Дисертації (АЕМК)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Перегляд Дисертації (АЕМК) за Автор "Яшин, Роман Вікторович"
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Результатів на сторінці
Налаштування сортування
Документ Відкритий доступ Розгалужена електромеханічна система напірного переміщення рідини з інтегрованими насосними агрегатами(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Яшин, Роман Вікторович; Попович, Олександр Миколайович; Лістовщик, Леонід КостянтиновичЯшин Р.В. Розгалужена електромеханічна система напірного переміщення рідини з інтегрованими насосними агрегатами. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (14 – Електрична інженерія). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2025. Загальносвітова тенденція на зростаючі потреби в електроенергії та воді вимагає розробки та впровадження енерго- та ресурсоефективних технологій в тому числі і в сфері будівництва багатоповерхових будинків різного призначення (житлові, комерційні, промислові тощо). Оскільки прогнозується, що кількість житлових багатоповерхових будинків, а також їх висотність буде зростати найближчі два десятиліття, для дослідження було обрано системи водопостачання багатоповерхових житлових будинків підвищеної енергетичної ефективності, а саме – електромеханічні системи (ЕМС) паралельного зонного водопостачання. В першому розділі розглянуто загальносвітові тенденції зміни потреб у воді та електроенергії у наступні 25 років. У сфері багатоповерхового будівництва тенденції розвитку пов’язані із збільшенням потреб у воді і енергії внаслідок зростання кількості населення планети та збільшення частки міського населення. За прогнозами до 2050 року очікується приріст населення на рівні 20%, при цьому доля міського населення збільшиться з 56% (дані на 2023 р.) до 70% у 2050. Зростання потреб людства у воді найближчі 25 років оцінюється в 1% кожен рік. Збільшення попиту на електроенергію торкнеться багатьох сфер: промисловість, дата-центри, транспорт тощо. Окрім цього очікується, що до 2050 р. потреба домогосподарств в електричній енергії зросте на 75%. Оскільки населення міст буде зростати, очікується і зростання висоти будинків. Отже зросте потреба у воді, а оскільки системи водопостачання є потужними споживачами електроенергії, зросте потреба і в електроенергії. Розглянуто різні системи водопостачання багатоповерхових будинків та підходи до зменшення енергоспоживання. Найбільш розповсюдженою системою водопостачання в Україні є система, за якою вода подається до споживачів по одному стояку Перевагою такої системи є простота. Але у випадках коли кількість поверхів у будинках обчислюється десятками, системи з одним стояком стикаються з такими труднощами: потребують дорогих потужних високонапірних насосних агрегатів; відповідно потребують обладнання, що повинно витримувати і працювати в умовах великих тисків в системі; великі тиски призводять до зростання витоків; зростає ймовірність виникнення аварійних ситуацій. Іншими типами систем водопостачання багатоповерхових будинків є: системи з проміжними баками на поверхах (каскадні системи водопостачання); системи водопостачання з баком на даху будівлі; системи паралельного зонного водопостачання. Ключовим елементом наведених вище електромеханічних систем водопостачання є – насосні агрегати (НА). Встановлено, що для систем водопостачання багатоповерхових будинків, в переважній більшості випадків, використовуються НА до складу яких входять відцентрові насоси та асинхронні двигуни. Поширене використання відцентрових насосів обумовлено їх високим ККД, простотою з’єднання з електродвигуном, плавною подачею води, відносною простотою конструкції. В свою чергу асинхронні двигуни (з короткозамкненим ротором) мають також певні переваги: високий ККД, відносна простота конструкція, висока надійність, відносно невелика вартість. В другому розділі представлено розроблені математичні моделі. Побудовано математичну модель для виконання розрахунків електромеханічних систем паралельного зонного водопостачання багатоповерхових будинків. Розроблені моделі також дають можливість здійснювати порівняльні дослідження системи паралельного зонного водопостачання із системами водопостачання з одним стояком. Для порівняння обох систем використано коефіцієнт енергетичної ефективності. Оскільки було встановлено, що надлишковий тиск в системі водопостачання впливає на витрати, було проведено уточнення математичної моделі: отримано рівняння що дозволяють врахувати вплив надлишкових тисків. На базі припущення, що завдяки зменшенню надлишкових тисків у системі водопостачання при застосуванні системи паралельного зонного водопостачання замість ЕМС з одним стояком, зменшиться і витрата в такій системі, було отримано рівняння коефіцієнта ефективності: запропонований коефіцієнт ефективності дає змогу оцінювати як енергетичну ефективність системи водопостачання так і ресурсну (іншими словами – економію електроенергії та води). При порівнянні двох систем водопостачання, запропонований коефіцієнт ефективності дає змогу надати оцінку ефективності як у відносних одиницях, так і гривневому еквіваленті (розрахунок на базі вартості води та електроенергії). На основі проведеного уточнення щодо впливу надлишкового тиску на витрати, покращено математичну модель, розроблену для виконання розрахунків електромеханічних систем паралельного зонного водопостачання багатоповерхових будинків. Даний підхід дозволив більш точно розраховувати параметри ЕМС паралельного зонного водопостачання багатоповерхових будинків що складаються з двох та трьох паралельних стояків. В третьому розділі проведено дослідження на основі розроблених математичних моделей. Порівняно енергоефективність ЕМС з одним стояком із системою паралельного зонного водопостачання: встановлено що електромеханічна система водопостачання багатоповерхового будинку із двома паралельними стояками споживає на 30 % менше енергії, за систему з одним стояком, що є наслідком зменшення надлишкового напору та втрат у двигуні. Проведено дослідження впливу надлишкового тиску в системі водопостачання на витрат. Дослідження виконано для семиповерхового будинку. Розрахунки показали, що надлишкові тиски, є причиною того, що за однакової потреби у воді, різниця споживання між першим та сьомим поверхом може становити 9%. Результат дослідження змусив переглянути підхід до розрахунківЕМС водопостачання що базуються на припущенні рівності споживання за поверхами; крім того, дане дослідження спонукало до перегляду розрахунку коефіцієнту ефективності. Отже було розроблено новий підхід до оцінки ефективності ЕМС водопостачання. Було проведено порівняння ефективності ЕМС з одним стояком із системами паралельного зонного водопостачання, що складалися з двох та трьох стояків. Встановлено, що по відношенню до ЕМС з одним стояком, ЕМС паралельного зонного водопостачання з двох стояків забезпечує економію 4% води і 25% електроенергії з їх співвідношенням у грошовому виразі – 6:1; а ЕМС паралельного зонного водопостачання з трьох стояків забезпечує економію 32.97% електроенергії та 5.11% води і співвідношення економії води та електричної енергії в грошовому еквіваленті становить 6,4/1 (відповідно до вартості води та електроенергії станом на перший квартал 2024 року для споживачів Києва). За первинними капітальними витратами системи паралельного зонного водопостачання є дорожчими за систему з одним стояком (за рахунок додаткового насосного агрегату, труб, супутнього обладнання та інш.), і щоб рекомендувати їх для впровадження замість систем водопостачання з одним стояком, у четвертому розділі було проведено розрахунки терміну окупності систем паралельного зонного водопостачання. Аналіз тарифної політики, врахування збільшення капітальних витрат за рахунок застосування додаткового обладнання та розрахована економічна ефективність від впровадження систем паралельного зонного водопостачання показали, що за умов впровадження системи паралельного зонного водопостачання замість системи з одним стояком терміни повернення коштів, витрачених на додаткове обладнання становлять: 14 місяців для системи паралельного зонного водопостачання, що складається з двох стояків; 15 місяців для системи паралельного зонного водопостачання, що складається з трьох стояків. Прогнозована розрахункова ефективність від впровадження системи з двома паралельними стояками порівняно із системою з одним стояком за десять років роботи склала 5,06 млн. грн., при розрахунковій вартості системи з двома паралельними стояками 1,05 млн. грн.; розрахункова ефективність від впровадження системи з трьома паралельними стояками порівняно із системою з одним стояком за десять років роботи склала 7,3 млн. грн., при розрахунковій вартості системи з трьома паралельними стояками 1,25 млн. грн. Розрахунки наведені для умов дванадцятиповерхового будинку, який було використано для дослідження у третьому розділі. Результати проведеного дослідження вказують на те, що застосування систем паралельного зонного водопостачання у багатоповерхових будинках є ефективним і актуальним рішенням в умовах зростаючого попиту на електроенергію та зростаючу потребу у воді. У п’ятому розділі проведено ряд досліджень спрямованих на: розробку насосного агрегату спеціалізованої конструкції з метою підвищити ефективність систем паралельного зонного водопостачання багатоповерхових будинків. Проаналізовано різні конструкції відцентрових насосів. Запропоновано конструкцію насосного агрегату двостороннього входу з інтегрованим електродвигуном з тороїдним статором. Основними перевагами запропонованого насосного агрегату є: надійність конструкції та простота складання; знижений рівень шуму; герметичність конструкції; ефективне охолодження (що збільшує довговічність роботи пристрою); та високий ККД обумовлений зменшення об’ємних втрат (за рахунок зменшення перетоків і мінімізації можливості виникнення витоків через герметичність конструкції) та зменшенням втрат електричної енергії. Наукова новизна дослідження полягає у наступному: 1. Розроблено математичну модель комплексного дослідження економії електроенергії та води в електромеханічних системах водопостачання багатоповерхових будинків завдяки зниженню надлишкових напорів за застосування паралельного зонного водопостачання, яка враховує зміни водоспоживання поверхів в залежності від величини надлишкових тисків і включає рівняння втрат напору у розгалуженій гідравлічній системі трубопроводу водопостачання багатоповерхового будинку. 2. Запропоновано, обґрунтовано і застосовано концепцію розрахунку параметрів робочих режимів електромеханічних систем водопостачання багатоповерхових будинків на основі визначення «потреби у воді» окремих користувачів (груп користувачів) і її врахування за зміни структури системи, що дає можливість більш точно виконати порівняльну оцінку енергетичної і ресурсної ефективності варіантів систем водопостачання. 3. Запропоновано використання коефіцієнту комплексної ефективності системи, який на відміну від відомих, дозволяє врахувати енергетичну і ресурсну ефективності за ціновим еквівалентом, що дало можливість визначити закономірності зміни ефективності електромеханічних систем водопостачання багатоповерхових будинків за застосування паралельного зонування: зменшення споживання електроенергії до 33 %, а споживання води до 5 % за перевищення економічного ефекту від зменшення споживання води над економією електроенергії до 6 разів. 4. Обгрунтовано застосування спеціалізованого насосного агрегату системи паралельного водопостачання, який на відміну від відомих, одночасно забезпечує всі паралельні стоякі, що збільшує ККД асинхронного двигуна внаслідок збільшення його габаритної потужності, забезпечує зниження втрат в обмотках двигуна за інтенсифікації охолодження, компенсацію осьових зусиль робочих коліс насосу із зниженням втрат у підшипниках і внаслідок перетоків рідини. Практичне значення полягає у наступному. Розроблена математична модель дає змогу: порівняти ефективність різних систем водопостачання багатоповерхових будинків за показниками енерго- та ресурсоефективності; оцінити величину економії, виражену в гривнях відповідно до діючої вартості води та електроенергії; розрахувати терміни окупності як застосованого додаткового обладнання, необхідного для побудови систем паралельного зонного водопостачання, так і системи водопостачання в цілому. Отримані результати вказують на те, що впровадження системи паралельного зонного водопостачання замість системи водопостачання з однимстояком дозволяє зекономити як електроенергію так і воду; також отримана економія дозволить компенсувати додаткові витрати, пов’язані із збільшенням вартості системи з паралельними стояками по відношенню до системи з одним стояком (труби, насосний агрегат тощо) і повністю повернути кошти, витрачені на створення системи водопостачання. Запропоновано конструкцію насосного агрегату спеціальної конструкції, застосування якого підвищить ефективність систем паралельного зонного водопостачання. Основними перевагами розробленого насосного агрегату є: надійність конструкції та простота зборки; понижений рівень шуму; герметичність конструкції; ефективне охолодження (що збільшує довговічність роботи пристрою); високий ККД обумовлений як зменшенням втрат електричної енергії так і зменшення об’ємних втрат. Завдяки свої характеристикам даний насосний агрегат може бути задіяних і в інших сферах побуту, промисловості, агросекторі. За застосування паралельного зонного водопостачання зменшуються надлишкові тиски у системі, що зменшує вірогідність виникнення аварійних ситуацій та наслідків, до яких вони призводять (втрата води, псування майна, припинення водопостачання споживачам тощо). Практичне значення полягає в отриманій можливості кількісного обґрунтування рекомендацій з економії водних ресурсів та електроенергії за умови впровадження систем паралельного зонного водопостачання.