Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка "активных", с управляемым теплосъемом/теплоотдачей, термоскважин для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения

Номер контракта: 14.579.21.0115

Руководитель: Горнов Виктор Федорович

Должность: Директор проектного отделения

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
термоскважины, грунтовые теплообменники, геотермальное тепло, низкопотенциальное тепло грунта, тепловой насос, теплонасосные системы теплохладоснабжения, тепловой режим, капиллярно-пористые системы, удельный теплосъём, коэффициент преобразования энергии

Цель проекта:
Цель ПНИЭР - создание «активных» термоскважин с повышенной эффективностью извлечения низкопотенциального тепла грунта и замещение импорта аналогичных устройств высоконадёжным оборудованием отечественного изготовления со 100 %-й локализацией производства основных узлов и деталей. В ходе выполнения работ планируется решить комплекс актуальных научных задач, таких как: -разработка новых принципов и методов интенсификации тепломассообмена в капиллярно-пористых системах, позволяющих создать принципиально новые «активные», с управляемым теплосъёмом/теплоотдачей, термоскважины; - проведение исследований и обоснование выбора материала для изготовления термоскважин, предназначенных для использования в геоклиматических условия России. При этом значительное внимание будет уделено вопросам надёжности эксплуатации «активных» термоскважин, в том числе и в условиях отрицательных температур; - разработка Технических рекомендаций по изготовлению и монтажу многопозиционных распределительных камер из термопластов для геотермальных систем и Технического задания на выполнение опытно-конструкторских работ по созданию опытных образцов «активных» термоскважин для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным результатам работ, характеризующим научную новизну предлагаемых исследований, нужно отнести следующие:
1). Будут разработаны новые патентоспособные методы и способы повышения эффективности термоскважин геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий за счёт управления их теплосъёмом в зимнее и теплоотдачей в летнее время;
2). Впервые будет проведено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование новых принципов и методов «активной» интенсификации тепломассообмена в грунтовых капиллярно-пористых системах и оценке их влияния на эффективность эксплуатации термоскважин и ГТСТ в целом, а также получены новые научные данные:
- о влиянии увлажнения окружающего термоскважину грунтового массива на интенсивность теплообмена с грунтом;
- о влиянии организованной миграции поровой влаги в грунте под воздействием эксплуатационных нагрузок термоскважины на интенсивность теплообмена термоскважины и грунта;
-о возможности управления интенсивностью теплосъёма в зимнее время года и теплоотдачей термоскважин в летнее время за счёт воздействия на тепловлажностный режим и изменения теплофизических характеристик окружающего грунтового массива.
3). Будут получены данные по:
- влиянию конструктивных особенностей термоскважин на интенсивность теплоотдачи;
- эксплуатационным характеристикам группы термоскважин в режиме теплоотдачи с оценкой взаимного теплового влияния для разных значений расстояния между термоскважинами;
- эксплуатационным характеристикам группы горизонтальных грунтовых теплообменников в режиме теплоотдачи с оценкой взаимного теплового влияния;
- влиянию конструктивных особенностей термоскважин на интенсивность теплосъёма;
- эксплуатационным характеристикам группы термоскважин в режиме теплосъёма с оценкой взаимного теплового влияния для разных значений расстояния между термоскважинами.
4). Будут разработаны и созданы экспериментальные образцы «активной» термоскважины и многопозиционной распределительной камеры для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения.
5). Будут получены новые научные данные по экспериментальной оценке эффективности «активных» термоскважин;
6). Будут разработаны Технические рекомендации по изготовлению и монтажу многопозиционных распределительных камер из термопластов для геотермальных систем;
7). Будет разработан проект Технического задания на выполнение опытно-конструкторских работ по созданию опытных образцов «активных» термоскважин для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения.
Разработанные в ходе исследований «активные» термоскважины должны обеспечить 50 %-ное увеличение интенсивности теплосъёма и/или теплоотдачи за счёт воздействия на тепловлажностный режим и изменения теплофизических характеристик окружающего грунтового массива. Для условий грунта, представленного в основном суглинками и глинами, теплосъём должен быть увеличен с 35÷50 до 55÷75 Вт/м.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проблема расширения применения теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий актуальна и относится к разряду приоритетных проблем как для экономики России, так и для мировой экономики. Так, в «Энергетической стратегии России» применение тепловых насосов определено в качестве приоритетного направления научно-технического прогресса по направлению «Теплоснабжение», а Европейская Директива по энергетической эффективности зданий EPBD-2010/31/ЕС рассматривает тепловые насосы как базовую технологию повышения энергетической эффективности зданий. Очень важно, что европейские исследования определяют геотермальные теплонасосные системы в качестве базового технического решения зданий «будущего»- зданий с «нулевым» энергопотреблением. Геотермальные ТСТ сегодня – это одно из наиболее динамично развивающихся в мире направлений использования возобновляемых источников энергии. Их основным элементом являются термоскважины, обеспечивающие извлечение низкопотенциальной тепловой энергии из грунта и фактически определяющие эффективность ГТСТ в целом. Предлагаемые исследования соответствуют современным мировым тенденциям развития технологий повышения энергетической эффективности и использования возобновляемых источников энергии, являются весьма актуальными для национальной экономики РФ и будут самым кардинальным образом способствовать созданию научно-технического обеспечения широкой интеграции в энергетический баланс России нового повсеместно доступного возобновляемого источника энергии – низкопотенциального геотермального тепла.
В основу предлагаемых исследований будет положена принципиально новая научная концепция «активного» повышения эффективности извлечения низкопотенциального тепла грунта в геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения, базирующаяся на новых принципах и методах интенсификации тепломассообмена в капиллярно-пористой структуре грунтового массива систем сбора низкопотенциального геотермального тепла, позволяющих создать новые «активные», с управляемым теплосъёмом/теплоотдачей, термоскважины. Научные результаты исследований обеспечат возможность создания принципиально новых «активных» термоскважин с управляемым теплосъёмом/теплоотдачей, эффективность которых будет существенно повышена при снижении стоимости термоскважин по сравнению с замещаемыми импортными аналогами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Предлагаемые исследования направлены на импортозамещение и повышение энергоэффективности экономики России за счёт освоения с помощью тепловых насосов возобновляемых источников энергии, среди которых наиболее перспективным с точки зрения повсеместной доступности и эффективности использования является низкопотенциальное геотермальное тепло грунта поверхностных слоёв Земли. Целевой областью внедрения научно-технических результатов предлагаемых исследований является жилищное строительство и строительство социальных и общественно-деловых зданий.
Стратегия и способы действий по использованию ожидаемых научных и научно- технических результатов предполагает:
-во-первых, использование в практике жилищного строительства, в особенности при проектировании жилых и общественных зданий, а также типовых серий малоэтажных и многоэтажных жилых домов. Такая стратегия является в сегодняшних условиях наиболее эффективной и позволит через наиболее популярные типовые серии 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 будет обеспечена за счёт внедрения в практику разрабатываемых в составе настоящей работы Технических рекомендаций по изготовлению и монтажу многопозиционных распределительных камер из термопластов для геотермальных систем;
-в-третьих, предоставление лицензий на использование созданных Патентов РФ и сведений типа «ноу-хау» фирмам и организациям, специализирующимся в области разработки, проектирования, монтажа и эксплуатации инженерных систем жилых и общественных зданий.
Научно-технические результаты исследований будут использованы индустриальным партнёром Проекта ОАО «Инсолар-Энерго», который в соответствии с «Договором о дальнейшем использовании результатов прикладных научных исследований (проекта)» будет обеспечивать коммерциализацию результатов Проекта. Кроме того, 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. Сегодня домостроительные комбинаты озабочены поиском технических и технологических решений, позволяющих им в выпускаемых типовых жилых домах обеспечить выполнение требований к энергоэффективности зданий, установленных ФЗ №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности...» от 23.11.2009 г. ФЗ №261 и Государственной программой города Москвы «Градостроительная политика» установлены новые нормативы удельного энергопотребления зданий. В соответствии с этими нормативами все вновь построенные и капитально отремонтированные жилые дома в г. Москве должны потреблять не более 160 кВт*ч тепловой и электрической энергии на 1 кв. метр площади квартир в год, включая затраты энергии на отопление, инфильтрацию свежего наружного воздуха (вентиляцию), горячее водоснабжение, кондиционирование и электроснабжение общедомового оборудования. С 1 января 2016 года этот норматив будет снижен до 130 кВт*ч/кв. м в год. Достижение этих показателей без применения теплонасосных систем теплоснабжения практически невозможно. Решение проблемы повышения энергетической эффективности массового жилищного строительства только за счёт увеличения теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий сегодня уже неэффективно. Применение теплонасосных систем, использующих результаты настоящей работы – «активные» термоскважины - предоставляет проектным и строительным организациям серьёзные конкурентные преимущества в этом вопросе.
Потенциальный объем рынка для научно-технических результатов предлагаемых исследований только в новом жилищном строительстве, реконструкции и капитальном ремонте 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.

Текущие результаты проекта:
На текущем этапе выполнения работ выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, проведены патентные исследования, а также разработаны концептуальные технические решения «активных» термоскважин и многопозиционных распределительных камер для «активных» термоскважин для геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения.
Кроме того, за счёт внебюджетных средств выполнена серия работ по численному моделированию теплового поведения термоскважин различных конструкций, в том числе и работающих в составе поля термоскважин:
- Численное моделирование влияния конструктивных особенностей термоскважин на интенсивность теплосъёма/теплоотдачи проведено для следующих конструкций термоскважин:
• коаксиальная конструкция, полиэтиленовая наружная труба;
• коаксиальная конструкция, стальная наружная труба;
• одинарная U-образная конструкция, полиэтиленовая труба;
• двойная U-образная конструкция, полиэтиленовая труба.
- Численное моделирование эксплуатационных характеристик группы термоскважин в режиме теплоотдачи с оценкой взаимного теплового влияния для разных значений расстояния между термоскважинами.
- Численное моделирование эксплуатационных характеристик группы горизонтальных грунтовых теплообменников в режиме теплоотдачи с оценкой взаимного теплового влияния для вариантов укладки в один слой и в два слоя.
- Численное моделирование эксплуатационных характеристик группы термоскважин в режиме теплосъёма с оценкой взаимного теплового влияния для разных значений расстояния между термоскважинами.