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

Номер контракта: 14.579.21.0026

Руководитель: Васильев Григорий Петрович

Должность: Научный руководитель

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
тепловой насос, геотермальные теплонасосные системы, грунтовый тепловой насос, рекуперация тепла, экономия энергии, тепловой режим грунта, режим отопления и охлаждения здания.

Цель проекта:
Разработка новых принципов и методов создания адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ГТСТ), 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 низопотенциальной геотермальной тепловой энергии с единицы длины термоскважин.

Основные планируемые результаты проекта:
1.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. Концепция предполагает максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом с энергетическими возможностями ГТСТ и обеспечивает, как минимум, 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 поселков и 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 низкопотенециальной тепловой энергии – низкопотенциального геотермального тепла.
2.К значимым научным и техническим результатам исследований можно отнести:
- блок математической модели, обе1.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. Концепция предполагает максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом с энергетическими возможностями ГТСТ и обеспечивает, как минимум, 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 поселков и 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 низкопотенциальной тепловой энергии – низкопотенциального геотермального тепла,обеспечивающей многопараметрическую оптимизацию конфигурации комплекса «здание+ ГТСТ»;
-блок математической модели, описывающей нестационарный тепловой режим термоскважин и систем сбора низкопотеницального 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
расчетных 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 водоснабжения и аккумуляции
тепловой энергии, в том числе и в ограждающих конструкциях здания;
- об эффективности снижения пиковых нагрузок на систему электроснабжения здания за счет использования естественного холода скважин
для пассивного холодо-снабжения и аккумулирования холода летом в ночное (внепиковое) время с последующим потреблением его
(холода) днем, 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 особенностях формирования теплового режима термоскважин и систем сбора низкопотенциального геотермального тепла при
периодическом и прерывистом отборе низкопотенциальной тепловой энергии.
- модернизированные и новые испытательные стенды, программа и методика экспериментальных исследований ;
-экспериментальный образец адаптивной ГТСТ, созданный на здании по адресу г. Москва, Большая Филевская ул. вл.22, стр.2.
- новые научные данные об экспериментальной лабораторной и натурной оценке эффективности и экспериментальной апробации разработанных новых методов и принципов адаптации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения графикам энергети-ческих нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом;
- проект Технического задания на выполнение опытно-конструкторских работ по со-зданию опытных образцов «Адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладо-снабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В основу исследований положена принципиально новая научная концепция создания «адаптивных» геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий, предполагающая максимальную гармонизацию графиков энергетических нагрузок объектов теплохладоснабжения с энергетическими возможностями ГТСТ и обеспечивающая, как минимум, двукратное снижение дополнительной пиковой электрической нагрузки объекта от привода ГТСТ. Концепция базируется на принципе 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 поселков и поселений.
Решение научных задач, поставленных в исследованиях, является весьма актуальным для национальной экономики РФ и будет самым кардинальным образом способствовать преодолению препятствий, сдерживающих широкую интеграцию в энергетический баланс России нового повсеместно доступного возобновляемого источника энергии – низкопотенциального тепла грунта поверхностных слоев Земли.
В рамках исследований разрабатываются принципы создания новых ГТСТ, адаптирующихся как к изменению энергетических нагрузок здания, так и к изменяющемуся температурному режиму грунта как источника низкопотенциального тепла. Будут созданы новые методы гармонизации суточных и сезонных графиков энергетических нагрузок зданий с возможностями ГТСТ, базирующиеся на рациональном использовании теплоаккумуляционных свойств ограждающих конструкций здания, а также новые способы и режимы подачи в него (в здание) тепловой энергии, в том числе при комбинированном использовании низко-потенциального геотермального тепла и имеющихся в здании вторичных энергоресурсов. В рамках исследований создана современная экспериментальная стендовая база и планируется проведение теоретических и экспериментальных исследований теплового режима геотермальных теплонасосных систем теплохладаоснабжения и их элементов, в том числе и натурных исследований.
Выполнение исследований предполагает уточнение и создание новых блоков математической модели теплового режима комплекса «здание+ГТСТ», описывающих тепловой режим и взаимосвязь основных элементов комплекса, а также изготовление испытательных стендов и проведение численных и лабораторных исследований, включая исследования по апробации разработанных новых принципов и методов адаптации ГТСТ к графикам энергетических нагрузок зданий в условиях натурной эксплуатации.
В результате выполнения работ будут созданы рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в дальнейших исследованиях и разработках, включая разработку «Обоснования возможности создания адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом » а также будет разработано "Техническое задание на выполнение опытно-конструкторских работ по разработке опытных образцов «адаптивных геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения, гармонизированных с графиками энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией и холодом ».




Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Исследования направлены на снижение энергозатратности экономики России за счет освоения с помощью тепловых насосов новых возобновляемых источников энергии, среди которых наиболее перспективным с точки зрения повсеместной доступности и эффективности использования в теплонасосных системах теплоснабжения является низкопотенциальное геотермальное тепло грунта поверхностных слоев Земли.
Приоритетной областью внедрения научно-технических результатов исследований по сути является жилищное строительство.
Распоряжением Правительства РФ от 30 ноября 2012 г. N 2227-р «О государственной программе РФ "Обеспечение доступным и комфортным жильем и коммунальными услугами граждан Российской Федерации" установлены следующие темпы ввода нового жилья :
- в 2015 году до 71 млн. кв. метров общей площади жилья в год;Создаваемые в рамках темы адаптивные геотермальные теплонасосные системы теплохладоснабжения фактически могут быть применены при строительстве и реконструкции в любых климатических условиях территории РФ. Приоритетным направлением внедрения результатов исследований является жилищное строительство Москвы, бурное развитие которого планируется в ближайшие годы на новых присоединенных территориях города.

- к 2017 году - 79 млн. кв. метров общей площади жилья в год;
- к 2020 году - до 92 млн. кв. метров общей площади жилья в год.
Стратегия и способы действий по использованию ожидаемых научных и научно-технических результатов предполагают:
-во-первых, использование в практике жилищного строительства, прежде всего при проектировании жилых и общественных зданий, в первую очередь 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;
-во-вторых, использование в нормативно-технических документах. Нормативно-техническая поддержка внедрения результатов предлагаемых исследований при проектировании зданий будет обеспечена в рамках разработанного ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» стандарта Национального объединения строителей СТО-149-2013 «УСТРОЙСТВО ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ. Правила, контроль выполнения и требования к результатам работ», в который интегрированы научно-технические результаты исследований;
-в-третьих, предоставление лицензий на использование созданных Патентов РФ и сведений типа «ноу-хау» фирмам и организациям, специализирующимся в области разработки, проектирования, монтаж и эксплуатации инженерных систем жилых и общественных зданий.

Научно-технические результаты исследований будут использованы индустриальным партнером Проекта ООО «Автопарк», который в соответствии с «Договором о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований (проекта)» будет обеспечивать коммерциализацию 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 других), обеспечивающие сегодня массовое жилищное строительство в Москве и московском регионе. ДСК сегодня являются владельцами типовых серий жилых домов для массового строительства, такие как, П44Т, КОПЭ, 111-355, П3 и другие. Суммарный объем производства типовых жилых домов достигает 3 млн. кв.м в год. Имеющийся у ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» научный задел по теме исследований позволяет рассчитывать на получение Патентов РФ, которые целесообразно, кроме того, запатентовать в Канаде, Швеции, Финляндии и США.




Текущие результаты проекта:
В первой половине 2015 года ( 2-ой Этап выполнения работ по теме) исследования были сфокусированы на расчетных экспериментах по изучению новых принципов и методов адаптации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения к графикам энергетических нагрузок объектов, обеспечиваемых тепловой энергией, а именно на:
- расчетных экспериментах по моделированию суточных и сезонных графиков энергетических нагрузок жилых и общественных зданий, оборудованных геотермальными теплонасосными системами теплохладоснабжения, выявленные методы снижения и/или смещения по времени моментов наступления расчётных и пиковых нагрузок;
- расчетных экспериментах по изучению особенностей формирования теплового режима зданий, оборудованных геотермальными теплонасосными системами теплохладоснабжения, включая оценку влияния на него (тепловой режим) периодической и/или прерывистой подачи тепловой энергии для теплоснабжения, вентиляции и ГВС и аккумуляции тепловой энергии, в том числе и в ограждающих конструкциях зданий;
- расчетных экспериментах по оценке 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 последующим потреблением его (холода) днем, как в пассивном режиме, так и при включении тепловых насосов;
- расчетных экспериментах по оценке 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;
- расчетных экспериментах по оценке эффективности снижения пиковых нагрузок на систему электроснабжения здания за счет применения в ГТСТ различных схем управления компрессорами теплонасосного оборудования , в том числе и инверторных;
- расчетных экспериментах по изучению особенностей формирования теплового режима термоскважин и систем сбора низкопотенциального геотермального тепла при периодическом и прерывистом отборе низкопотенциальной тепловой энергии.

Во второй половине 2015 года ( на 3 Этапе выполнения работ) были получены следующие результаты:
-разработаны программы и методики натурных испытаний экспериментального образца адаптивной ГТСТ и лабораторных испытаний элементов и оборудования адаптивной ГТСТ;
-разработана эскизная конструкторская документация на новые узлы и детали для модернизации стенда для проведения лабораторных испытаний элементов и оборудования адаптивной ГТСТ;
-изготовлены и собраны новые узлы и детали стенда для проведения лабораторных испытаний элементов и оборудования адаптивной ГТСТ;
-разработана эскизная конструкторская документация на стенд для натурных испытаний экспериментального образца адаптивной ГТСТ;
-изготовлен стенд для натурных испытаний экспериментального образца адаптивной ГТСТ;
-разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец адаптивной ГТСТ;
-изготовлен экспериментальный образец адаптивной ГТСТ;
-разработаны технические, конструкторские и проектные решения по внедрению результатов ПНИ при проектировании объектов, оснащенных теплонасосными системами теплоснабжения;
-проведены маркетинговые исследования и оценка рыночного потенциала разрабатываемых адаптивных ГТСТ;
-разработаны программа и методика испытаний по оценке эффективности опытной эксплуатации экспериментального образца адаптивной ГТСТ;
-проведены испытания по оценке эффективности опытной эксплуатации экспериментального образца адаптивной ГТСТ в первой половине отопительного сезона 2015/2016 гг.