Детальні напрямки діяльності відділу ТОЕТ – Інститут технічної теплофізики

Деякі приклади та короткий опис виконаних або виконуваних проектів відділу

Науково-організаційна діяльність відділу:

Розробка проекту Національної стратегії теплозабезпечення населених пунктів України (до 2030 р.)

Робота виконується спільно із іншими відділами ІТТФ та іншими інститутами НАН України відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України №465 від 7 травня 2008 р. „Про утворення Міжвідомчої робочої групи з розроблення Національної стратегії теплозабезпечення” та відповідно до Постанови Президії НАНУ №37 від 16 лютого 2011 р. «Результати і проблеми модернізації комунальної теплоенергетики України». Робота здійснюється в рамках цільової комплексної міждисциплінарної програми наукових досліджень НАН України з проблем сталого розвитку, раціонального природокористування та збереження навколишнього середовища (2010-2014 рр.).

Мета Національної стратегії теплозабезпечення України – це створення і реалізація ефективної політики надійного, якісного і соціально-доступного (технічно та економічно обґрунтованого при дотриманні вимог до охорони навколишнього середовища) забезпечення населення та бюджетно-соціальної сфери теплом, гарячою водою і кондиціюванням для створення належних комфортних умов для проживання і праці та забезпечення енергетичної безпеки України на засадах сталого розвитку.

Основні завдання стратегії теплозабезпечення України:

Вдосконалення існуючої і створення нової законодавчо-правової основи та нормативно-технічної бази для ефективної реалізації стратегії теплозабезпечення України. Впровадження сучасних норм і стандартів у сфері громадського будівництва та реконструкції житлового фонду;
Вдосконалення існуючої та становлення і розвиток нової системи управління в сфері теплозабезпечення України. Створення на ринкових засадах ефективної конкурентної системи взаємодії всіх учасників сфери теплозабезпечення; поступова демонополізація природної монополії теплопостачання; запровадження механізмів державного регулювання і економічного стимулювання енергоефективності в сфері теплозабезпечення;
Вдосконалення та розвиток політики цін і тарифів в сфері теплозабезпечення;
Технічне та технологічна модернізація сфері теплозабезпечення. Зменшення впливу забруднення системи теплозабезпечення на довкілля; модернізація і розробка схем теплозабезпечення населених пунктів на основі генеральних планів їх розвитку;
Створення сприятливого інвестиційного клімату, становлення ефективної фінансово-кредитної системи за засадах ринку та сталого розвитку. Реалізація системи цілеспрямованих субсидій, субвенцій і дотацій;
Використання досвіду і наробок академічної та галузевої енергетичної науки, використання нових інноваційних технологій теплозабезпечення, використання перспективних видів палива і вторинних енергетичних ресурсів, реалізація політики енергозбереження і енергоефективності; розробка і впровадження політики модернізації існуючих і будівництва новий екологічних і енергоефективних будівель;
Розробка і реалізація регіональної політики теплозабезпечення. Створення щорічних енергетичних балансів;
Створення системи консалтингу, моніторингу, енергоаудиту та інспекції в сфері теплозабезпечення;
Міжнародна інтеграція в сфері теплозабезпечення. Використання передового світового досвіду в області теплоенергетики. Адаптація до європейської політики ефективного теплозабезпечення. Використання механізмів Кіотського протоколу.
Розвиток енергетичної культури населення в сфері енергозбереження. Пропаганда енергоекономного стилю життєдіяльності людини і всього населення;
Створення системи управління сферою теплозабезпечення, визначення показників та індикаторів виконання, моніторингу, аудиту, контролю та корегування Національної стратегії теплозабезпечення України.

Очікувані результати реалізації Національної стратегії теплозабезпечення України:

створення низки законів України і нормативно-правової базі для ефективного функціонування на ринкових засадах і засадах сталого розвитку екологічно безпечної системи теплозабезпечення;
досягти в кінцевому терміні реалізації Національної стратегії теплозабезпечення споживання теплової енергії індивідуально-побутовим сектором, житлово-комунальним сектором та соціально-бюджетною сферою в 1,5…1,6 рази більшого в порівнянні з станом на 2010 р.
реалізація системи енергоефективності і енергоресурсозбереження в сфері нового будівництва, реконструкції існуючого адміністративного і житлового фонду та в системі теплозабезпечення. Досягнення в кінцевому терміні реалізації Національної стратегії теплозабезпечення економії первинних енергоресурсів за рахунок впровадження структурних і технологічних енергозберігаючих заходів в 28…30% (до 27 млн. т умовного палива, головним чином природного газу).
диверсифікація первинного палива, використання вторинних енергетичних ресурсів, відновлювальних і нетрадиційних видів енергії; диверсифікація постачальників первинного палива, диверсифікація постачальників тепла; уникнення залежності від імпорту палива; сприяння енергетичній безпеці країни; На основі реалізації вказаних заходів скорочення в 2030 р. обсягів використання викопних первинних енергоресурсів на половину (в порівнянні з 2010 р.), доведення в кінцевому терміні реалізації Національної стратегії теплозабезпечення в системі теплопостачання України річних обсягів використання викопних первинних енергоресурсів до 25…28 млн. т умовного палива.
якісне, надійне, безпечне і досяжне по оплаті споживачем теплопостачання населених пунктів України;
створення комфортних умов для проживання і праці населення України; в зв’язку з цим відсутність соціальної напруги в суспільстві;

Регіональна програма модернізації комунальної теплоенергетики – інноваційна основа технічного та технологічного оновлення муніципальних систем теплозабезпечення

Робота виконується в рамках Постанови Кабінету Міністрів України №401 від 2 квітня 2009 р. „Про затвердження Порядку розроблення регіональних програм модернізації систем теплопостачання” та згідно рішень обласних або міських рад депутатів.

Проблема розвитку науково-виробничої сфери комунальної теплоенергетики розглянута як предмет фундаментальних і прикладних досліджень. Спільно із іншими відділами ИТТФ НАНУ сформульовано принципове положення про базову роль п’ятирічних регіональних програм модернізації комунальної теплоенергетики, як інноваційної основи технологічного оновлення теплопостачання населених пунктів України. Приведені основні результати досліджень по використанню енергоефективних технології і обладнання для модернізації комунальної теплоенергетики України. На основі низки регіональних програм розроблено проект державної цільової програми комплексної модернізації комунальної теплоенергетики України на 2010-2014 роки. Основу програми становлять інноваційні заходи з енергоефективності, а також сукупні рекомендації регіональних програм модернізації комунальної теплоенергетики 23 областей України та міст Києва, Харкова і Севастополя, що базуються на позитивному досвіді пілотних регіональних програм, успішно реалізованої в Донецькій області та у м. Харкові.

Основні принципи та пріоритети регіональної програми – це:

заміщення та економія на підприємствах ЖКГ головним чином природного газу на 30% (15%+15%) в перші 5 років;
використання вітчизняного устаткування та енергоефективних технологій, лише в разі відсутності – закордонного;
науково-технологічний супровід програми вітчизняною енергетичною наукою.

термін окупності основних заходів типової регіональної програми становить до 3 років, а навіть із врахуванням відносно довготривалих заходів по заміні теплових мереж та термомодернізації будівель, середній термін окупності програми не перевищує 5 років.

Розробка концепції та проекту державної цільової економічної програми модернізації комунальної теплоенергетики України на 2010–2014 рр.

Робота виконувалась на замовлення міністерства з питань житлово-комунального господарства України.

Метою програми є підвищення економічної та енергетичної ефективності і надійності функціонування комунальної теплоенергетики України шляхом проведення її комплексної модернізації на засадах сталого інноваційного розвитку.

Реалізація програми призведе до наступних результатів:

досягнення в кінцевому терміні реалізації програми споживання теплової енергії індивідуально-побутовим сектором, житлово-комунальним сектором та соціально-бюджетною сферою в 1,2…1,3 рази більшого в порівнянні з станом на 2010 р.
реалізація системи енергоефективності і енергоресурсозбереження в сфері нового будівництва, реконструкції існуючого адміністративного і житлового фонду та в системі теплозабезпечення. Досягнення в кінцевому терміні реалізації програми щорічної економії первинних енергоресурсів в комунальній сфері за рахунок впровадження структурних і технологічних енергозберігаючих заходів в 28…30% (щорічно до 4,5 млн. т умовного палива, головним чином природного газу, що відповідає його еквівалентним обсягам в 3,8 млрд. м³)).
диверсифікація первинного палива, використання вторинних енергетичних ресурсів, відновлювальних і нетрадиційних видів енергії; диверсифікація постачальників первинного палива, диверсифікація постачальників тепла; уникнення залежності від імпорту палива; сприяння енергетичній безпеці країни. На основі реалізації заходів програми можна очікувати скорочення в 2014 р. обсягів використання викопних первинних енергоресурсів майже на третину (в порівнянні з 2010 р.).

Розробка проекту цільової комплексної програми наукових досліджень НАН України «Науково-технічні основи модернізації комунальної теплоенергетики України»

Робота виконувалась на виконання Постанови Президії НАНУ №37 від 16 лютого 2011 року «Результати і проблеми модернізації комунальної теплоенергетики України».

Реалізація програми на засадах енергозберігаючої моделі розвитку комунальної теплоенергетики дозволить на базі інноваційних технологій і обладнання:- забезпечити стале та ефективне і надійне функціонування комунальної теплоенергетики на інноваційній основі та залучити інвестиції, насамперед, приватні;- поліпшити економічне становище підприємств комунальної теплоенергетики;- забезпечити ефективне використання паливно-енергетичних ресурсів;- поліпшити екологічний стан навколишнього середовища;- підвищити рівень та якість послуг теплопостачання, що надаються населенню;- зменшити при широкомасштабному впровадженні передбачених програмою розробок рівень споживання енергетичних ресурсів в комунальній теплоенергетиці біля 1,5 млн. т у.п. в рік та викиди парникових газів до 3,3 млн. т. на рік; – більш широко залучити до паливно-енергетичного балансу комунальної теплоенергетики місцеві види палива (торф, деревину, біомасу тощо) та відновлювані джерела енергії; – створити нові локальні електрогенеруючі потужності, що поліпшують ситуацію з наявними маневровими потужностями.- знизити викиди шкідливих речовин (NO_x, SO₂, CO, твердих часток та ін.) в довкілля;- знизити обсяги викидів газів з парниковим ефектом (CO₂, CH₄, N₂O);- знизити теплове забруднення довкілля;- залучити механізми Кіотського протоколу для комплексної модернізації комунальної теплоенергетики України- зробити комунальну теплоенергетику економічно привабливою та залучити до її розбудови інвестиційний капітал;- підвищити енергетичну безпеку держави.

Розробка концепції державної програми модернізації комунальної теплоенергетики України на 2014-2015 роки

Робота виконувалась в 2013 р. по оперативному замовленню Мінрегіонбуду України як складова частина державної програми активізації розвитку економіки України на 2013-2014 роки.

Реалізація цієї мети вимагає рішення ряду взаємозв’язаних задач, спрямованих економію на підприємствах житлово-комунального господарства енергоресурсів, в т.ч. на економію та заміщення природного газу до 50% (приблизно 25%+25%) при досить малому терміну окупності (до 4…5 років) запропонованих технологічних і технічних заходів при використанні, в основному, вітчизняного устаткування та сучасних енергоефективних технологій.

Програма формує і визначає роль та місце комунальної теплоенергетики в соціально-економічному житті країни, а також умови, в яких держава і підприємства різної форми власності можуть ефективно сприяти розвитку муніципальної теплоенергетики.

Програма базується на регіональних програмах модернізації комунальної теплоенергетики.

Звіт по роботі «Підвищення енергоефективності комунальної теплоенергетики м. Харкова за рахунок її технічної та технологічної модернізації (в період 2004-2012 рр.)»

Метою даної роботи, що виконувалась спільно з відділом ТФПК ИТТФ та іншими відділами, було визначення шляхів, технічних рішень і, головне, конкретних технічних і технологічних інноваційних енергоефективних заходів по значному скороченню витрат природного газу (не менш, як на 30% від базового рівня 2008 р.), що спалюється на теплоелектроцентралях і котельнях міста Харкова.

Основні результати впровадження заходів з підвищення енергоефективності комунального теплопостачання м. Харкова комунальним підприємством «Харківські теплові мережі» в період 2004-2012 роки:

Кількість замінених старих котлів (типів НІІСТУ-5, Універсал, Надточія тощо) – 150 шт.
Кількість встановленого нового устаткування (одиниць): 222 нових котлів, 211 пальників, 58 ІТП, 2 утилізатори теплоти, 131 частотних регуляторів, 415 впроваджених приладів і систем діагностики.
Удосконалена схема теплопостачання міста Харкова за рахунок завантаження Харківської ТЕЦ-5.
Досягнуте загальне зниження енергоспоживання:

зниження споживання природного газу – 870,9 млн м³,
зниження споживання іншого палива, 2,8 тис. т. у.п.,
заощадження електричної енергії, 139,7 тис. МВт-час.

Наукова та науково-технічна діяльність відділу:

Енергоефективний будинок пасивного типу

Мета цього проекту – створення експериментального енергоефективного будинку пасивного типу (з річним споживанням теплової енергії на потреби опалювання не більше 15 кВт ? ч/м2), як повномасштабної науково-технічної та технологічної теплофізичної лабораторії з корисною площею до 300 м² на території ІТТФ НАН України.

При створенні експериментального енергоефективного будинку пасивного типу були використані енергоефективні, соціально доступні, вітчизняні будівельні матеріали та технології, що відповідають сучасним вимогам. Враховані основні концептуальні принципи будівництва пасивних будинків: компактність, максимальна герметичність огороджувальних конструкцій, якісне утеплення, відсутність містків холоду, правильна геометрія будинку, орієнтація по сторонах світу. Використано нові технології багатошарових огороджувальних конструкцій, герметичні багатокамерні склопакети з низькоемісійним склом і багатокамерні профілі рам віконних конструкцій. Кожна зовнішня стіна кожної кімнати будинку побудована з різного будівельного матеріалу з метою дослідження їх енергозберігаючих властивостей. Реалізовані комплексні рішення теплопостачання, а саме, автономна полівалентна теплонасосна система з використанням теплоти ґрунту, інсоляції сонячної енергії та рекуперативної вентиляції.

Велику увагу було приділено створенню розгалуженої автоматизованої вимірювальної системи, яка включає різні автоматизовані безперервні вимірювання полів температур, теплових потоків, вологості, тиску, зовнішніх кліматичних параметрів. Датчики та вимірювальні прилади розташовані в будівельних конструкціях, в приміщеннях, в навколишньому ґрунті та повітрі. Це дозволить провести тестування, апробацію та дослідження будівельних матеріалів та енергозберігаючих конструкцій, сучасних технологій енерго- та теплопостачання із застосуванням поновлюваних екологічно чистих джерел енергії сонця, ґрунту, повітря та розробити рекомендації для проектування і вибору будівельних матеріалів та будівельних конструкцій для серійного будівництва пасивних будинків в умовах України.


а	б

Зовнішній вигляд експериментального будинку пасивного типу на стадії його будівництва до (а) та після (б) термомодернізації.

Експериментальний будинок типу «нуль енергії»

Мета проекту – розробка та впровадження комплексної комбінованої системи енергоресурсозабезпечення експериментального пасивного будинку і послідовний розвиток будинку «пасивного типу» до будинку «нуль енергії». Передбачається незалежне та автономне функціонування будинку без підключення до централізованих мереж ресурсозабезпечення. Його енергозабезпечення реалізується на основі використання альтернативних і поновлюваних джерел енергії.

Характеристика: В Україні, як втім й у країнах СНД, і навіть, у багатьох країнах східної Європи, будинків такого типу немає. Клімат Києва створює певні складності для будівництва будинків «нуль енергії»: довга, холодна зима, багато похмурих днів, невисока швидкість вітру. Однак, завдяки сучасним будівельним технологіям, новим будівельним матеріалам, активній науковій та інженерній роботі, будівництво таких будинків можливо.

Тестування ефективності пропонованих рішень природно спочатку проводити на експериментальному будинку «нуль енергії», де реалізується автономна полівалентна теплонасосна система енергозабезпечення. Ця система використовує поновлювану теплоту ґрунту, теплоту сонячного випромінювання і рекуперацію в системі припливно-витяжної вентиляції. Для електропостачання використовується сонячна енергія (фотоелектричні елементи) і енергія вітру (вітрогенератори). Сонячні теплові колектори і фотоелектричні елементи розташовуються на односкатному даху з південного боку будинку. Опалення експериментального будинку базується на акумуляційних низькотемпературних і середньотемпературних теплонасосних опалювальних системах.

Результат: буде створено експериментальний будинок «нуль енергії» (енергоавтономний) площею 300 м²на території ІТТФ НАН України. Експериментальний будинок «нуль енергії» – зручна повномасштабна теплофізичних лабораторія дослідження енергоефективності будівельних конструкцій.

Ґрунтові акумулятори теплоти

Для дослідження процесів теплообміну в системі «теплообмінник-грунт» при закачуванні, акумулюванні та вилученні теплоти на території ІТТФ НАН України (вул. Булаховського, 2) був створений полігон ґрунтових теплообмінників різного типу і різної конфігурації.

Полігон включає:

групу ґрунтових теплообмінників-акумуляторів, що складаються з вертикальних свердловин спеціального розташування глибиною до 25 м (шестикутником з осьовою свердловиною і прямого ряду з 5 свердловин з одиночними, здвоєними і строєними U-подібними теплообмінниками);
теплообмінник типу «труба в трубі»;
теплообмінник у водозабірній свердловині;
теплообмінник у бетонозаливній палі;
горизонтальний багатопетлевий трубний теплообмінник;
систему багатоходових водяних і повітряних трубних теплообмінників;
комбінований теплообмінник для води або для повітря з декількох горизонтальних регістрів.

Наприклад, ґрунтовий горизонтальний теплообмінник неглибокого залягання вилучає теплоту, накопичену у верхніх шарах ґрунту (глибина – 1-2 м) в результаті сонячного випромінювання (прямий нагрів, опади, теплота повітря), і являє собою змійовик, що складається з п’яти петель. Загальна площа теплообмінника 240 м². Виконаний з поліетиленових труб діаметром 32 мм, які розраховані на тиск 6 бар. Труби покладені у траншеї петлями з кроком 1 м. У якості теплоносія використовується водний розчин на основі пропіленгліколю, який циркулює по трубах, відбираючи теплоту ґрунту. Вимірювання температур ґрунту, теплоносія здійснюється контрольно-вимірювальної системою з подальшою комп’ютерною обробкою отриманих значень.

Розроблено метод створення сезонного високопотенційного акумулятора теплоти в ґрунтовому масиві, який базується на аналізі спільної роботи сукупності ґрунтових теплообмінників трубного типу. Експериментальний ґрунтової акумулятор складається з семи вертикальних свердловин глибиною 20,5 м, розташованих у вигляді правильного шестикутника.

У свердловинах встановлені U-подібні теплообмінники: у вершинах шестикутника – однотипні двох U-подібні теплообмінники з однаковим тепловим навантаженням, в центрі – трьох U-подібний теплообмінник. Теплообмінники з’єднані між собою послідовно. Для вимірювання та контролю за температурою ґрунту пробурені додатково контрольні свердловини односторонньої спрямованості глибиною 25 м. В них встановлені U-образні теплообмінники, які по довжині оснащені датчиками температури. Влітку теплота сонячної радіації, передана проміжному теплоносію, циркулюючому в акумуляторі, нагріває ґрунтовий масив, а в опалювальний сезон вона вилучається і використовується у випарнику теплового насоса.

Блок ґрунтових теплообмінників свердловинного типу (вид зверху).

Система теплопостачання і кондиціювання приміщень із використанням теплового насосу типу грунт-рідина

В ІТТФ НАН України активно розвивається науково-технічний центр теплонасосних технологій, у якому розробляються, а потім проходять апробацію комбіновані полівалентні системи теплопостачання і кондиціонування приміщень різного призначення. Колективом відділу розроблено ряд оригінальних гідравлічних схем і за власною оригінальною методикою проведено інженерні розрахунки теплотехнічних параметрів систем, що дозволяють використовувати потенціал відновлювальної теплоти ґрунту за допомогою горизонтального багатопетельного ґрунтового колектора. Така конструкція дозволяє вводити до експлуатації ділянки трубопроводу різної довжини, змінюючи тим самим питоме теплове навантаження. В холодний період року тепловий насос спрямовує теплоносій із необхідним температурним потенціалом до низькотемпературних систем опалення (одночасно або поодинці) типу водяна тепла підлога окремого лабораторного приміщення і повітряних теплообмінників (фенкойлів), що розташовані в двох приміщеннях. Схема укладки водяного контуру в підлозі є біфілярною, із спрямованими назустріч подавальним і зворотним трубопроводами. В теплий період року схема передбачає здійснення пасивного кондиціювання повітря в обох приміщеннях (одночасно або поодинці) за допомогою гідравлічної розв’язки контурів повітряних теплообмінників і ґрунтового колектора. При цьому відбувається компенсування теплового стану ґрунту, що змінився впродовж опалювального періоду. Встановлення в кожному з гідравлічних контурів тепломірів різних конструкцій дозволяє виконувати необхідні балансові вимірювання кількості теплоти, що передається. Автоматизована система аналізу експериментальних даних передбачає вимірювання температури і питомих теплових потоків за допомогою термоелектричних перетворювачів і вторинних цифрових приладів із наступним архівуванням значень. В лабораторному приміщенні у режимі реального часу за допомогою спеціального програмного забезпечення отримуються дані в характерних місцях: поряд з ґрунтових колектором на різній глибині і між різними шарами теплої підлоги, а також вздовж вертикальної лінійки від полу до стелі. Система теплопостачання і кондиціювання приміщень різного призначення із використанням теплового насосу типу грунт-рідина зарекомендувала себе як ефективне, економічне і екологічне технічне рішення із високим ступенем надійності і комфортності щодо кліматизації приміщень згідно до санітарно-гігієнічних вимог.

Метод розв’язання задач нестаціонарної тепломасопровідності при змінних зовнішніх умовах

Запропонована замкнена система алгебраїчних і звичайних диференціальних рівнянь, що дозволяє просто і з високою точністю розв’язувати нестаціонарні задачі теплопровідності і дифузійного вилучення речовини з твердих тіл стандартної форми – пластини, циліндра, кулі – при змінних зовнішніх умовах. Метод базується на єдиній універсальній залежності, яка з високою точністю описує розподіл температур і концентрацій речовини у зазначених вище тілах, і на рівняннях, що визначають зміни характеристик, які входять в цю залежність, в часі або в просторі при переміщенні тіл.

А. И. Накорчевский. Сопряженные задачи нестационарной тепломассопроводности при переменных внешних условиях. ИФЖ, Т.72, №4, 1999, С. 782-791.

Метод розрахунку тепловтрат через зовнішні огородження будівель

Розроблено методику розрахунку нестаціонарної теплопередачі через елементи зовнішніх огороджень будинків (стіни, складові стіни, вікна) з урахуванням цілорічної дії на них сонячної інсоляції. Встановлено, що при такому підході, розрахункові тепловтрати через огородження будівель в середніх широтах північної півкулі Землі істотно менше (на десятки відсотків) підрахованих без урахування дії Сонця. Пропонуються рішення з використання надлишкової літньої теплоти. Застосування методики дозволяє більш точно встановити витрати енергії на опалення житлових та громадських будівель.

Теплофізичне моделювання повітряно-температурного режиму приміщень

Для визначення оптимального рівня теплонадходжень, який би забезпечував належний повітряно-температурний режим в приміщеннях будівлі, необхідно розв’язати задачу теплопереносу від опалювального пристрою до навколишнього повітряного середовища, враховуючи циркуляцію нагрітого повітря в кімнатах, конвективні потоки теплоти, що переносяться внутрішніми повітряними течіями, теплопровідність через перекриття та стіни, сонячну радіацію, конвективну тепловіддачу з поверхонь огорож та ін. В відділі ТОЕТ ІТТФ НАН України розроблено теплофізичну модель дослідження повітряно-температурного режиму приміщення та споруди в цілому, яка враховує всі перелічені вище фактори. Верифікаційні розрахунки за вказаною моделлю для контрольних приміщень показали задовільне погодження зі власними експериментальними даними температурно-повітряного режиму приміщення.

Поля температури і векторів швидкості потоку повітря в різних перерізах кімнати з чавунним радіатором

Дослідження теплопровідних властивостей композиційних матеріалів на основі алюміно-оксидної кераміки і розрахунок ефективного тепловідводу від потужних світлодіодів

Розроблено 3D CFD модель теплопередачі та теплової дисипації у системі охолодження потужних світлодіодних ламп, враховуючи теплофізичні властивості нових композиційних матеріалів, та проведено відповідні чисельні дослідження. Отримані температурні поля в усіх конструктивних частинах потужної світлодіодної лампи для різних положень лампи у просторі при стандартних умовах експлуатації та доведено ефективність системи охолодження виготовленої з нового композиційного матеріалу – теплопровідної кераміки.

Складові світлодіодної лампи. 1 – корпус системи охолодження з розвиненою оребреною поверхнею, 2 – електронна система управління, 3- цоколь, 4 – розсіювач світла, 5 – плата світлодіодів.

Дослідження термогідродинамічної нестійкості в елементах теплоенергетичного обладнання

Запропоновано та досліджено нові механізми теплогідродинамічної нестійкості потоку теплоносія, зокрема, поздовжніх автоколивань, обумовлених теплопідводом або перетворенням механічної енергії обертання приводу лопатевого нагнітача в натиск потоку, і ґрунтуючись на цьому, створені ефективні методи управління амплітудою автоколивань, що збуджуються в потенційно нестійких елементах різного теплоенергетичного обладнання: генераторах термоакустичних автоколивань, камерах горіння печей, регенеративних повітронагрівачах доменних печей, камерах згоряння рідинних реактивних двигунів, системах подачі компонентів палива, системах подачі повітря, що включають лопатеві нагнітачі, парогенеруючих трубках парогенераторів, в динамічних системах зі складною геометрією, зокрема, в циліндрично густоперфорованих системах типу узагальненої комірки Куетта.

Тепловізійне обстеження будівель

Важливу роль в підвищенні енергетичної ефективності споруд відіграє застосування безконтактних (тепловізійних, пірометричних) інфрачервоних методів контролю та діагностики. Тепловізійний контроль якості будівельних конструкцій, систем вентиляції та опалення дозволяє виявити ділянки конденсації вологи і дефекти будівельних конструкцій, втрати тепла зі швів будинку, порушення в системах опалення та вентиляції споруд. Проведення зовнішнього тепловізійного обстеження дає можливість оцінити загальні тепловтрати будівель, виявити місця з найбільшим рівнем тепловтрат споруди, проаналізувати ефективність і якість використання будівельних рішень при її будівництві. Внутрішній тепловізійний огляд є більш детальним і призначений для аналізу теплового режиму окремих приміщень, а також встановленню дефектів систем опалення та вентиляції.

Південний фасад корпусу №1 ІТТФ НАНУ по вул. Булаховського, 2. Оптичне та тепловізійне фото.

Розрахунок обтікання вітровим потоком одиночних будівель та їх комплексів

Розрахунок вітрових течій у межах міської забудови необхідний при проектуванні нових та експлуатації існуючих мікрорайонів. Точне визначення вітрових навантажень на висотні будівлі і споруди грає важливу роль при створенні ефективних і безпечних будівельних конструкцій. З цією проблемою також тісно пов’язані питання аерації території, розповсюдження шкідливих газоподібних викидів, пилу і аерозолів в міській забудові, ефективність роботи систем природної вентиляції споруд, теплообмін на поверхнях будинків і т.п.

У відділі ТОЕТ накопичений досвід вирішення завдань, пов’язаних з обтіканням вітровим потоком окремих споруд та їх комплексів. Вивчено закономірності розподілу коефіцієнтів тепловіддачі по поверхнях споруд. Ці дані використовуються для дослідження втрат теплоти через огороджувальні конструкції будівель. Рішення подібних завдань здійснюються як за допомогою відомих універсальних комп’ютерних CFD-пакетів, так і з використанням власних програмних засобів.

Поле швидкостей на висоті 10 м при обтіканні повітряним потоком комплексу будівель на території ІТТФ НАН України по вул. Булаховського, 2.

Розробка оригінальних ІТП і створення алгоритмів управління ними

Розроблено алгоритм управління індивідуальним тепловим пунктом (ІТП), що дозволяє забезпечити режим переривчастого опалення робочого приміщення в зимовий період року з оптимальними керуючими параметрами. Переривчастий режим опалення передбачає підтримку температури опалювального приладу на певному рівні, що забезпечує необхідний температурний режим приміщення, лише в робочий час. У неробочий час температура радіатора знижується, що призводить до зменшення теплонадходження в приміщення і зниження температури повітря. За кілька годин до початку робочого дня температура опалювального пристрою встановлюється вище рівня, характерного для робочого часу, щоб до його початку температурні умови в приміщенні відповідали нормі. Керуючими параметрами такого режиму є: час переходу на режим перегріву опалювального пристрою, час виходу на стандартний режим, а також мінімальні та максимальні значення температури опалювального пристрою. Оптимальними є такі керуючі параметри, які забезпечують максимальну економію теплової енергії за умови підтримання середньої температури в робочий час на необхідному рівні. Робота індивідуального теплового пункту при оптимальних керуючих параметрах дозволяє знизити теплоспоживання приміщення на 5 … 7%.

У відповідність з запропонованим алгоритмом управління для системи теплопостачання корпусу № 1 ІТТФ НАНУ по вул. Булаховського, 2 створені два ІТП оригінальної конструкції:

Розроблено та впроваджено експериментальний ІТП потужністю 300 кВт з електричною теплогенерацією в умовах пільгового нічного тарифу на електроенергію, призначений для забезпечення оптимального режиму роботи системи опалення адміністративного корпусу ІТТФ НАН України, здійснення автоматизованого розподілу теплоносія і регулювання його параметрів, а також приладового обліку споживання теплоти.
Створено експериментальний ІТП з гідравлічною стрілкою тепловою потужністю 250 кВт для теплопостачання та кондиціювання першого корпусу ІТТФ НАНУ.

Теплофізичне моделювання процесів гідродинаміки і теплообміну в геотермальних циркуляційних системах

Завданням розрахунку геотермальних систем з розчиненим у них газом є визначення режиму фільтрації теплоносія для забезпечення заданої теплопродуктивності системи протягом усього терміну експлуатації, що досягає 40 ? 50 років.

При розрахунках і проектуванні геотермальних циркуляційних систем з використанням газонасичених вод доводиться стикатися з тим, що при закачуванні в пласт використаної, а тому дегазованої та охолодженої води, вміст газу в воді, що видобувається, починає знижуватися. Виникає необхідність оцінити швидкість розподілу рідини, що закачується, у водоносному шарі і період часу, через який закачувана рідина досягне підйомної свердловини, і використання розчиненого газу поступово почне припинятися. Цей факт визначає термін експлуатації електрогенеруючої частини наземного комплексу. Режими роботи теплової частини установки залежать від динаміки температурного поля в підземному пласті при закачуванні в нього охолодженої рідини.

Запропоновано теплофізичну модель руху теплоносія в довгій вертикальній свердловині, оточеній гірськими масивами, і її рішення за допомогою прикладного програмного пакету Рhoenics. Модель дозволяє проводити інженерні теплогідродинамічні розрахунки свердловин, що пролягають в різних геологічних умовах, з різними дебетами, при різних глибинах залягання водоносного шару, враховуючи різні режими експлуатації. Розраховані інженерні номограми для визначення зміни температури теплоносія по глибині свердловини залежно від глибини свердловини, дебіту, пластової температури, режиму експлуатації.

Запропоновано теплофізична фільтраційна модель, що описує термогідродинамічні процеси в підземному проникному колекторі при нагнітанні в нього холодного теплоносія. Розраховані тривимірні нестаціонарні поля температур і концентрацій закачуваної рідини та природних рідин в системі проникний колектор – гірський масив (приклад – на мал.). Проаналізовано зміни параметрів фільтраційного потоку, кінетики охолодження проникного колектора і навколишнього гірського масиву, динаміки розподілу холодного теплоносія, що закачується в колектор.

Розподіл концентрації води, що закачується в пласт, у площинах: а – y-z, б – x-y.

Процеси фільтрації біогазу в пористому тілі полігону ТПВ

Розроблено модель процесів газоутворення, гідродинаміки і фільтрації біогазу в пористому тілі полігону твердих побутових відходів (ТПВ). Розглядалася спряжена задача динаміки потоку біогазу в свердловині і в групах свердловин. Розраховувалася концентрація газу в тілі полігону при постійній експлуатації свердловин протягом часу (період експлуатації свердловин становив до 10 років), при постійному дебіті і різному тиску відбору. Був проведений розрахунок полігону з урахуванням умов, наближених до реальних. Отримано поля розподілу тиску і концентрації біогазу в тілі полігона протягом 10 років. Результати розрахунків дають можливість оцінити час ефективної експлуатації систем вилучення біогазу на полігонах ТПВ.

Зміна концентрації газу в тілі полігону при тискові відкачування: Р_с= 2360 Па, через 1, 5 і 10 років.

Термомодернізація будівель. Оптимальний вибір варіантів утеплення

Технічні рішення щодо термомодернізації житлових будівель та громадських споруд повинно ґрунтуватися на глибокому розумінні складних взаємно-пов’язаних теплофізичних процесів, які в них протікають. Це в першу чергу стосується вибору теплозахисних покриттів і світлопрозорих конструкцій з оптимальними теплотехнічними характеристиками, які до того ж мають бути екологічними і пожежобезпечними. В зв’язку з тим, що на ринку теплоізоляційних матеріалів і світлопрозорих конструкцій пропонується їх різні варіанти, то необхідно мати достовірні дані про їх поведінку в реальних погодних умовах при довгостроковій експлуатації. Для вирішення цього питання в ІТТФ НАН України була проведена поліваріантна термомодернізація зовнішніх огороджувальних конструкцій північної частини адміністративної будівлі ІТТФ НАНУ (різноваріантні енергоефективні вікна та різноваріантні утеплення фасадів), а також розроблений вимірювальний комплекс з дослідження тепловтрат через них. Даний проект дозволяє встановити оптимальний варіант для термомодернізації споруд.

Вид термомодернізованої частини фасаду, фото і тепловізійна картинка двох вікон та прилеглих до них стін.

Вимірювання сонячного випромінювання

Спільно з відділом теплометрії ІТТФ НАН України створено два пристрої (піранометри «СР-У1» й «СР-М1»), що належать до актинометричної групи й слугують для вирішення задач, пов’язаних з довгостроковим безперервним моніторингом радіаційних властивостей атмосфери та накопичення даних надходження сонячної радіації на поверхню геліоколекторів та поверхні зовнішніх огороджувальних конструкцій будівель. Вони вимірюють густину сумарної сонячної радіації, що надходить на площини з кутом нахилу до горизонту від 0^о до 90^о з кроком в 10^о(піранометр «СР-У1») й площини паралельні зовнішнім огороджувальним конструкціям будівлі (піранометр «СР-М1»). З метою довгострокового накопичення даних радіаційних властивостей атмосфери ці прилади було встановлено на даху корпуса №1 ІТТФ НАН України, вул. Булаховського, 2. З 1 жовтня 2012 року проводиться збір, обробка та систематизація одержаних даних по сонячному випромінюванню для м. Києва.

Піранометр СР-У1.

Експериментальне вимірювання тепловтрат будівель

Відділ ТОЕТ ІТТФ НАН України приділяє велику увагу отриманню, архівуванню та обробці експериментальних даних. Для цих цілей всі стаціонарні лабораторні установки та стенди обладнані вимірювальними комплексами на основі ПК, що дозволяють здійснювати безперервний моніторинг та оперативну обробку вимірюваних параметрів в реальному часі при довготривалих термінах проведення експериментів (постійно, протягом років, періодичність одиничних вимірів – від секунд до годин). Для мобільних теплових вимірювань при проведенні різних експериментів створений переносний вимірювальний комплекс, що дозволяє одночасно проводити безперервний моніторинг та збереження на ПК даних з 48 датчиків теплового потоку і 48 датчиків температури (ТСМ-50, ТСП-100), або з 48 комбінованих датчиків теплового потоку з вбудованим датчиком температури ТСП-100 (перетворювачі теплового потоку розроблені і виготовлені відділом теплометрії ІТТФ НАН України). В якості додаткового обладнання для мобільних вимірювань в відділі є високоточні цифрові вимірювачі вологості, цифровий термоанемометр, цифровий пірометр і тепловізор. Даний комплект обладнання дозволяє проводити комплексне обстеження теплових характеристик огороджувальних конструкцій будівель і вимірювати температуру повітря всередині і зовні приміщень, а також зовнішньої і внутрішньої поверхні зовнішньої огороджувальної конструкції будівель, напрям і швидкість повітряних потоків, вологість повітря всередині і зовні приміщень, вологість теплоізоляційних матеріалів, що використовуються при термомодернізації або термореновації будівель тощо.

Дослідження енергоефективності вікон в реальних умовах їх експлуатації.

Проблематика дискретно-імпульсного введення і трансформації енергії:

Дослідження пульсаційних потоків, що обертаються, і створення роторно-пульсаційних апаратів

У рамках методології ДІВЕ, а саме на основі дослідження гідродинаміки тепломасообміну і ефектів дроблення в обертових пульсаційних потоках дисперсних рідинних середовищ, розроблено метод розрахунку динамічних характеристик циліндричних роторно-пульсаційних апаратів з різними варіантами компонування робочих органів. Дані апарати, що працюють за принципом дискретно-імпульсного введення енергії, призначені для виробництва дрібнодисперсних емульсій і однорідних сумішей.

Внаслідок низки важливих переваг, що відрізняють їх від традиційних пропелерних мішалок, такі апарати знайшли широке застосування в хімічній, харчовій, фармацевтичній, переробній та інших галузях промисловості і сільського господарства. Розроблений метод дозволяє розраховувати поля швидкості, що періодично змінюються в часі, тиску та температури в робочій зоні апарату (тривалість періоду складає ~ 0,3 ? 10^-3 с), моменти сил гідродинамічного опору, що діють на ротор, а також розміри дисперсних частинок емульсії після її обробки в апараті.

Побудовано метод оптимізації конструкційних характеристик і режимних параметрів апарату в залежності від необхідної продуктивності, кількості споживаної енергії і характеристик готового продукту.

Інтенсифікуюча дія адіабатично скипаючих потоків

Представлений цикл досліджень адіабатично скипаючих потоків у гетерогенних системах. Продуковані на поверхні розділу фаз мікропухирці, при подальшому їх схлопуванні, надають потужний механічний вплив на дисперсії. Як наслідок, інтенсифікуються процеси диспергування і міжфазного тепломасопереносу.

А. А. Долинский, Б. И. Басок, А. И. Накорчевский. Адиабатически вскипающие потоки. Теория, эксперимент, технологическое использование. Киев. Наукова думка, 2001, 208 с.

А. И. Накорчевский, Б. И. Басок. Гидродинамика и тепломассоперенос в гетерогенных системах и пульсирующих потоках. Киев. Наукова думка,2001, 348 с.

Комп’ютерні пакети відділу

Програмний пакет вирішення задач нестаціонарної тепло- і масопровідності на основі експериментально-аналітичних підходів (докт. техн. наук Накорчевський А.І.).
Використання сучасних комерційних пакетів (Phenix, Ansys – Fluent).
Оригінальний програмний пакет вирішення задач гідродинаміки та тепломасообміну (докт. техн. наук Давиденко Б.В.).

Експериментальні стенди:

Експериментальний енергоефективний будинок пасивного типу. (ІТТФ, вул. Булаховського 2).
Полігон (стенд з дослідження) енергоефективних віконних конструкцій в реальних кліматичних умовах експлуатації будівлі протягом багаторічного терміну (1 корп., 2 поверх, північна сторона).
Полігон теплоізолюючих покриттів для різноваріантної термореновації огороджувальних будівельних конструкцій (1 корп., 2 поверх, північна сторона).
Експериментальна теплонасосна установка з горизонтальним ґрунтовим теплообмінником для автономного теплопостачання і кондиціювання (1 корп.).
Полігон експериментальних вертикальних теплообмінників свердловинного типу.
Експериментальна система теплопостачання з автономним використанням теплового насосу «повітря-рідина» (1 корпус, виставка).
Експериментальний індивідуальний тепловий пункт з вмонтованими електрокотлами для автоматизованого регулювання теплопостачанням будівлі ( корпус1 ІТТФ НАНУ, вул. Булаховського 2)
Експериментальна установка індивідуального теплового пункту з гідравлічною стрілкою для автоматизованого регулювання теплопостачанням будівлі (корпус1 ІТТФ НАНУ, вул..Булаховського 2).

Експериментальний вітроагрегат для електропостачання будинку «0» енергії.
Комплекс методик та комплект переносних вимірювальних приладів і устаткування для проведення енергоаудиту будівель і об′єктів енергетики.
Автоматизована портативна метеостанція для визначення параметрів клімату.
Експериментальний блок із 2-х піранометрів оригінальної конструкції для визначення інтенсивності сонячної інсоляції.
Теплонасосна система кліматизації будинку «0-енергії» на основі використання природної та з’акумульованої теплоти ґрунту. Полігон різноваріантних теплообмінників низькотемпературної «водяної підлоги».
Система резервного опалення будинку «0-енергії» на основі використання твердопаливного котла, дооснащеного пілетним пальником.
Система резервного повітряного опалення будинку «0-енергії» на основі використання твердопаливної печі, дооснащеної системою повітряпроводів
Технологічні установки роторно-пульсаційного типу для реалізації процесів диспергування, подрібнення і гомогенізації гетерогенних дисперсних рідинних середовищ.
Система автономного електроживлення від фотогальванічних елементів з акумуляторами.
Система енергоефективною вентиляції на основі рекуперативної вентустановки з догрівом повітря від теплового насосу.
Система термозахисту будівлі на основі грунтових теплообмінників.
Блок для вимірювання теплових характеристик зовнішніх огороджувальних конструкцій та параметрів мікроклімату приміщень будівлі
Експериментальний пелетний пальник потужністю до 15 кВт.