Исследование эффективности использования энергии системами вентиляции и кондиционирования воздуха с помощью эксергетических показателей

Сегодня одной из важнейших задач, ставящихся перед всеми инженерными системами и оборудованием, в том числе и системами вентиляции и кондиционирования являются задачи экономии энергетических ресурсов «энергосбережения». В нашей стране ежегодно строится и реконструируется большое количество зданий, в которых предполагается устройство систем вентиляции и кондиционирования воздуха, тогда как работа этих систем занимает одно из первых мест среди энергопотребляющих отраслей и приводит к значительным потерям энергии различного вида (электрической, тепловой и т. д.).

В настоящее время существует острая необходимость в критериях и показателях, на основании, которых и предполагается производить оценку эксергетической эффективности, наряду с широко используемым в настоящее время понятиями термодинамической, экономической, технико-экономической, термо-экономической эффективности.

В целом эффективность энергосберегающих мероприятий зависит не только от конструктивных особенностей энергосберегающей системы, но и правильного учета объема полезной экономии теплоты получаемого в результате осуществления энергосберегающих мероприятий в конкретном районе эксплуатации энергосберегающей системы. Для определения наиболее оптимального варианта проекты энергосберегающих систем следует разрабатывать на основе многовариантных решений, а выбор наиболее эффективного варианта производить путем сравнительной оценки основных показателей с базовым вариантом.

При оценке энергетической эффективности здания требуется добиваться снижения энергопотребления в каждом из звеньев его цепи, осуществляя при этом комплексный подход, рассматривая здание как единую энергетическую систему и применяя соответствующую систему показателей для оценки технико-, термо- и энергоэкономической эффективности.

Для оценки эффективности использования энергии в различных процессах, установках, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, многими авторами предложены энергетический и эксергетический коэффициент полезного действия (к.п.д.), для расчета которых нужно разработать идеализированный (идеальный) аналог исследуемого процесса и определить минимально необходимые (теоретические) затраты энергии/эксергии на его осуществление.

Однако оценку эффективности использования энергии только на основании энергетического к. п.д. Не представляется возможной, так как он не учитывает качества соотносимых форм энергии (он пригоден для оценки степени совершенства технических систем, к которым подводится и в которых получается в виде целевого продукта только безэнтропийная энергия). Он не учитывает различное качество затраченной рассматриваемым объектом и полученной в нем целевой энергии.

В виду того, что на данный момент не существует единого показателя, с помощью которого можно судить об эффективности использования энергии во всех элементах вентиляции и кондиционирования, не представляется возможности судить об эффективности этих систем в целом, а существующие на данный момент общепринятые методы и величины, применяемые для оценки термодинамической эффективности в других областях науки иногда возможно использовать для отдельных частей оборудования систем вентиляции и кондиционирования, но они не применимы для данных систем в целом.

Кроме того, анализ современных сложных схем энергоиспользующих установок затрудняется тем обстоятельством, что каждый тип установки имеет обилие многообразных к. п.д., пригодных только для данного типа установок. Невозможно просто увязать между собой эти коэффициенты и создать удобную для анализа систему, связывающую их с общим расходом первичной энергии (топлива). Да и для многих отдельно рассматриваемых энергетических установок часто нет логической увязки между разноречивыми относительными к. п.д.

Существует переоценка возможности (термического к. п.д.) как единственного термодинамического показателя. Термический кпд не в состоянии характеризовать в общем виде степень совершенства таких систем как вентиляция и кондиционирования воздуха, а если и может, то только энергетического оборудования, тогда как в эти системы входит большое разнообразие не энергетических устройств.

Кроме того, во многих случаях эти к. п.д. нельзя связать воедино в уравнение для общего к. п.д. установки, они позволяют определить эффективность отдельного узла установки, а не всей системы.

В связи с этим возникает необходимость упрощения и унификации системы коэффициентов, при которой совершенство в узлах систем вентиляции и кондиционирования воздуха характеризовалось бы, по возможности, одинаково, а сама система представляла бы собой простейшую связь однородных коэффициентов.

Целью процессов вентиляции и кондиционирования является не производство продукции, а обеспечение необходимых условий для жизни и деятельности человека, или каких, либо производственных процессов. Для нормальной жизнедеятельности человека требуется поддержание определенных метеорологических условий (температурно-влажностного режима помещения) так температуру комнатного воздух поддерживают 16–18°С. Если в помещении постоянно поддерживать такой температурно-влажностный режим, то температура человеческого тела, одетого в относительно легкие одежды, будет сохраняться примерно равной 36,6°С. Так как, наружные ограждения помещений не являются абсолютно нетеплопроводными, в холодный период года из помещения на улицу, а в теплый период с улицы, постоянно перетекает определенное количество тепла, величина которого зависит от толщины и материала стенок, типа ограждения, от разности температур между воздухом помещения и наружным воздухом, от скорости наружного воздуха и т. д. Количество тепла, выделяемого отопительными батареями, зависит от только что перечисленных факторов и всегда равно разности между количеством тепла, переходящим к окружающей среде через ограждения помещения и количеством тепла, выделяемого людьми, находящимися в помещении. При работе систем вентиляции и кондиционирования в помещение для обеспечения дыхания удаления запахов, охлаждения помещения (поддержания температуры и влажности) возникают потери, связанные с удалением отработанного (охлажденного или нагретого) воздуха в окружающую среду. Никакое количество тепла или холода, отводимое от калориферов и теплообменников в конечном итоге, не остается в помещении, а целиком отдается окружающей среде, как в результате теплопередачи сквозь ограждения, так с воздухом, выбрасываемым на улицу. В то же время температура воздуха внутри помещения поддерживается неизменной на уровне 16–18°С. Таким образом, основной и важнейшей характеристикой отопления, вентиляции и кондиционирования является не количество тепла, отводимого от отопительных батарей, теплообменников и калориферов, а температура и влажность воздуха в помещении, так как эти параметры определяют условия нормальной жизнедеятельности человеческого организма в помещении.

Используемые сейчас методы анализа не делают никакой разницы между качеством тепла, используемым в системах вентиляции и кондиционирования.

Любые энергетические ресурсы термодинамической системы, как и превращения энергии, должны оцениваться с учетом влияния параметров окружающей среды. Поэтому использование понятия энергии как общей меры движения материи в рассматриваемой системе недостаточно. Необходимо учитывать тот факт, что не всякая энергия и не при всех условиях может быть целиком пригодна для практического использования. Техническая ценность энергии зависит не только от ее собственных формы и параметров, но и от параметров окружающей среды. Во всех энергетических превращениях, обеспечивающих работу установки, может использоваться энергия двух видов:

‒ полностью превратимая в любой другой вид энергии независимо от параметров окружающей среды;

‒ энергия, которая нее может быть полностью превращена в другой вид энергии.

Наиболее рациональным, для оценки энергетической эффективности систем вентиляции и кондиционирования является использование следствий понятия обратимости и необратимости процессов: максимально возможной работы (эксергии)- общей меры для всех видов энергии, способных при взаимодействии с окружающей средой с постоянными параметрами к преобразованию в другие виды организованной энергии, а для более удобной и наглядной оценки термодинамической эффективности процессов в целом и их частей, а также источников потерь в них целесообразно использовать эксергетический метод анализа, основанный на эксергетических показателях.

Эксергетический и энергетический анализ позволяет выявлять потери в СКВ и намечать пути их устранения.

Для оценки эффективности энергии системами вентиляции необходима:

‒ Составление эксергетического баланса и анализа систем вентиляции и кондиционирования на основании показателей эксергетической эффективности, для учета степени термодинамического совершенства рабочих процессов установок этих систем и указание путей увеличения экономии топлива или электроэнергии, вводимых в установку. Часто уменьшение одной потери вызывает увеличение другой (или других). Поэтому рационально искать минимум суммы всех эксергетических потерь.

Эксергетический анализ дает возможность получить оптимальные соотношения между параметрами тепловой схемы, обеспечивающими минимальные расходы вводимой в установку превратимой энергии. Однако на выбор оптимальных параметров тепловой схемы реальных установок влияют как термодинамические факторы, так и экономические: стоимость металла, из которого выполнено оборудование; стоимость сооружения зданий, эксплуатации установки и т. д. Известно, например, что понижение температурных напоров в теплообменниках всегда приводит к уменьшению эксергетических потерь, вызванных необратимостью теплообмена, но увеличивает поверхности теплообмена, их веса, а значит, и стоимость. Поэтому выбор оптимальных температурных напоров в реальных установках должен осуществляться путем увязки эксергетического анализа с технико-экономическим анализом, чтобы учесть как термодинамические, так и стоимостные показатели. В будущем, вероятно, будет создан единый комплексный метод, который, возможно будет назван термодинамико-экономическим методом и позволит осуществить комплексную оптимизацию параметров энергетических установок.

Для оценки эксергетической эффективности также как термодинамической эффективности может быть использован коэффициент полезного действия (эксергетический), полученный отношением минимально возможной эксэргией идеализированного аналога с полученной эксэргией реальной системы;

Однако необходимо помнить, что термодинамические показатели дают лишь представление о степени термодинамического совершенства процесса и не могут служить основанием для принятия технического решения. Но они могут пригодится на практике, так на основании термодинамических показателей можно будет сравнивать различные проектируемые и существующие системы и на их основании делать выбор в пользу более эффективной с термодинамической точки зрения системы.

Литература:

1. Богословский В. Н. и др. «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» Учебник для вузов/ В. Н. Богословский, О. Я. Кокорин, Л. В. Петров; Под ред. В. Н. Богословского.-М.:Стройиздат, 1985.-367 с., ил.
2. «Эффективность использования энергии» /В. С. Степанов, Т. Б. Степанова. -Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994.-257 с.
3. Кокорин О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — М.: Издательство физико-математической литературы. 2003.-272с. ISBN 5–94052–066–6
4. Карпис Е. Е. «Энергосбережение в системах кондиционирования воздуха» — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1986. — 268 с., ил. ББК 38.762.3, К 26 УДК 697.94:620.9.004.183
5. Гохштейн Давид Петрович Современные методы термодинамического анализа энергетических установок, М., «Энергия», 1969., 368 с, с ил,
6. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К., Эксергетический метод и его приложения. Под ред. В. М. Бродянского.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-288 с.- ISBN 5–283–00152–0, УДК 621.1.016.7