Mногофункциональный тепловой пункт

Разработка и экспериментальная апробация технических решений по созданию многофункционального теплового пункта на базе каскадного теплового насоса, обеспечивающего совместную выработку тепловой энер-гии и холода для нужд отопления, горячего водоснабжения, кондициониро-вания и вентиляции путем трансформации низкопотенциальной энергии и бытовых тепловыделений

Соглашение о предоставлении субсидии № 14.577.21.0228 от 3 октября 2016 г.

<<<<<<< HEAD Руководитель проекта – д.ф.-м.н. главный научный сотрудник, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника» Лаврентьев Анатолий Александрович.

Сведения о ходе выполнения прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (проекта)

ЭТАП 1

Сведения о ходе выполнения прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (проекта)

ЭТАП 1

<<<<<<< HEAD Получены следующие результаты:
======= Получены следующие результаты:
>>>>>>> b83c9f1bb3a40c9181f2fa758568d83e9013210a 1) По результатам аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, установлено, что:
- если использовать только классические возобновляемые источники низкопотенциальной теплоты существует риск захолаживания грунта, а также получения худших характеристик низкопотенциального источника в последующие годы;
- отопление от тепловых насосов с использованием сточных канализационных вод в качестве низкопотенциального источника не может конкурировать с котельными и, тем более, с ТЭЦ;
- эффективность теплового насоса увеличивается, если в летнее время тепловой насос можно использовать в системе кондиционирования, а в зимнее – в системе отопления;
- к плюсам использования тепловых насосов, помимо традиционных преимуществ можно отнести уменьшение износа труб центрального отопления, поскольку менее горячая вода (60 ˚С) обладает меньшей коррозионной активностью, чем более горячая (80-90 ˚С);
- основными теплоносителями для внутреннего контура парокомпрессионных тепловых насосов являются R407C или R404A, R410A или R134a;
- абсорбционные тепловые насосы не пригодны для использования в многофункциональных тепловых пунктах ввиду высокого потенциала солнечной энергии;
- на сегодняшний день не существует теплонасосных установок, адапти-рованных для работы в условиях Российской Федерации, имеющих настолько высокий коэффициент преобразования, чтобы ТНУ была способна конкурировать с природным газом;
- при равных условиях у тепловых насосов одного и того же производителя применение каскадной схемы (параллельная схема) обеспечивается повышение СОР на 0,6 единиц (с 4,2 до 4,8).
2) Использование аккумуляторов теплоты основанных на эффекте фазового перехода вещества повысят эффективность работы каскадной многоуровневой теплонасосной установки и снизят капитальные затраты в сравнении с теплоемкостным аккумулированием;
3) Приведенная в отчете о патентных исследованиях информация позволяет наглядно продемонстрировать патентную ситуацию, сложившуюся в мире, выявить конкурентов, ведущие страны и организации, проанализировать опыт и знания сторонних организаций и фирм через их разработки, определить перспективное направление исследований теплонасосных установок.
Анализ изобретательской активности показал актуальность исследуемой проблемы разработки технических решений по созданию многофункционального теплового пункта на базе каскадного теплового насоса, обеспечивающего совместную выработку тепловой энергии и холода для нужд отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и вентиляции путем трансформации низкопотенциальной энергии и бытовых тепловыделений.
Наиболее активно патентуются технические решения, касающиеся многофункциональных многокаскадных тепловых насосов, предназначенных для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и вентиляции иностранными заявителями в странах: RU, JP, US, CN, CA, KR, AU и BR, то есть можно сделать вывод, что в этих странах наиболее остро стоит проблема в использовании многофункциональных многокаскадных тепловых насосов, предназначенных для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования и вентиляции.
4) Разработана структура тепловых потоков типового потребителя с определением источников избыточной теплоты и точек ее потребления. Потоки были использованы в каскадах теплового насоса для различного назначения. Проанализированы низко-, средне- и высокопотенциальные источники теплоты, которые можно утилизировать, преобразуя в тепловую энергию для целей отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения и вентиляции.
5) Типы компрессоров проанализированные в отчете будут применены в различных контурах теплового пункта на базе каскадного теплового насоса, что в сою очередь позволит оптимизировать стоимость при этом обеспечит длительный срок эксплуатации многофункциональной системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования.
6) Разработка многофункционального теплового пункта на базе каскадного теплового насоса позволит получить систему отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения более выгодную и энергетически эффективную, чем рассмотренные выше.
7) Теплоносители, указанные в отчете, будут использованы в различных контурах теплового пункта на базе каскадного теплового насоса. Применение наиболее оптимально подходящих теплоносителей по своим теплофизическим свойствам позволит повысить эффективность и уменьшить размеры компрессоров, а, следовательно, и стоимость всей многофункциональной системы.
8) Участие в мероприятиях принято в соответствии с условиями Соглашения о предоставлении субсидии от «03» октября 2016 № 14.577.21.0228 и Договора о софинансировании и дальнейшем использовании результатов прикладных исследований между ФГБОУ ВО ДГТУ и ООО «ИнвестПромСтрой» № 175 от «19» сентября 2016 г.
9) Разработан промежуточный отчет о ПНИЭР, состоящий из: 1031 с., 23 рис., 6 табл., 42 источн., 3прил.

<<<<<<< HEAD Научная новизна исследований заключается в принципиально ином подходе к разработке тепловой схемы многофункционального теплового пункта, которая обеспечивает перетоки тепловой энергии от источников к приемникам внутри и вне потребителя за счет ступенчатой структуры парокомпрессионных теплонасосных установок. Данная схема позволяет обеспечить одновременное производство необходимого количества тепловой энергии с различной требуемой температурой и мощностью теплоносителя для покрытия нужд, как отопления, так и приготовления горячей воды, а также получения холода для функционирования системы вентиляции и кондиционирования вплоть до заморозки продуктов питания.

На этапе № 1 «Теоретические исследования применения каскадных теплонасосных установок в тепловых пунктах» получение охраноспособных результатов интеллектуальной деятельности не планировалось.
Выполненные исследования в полной мере позволили решить поставленные на этапе № 1 задачи и получить результаты, соответствующие существующим научным концепциям в данной области, подтвержденные многосторонними экспериментальными и теоретическими данными. Научно-технические результаты, полученные на этапе № 1 выполнения ПНИЭР, соответствуют условиям Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0228 от 3 октября 2016 г., в том числе техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.

ЭТАП 2

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.577.21.0228 от 3 октября 2016 г. с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 2 в период с 01 января 2017 г. по 29 декабря 2017 г. выполнены следующие работы:
– выполнены тепловой и гидравлический расчеты функциональной схемы многофункционального теплового пункта и его отдельных узлов для оптимального выбора оборудования;
– разработана математическая модель процессов, происходящих в многофункциональном тепловом пункте на базе каскадных теплонасосных установках мощностью 25 кВт;
– разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок мощностью 25 кВт;
– разработана эскизная конструкторская документация на испытательный стенд многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок мощностью 25 кВт;
– изготовлен экспериментальный образец многофункционального теплового пункта, на базе каскадных теплонасосных установок мощностью 25 кВт;
– разработаны алгоритмы управления экспериментальным образцом многофункционального теплового пункта мощностью 25 кВт;
– разработана эскизная конструкторская документация на автоматизированную систему управления многофункциональным тепловым пунктом мощностью 25 кВт;
– изготовлен испытательный стенд многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок тепловой мощностью 25 кВт;
– исследованы пусковые, остановочные и рабочие режимы работы оборудования экспериментального образца в составе испытательного стенда и настройка оптимальной работы каскадов теплонасосных установок многофункционального теплового пункта;
– разработана программа и методики исследования пусковых, остановочных и рабочих режимов работы оборудования экспериментального образца в составе испытательного стенда и настройки оптимальной работы каскадов теплонасосных установок многофункционального теплового пункта;
– принято участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных и окончательных результатов ПНИЭР (конференции, семинары, симпозиумы, выставки и т.п., в том числе, международные).
Получены следующие результаты:
1) проведены расчеты тепловой и гидравлический расчеты функциональной схемы по всем шести контурам теплонасосной установки многофункционального теплового пункта. Были приведены термодинамические свойства хладагентов, используемых в работе всех контуров теплонасосной установки. Для термодинамической оценки эффективности теплонасосного цикла был применен метод эксергетических балансов.
В результате проведенных расчетов было выявлено, что наиболее оптимальными контурами рассчитываемого многофункционального теплового пункта являются контура под номерами «2» и «3», так как они имеют наилучшие показатели по величине эксергетического КПД. Наиболее несбалансированными являются контура под номером «5» и «6».
2) При проведении дополнительных патентных исследований было выявлена необходимость в дальнейшем при усовершенствовании технологии патентовать ее в России, или сохранять в режиме «ноу-хау». Это позволит, в случае необходимости коммерческой реализации данной технологии за рубежом, заключать лицензионные договоры или договоры отчуждения прав на использование ноу-хау. При этом, ноу-хау по сравнению с патентом, не будет иметь материальных затрат по обеспечению правовой охраны, ограничений по территории действия этих прав, а также срока действия. Это позволит обеспечить правовую охрану на территории всего мира. Рекомендуется патентовать свои разработки и в таких странах, как IT, JP, CN, EE, SE, US, FR и UA, с целью предотвращения монополии на рынках сбыта продукции. Рекомендуется процедура патентования в Евразийском патентном ведомстве, дающая возможность получить правовую охрану в республиках бывшего СССР. Патенты, полученные в этих странах, помогут блокировать поставку аналогичной продукции в эти страны из других стран, и дадут возможность заключения лицензионных договоров и, следовательно, обеспечат получение прибыли;
3) Проведенное математическое моделирование позволяет при вводе исходных параметров, удовлетворяющих граничным условиям математической модели, получить выходные характеристики многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок для принятия решения о мощности устанавливаемой системы для конкретного потребителя в определенных условиях окружающей среды.
4) Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок тепловой мощностью 25 кВт МТПК.701544.001 была разработана в составе:
- ведомость эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
- пояснительная записка эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
- чертеж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.109-73;
- функциональная схема экспериментального образца многофункционального теплового пункта.
5) Эскизная конструкторская документация на испытательный стенд многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок тепловой мощностью 25 кВт МТИС.701544.001 была разработана в составе:
- ведомость эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
- пояснительная записка эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 2.106-96;
- чертеж общего вида в соответствии с ГОСТ 2.109-73;
- функциональная схема испытательного стенда многофункционального теплового пункта.
6) Экспериментальный образец многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок мощностью 25 кВт МТП-25 изготовлен силами ДГТУ за счет средств субсидии в период с «03» июля 2017 г. по «01» ноября 2017 г. в соответствии с Техническим заданием на выполнение ПНИЭР.
7) Были разработаны алгоритмы работы многофункционального теплового пункта на базе теплонасосных установок в различных режимах работы:
- кондиционирование;
- отопление ;
- горячее водоснабжение;
- вентиляция.
8) Эскизная конструкторская документация на автоматизированную систему управления многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок, тепловой мощностью 25 кВт была разработана в составе:
- ведомость эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 34.201-89;
- пояснительная записка эскизного проекта в соответствии с ГОСТ 34.201-89;
- структурная схема комплекса технических средств в соответствии с ГОСТ 34.201-89;
- функциональная схема структуры автоматизированной системы управления в соответствии с ГОСТ 34.201-89;
- схема автоматизации в соответствии с ГОСТ 34.201-89;
- технические задания по разработке дополнительных технических средств в соответствии с ГОСТ 34.201-89.
9) Согласно Технического задания был изготовлен испытательный стенд многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок ИС-25. Технические характеристики испытательного стенда соответствуют характеристикам, заявленным в Техническом задании.
Испытательный стенд многофункционального теплового пункта на базе каскадной теплонасосной установки мощностью 25 кВт ИС-25 имеет возможность:
- обеспечить реализацию всех возможных режимов эксплуатации многофункциональной тепловой установки потребителем;
- обеспечить диапазон мощности отопления 1-20 кВт;
- обеспечить диапазон мощности кондиционирования 1-16 кВт;
- обеспечить диапазон мощности горячего водоснабжения 0,5-5 кВт.
10) Программа и методики исследования пусковых, остановочных и рабочих режимов работы оборудования экспериментального образца в составе испытательного стенда и настройки оптимальной работы каскадов теплонасосных установок многофункционального теплового пункта МТПК.701544.001 ПМ разработаны в соответствии с методическими указаниями Минобрнауки (Рекомендуемые формы технических и иных документов), требованиями Технического задания Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0228 от 03.10.2016 г.
11) Участие в мероприятиях принято в соответствии с условиями Соглашения о предоставлении субсидии от «03» октября 2016 № 14.577.21.0228 и Договора о софинансировании и дальнейшем использовании результатов прикладных исследований между ФГБОУ ВО ДГТУ и ООО «ИнвестПромСтрой» № 175 от «19» сентября 2016 г.
Результаты работ по Соглашению были представлены на Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» (г. Санкт-Петербург), на Международной научно-практической конференции «Исследования и разработки в перспективных научных областях» (г. Новосибирск) и на Международной научно-практической конференции «Экономика и гуманитарные исследования: проблемы, тенденции, достижения» (г. Новосибирск).
12) Разработан промежуточный отчет о ПНИЭР, состоящий из 553 с., 25 рис., 13 табл., 31 источн., 10 прил.
Научная новизна исследований заключается в принципиально ином подходе к разработке тепловой схемы многофункционального теплового пункта, которая обеспечивает перетоки тепловой энергии от источников к приемникам внутри и вне потребителя за счет ступенчатой структуры парокомпрессионных теплонасосных установок. Данная схема позволяет обеспечить одновременное производство необходимого количества тепловой энергии с различной требуемой температурой и мощностью теплоносителя для покрытия нужд, как отопления, так и приготовления горячей воды, а также получения холода для функционирования системы вентиляции и кондиционирования вплоть до заморозки продуктов питания.
На этапе № 2 «Разработка математической модели и создание экспериментального образца многофункционального теплового пункта на базе каскадных теплонасосных установок» был получен охраноспособный результат интеллектуальной деятельности – полезная модель «Каскадная теплонасосная установка с промежуточной аккумуляцией теплоты». Полученный РИД был зарегистрирован в ФГАНУ ФИПС в установленном порядке.
Выполненные исследования в полной мере позволили решить поставленные на этапе № 2 задачи и получить результаты, соответствующие существующим научным концепциям в данной области, подтвержденные многосторонними экспериментальными и теоретическими данными. Научно-технические результаты, полученные на этапе № 2 выполнения ПНИЭР, соответствуют условиям Соглашения о предоставлении субсидии № 14.577.21.0228 от 3 октября 2016 г., в том числе техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.