О снижении энергопотребления зданиями и сооружениями и использование энергии от возобновляемых источников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

О снижении энергопотребления зданиями и сооружениями и использование энергии от возобновляемых источников

снижение затрата электрический энергия

В направлениях развития науки технологий во всех странах Мира постоянно поднимаются вопросы использования возобновляемых источников энергии для зданий и сооружений (коммерческого и некоммерческого использования). Для компенсации потерь энергии и снижения зависимости от углеводородных источников сырья и АЭС предлагается использовать возобновляемые источники (солнечную энергию, энергию ветра, геотермальную энергию, волновую энергию и т.д.). Предложения сводятся к рекламе оборудования (солнечные батареи, источники тепла, ветровые агрегаты и т.д.). Энергия, в потребительском смысле слова, представляет собой компенсацию потерь физической энергии отдельных форм движения.

В настоящее время при рассмотрении энергии форм движения ограничиваются рассмотрением:

- консервативных систем методами классической механики (закрытых систем с ограниченным обменом энергии форм движения);

- модельных процессов распределения нагрузок и воздействий;

- процессов и состояний, обратимых во времени.

Ниже представлены некоторые разделы из книги об экспериментальных исследованиях тонкостенных оболочек. Автором сохранена нумерация разделов и рисунков для того, чтобы заинтересованным лицам можно предоставить материалы экспериментальных исследований, которые доказывают необходимость перехода к расчету энергии необратимых неравновесных состояний методами теории открытых систем.

Задачи и направления снижения затрат видов энергии (электрической, тепловой)

В разделе 4.11.7 экспериментальными методами решена задача неравновесного термодинамического состояния системы в потоке воздуха.

Как и в случае определения параметров системы (изменений формы, скоростей и напряженного состояния) для определения функций состояния основой является функция распределения координат и скоростей частиц системы.

С использованием данных экспериментальных исследований рассматривалась эволюция открытой системы в пространстве управляющих параметров.

Особенностями рассмотрения системы, далекой от состояния равновесия, являются:

- не выполнение общих экстремальных принципов, предсказывающих состояния, к которым переходит система;

- отличие от систем в состоянии равновесия (состояния с минимальной свободной энергией) рассмотрением неравновесных систем, состояний и процессов.

Неравновесные системы не всегда развиваются непредсказуемо, и их состояние определяется макроскопическими уравнениями, составленными на основе классической механики и термодинамики. Следует отметить, что в процессе эволюции неравновесные системы переходят в новые состояния, описываемые диссипативно-флуктуационными соотношениями;

- новые состояния систем в процессе эволюции представляют собой упорядоченные состояния, которые обладают пространственно временной организаций (например, складки в зоне активного давления потока).

Примерами упорядоченных состояний являются вихри в потоке, неоднородности в концентрациях и периодические изменения концентраций. Новыми состояниями являются также изменения структуры, симметрии частиц и изменение свойств частиц.

В неравновесных системах возникновение и поддержание упорядоченных состояний обусловлено диссипативными процессами и образованием диссипативных структур.

Из первого начала термодинамики (внутренняя энергия системы - однозначная функция состояния) следует, что внутренняя энергия изменяется только под влиянием внешних воздействий. Изменение внутренней энергии определяется соотношением: , (- работа системы, - теплота, обусловленная изменением параметров системы или температуры).

Из второго начала термодинамики следует, что состояние термодинамического равновесия определяется совокупностью внешних параметров и температуры (или при термодинамическом равновесии все внутренние параметры являются функциями внешних параметров и энергии).

Состояния системы считаются обратимыми, если возможно возвращение системы без изменений в начальное состояние. Процесс перехода системы по состояниям считается необратимым, если невозможно осуществить переходы без изменения в окружающих телах. Мерой необратимости (однозначная функция состояния) является энтропия .

Изменение энтропии определяется соотношением: , ( - изменения потока энтропии, обусловленные взаимодействием с окружающей средой; - изменения потока энтропии внутри системы).

Потому можно записать соотношения, характеризующие обратимость процессов через значения потока энтропии:

- обратимые процессы ;

- необратимые процессы (изолированная система ).

Для равновесного состояния можно записать: , в неравновесном состоянии . Эволюцию к более высокому порядку можно представить как процесс, в котором система достигает состояния с более низкой энтропией по сравнению с начальным значением Рис. 4.11.131 - 134. По определению И.Р. Пригожина в линейной области система эволюционирует к стационарному состоянию. Состояние характеризуется минимальным производством энтропии, совместимым с граничными условиям. Из диаграмм экспериментальных исследований изменения энтропии в функции управляющего параметра следует, что стационарных состояний системы в потоке может быть счетное множество. Состояние линейной открытой системы с независимыми от времени краевыми условиями всегда изменяется в направлении уменьшения производства энтропии до тех пор, пока не будет достигнуто состояние текущего равновесия, при котором производство энтропии будет минимальным, ( - условие эволюции, - условие текущего равновесия,). Из результатов определения энтропии Рис. 4.11.131 - 134 для одного начального значения УП вытекает:

- изменение производства энтропии , что соответствует эволюционным процессам в системе;

- изменение потока , обусловленное изменениями внутри системы , соответствует необратимым процессам внутри системы.

Иными словами, система находится в неравновесном термодинамическом состоянии.

Экспериментальными исследованиями процесса взаимодействия системы с потоком, включая колебания, установлено, что для частиц одного фазового состояния изменения энтропии носят нелинейный характер и в зоне активного давления потока энтропия имеет экстремальное значение, после достижения которого, энтропия уменьшается. Так как энтропия системы при взаимодействии с потоком не всегда стремится к максимальному значению, то состояние системы не может быть отнесено к стационарному состоянию.

Экспериментальными исследованиями установлено, что в системе имеют место процессы:

- диффузии, вызванные:

- инфильтрацией воздуха внутреннего объема;

- изменением пространственно-временных концентраций;

- турбулентностью потока вблизи поверхности оболочки и перемешиванием слоев потока в результате изменения формы тела;

- трения, определяемые:

- изменением структуры материала;

- изменением шероховатости поверхности;

- изменениями температуры поверхности оболочки.

Эти процессы и колебания частиц в потоке вызывают процессы диссипации (рассеяния).

Диссипативные процессы в системе проявляются в виде:

- перехода механической энергии в другие формы движения энергии (электрические поля, теплоту и т.д.) за счет наличия сил сопротивления среды;

- обмена системы со средой веществами, концентрациями и информацией;

- рассеяния импульсов потока за счет сил сопротивления среды.

Возникновение и поддержание организованных неравновесных состояний (диссипативных структур) обусловлено диссипативными процессами и флуктуациями.

Таким образом, экспериментальные исследования определяют процессы, происходящие в системе, как неравновесные и необратимые.

В настоящее время классической механикой определяются энергия консервативных систем в состоянии термодинамического равновесия. Считается, что остаются неизменными по времени макроскопические величины системы в условиях изолированности окружающей среды. Гипотеза не означает, что переменные состояния остаются постоянными, но они флуктуируют вблизи своих средних значений. Считается, что для локального состояния в практических ситуациях система (физическая или химическая) находятся при постоянном давлении или температуре или одновременно при постоянном значении обоих параметров. Положительное значение энтропии , вызванное частичными необратимыми процессами, рассматривается как эволюция некоторых термодинамических функций к экстремальному значению.

Классическая механика рассматривает энергии обратимых во времени процессов. Баланс энергии учитывает формы энергии системы в состоянии равновесия и виды энергии отдельных форм движения (кинетическая и потенциальная энергия тела, диссипативная энергия и т.д.). В Природе состояния термодинамического равновесия отсутствуют, состояние считается модельным при проектировании.

Равновесная термодинамика рассматривает циклические термодинамические процессы обратимые во времени.

Неравновесные процессы и состояния систем рассматриваются теорией открытых системам.

Полная энергия системы должна определяться соотношением и возможностью перераспределения форм энергии, при условии (- внутренняя энергия).

Составляющие полной энергии должны быть определены в предположении локального равновесия (для термодинамических переменных, определенных элементарным объемом).

Экспериментально для каждого состояния и частицы определялось значение времени, позволяющее принимать состояния близкие к состоянию равновесия.

Понятия, принятые в показателях для техники (долговечность, надежность, теплообмен, количество электроэнергии и т.д.) являются различными формами энергообмена.

Виды энергии (механическая, внутренняя, диссипативная) отражают виды энергообмена внутри одной и той же формы движения.

Изменение полной энергии системы равно и противоположно по знаку противодействию системы, определяемой суммой противодействий отдельным видам энергии.

Во всех странах постоянно поднимаются вопросы снижения энергетических нагрузок в зданиях и сооружениях.

В настоящее время вопросы снижения энергетических нагрузок решаются в виде:

- создания и реализации новых видов материалов и конструкций, обеспечивающие уменьшение затрат энергии;

- снижения потребления энергии от стационарных магистральных источников и компенсация энергетических затрат путем использования систем, работающих от возобновляемых источников энергии.

Так в США [14] программой определена исследовательская задача о реализации на коммерческой основе к 2005 г. зданий нулевой энергии (Zero-Energy Buildings, ZEBs). Программа в основном предполагает снижение энергетических нагрузок (в потребительском понятии термина) до такого уровня, чтобы остаточные процессы полностью покрывались за счет возобновляемых энергетических ресурсов (энергия солнца, ветра и т.д.).

Подход к определению энергетических нагрузок остается прежним, соответствующим основным постулатам классической механики (термодинамическое равновесие).

Из подхода к определению энергетических нагрузок следует:

- баланс энергии, тепла и т.д. определяется для консервативных систем в состоянии термодинамического (глобального) равновесия;

- неравновесные процессы и эволюция систем во времени не рассматриваются;

- действие управляющих параметров на распределение энергий физической системы не рассматриваются;

- при определении баланса не учитываются процессы обмена веществом и не учитываются перераспределения видов энергии по процессам и времени, но делаются гипотезы о сроках службы систем и эффективности систем;

- не учитываются виды и способы передачи энергии между различными формами движения энергии.

При расчете долговременной прочности зданий и сооружений, а также их элементов:

- нагрузка принимается по максимальным значениям циклических воздействий за период 25 -50 лет с учетом коэффициентов сочетаний, коэффициентов надежности и обеспеченности;

- масса элементов принимается с учетом коэффициентов безопасности при кратковременной и длительной эксплуатации.

- системы и их элементы подчиняются принципам суперпозиции.

Связь механических и тепловых воздействий осуществляется с помощью коэффициентов линейного и объемного расширения и соответствующих постоянных термодинамических коэффициентов.

При составлении баланса энергии принимается гипотеза о сохранении энергии, отсутствии передачи по видам механической энергии системы. При определении кинетической и потенциальной энергии скорости движения среды принимаются по значениям скоростей на бесконечно большом расстоянии от поверхности. Процессы диффузии и влияние трения, как правило, не рассматриваются.

Аэродинамические (гидродинамические) коэффициенты принимаются для упрощенного модельного состояния без флуктуаций. Нагрузка от потока среды, в основном, принимается стационарной. Обмен веществом и информацией отсутствует.

При определении массы элементов здания и сооружения при расчете напряженно-деформированного состояния принимается коэффициент безопасности, определяемый как .

В результате масса возрастает от 5 до 20 раз по сравнению с требуемыми массами по условиям прочности и деформативности.

В результате подхода к расчету ветровых нагрузок [15] на здания и сооружения за расчетное состояние принимается максимальная скорость ветра (превышение над средним значением до 5 раз) с соответствующими значениями коэффициентов надежности или обеспеченности (коэффициент 4).

Таким образом, в расчете полной механической энергии системы расчетная скорость ветра до 20 раз превышает среднее значение ветра.

Расчетное значение полной механической энергии по отношению к механической энергии, обеспечивающей работоспособность системы при средних значениях воздействий, увеличивается от 250 до 4000 раз.

При составлении баланса тепла процессы считаются стационарными.

Распределение температур по поверхности и концентраций считаются однородными (все классы имеют одинаковую частоту и одинаковую степень вероятности). График распределения - прямоугольник.

Ориентировочное значение превышения расчетного вида температурного воздействия над средним значениям распределения температур составляет от 30 до 120 раз.

Напомним, что для системы, находящейся в термостате с заданной температурой виды энергий в неравновесном состоянии определяется соотношениями:

- свободная энергия: ;

- внутренняя энергия:

- связанная энергия неравновесного состояния:

где: - энергия термодинамической системы;

- энтропия;

- распределение скоростей при постоянных значениях координат частиц (тело не меняет формы);

.

В таблице 4.11.13 приводятся превышения расчетных значений (для зданий и сооружений с учетом максимальных воздействий и долговременной работы) для термодинамических характеристик от уровня фактических значений этих характеристик.

Таблица 4.11.13.

Характеристика	Превышение значений
	min	max
m	5	20
v	10	20
E	750
U
T
S	8,5	60

В соответствии с энергодинамической системой физических величин и понятий (ЭСВП) [12, 13] схема распределения энергии по видам, формам движения и уровням рассмотрения представляется схемой Рис. 4.11.172.

Рис. 4.11.172. Схема ЭСВП (возникла в 1851 г. После введения У. Томсоном Кельвином понятия внутренняя энергия)

На Рис. 4.11.172 связи между полной энергией и видами (составными, аддитивными частями) указаны сплошными линиями.

Связи штриховые относятся к дополнениям классификации Гиббса.

Связи штрихпунктирные относятся к дополнениям классификации Гельмгольца.

Связи точечные относятся к дополнениям Гиббса и Гельмгольца.

Все виды связей применимы только для равновесных процессов. В случае неравновесных процессов связи по схеме ЭСВП рассматриваются для локального равновесного состояния.

В неравновесных состояниях связи обратимые с перераспределением между видами и формами энергии между видами одного уровня.

Уровни рассмотрения:

Уровень 1. Полная энергия системы как целого (SIGMA, s) - сумма внешней и внутренней энергии системы. Полная энергия системы рассматривается (по В.А. Эткину) как сумма инергии (превратимой части) и анергии (непревратимой части)

Уровень 2. Составные части энергии системы как целого.

Внешняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергий системы как целого (эти виды энергии в сумме составляют механическую энергию системы в целом).

Внутренняя энергия системы - энергия системы, зависящая от внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.

Энтальпия системы (теплосодержание) определяется суммой внутренней энергии системы и работы взаимодействия со средой.
Уровень 3. Структура системы по видам энергии.

Механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) энергии системы. Внутренняя энергия системы.

Работа сил взаимодействия со средой .

Свободная энтальпия Гиббса , ( - связанная энергия (произведение температуры и энтропии )).

Уровень 4. Виды энергии системы как целого.

Механическая энергия упорядоченных движений (кинетическая и потенциальная ). Свободная энергия (работоспособная часть внутренней энергии) системы. Связанная энергия системы (часть внутренней энергии, связанная с хаотическим движением составляющих систему частиц или обесцененная часть энергии)

Уровень 5. Формы энергии системы (механическая , электрическая , термическая , химическая и т.д.).

Уровень 6. Виды энергии отдельных форм движения (кинетическая, потенциальная, энергия диссипации, энергия превращений). На уровне предусматривается рассмотрение потерь и притоков энергии и перераспределение энергии между формами движения.

Программа строительных технологий департамента энергетики США (Department of Energy, DOE) рассматривает распределение энергии по видам, соответствующие уровню 5.

Аналогичные работы ведутся во всех странах ЕС и России и, практически близки по подходу.

Под снижением энергопотребления в программе понимается контроль и регулирование поступления и расхода энергии (части форм движения энергии) при условии создания требуемых микроклиматических параметров в зависимости от условий внешней среды и технологических условий использования зданий. Однако направления исследований не учитывают изменений энтропии неравновесного состояния и роли внутренней энергии системы, которые возникнут в результате внедрения зданий с нулевой энергией (зданий с дополнительным подводом энергии от возобновляемых источников).

В общем виде структура энергетического баланса здания (сооружения) [16] связана вопросами теплообеспечения (охлаждения), освещения и использования возобновляемых источников энергии как инструмента уменьшения энергопотерь. Уменьшение энергетических потерь связано с использованием тепла солнечной радиации, применением тепловых насосов, абсорбционных систем и использованием систем с регенерацией тепла, т.е. разработке мероприятий и технических систем и устройств, которые компенсировали потери энергии, возникающие в зданиях и сооружениях вследствие существующих методов расчетов энергетического баланса.

Направление ZEBs предусматривает изменение внутренней энергии (энтропии, свободной) системы путем изменений за счет внешних дополнительных источников, что в конечном итоге должно отразиться на величинах и перераспределениях энергии на уровне форм движения.

Внедрение зданий ZEBs по мнению разработчиков проекта должны снизить энергетические затраты магистральных сетей и в некоторых случаях обеспечить возврат форм энергии в магистральные сети.

Рассмотрение устройств для зданий ZEBs показывает, что эти устройства могут привести:

- к увеличению финансовых затрат на системы энергоснабжения от возобновляемых источников и облуживание этих систем;

- к изменению параметров состояния систем в физическом пространстве и изменениям энергии диссипации;

- к увеличению числа и структуры необратимых процессов в системах.

Поэтому внедрение зданий ZEBs требует изменений методики расчета термодинамических неравновесных состояний.

Одним из направлений, предусматривающих сокращения потерь видов энергии отдельных форм движения, связаны с изменением подхода к определению физических видов энергии с использованием энергодинамической системы физических величин и понятий (ЭСВП) и физики открытых систем и основаны на исследованиях.

Направление предполагает для неподвижных структур (зданий и сооружений) при расчете баланса энергии учитывать не только полную механическую энергии системы, но и внутреннюю энергию, которая отражает способность системы выполнять работы.

Направление предполагает рассматривать не модельные равновесные процессы, а неравномерные термодинамические процессы и состояния.

Эти направления, согласно выполненным экспериментальным исследованиям, приводят к целесообразности рассмотрения:

- неравновесных термодинамических состояний системы и среды;

- эволюции систем с учетом изменения управляющих параметров;

- изменений систем и среды, связанных процессами, необратимыми по времени.

В основу расчета состояний должны быть положены:

- технологический регламент ТР. ЗАО НПП «Хитон» 2005;

- еврокоды DIN EN;

- СТО 36554501-015-2008 и т.д.

Переход к методам расчета с использованием «Теории открытых систем» предусматривает следующее:

- системы считаются неоднородными и находятся в неравновесном термодинамическом состоянии (структура системы и материалы изменяются во времени);

- нагрузки и воздействия считаются случайными, нестационарными;

- в течение срока службы система обменивается со средой энергией, веществом и информацией (информация может вызвать изменение и перераспределение энергии упорядоченных движений и энергии неравновесных состояний);

Исследования ведутся в направлении, чтобы соотношение .

Исследования оболочек в потоке АДТ показали направление решения задачи исследований путем рассмотрения функций распределения для неравновесных термодинамических состояний с учетом обратимых и необратимых процессов, использовании функций управляющих параметров и решения управляющих уравнений эволюции системы во времени. Открытые системы не исключают рациональное использование энергии любых видов источников. Сокращение затрат энергии обеспечивается более точным расчетом природных процессов в функции времени.

Размещено на Allbest.ru