологий энерго-и ресурсосбережения в современных мегополисах с участием ФГБОУ "ЮУрГУ" (НИУ) и NETNE-Centre (Чехия).

Текущие результаты проекта:
1. Выполнены теоретические исследования путей создания современных комбинированных систем энергоснабжения, обеспечивающих эффективное и безопасное круглогодичное использование (генерацию, аккумуляцию, распределение, потребление) тепловой энергии от различных источников в необходимом для пользователя объеме.
2. Разработаны математические модели теплового режима здания с центральным теплоснабжением, теплового режима здания с индивидуальным теплоснабжением, теплового режима здания с комбинированным теплоснабжением на альтернативных и традиционных источниках энергии, а также математическая модель потоков энергии в локальной сети с использованием ВЭУ, солнечной батареи и дизель-генератора.
3. Разработано аккумулирующее устройство с высокоэффективными теплообменными элементами на основе полимерных полых волокон и эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец.
4. Разработано накопительное устройство электрической энергии на основе ВТСП-технологии и эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец.
5. Разработано воздушно-солнечный тепловой конвектор (ВСТК) и эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец.
6. Разработаны Программы и методики проведения экспериментальных исследований разработанной математической модели теплового режима здания с центральным теплоснабжением, теплового режима здания с индивидуальным теплоснабжением, тепловых режимов здания с комбинированным теплоснабжением на альтернативных и традиционных источниках энергии, потоков энергии в локальной сети с использованием ВЭУ, солнечной батареи и дизель-генератора.
5. Разработан Программно-технический комплекс управления комбинированной системой энергоснабжения, а также эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец спроектированного комплекса.
6. Разработана Комбинированная система энергоснабжения на базе традиционных и альтернативных источниках энергии, а также разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец спроектированной системы.
7. На данный момент по результатам проекта опубликованы 3 научных статьи в журналах, индексируемых в базах «Scopus» и «Web of Science», а также подготовлена 1 диссертационная работа к защите на соискание ученой степени кандидат технических наук.
8. Результаты проекта были освещены на информационных мероприятиях, посвященных развитию международного научно-технического сотрудничества в области энергоэффективности в рамках Рамочной программы Евросоюза по научно-технологическому и инновационному развитию на период 2014-2020 гг "Горизонт 2020" и 2-ой Международной конференции "Research, Innovation and Education " (London, 25-26 January 2015)