 |
Состояние вопроса и проблемы
|
|
|
|
Введение
Рассматриваются вопросы, связанные с определением состояний сложной системы определенного функционального назначения с внешними источниками форм энергии (тепловой, электрической).
В состав системы входят:
наружная среда с набором нагрузок и воздействий и откликом на термодинамические процессы в здании и внутренней среде;
здания (объект в виде недеформируемого или деформируемого тела);
внутренняя среда (люди, оборудование технологическое и эксплуатационное);
подсистемы энергетические, обеспечивающие функциональное назначение здания).
Состояние вопроса и проблемы
Рассматриваются две близкие, но разные по существу проблемы энергосбережения и энергоэффективности.
Энергосбережение связано с вопросами экономии энергоресурсов и предусматривает, в том числе использование возобновляемых источников энергии, а также оптимальное использование существующих источников энергии.
Энергоэффективность связана с обеспечением рационального использования энергоресурсов, создания и применения новых видов материалов, технологий и оборудования.
Считается, что в основе решения лежат, прежде всего, экономическая заинтересованность и нормативно-административное обеспечение.
Директивные документы [1-7] полно отражают общие требования:
к использованию невозобновляемых природных ресурсов и максимальному внедрению в практику возобновляемых ресурсов;
к материалам, оборудованию и технологическим процессам, направленным на решение задач энергосбережения и повышения энергоэффективности;
к составу и содержанию рабочей и эксплуатационной документации, в том числе связанной с энергопотреблением;
|
|
|
к методическому, информационному и кадровому обеспечению мероприятий.
Рост цен на энергоносители, проблемы истощения месторождений и экологии заставляют принимать жесткие меры по энергосбережению и рационализации использования энергоресурсов [1-7].
Общие требования связаны с вопросами частных решений для отдельных конкретных систем.
Во многих случая вопросы энергосбережения и энергоэффективности связаны с обеспечением функционирования зданий и сооружений (сложная система).
Большинство зданий в настоящее время потребляют отдельные формы энергии (электрическая, тепловая) от магистральных (первичных) сетей централизованных или независимых (для владельцев зданий) источников.
В России задачи, рассматриваемые программой [1] относятся к макроструктурам, охватывающим все отрасли.
Административное обеспечение решения проблемы отражается соответствующими Законами, Указами, постановлениями Правительства и программами [1,2].
На основании директивных документов разрабатываются местные документы аналогичного содержания и большое количество нормативных документов Федерального и местного значений [3].
Рекомендации директивных материалов [1-3] относятся к числу общих требований, но при рассмотрении вопросов энергосбережения и повышения энергоэффективности требуется принимать решения для реальных сложных систем и, прежде всего с количественной оценки отдельных форм движения энергии.
В США вопросам эффективного энергоснабжения посвящены различные программы, которые акцентируются на системах, в которых, как составляющая, имеются здания и сооружения [4].
В США по данным департамента энергии [5] жилые и общественные здания потребляют 40% общей энергии и 71% электроэнергии. В США ожидаемый рост энергопотребления в общественном секторе составляет 1,6% в год, что вдвое превышает аналогичный показатель в жилом секторе. В качестве показателя энергосбережения считается экономия энергии по отношению к стандартным значениям для зданий (исключая малоэтажные здания). Энергопотребление малоэтажных зданий регламентируется документом ANSI [6].
|
|
|
Программа касается использования локальных систем энергообеспечения от возобновляемых источников энергии (альтернативных источников или альтернаторов). Программой строительных технологий департамента энергетики США определены исследовательские задачи, решение которых к 2025г позволит поставить на коммерческую основу «сооружение зданий нулевой энергии».
Рекомендации директивных материалов [4-6] относятся к числу общих требований к простым системам (здания и сооружения). Из состава рассмотрения простых систем исключаются вопросы взаимодействия со средами, которые в реальных условиях имеют одно из решающих значений.
В странах ЕС вопросам энергообеспечения и повышения энергоэффективности посвящено много директив Европейского парламента и Совета Европейского Союза (например, [7]).
Рекомендации директивных материалов [7] относятся к числу общих требований к сложным системам и в реальных системах зависят от функций состояния сложной системы конкретного функционального назначения.
Энергосбережение и повышения энергоэффективности относятся к процессам направленного действия над определенными формами энергии.
При конкретизации задачи относительно одной рассматриваемой сложной системы можно считать:
энергосбережения и/или энергоэффективности представляют собой действия над формами движения энергии;
реализация действий (прямая или информационная) отразятся на общей энергии системы, в том числе на процессах синтеза и перераспределения энергии.
С физической точки зрения действия над формами энергии соответствуют вопросам движения энергии, отражаемые структурной схемой производства и движения энергии в сложной системе.
Поэтому не имеет смысла рассматривать движение отдельных форм энергии без рассмотрения состояния общей энергии системы.
Общие для всех стран рекомендации по энергоэффективности (в части нормативно-административного обеспечения) можно отнести к информационному решению задачи, в которую входят:
|
|
|
обязательная энергетическая паспортизация зданий (например, директива ЕС 2002/91/EC (EPBD и директива EPBD 2010);
определение энергетических расходов на отопление, кондиционирование и горячее водоснабжение;
использование эффективной термоизоляции зданий и эффективного оборудования;
информационное обеспечение, контроль и автоматизированное управление над расходами энергии;
выполнение регламентного и межрегламентного анализа энергопотребления;
анализ энергопотребления и энергоэффективности в промышленных предприятиях;
разработка и использование альтернативных источников энергии, в частности от возобновляемых ресурсов;
государственное субсидирование (частичное) расходов, направляемых на финансирование затрат по организации экономии энергии.
В соответствии с рекомендациями по содержанию паспорта расходов тепла и электроэнергии разрабатываются паспорта на здания по данным формам энергии, требующей компенсацию от альтернаторов (локальных источников вместо первичных источников).
В новом энергетическом паспорте, также как и в предыдущих редакциях, не учтены влияние внешних поставок форм энергии на людей, не рассматривается макроскопическая нелокальность диссипативных процессов (связи производства энтропии при любых диссипативных процессах), не рассматриваются вопросы изменения энергии локальных источников во времени. Предложенный состав паспорта должен отражать объем форм энергии локальных источников. Величина объема определяется законами классической механики и общей теплотехники, по которым определен расход в существующих конструкциях зданий.
Общим направлением внимания органов власти всех стран уделяется вопросу энергоэффективности и энергосбережения видов зданий, направлениям развития комплектующих подсистем энергообеспечения, материалам и детализовано элементам зданий и оборудования инженерного обеспечения.
Новые виды теплоизоляционных материалов представляют собой слоистые (сотовые или ячеистые) композиционные материалы, начальные характеристики которых определяются экспериментальными методами. Композиционные материалы имеют реальный срок службы и реальное изменение характеристик, структуры композита и симметрии во времени. Покрытия композитов, защищающие материал от температурно-влажностных и световых воздействий обладают свойствами рассеяния форм энергии во времени и приобретения имплантирующих частиц от наружных и внутренних потоков. Такие изменения, как обмен веществом и химическими энергиями, не рассматриваются.
|
|
|
Информационное обеспечение и регулирование температуры и влажности воздуха внутри здания на первый взгляд оптимизирует затраты тепловой и электрической энергии. Однако внутренняя температура и влажность (массообмен воздуха) не являются управляющими параметрами для системы и координально не меняют связанную энергию неравновесных состояний и не меняют (в некоторых случаях усиливают) диссипативные процессы.
Считается, что замена объема форм энергии первичных источников на энергию альтернаторов (локальных источников) не вносит изменений в процессы распределения и превращения энергии системы, в том числе в связанную энергию неравновесных состояний и диссипативную энергию (например, здания нулевой энергии США).
Директивными материалами всех стран [2-7] рассматривается потребительское значение понятий энергия и баланс энергии.
Рассмотрение вопросов энергосбережения по программе [4] предусматривает рассмотрения вариантов зданий без акцентирования внимания на способ определения форм энергии:
с нулевым внешним балансом энергии (отсоединение от первичных сетей);
с нулевым внутренним балансом энергии (замена части форм энергии альтернаторами);
с нулевыми финансовыми затратами на энергию (отказ от первичных источников форм энергии и/или подачей энергии альтернаторов в первичные сети);
с нулевым балансом выбросов в окружающую среду за счет потребления энергии (обеспечение энергоснабжения энергией возобновляемых источников).
Из постановки вариантов видно, что под термином энергия понимаются конкретные формы движения энергии (электрическая и тепловая) в объемах, удовлетворяющих функциональному назначению здания, и к этим формам применяется термин энергия (баланс энергии).
Таким образом, имеем подмену понятия физической энергии системы и движения форм энергии потребительскими понятиями энергия (рыночная интерпретация термина).
Рассмотрение автоматизации контроля и регулирования движения форм энергии также основывается на заданных значениях потребления энергии, рассчитанного одним из возможных методов.
|
|
|
Рассмотрение вопросов уменьшения энергопотребления связано с применением новых видов материалов, оборудования, процессов и технологий.
Директивные документы, рассматривающие общие вопросы проблемы существовали всегда. Директивные документы периодически перерабатываются и дополняются в соответствии с развитием технологий и общества. Считается, что направления по директивным документам должны находить отражение в проектной документации на конкретные реальные системы. Считается, что экспертиза проектных документов должна отражать соответствие проектных документов, принятым в директивных документах направлениям. Однако при проектировании в состав проекта включаются типовые, проверенные предыдущим опытом технические и технологические решения. Наличие в проектах индивидуальных оригинальных технических решений для конкретной системы вызовет дополнительные сложности по согласованию ответственности за принятые решения.
Директивные документы рассматривают общие требования в масштабах каждой страны (соответствующих климатических условий и уровню развития промышленности).
При реальном проектировании каждой системы проект должен удовлетворять не только требованиям директивных документов и согласованиям экспертизы, но и требованиям заказчика проекта.
При проектировании реальной системы рассматриваются климатические условия конкретной дислокации единичной системы. При реализации конкретной системы должны учитываться также реальные случаи исполнения системы в деле и реальные условия эксплуатации системы с возможными отклонениями. Отклонения от проектной документации должны быть зафиксированы и отражены в соответствующих эксплуатационных документах.
Для реальной единичной системы особенно важным является отражение конкретных объемов энергопотребления иерархической структурной схемой изменения энергии сложной системы и определение уровня рассмотрения энергий, определяемых директивными документами.
|
|
|
