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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

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 работы экспериментальных исследований тонкостенных оболочек изменяемой формы под действием нагрузок.

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 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 локального 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.

	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. энергетический термодинамический воздух диссипативный

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 баланса энергии 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.



Литература

1. А.В. Погорелов. Дифференциальная геометрия. М. Наука, 1969

2. Ш.М.Коган. Низкочастотный токовый шум со спектром 1/f в твердых телах. УФН, т.145,в.2,с 285. М., 1985

3. А.Я. Хинчин. Работы по теории массового обслуживания. М. Физматгиз, 1963, -236 с.

4. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика, Т2. М. Наука, 1990.

5. Е.С. Вентцель. Теория вероятностей. М. Высшая школа, 1999.

6. А.А. Свешников. Прикладные методы теории случайных функций. М. Наука, 1968.

7. К. Шеннон. Работы по теории информации и кибернетике. М. Изд. ИЛ, 2002

8. Ю.Л. Климонтович. Введение в физику открытых систем. М., Янус-К, 2002

9. В.В. Васильев. Механика конструкций из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1988.

10. Ю.Л. Климонтович. Статистическая теория открытых систем, Т1., Янус-К, 1995

11. И.Ш. Коган. Систематизация и классификация определений и дополнений к понятию «энергия». Автоматизация и IT в энергетике (журнал АВИТЭ). 2-3.с.с. 56-63, 2009.

12. И.Ш. Коган. Обобщение и систематизация физических величин и понятий. Хайфа. 207 с., 2006.

13. В.А. Эткин. Термодинамика неравновесных процессов переноса и преобразования энергии. Саратов. СГУ, 1991

14. U.S. Department of Energy. 2005. «Building Technologies Program Research, Development, Regulatory and Market Introduction Plan: Planed Activities for 2006-2011. www.eere.energy.gov/buildings/

15. Э.Симиу. Р.Х. Скандлан. Воздействия ветра на здания и сооружения. М., Стройиздат. 1994.

16. Энергетический баланс здания. Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», №6. 2011. www.esco-ecosys.narod2.ru.

Размещено на Allbest.ru