К вопросу энергосбережения и повышения энергоэффективности сложной системы

К вопросу энергосбережения и повышения энергоэффективности сложной системы

• Введение
• 1. Состояние вопроса и проблемы
• 2. Иерархическая структурная схема энергии сложной системы
• 3. Анализ методов определения форм энергии
• 3.1. Принципы физические общие
• 3.4. Открытые системы и энергодинамика
• 4. Анализ методов определения состояния форм энергии

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).

1. 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 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.

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.

В США по данным департамента энергии 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.

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 2025 г 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 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 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.

2. Иерархическая структурная схема энергии сложной системы

Рассмотрим структуры физической энергии сложной системы (энергодинамической системы физических величин и понятий, ЭСВП).

В соответствии с энергодинамической системой физических величин и понятий (ЭСВП) [12, 13] распределения энергии по видам, формам движения и уровням иерархии рассмотрения представляется схемой Рис. 1.

На Рис. 1 связи между общей 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 или детального равновесного или стационарного состояния.

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

Рис. 1. Структурная схема движения форм энергии в системе.

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

Иерархические уровни рассмотрения распределения форм и видов энергии:

Уровень 1. Общая энергия системы как целого (SIGMA, s) — сумма внешней и внутренней энергии системы. Общая 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 полную 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 (магнитная, электромагнитная), тепловая, химическая и т. д.).

Электрическая и тепловая энергии разделяются на энергии, поставляемые в систему для обеспечения функционального назначения (индекс «е») и виды энергии, получаемые от внутренних процессов в системе (индекс «i») .

На схеме синие прямоугольники относятся к поставке в систему внешней (от первичных источников или от альтернаторов) электрической и тепловой энергий

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.

В соответствии со структурной схемой программами энергосбережения и повышения энергоэффективности ставится вопрос о полной или частичной замене двух форм энергии пятого иерархического уровня.

Отметим, что изменение источника (одного или двух) энергии этого уровня влечет за собой

— изменение других форм энергии этого уровня (химической, излучения, обмен веществом);

— изменение обменов видами форм энергии шестого уровня (перераспределения видов энергии);

— изменение структуры энергий вышележащих уровней (уровни два — четыре) за счет изменения диссипативных структур.

Поэтому простая полная или частичная замена поставщика формы энергии обязана вызвать пересмотр структурной схемы общей энергии системы. Поставленная замена не решает вопроса фактического значения форм энергии, подлежащих изменению.

Во всех случаях задача основывается на величинах заданного расчетного (фактического) количества энергии, которое тем, или иным методом изменяется или изменяется поставщик заданного уровня энергии.

В направлениях решения задач энергосбережения и энергоэффективности отсутствует существенный раздел, связанный с методом определения объемов энергопотребления.

Решение задач определения объемов энергопотребления, представляющие собой движения форм энергии, возможны методами:

— классической механики и теплотехники (современный наиболее часто используемый способ решения) путем рассмотрения:

— твердых недеформируемых тел и общей теплотехники (энергостатика);

— твердых деформируемых тел (сопротивление материалов, строительная механика и техническая теплотехника).

Рассматриваются изолированные системы с детерминированными значениями переменных состояния;

— механики сплошной среды и энергокинематики;

Рассматриваются консервативные закрытые системы с непрерывными значениями переменных состояния.

— теории открытых систем и энергодинамики (методы расчета синтеза и движения форм энергии) с переходом к рассмотрению задач методами физической и химической кинетики.

Рассматриваются открытые системы со стохастическими переменными состояния.

Современный метод определения объема форм энергии (электрической и тепловой) основан:

— на максимально возможных величинах интенсивных переменных состояния;

— на экспериментальных характеристиках материалов без учета неравновесных состояний и необратимых процессов;

— на использовании постулатов классической механики и теплотехники для состояний равновесия.

Из рассмотрения структурной схемы Рис. 1 следует:

— для неподвижной системы должна рассматриваться общая энергия системы (сумма полной механической энергии внешних сил и внутренней энергии системы);

— внутренняя энергия системы может быть двухзначной и зависит от знака связанной энергии неравновесных процессов (знака энтропии);

— если учитывать только полную механическую энергию (как это делается в настоящее время), то система вследствие неравновесных необратимых процессов и изменения диссипативных структур будет постепенно деградироваться.

Имеется немало примеров, когда система разрушалась еще в процессе становления (монтажа или строительства) или при малом сроке функционирования. Поэтому основным вопросом является выбор метода определения форм энергии.

3. Анализ методов определения форм энергии

Для любых методов расчетов имеет значение соблюдение принципов (начала или основа) и удовлетворение гипотезам (предположения).

3.1 Принципы физические общие

Приводится часть основных принципов, относящихся к рассматриваемой проблеме.

Принцип детерминизма — состояние системы есть следствие предыдущих процессов и явлений и причина последующих явлений. Все события однозначно определены. Интенсивные переменные, — определенные, неслучайные. Изменение во времени хорошо изучено, определяется известным законом. Состояние описывается алгебраическими и/или обыкновенными дифференциальными уравнениями, и однозначно определяется в любой момент времени по предыдущему состоянию.

Принцип не распространяется на молекулярную физику и термодинамику.

Принцип дискретности — интенсивные переменные заданы только отдельными значениями (прерывистыми). Основывается на экспериментальных значениях переменных состояния.

Траектория не всегда определяется конечными значениями.

Принцип инвариантности — предельные распределения не зависят от тех или иных характеристик исходных распределений. Симметрия есть совокупность инвариантных свойств системы (объекта). Инвариантности уравнений механики отвечают определенные законы сохранения (например, уравнениям относительно сдвигов — закон сохранения энергии).

Принцип геометрический — пространство обладает эвклидовой геометрией.

Принцип соответствия — теория, прошедшая достаточно серьезную проверку экспериментом, адекватно описывает определенный круг явлений.

3.2 Классическая механика и общая теплотехника

Рассматриваются макроскопические состояния и параметры (внутренние) тела методами классической механики (the classical mechanics, CM) и общей теплотехники (general heat engineering, GHI). .

Характеристики материалов и внешних сил (нагрузок) определяются феноменологическими (экспериментальными) методами. Величины характеристик материалов и нагрузок дискретные.

Значения нагрузок принимаются на основании максимальных величин, наблюдаемых в течение длительного периода времени, увеличенных на значение коэффициента надежности.

По мнению авторов такого подхода, такой способ совместно с принципом суперпозиции и заданным детерминированным сочетанием нагрузок и воздействий обеспечат расчетное значение кинетической энергии (живой силы).

Далее, приравнивая по третьему закону Ньютона живую силу к работе внутренних сил, определяем конфигурацию сечения объекта системы, материал и массу.

По детерминированным температурным воздействиям, также увеличенным на значения коэффициента надежности и сочетаний, методами теплотехники при известных материалах и сечениях объекта, определяем расход тепла и электроэнергии. В некоторых случаях при расчете учитывается, что температура (излучение) является мерой средней кинетической энергии.

В обоих случаях (при расчете прочности и при расчете энергопотребления) крупномасштабные флуктуации и необратимость процессов во времени во внимание не принимаются.

3.2.1 Статика твердого недеформируемого тела и теплотехника. (Statics of the solid nondeformable body and general heat engineering)

Метод рассматривает тела простых систем.

Системы не обмениваются со средой (среда во внимание не принимается).

Нагрузки, воздействия и характеристики материалов детерминированные.

Рассматриваются изолированные системы (IS).

Общие физические гипотезы CM, GHI.

1. Рассматриваются макроскопические переменные;

2. Рассматривается движение тел (частиц) без рассмотрения внутреннего строения частиц

3. Мгновенное распространение интенсивных переменных состояния и скорости .

4. Рассматриваются тела (частицы) и процессы в состоянии равновесия.

5. Независимость результата от порядка приложения сил.

6. Рассматриваются относительно медленные движения макроскопических тел (частиц) по определенным траекториям (известны законы движения).

7. Масса тела (частицы) остается постоянной (обмен веществами и химические превращения не рассматриваются). Массообмен рассматривается для жидких и газообразных элементов тела систем инженерного обеспечения.

8. Определяется полная механическая энергия системы конкретного функционального назначения (вопросы энергостатики) в состоянии равновесия (изолированные системы). В теплотехнических расчетах рассматриваются два направления (энергетическое и технологическое) связанные с обеспечением детерминированного функционального назначения.

9. Рассматриваются процессы обратимые во времени.

10. Линейная зависимость между двумя состояниями.

11. Температурные воздействия и трение учитываются через среднее значение полной механической энергии: .

12. Тела (частицы) считаются недеформируемыми или малодеформируемыми

13. Структура системы определена однозначно и остается постоянной. В расчетах используются уравнения классической механики и уравнения общей теплотехники (энергостатики). Результат расчетов: полная механическая энергия частиц и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения и превращения энергии между видами движения и рассеяния.

Общее число гипотез. Число принципов (основных) 5.

3.2.2 Принципы для методов сопротивления материалов, строительной механики и технической теплотехники

Принципы суперпозиции.

1. Результат воздействия на тело внешних сил есть векторная сумма сил (составляющие сложного процесса взаимно не влияют друг на друга, результирующий эффект есть сумма отдельных эффектов);

2. Взаимодействие между двумя частицами не меняется при внесении третьей частицы;

3. Энергия есть сумма энергий парных взаимодействий частиц.

Принцип независимости действия сил.

1. Каждая из сил, действующих на тело (частицу), сообщает телу ускорение, как будто других сил нет.

2. Действие нескольких реальных сил допускается заменять одной равнодействующей.

Принцип постоянства сечений.

Рассматриваются дискретные значения нагрузок и воздействий с учетом редких статистических явлений.

Характеристики материалов определяются экспериментально и в расчетах принимаются с коэффициентами запаса на учет долговременной работы. Поперечные сечения не изменяют форму под нагрузкой.

3.2.3 Сопротивление материалов, строительная механика (часть механики деформируемого тела) и техническая теплотехника. Strength of materials, structural mechanics (part of the mechanics of the deformed body) and technical heat engineering

Методы рассматривают тела в простых системах (IS).

Гипотезы S of M, SM и He and h-p e.

1. Сплошности материала (внутреннее строение, атомистическое во внимание не принимается).

2. Однородности и изотропности.

3. Малости деформаций.

4. Совершенной упругости материала (релаксация не рассматривается).

5. Линейная зависимость между напряжениями и деформациями.

6. Сечения после деформации остаются плоскими (гипотеза Бернулли).

7. Справедливость закона Гука, постоянство в течение срока службы модуля упругости и сдвига.

8. Принцип Сен-Венана (уравновешенная система сил, приложенная к части тела, вызывает в нем появление неравномерности напряжений, которая быстро затухает по мере удаления от места приложения равнодействующей силы).

9. Гипотеза Кирхгофа-Лява (прямых нормалей).

Общее число гипотез. Число принципов (основных и дополнительных) 8.

В расчетах используются уравнения классической физики и технической теплотехники.

Результат расчетов: полная механическая энергия и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

3.3 Механика сплошной среды и общая термодинамика. Continuum mechanics and the general thermodynamics

3.3.1 Принципы механики сплошной среды и общей термодинамики

Принципы теории возмущений (ТВ) — метод приближенного решения уравнений:

— параметры в уравнениях безразмерные;

— воздействия на систему малые;

— находится решение для невозмущенной системы, которое, в последующем, уточняется, и определяются поправки на малые возмущения;

— метод последовательных приближений (каждый последующий член меньше предыдущих).

Принципы ТВ применяются при решении классических дифференциальных уравнений (КДУ).

КДУ имеют статистический смысл и верны только для средних значений элементарных процессов. Усреднение связано с потерей информации о процессе, поэтому КДУ справедливы для описания консервативных систем, когда набор структурных состояний зафиксирован, и эволюцией можно пренебречь. Под структурой понимается связь трех и более событий. Пример неприменимости КДУ, — фракталы и сложные системы. Особенностью таких систем является спонтанное изменение структуры динамических элементов при постоянстве внешних условий (бифуркация).

Принцип максмина — в равновесных и стационарных системах имеет место принцип минимизации энтропии (экстремальные принципы).

3.3.2 Гипотезы и законы механики сплошной среды и общей термомеханики

Рассматриваются макроскопические состояния и параметры (внутренние и внешние) системы.

Характеристики материалов и нагрузок определяются феноменологическими (в т.ч., экспериментальными) методами. Рассматриваются закрытые системы CS (обмениваются со средой энергией) в состоянии равновесия. Равновесных состояний бесчисленное множество. Нагрузки, воздействия и характеристики материалов детерминированные дискретные.

Процессы рассматриваются в состоянии равновесия и обратимы во времени.

Системы (простые) рассматриваются методами классической физики.

Гипотезы:

1. Гипотеза введения единой декартовой системы координат для всех точек пространства.

2. Гипотеза сплошности (Бернулли) объекта.

Тело постулируется как среда, заполняющая определенный объем.

3. Гипотеза непрерывности метрического пространства.

4. Гипотеза непрерывности абсолютного времени для всех систем отсчета.

5. Гипотеза распределенности массы.

6. Гипотеза распределенности массовых и поверхностных сил.

7. Контактный характер поверхностных сил.

8. Гипотеза макроскопичности сплошной среды и механических свойств материалов.

9. Гипотеза термомеханики сплошных сред о распределенности массовых и контактных скоростей нагрева.

Число гипотез. Число принципов (основных и дополнительных) 7.

Законы СМ (следствия принципа инвариантности):

1. Закон сохранения массы:

— масса не изменяется при любых движениях тела, если тело состоит из одних и тех же материальных точек;

— масса является аддитивной величиной:

.

2. Закон сохранения импульса (изменения количества движения).

3. Закон сохранения количества импульса (изменения момента количества движения).

4. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики).

5. Закон баланса энтропии (второе начало термодинамики).

6. Существование абсолютной температуры (нулевое начало термодинамики).

В расчетах используются уравнения механики сплошной среды и общей термодинамики (энергокинематика линейных процессов).

Результат расчетов: полная механическая энергия и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии без учета перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

3.4 Открытые системы и энергодинамика. Open systems and the energy-dynamics

Рассматриваются микроскопические состояния и параметры (внутренние) системы с динамическими (микроскопическими) распределениями частиц и упорядоченные изменения состояний на макроскопическом уровне. Открытые системы (OS) относятся к большим (сложным) системам.

Открытые системы обмениваются со средой энергией, веществом, информацией, в том числе, в неравновесном состоянии. Равновесных (неравновесных) состояний счетное множество.

Нагрузки, воздействия и характеристики материалов стохастические.

Большие системы — пространственно-распределенные системы, в которых подсистемы (их составные части) относятся к категории сложных.

Большую систему характеризуют:

— большие размеры;

— сложная иерархическая структура;

— циркуляция в системе информационных, энергетических и материальных потоков;

— высокий уровень неопределенности в описании системы;

— наличие неравновесных и нестационарных процессов;

— необратимость процессов во времени;

— возможность появления самопроизвольных кооперативных и коллективных процессов;

— наличие обратной связи.

Системы рассматриваются методами статистической физики.

Открытые системы основываются на принципах:

Принцип инвариантности — последовательность распределений случайных величин при большом числе измерений сводится к распределению случайной величины.

Принцип неопределенности Гейзенберга, — система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс принимают определенные точные значения. Принцип Гейзенберга, — одновременное измерение двух сопряженных переменных (например, положение частицы и импульс) неизбежно приводит к ограничению точности.

Принцип самоорганизации — после выхода системы из равновесия системы в ней реализуется механизм самопроизвольного упорядочивания, и возникновение нового относительного устойчивого состава;

Принцип эволюционизма — принцип необратимости, выражающийся в нарушении симметрии во времени;

Принцип способности — достигать конечного состояния независимо от нарушения начальных условий;

Принципы термодинамики — 4

Принцип максмина — в равновесных и стационарных системах имеет место принцип минимизации энтропии. В неравновесных системах этот принцип не работает.

Гипотезы OS:

1. Систему можно разбить на подсистемы и изучать каждую из них в отдельности.

3. Система целенаправленно осуществляет выбор своего поведения.

Число гипотез. Число принципов 9.

В расчетах используются уравнения теории открытых систем и энергодинамики.

Результат расчетов: общая энергия системы (сумма полной механической и внутренней энергии) и мощности потребляемой тепловой и электрической энергии с учетами перераспределения энергии между видами движения и рассеяния.

Эволюция развития рассмотрения систем: .

В Природе нет систем: IS и CS (модельные расчетные формы систем).

Энергодинамический метод исследования состоит в рассмотрении энергетической стороны любого явления и приложении к ней общей теории процессов переноса и преобразования энергии.

При рассмотрении состояния ОS установлено, что число равновесных и стационарных состояний представляет счетное множество, неравновесных состояний — бессчетное множество.

Рассмотрение открытой системы в неравновесном состоянии должно исследоваться методами физической и химической кинетики.

Если считать, что энергия соответствует форме движения материи, то термины физическая и химическая кинетика следует заменить сочетаниями с термином энергия.

4. Анализ методов определения состояния форм энергии

энергосбережение энергоэффективность сложная система

Классическая механика (физика) и теплотехника, включая рассмотрение недеформируемого и деформируемого тела, предполагают одновременное удовлетворение 22 гипотезам и 13 принципам, которые ограниченно описывают состояния модели изолированной системы для равновесных процессов.

Механика сплошной среды и линейная термомеханика предполагают одновременное удовлетворение 9 гипотезам и 7 принципам.

Методы (CM and TM) позволяют рассматривать консервативные системы в замкнутом состоянии (закрытые системы) методами линейной термодинамики для равновесных и стационарных процессов.

Открытые системы и энергодинамика предполагают удовлетворение 2 гипотезам и 9 взаимосвязанным принципам.

Гипотеза — предполагаемое направление решения задачи (может быть заведомо ложной и/или истинной).

Принцип — основное полагающая истина, начало.

Полностью удовлетворить одновременно всем гипотезам в любом из методов не представляется возможным. В случае полного удовлетворения всем гипотезам, получаем пустое множество. При неполном удовлетворении получаем системные ошибки и неудовлетворительные решения.

Для эволюции системы число принципов должно быть больше числа гипотез.

В Природе изолированные и закрытые системы практически не встречаются и, поэтому, результаты расчетов методами классической механики и технической теплотехники (как и расчеты, методами механики сплошной среды и линейной термодинамики) всегда будут отличаться от фактических объемов энергии реальной системы.

Классическая механика представлена системой, в фундаменте которой находится закон сохранения импульса, остальные законы (например, закон динамики Ньютона) являются конкретизацией закона сохранения.

Системы, рассматриваемые классической физикой (механика Ньютона), относятся к простым системам, — отличаются однородностью, линейностью и устойчивостью протекающих процессов.

Эволюция простой системы позволяет иметь часть информации и по любому моментальному состоянию однозначно предсказать будущее и восстанавливать прошлое в условиях обратимости во времени. Рассмотрение простых систем не решает вопросов эволюции сложной системы.

Теория открытых систем рассматривает процессы неоднородные, нелинейные, неустойчивые, имеющие необратимый характер. OS характеризуются неопределенностью и непредсказуемостью.

Энергодинамический метод исследования состоит в рассмотрении энергетической стороны любого явления и приложении к ней общей теории процессов переноса и преобразования энергии.

Здания с источниками поставки отдельных форм энергии является частью системы, в основной состав которой входит среда. Поэтому для форм энергии необходимо рассматривать не здания, а систему в целом при действии стохастических интенсивных переменных состояния.

Основные принципы общей теории систем[13]:

— целое есть нечто большее, чем сумма частей (тем более, одной части);

— целое определяет природу частей;

— части не могут быть познаны при рассмотрении их вне целого;

— части находятся в постоянной связи и взаимодействии.

— системная сложность не подлежит упрощению или исследованиям путем сведения целого к его составляющим;

— формулировки, принятые в классической физике плохо подходят к изучению систем являющихся открытыми;

— не следует противопоставлять содержание объекта его структуре, так как свойства, не отраженные в структурной модели, могут быть описаны как функции микроструктуры объекта.

В настоящее время принято считать, что для системы и среды является безразличным вид источника формы энергии. По определенному объему формы энергии считается, что можно заменять первичные источники локальными и или альтернаторами (например, солнечными батареями на поверхности здания или источниками ветроэнергетики).

Для системы в целом такие замены являются не безразличными, так как остаются вопросы распределения по видам (шестой уровень) энергии и проблемы, связанные с изменением диссипативной и связанной энергий неравновесного состояния.

С точки зрения энергодинамической системы физических величин и понятий (ЭСВП) [9−11] проблемы, рассматриваемые в части энергообеспечения зданий и сооружений, относятся к пятому уровню иерархической структурной схемы (по формам энергии системы). Рассматриваемые проблемы не являются системными и не исследуются связи с другими формами энергии и взаимодействия тела (здания) со средами. Не исследуются состояние видов энергии отдельных форм движения, перераспределения, которые происходят между видами энергии отдельных форм движения. Т. е. считается, достаточно в существующей системе на 5 иерархическом уровне добавить (заменить) источник одной или двух формы энергии (электрической и тепловой), то решится вопрос энергосбережения и энергоэффективности. Считается, что общая энергия открытой системы останется постоянной и не произойдет перераспределений форм движения энергии на шестом иерархическом уровне.

При подходе к решению проблемы методами классической механики и теплотехники:

— не рассматривается система (среда плюс здание), а рассматривается отдельно не связанные со средами здания методами классической механики (в части прочности и деформативности) и методами теплотехники (линейной термодинамики с исключением из исследований среды).

Система в классической механике считается изолированной. Термодинамические (электромагнитные) процессы — линейные, стационарные. Процессы считаются обратимыми во времени. Нестационарные, необратимые процессы не рассматриваются.

Здания и сооружения взаимодействуют с детерминированными нагрузками (в Природе действуют нагрузки стохастические). Характеристики зданий, элементов и оборудования инженерного обеспечения определяются соответствующим видом формы энергии на основе принципов экстремума. Максимальная работа внутренних сил соответствует полной механической энергии, обеспечивающий соответствующий уровень характеристик здания в течение срока службы. Инженерные подсистемы здания по видам форм энергий (тепловая, электрическая) определяются, как и механическая энергия, как сумма максимальных значений (с коэффициентом запаса) по каждому виду энергии. Подход не учитывает возможность перераспределения между видами энергий и влияние перераспределения на общую энергию системы.

Отсюда можно сделать выводы:

— содержание документов [2−7] не соответствует процессам эволюции сложных систем.

Документы предусматривают применение неэффективных конструкций зданий, развитие энергетического кризиса и развитие негативных антропогенных процессов.

Документами рассматриваются здания, т. е. выделенная часть подсистемы (простая система), вместо рассмотрения сложной системы (среды, в том числе люди, плюс объекты, включая оборудование функционального назначения и подсистемы инженерного обеспечения);

— вопросы, поднимаемые в документах [1−7] не связаны с решением проблем энергетического кризиса;

— вопросы по [1−7] относятся к декларации общих задач (уменьшение нагрузки на первичные энергетические сети, автоматизации процессов контроля и потребления энергии, улучшение качества материалов);

— вопросы по [1−7] не решают проблемы энергосбережения и энергоэффективности, так как рассматривают простые консервативные системы или в большинстве случаев рассматривают тела в системах;

— любой вид паспорта (в том числе, энергетический) относится к эксплуатационной документации (взаимодействия проектировщика и заказчика).

Вопросы требований к составу документации на сложную систему (а не объект в системе) отражаются:

— тактико-техническими характеристиками системы;

— общими техническими требованиями на систему.

— использование в системах альтернаторов, или материалов с улучшенными характеристиками должно обосновываться исследованиями сложной системы (величины форм энергий объектов в простой системе определены теориями с большим числом гипотез, которые не выполняются по отдельности и вместе);

— известно, что классическая физика (времен Аристотеля и Ньютона) неприменима для рассмотрения неравновесных термодинамических систем с необратимыми процессами, но на практике постоянно методами классической физики определяются функции состояния реальных систем, в которых:

— нагрузки и воздействия принимаются по статистическим данным прошедших периодов (принцип обратимости во времени);

— характеристики материалов и оборудования, феноменологические детерминированные, не изменяемые во времени (оценка работоспособности по выборочным статистическим материалам прошлых периодов);

— определение характеристик прочности (полная механическая работа) и объема потребляемой энергии (теплотехника) в настоящее время определяются из состояния простой системы в место того, чтобы рассматривать общую энергию системы (сумма полной механической и внутренней энергий системы);

— не учитываются процессы обмена веществом и химических превращений при использовании композиционных материалов в условиях антропогенного воздействия на внешнюю и внутреннюю среду здания (химических превращений веществ от переменного количества людей, рассеяния компонентов композиционных материалов с учетом изменения структуры);

— состав энергетических паспортов (документами [7]) также является неполным, так как:

— не учитывает необратимые процессы в системе;

— не рассматривает набор условий медицинского характера, которым должны удовлетворять здания (здания возводятся для людей, а простое пребывание людей в помещениях с композитами и рассеивающимися характеристиками бывает опасно для здоровья).

Из так называемого «энергетического кризиса» есть единственный рациональный выход, — переход на рассмотрение состояний открытых систем в условиях энергодинамики состояний системы или для особо важных объектов с большим числом посетителей методами энергокинетики.

1. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 года», http://ruspromenergo.narod.ru/poryadoc …/

2. С. П. Коваль. О планах повышения энергоэффективности зданий в Евросоюзе и России. http://portal-energo.ru// 2012

3. Закон РФ «Об энергосбережениях» № 28-ФЗ от 03.04.96 г.;

4. постановление Правительства РФ № 1087 от 02.11.95 г. «О неотложных мерах по энергосбережению»;

5.Указ Президента РФ № 472 от 07.05.95 г. «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года»;

6.Федеральная целевая программа «Энергосбережение России», принятая постановлением Правительства РФ № 80 от 20.01.98 г;

7.Указ Президента РФ № 889 от 06.04.2008 г. «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»;

8. Федеральный закон РФ № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и повышении …»;

9. Федеральный закон РФ № 197-ФЗ от 11.07.2011 г. «О внесении изменений в ФЗ № 261-ФЗ…».

10. Ограниченная номенклатура нормативных документов федерального значения: СНиП 10−01−94*; СНиП 23−01−99, СНиП 2.08.01−99, ГОСТ 30 494–96 и нормативные документы предыдущих лет с пролонгированным сроком действия.

11. 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/

12. Energy Information Administration.2006. Annual Energy Outlook 2006.

13. AHRAE IESNA Standard 90.1−2004 (Energy Standard for building Except Low-Rise Residential Building).

14. Директивы Европейского парламента и Совета Европейского Союза, например, 2002/91/EС от 16.12.2002, 2010/31/ЕС от 10.05.2010.

15. В. А. Эткин. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии). СПБ. Наука, 2008.

16. 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.

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

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

19. Ю. Л. Климонтович. Статистическая теория открытых систем. Т1, Т3.М., Янус-К., 1995,2001

20. L. Von Bertalanffy. General System Theory, General Systems, 1,2. 1956