Розгалужена електромеханічна система напірного переміщення рідини з інтегрованими насосними агрегатами
| dc.contributor.advisor | Попович, Олександр Миколайович | |
| dc.contributor.advisor | Лістовщик, Леонід Костянтинович | |
| dc.contributor.author | Яшин, Роман Вікторович | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-27T09:05:14Z | |
| dc.date.available | 2025-06-27T09:05:14Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Яшин 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. | |
| dc.description.abstractother | Yashyn R.V. Branched electromechanical water supply system of pressure movement of fluid with integrated pumping units. - Qualification scientific work on the rights of a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in speciality 141 ‘Electric power engineering, electrical engineering and electromechanics’ (14 - Electrical engineering) - National Technical University of Ukraine ‘Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute’, Kyiv, 2025. The global trend of growing demand for electricity and water requires the development and implementation of energy and resource efficient technologies, including in the construction of multi-storey buildings for various purposes (residential, commercial, industrial, etc.). Since it is predicted that the number of residential multistorey buildings and their height will increase over the next two decades, the study selected water supply systems for multi-storey residential buildings with increased energy efficiency, namely, electromechanical parallel zone water supply systems. The first section discusses global trends in water and electricity demand over the next 25 years. In the field of multi-storey construction, development trends are associated with an increase in water and energy demand due to the growth of the world's population and the growing share of urban population. According to forecasts, the population is expected to grow by 20% by 2050, with the share of urban population increasing from 56% (as of 2023) to 70% in 2050. The growth of humanity's water needs over the next 25 years is estimated at 1% per year. The increase in demand for electricity will affect many areas: industry, data centres, transport, etc. In addition, household electricity demand is expected to increase by 75% by 2050. As urban populations continue to grow, the height of buildings is expected to increase. This will increase the need for water, and as water systems are large consumers of electricity, the need for electricity will also increase. Different water supply systems for multi-storey buildings and approaches to reducing energy consumption are considered. The most widespread water supply system in Ukraine is the system where water is supplied to consumers via a single riser. The advantage of this system is its simplicity. However, in cases where the number of floors in buildings is in the tens, single riser systems face the following difficulties: they require expensive powerful high-pressure pumping units; they require equipment that must withstand and operate under high system pressures; high pressures lead to increased leakage; and the likelihood of emergencies increases. Other types of water supply systems for multi-storey buildings are: systems with intermediate tanks on the floors (cascade water supply systems); water supply systems with a tank on the roof of the building; parallel zone water supply systems. The key element of the above electromechanical water supply systems is pumping units (PU). It has been established that for water supply systems of multistorey buildings, in the vast majority of cases, pumping units consisting of centrifugal pumps and asynchronous motors are used. The widespread use of centrifugal pumps is due to their high efficiency, ease of connection to an electric motor, smooth water supply, and relative simplicity of design. In turn, asynchronous motors (with a squirrelcage rotor) also have certain advantages: high efficiency, relative simplicity of design, high reliability, and relatively low cost. The second section presents the developed mathematical models. A mathematical model has been built to perform calculations of electromechanical systems of parallel zone water supply of multi-storey buildings. The developed models also make it possible to carry out comparative studies of the parallel zone water supply system with water supply systems with a single riser. The energy efficiency coefficient was used to compare both systems. Since it was found that overpressure in the water supply system affects flow rates, the mathematical model was refined: equations were obtained to take into account the impact of overpressure. Based on the assumption that due to the reduction of excessive pressures in the water supply system when using a parallel zone water supply system instead of an EMS with a single riser, the consumption in such a system will also decrease, the equation of the efficiency coefficient was obtained: the proposed efficiency coefficient allows assessing both the energy efficiency of the water supply system and the resource efficiency (in other words, electricity and water savings). When comparing two water supply systems, the proposed efficiency coefficient allows to assess the efficiency both in relative units and in hryvnia equivalent (calculation based on the cost of water and electricity). Based on the refinement of the influence of overpressure on flow rates, the mathematical model developed for calculating electromechanical systems of parallel zone water supply of multi-storey buildings was improved. This approach made it possible to more accurately calculate the EMC parameters of the parallel zone water supply of multi-storey buildings consisting of two and three parallel risers. In the third section, a study based on the developed mathematical models is carried out. The energy efficiency of a single-riser EMS with a parallel zone water supply system was compared: it was found that the electromechanical water supply system of a multi-storey building with two parallel risers consumes 30 % less energy than a system with a single riser, which is a consequence of reducing the excessive pressure and losses in the motor. A study of the effect of excessive pressure in the water supply system on the flow rate was carried out. The study was carried out for a seven-storey building. The calculations showed that excessive pressures are the reason why, with the same water demand, the difference in consumption between the first and seventh floors can be 9%. The results of the study led to a revision of the approach to water supply EMC calculations based on the assumption of equal consumption by floor; in addition, this study prompted a revision of the calculation of the efficiency factor. As a result, a new approach to assessing the EMC efficiency of water supply was developed. The efficiency of a single riser EMS was compared with parallel zone water supply systems consisting of two and three risers. It was found that, compared to the single-standpipe EMS, the two-standpipe parallel zone water supply system saves 4% of water and 25% of electricity with a ratio of 6:1 in monetary terms; and the three-standpipe parallel zone water supply system saves 32.97% of electricity and 5.11% of water, and the ratio of water and electricity savings in monetary terms is 6.4/1 (according to the cost of water and electricity as of the first quarter of 2024 for Kyiv consumers). In terms of initial capital costs, parallel zone water supply systems are more expensive than a single riser system (due to additional pumping units, pipes, associated equipment, etc.), and in order to recommend them for implementation instead of single riser water supply systems, the payback period of parallel zone water supply systems was calculated in Chapter 4. The analysis of the tariff policy, taking into account the increase in capital expenditures due to the use of additional equipment and the calculated economic efficiency of the introduction of parallel zone water supply systems showed that, if a parallel zone water supply system is introduced instead of a single riser system, the payback period for the funds spent on additional equipment is 14 months for a parallel zone water supply system consisting of two risers; 15 months for a parallel zone water supply system consisting of three risers. The projected estimated efficiency from the implementation of a system with two parallel risers compared to a system with one riser for ten years of operation is UAH 5.06 million, while the estimated cost of a system with two parallel risers is UAH 1.05 million; the estimated efficiency from the implementation of a system with three parallel risers compared to a system with one riser for ten years of operation is UAH 7.3 million, while the estimated cost of a system with three parallel risers is UAH 1.25 million. The calculations are based on the conditions of a twelve-storey building, which was used for the study in Chapter 3. The results of the study indicate that the use of parallel zone water supply systems in multi-storey buildings is an effective and relevant solution in the context of growing demand for electricity and the growing need for water. In the fifth section, a number of studies were conducted aimed at: developing a pumping unit of a specialised design in order to increase the efficiency of parallel zone water supply systems for multi-storey buildings. Various designs of centrifugal pumps are analysed. The design of a two-way inlet pump unit with an integrated toroidal stator motor is proposed. The main advantages of the proposed pumping unit are: reliability of construction and ease of assembly; reduced noise level; tightness of construction; efficient cooling (which increases the durability of the device); and high efficiency due to reduced volumetric losses (by reducing flows and minimising the possibility of leakage due to the tightness of the construction) and reduced electrical energy losses. The scientific novelty of the study is as follows: 1. A mathematical model has been developed for a comprehensive study of electricity and water savings in electromechanical water supply systems of multi-storey buildings due to the reduction of excess pressures using parallel zone water supply, which takes into account changes in water consumption of floors depending on the magnitude of excess pressures and includes the equation of pressure losses in the branched hydraulic system of the water supply pipeline of a multi-storey building. 2. The concept of calculating the parameters of the operating modes of electromechanical water supply systems of multi-storey buildings based on determining the "water demand" of individual users (groups of users) and taking it into account when changing the structure of the system has been proposed, substantiated and applied, which makes it possible to more accurately perform a comparative assessment of the energy and resource efficiency of water supply system options. 3. It is proposed to use the coefficient of complex efficiency of the system, which, unlike the known ones, allows taking into account energy and resource efficiency by price equivalent, which made it possible to determine the patterns of changes in the efficiency of electromechanical water supply systems of multi-storey buildings when using parallel zoning: reducing electricity consumption by up to 33%, and water consumption by up to 5%, with the economic effect of reducing water consumption exceeding electricity savings by up to 6 times. 4. The use of a specialized pumping unit of a parallel water supply system is justified, which, unlike the known ones, simultaneously provides all parallel risers, which increases the efficiency of the asynchronous motor due to an increase in its overall power, provides a reduction in losses in the motor windings due to intensification of cooling, compensation of axial forces of the pump impellers with a reduction in losses in bearings and due to fluid overflows. The practical significance is as follows. The developed mathematical model makes it possible to: compare the efficiency of different water supply systems for multi- storey buildings in terms of energy and resource efficiency; estimate the amount of savings expressed in UAH in accordance with the current cost of water and electricity; calculate the payback period of both the additional equipment used to build parallel zone water supply systems and the water supply system as a whole. The results obtained indicate that the introduction of a parallel zone water supply system instead of a single riser water supply system allows saving both electricity and water; the savings will also compensate for the additional costs associated with the increase in the cost of a system with parallel risers compared to a single riser system (pipes, insulation, pumping unit, etc.) and fully recover the funds spent on the creation of the water supply system. A specially designed pumping unit is proposed, the use of which will increase the efficiency of parallel zone water supply systems. The main advantages of the developed pumping unit are: reliability of construction and ease of assembly; reduced noise level; tightness of construction; efficient cooling (which increases the durability of the device); high efficiency due to both reduction of electrical energy losses and reduction of volumetric losses. Due to its characteristics, this pumping unit can be used in other areas of everyday life, industry, and the agricultural sector. The use of parallel zone water supply reduces excessive pressures in the system, which reduces the likelihood of emergencies and the consequences they lead to (loss of water, damage to property, interruption of water supply to consumers, etc.) The practical significance lies in the possibility of quantitative substantiation of recommendations for saving water resources and electricity in the case of implementation of parallel zone water supply systems. | |
| dc.format.extent | 150 с. | |
| dc.identifier.citation | Яшин, Р. В. Розгалужена електромеханічна система напірного переміщення рідини з інтегрованими насосними агрегатами електростанції : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Яшин Роман Вікторович. – Київ, 2025. – 150 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74479 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | електромеханічні системи | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | системи водопостачання | |
| dc.subject | зонне водопостачання | |
| dc.subject | асинхронний двигун | |
| dc.subject | паралельне зонування | |
| dc.subject | ефективність споживання енергії і води | |
| dc.subject | water supply systems | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | zone water supply | |
| dc.subject | electromechanical systems | |
| dc.subject | efficiency of energy and water consumption | |
| dc.subject | asynchronous motor | |
| dc.subject | parallel zoning | |
| dc.subject.udc | 628.12-83:[621.67+621.313.33](043.3) | |
| dc.title | Розгалужена електромеханічна система напірного переміщення рідини з інтегрованими насосними агрегатами | |
| dc.title.alternative | Branched electromechanical water supply system of pressure movement of fluid with integrated pumping units | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: