Рис. 1. Cхема взаимосвязи определяющих факторов с основными операциями вычисления комплекса технико-экономических показателей для судового комплекса центральной СККВ-ХУ
В обитаемые помещения и обслуживающую их систему комфортного кондиционирования воздуха (СККВ) поступает или отводится теплота. Одно из назначений СККВ — поддерживать тепловой баланс в помещении. Теплота и холод, подводимые к центральному кондиционеру (ЦК) системы кондиционирования воздуха, переносятся воздухом в помещение, причем теплота и холод, вносимые в помещение и воздуховоды, большей своей частью ложатся нагрузкой на ЦК и холодильную установку (ХУ) централизованного холодоснабжения, обслуживающую СККВ, т.е. комплекс СККВ-ХУ.
Для сравнения и выбора комплекса СККВ-ХУ с центральным кондиционером, выявления путей его совершенствования, а также для энергосбережения необходима оценка теплоэнергетической эффективности такого комплекса. Необходимая оценка может быть произведена термодинамическим или эксергетическим методами. При этом кондиционируемое помещение, ЦК, воздуховоды, ХУ рассматриваются в исследовании как единое целое.
Оценка теплоэнергетической эффективности комплекса центральной СККВ-ХУ возможна на основе использования его технологических показателей. Однако, до сих пор справедливо утверждение некоторых авторов [1, 2] о том, что нет ясности о полном составе технологических показателей и необходимом их приоритете для СККВ различных типов.
Поэтому в работе [2] было предложено считать, что технологические показатели СККВ, характеризующие потребление теплоты, холода, воды или пара на увлажнение наружного, приточного и рециркуляционного воздуха, являются исходными для вычисления трех групп критериальных показателей: конструктивно-компоновочных, эксплуатационных, экономических (ценовых). Я.Д. Пеккер в [3] использовал комплексный показатель (ПК), вычисляемый на основании учета обобщающих показателей (ПГР) качества группы свойств (комфортности, эксплуатационных, монтажных и эстетических свойств) и коэффициентов весомости этой группы свойств КГР:
где Бі и Кі — оценка частного показателя в группе и коэффициент его весомости, соответственно. Если учесть, что в каждую группу свойств входит большое число свойств частного показателя (например, в группу комфортности входят следующие возможности: поддержание заданной температуры, ее индивидуальное регулирование, поддерживание влажности и т.д.), то становится очевидным трудность определения величин Бі и Кі.
Отсюда некоторый субъективизм самого метода [3], во многом зависящий от квалификации экспертов. Не случайно метод рекомендуется для дополнительной оценки конкурирующих систем, приведенные затраты которых различаются не более чем на 5–10 %. Данный метод оценки систем не может быть самостоятельно использован для оптимизации СККВ, но он может дать определенные сведения о показателях ограничения.
Наиболее полная для оценки системы кондиционирования воздуха совокупность показателей была предложена в работе [4]. Применительно к центральной СККВ А.А. Рымкевичем рассмотрел совокупность показателей, определяющих прежде всего натуральные затраты, а затем выражение их в цене. Для оценки принимаемых решений по СККВ использовались четыре группы показателей:
- Функциональные (обеспеченность нормируемых параметров, функционально-технологическая надежность).
- Технологические (расход теплоты, холода, воды, воздуха); конструктивнокомпоновочные (занимаемые площадь и объем; удобство монтажа, ремонта; индустриальность конструкции; эстетические характеристики).
- Эксплуатационно-энергетические (расход электроэнергии, тепловой энергии, ремонтных материалов, удобство обслуживания, надежность по техническим отказам).
- Экономические (денежные), капитальные (амортизационные), переменные составляющие эксплуатационных затрат; приведенные затраты.
Выбор приоритетной структуры показателей определялся используемым методом реализации системного подхода на основе анализа термодинамического состояния системы. Функциональные показатели характеризуют степень выполнения системой заданных функций, т.е. степень обеспечения нормируемых параметров воздушной среды: его чистоты, газового состава, температуры, влажности за каждые сутки годового периода эксплуатации.
Количественная оценка заданной обеспеченности требуемых параметров является той начальной стадией оценки принимаемых решений, без которой все другие показатели не имеют смысла. Сюда также относятся функционально-технологическая надежность, отличающаяся от надежности по отказам оборудования СККВ содержанием и смыслом. Функциональные показатели при прочих равных условиях непосредственно влияют на технологические показатели СККВ.
Варьирование их в доступных пределах позволяет использовать резервы энергозатрат за счет термодинамического состояния наружного воздуха. Технологические показатели, по мнению автора, не тождественны тепловой и электрической энергии. Они не выражают материальные затраты, а исходны для вычисления других показателей.
Экономическая составляющая технологических показателей может быть натуральной (совокупность частных материальных затрат сырья, материалов, расходы топлива и электроэнергии), стоимостной (приведенные затраты, отражающие величину текущих и единовременных капитальных затрат на производство и эксплуатацию систем) и трудовой. Все перечисленные показатели представляются в денежном выражении. Наиболее обобщенное представление о стоимостных показателях сосредоточено в понятии приведенные затраты:
З = С + ЕнК, (2)
где С — годовые текущие затраты, включая амортизацию; Ен — нормативный коэффициент эффективности, величина обратная сроку окупаемости капитальных вложений (0,12); К — капитальные вложения. Годовые текущие затраты могут быть найдены из формулы:
C = mК + ΣSэн + Sо, (3)
где m — коэффициент, учитывающий отчисления на амортизацию и текущий ремонт; ΣSэн — энергетические затраты; Sо — затраты на обслуживание, ремонт, накладные расходы. Результаты вычислений приведенных затрат применяются при сравнении вариантов капитальных вложений на системы, обеспечивающие однородные функции. Так как формула (2) позволяет сопоставить эффективность текущих и капитальных затрат, то меньшим значениям приведенных затрат соответствует наиболее выгодный вариант комплекса СККВ-ХУ.
По минимальной величине приведенных затрат можно определять оптимальные значения параметров системы с учетом изменения характеристик ее основных элементов (ЦК, ХУ с насосами, воздухопроводов и т.д.). Конструктивно-компоновочные показатели могут быть представлены в виде уравнений, графиков или матриц как статическая зависимость от определяющего технологического показателя.
Эти критериальные показатели определяются после выбора профиля, типа и типоразмера основного оборудования подсистем СККВ. Типоразмер выбирается по назначению технологического показателя технологических карт так, чтобы установочная производительность подсистемы соответствовала требуемой обеспеченности параметров в помещениях при максимальных расчетных условиях функционирования комплекса.
При оценке качества технических решений комплексов различного назначения широко используются эвристические показатели. Они базируются на экспертной оценке технических решений. Как правило, эти показатели выражаются в бальной оценке анализируемых решений. Такие показатели используются для оценки некоторых свойств комплексов в целях обобщения опыта их проектирования для характерных условий эксплуатации.
Один из распространенных используемых эвристических методов — метод иерархически направленного перебора возможных шагов к решению технологических схем, при которых существенно сокращается число заведомо нецелесообразных их вариантов. Такой подход дает эффективные результаты даже при полностью алгоритмизированных методах, избавляя используемую в этих целях ЭВМ от части ненужных расчетов и позволяя решать некоторые задачи с меньшими затратами труда и машинного времени.
В практике проектирования оборудования для установок кондиционирования воздуха известны неориентированные показатели. Однако, их численные значения не могут в полной мере свидетельствовать об уровне используемых технических решений. Например, можно считать, что удельный расход электроэнергии в СККВ на единицу площади (объема) кондиционируемого помещения является количественным, но неориентированным показателем.
Другими словами, при неориентированном показателе его численное значение не дает представления о том, в какой степени оцениваемое решение близко к лучшему для заданных исходных условий. Следует отметить, что неориентированные показатели могут использоваться для оценки вновь проектируемой системы, когда имеется опыт их применения. Пока такие обобщающие «привязки» практически отсутствуют.
Совершенно недопустимо неориентированные показатели выражать в виде их удельных значений, отнесенных к единице расхода воздуха в системе, т.к. расход воздуха является искомой величиной в процессе оптимизации систем. Однако, неориентированные показатели могут успешно применяться, если область их использования предусмотрена определяющими условиями при проектировании комплекса СККВ-ХУ.
В отличие от неориентированных, ориентированные показатели всегда связаны с их предельными значениями. При этом имеется в виду, что для заданных исходных условий существует какое-то числовое значение данного показателя, которое может быть принято в качестве исследуемого предела. Тогда любое принимаемое решение может оцениваться по степени отклонения истинного значения от предельного показателя.
Отдельно следует отметить, что во всех случаях (когда это возможно) целесообразно использовать ориентированные количественные показатели, т.к. они всегда обеспечивают какой-то начальный уровень отсчета и искомого показателя, пригодного затем для оценки вариантов любого технического решения по степени отклонения данных показателей от его эталонных значений.
Данный принцип реализуется в понятиях идеальная модель СККВ и минимально неизбежные технологические параметры системы, которые создают возможность определения отличия фактических показателей от их возможных значений при заданных условиях. Использование данных показателей при вариантном проектировании может способствовать существенному сокращению числа разрабатываемых решений.
Применительно к отдельным показателям такой подход реализуется многими авторами. Так, Е.Е. Карписом в работе [5] использовалось понятие КПД СККВ. В частности, рассматривается обобщенное выражение энтальпийного КПД СККВ с любой последовательностью воздухообработки. Однако, такой КПД нельзя использовать при сравнении СККВ, работающих на разных температурных уровнях (например, при отличающихся начальных температурах охлажденной в холодильной установке орошающей воды), что связано с различными энергетическими затратами.
Этот недостаток устраняется, если при сравнении эффект относят к одному уровню, например, к параметрам наружного воздуха и сравнивают СККВ по их эксергетическому КПД ηе. В самом общем виде эксергетический КПД определяется как отношение используемой энергии в системе к располагаемой эксергии. Наиболее точное определение эксергии в СККВ приведено в работе [5].
Автор определил понятие эксергии как максимальную работу единицы вещества (массы влажного воздуха, содержащего 1 кг сухого воздуха), полученную при обратимом переходе ее в результате теплообмена из состояния с параметрами температуры t и относительной влажности ϕ в состояние равновесия с окружающей средой с параметрами toс, а также ϕoс.
Однако для объективной оценки комплекса центральной СККВ-ХУ любого типа применение только технико-экономического анализа комплекса без определения потерь энергии в отдельных его элементах недостаточно. Поэтому при выполнении полного анализа комплекса необходимо учитывать термодинамическую эффективность как всего комплекса в целом, так и отдельных его агрегатов. Для оценки термодинамической эффективности систем кондиционирования воздуха специалисты все чаще используют эксергетический метод.
Сочетание этого метода с технико-экономическим анализом позволяет наиболее глубоко и полно оценить совершенство комплекса и выявить оптимальные условия его работы. В эксергетическом методе учитывается не только количество энергии, но и все ее преобразования, т.е. метод позволяет исследовать качественную сторону процессов, происходящих в системе кондиционирования.
Кроме того, используя данный метод, можно определить эксергетический КПД агрегатов и комплекса СККВ-ХУ в целом, что весьма важно при сопоставлении вариантов комплексов с точки зрения их термодинамического совершенства. Таким образом, комплекс центральной СККВ-ХУ представляет собой техническую систему, для анализа процессов превращения энергии в которой применим подход, опирающийся на использование термодинамических потенциалов [6].
Оценка энергоэффективности агрегатов проектируемого, эксплуатируемого и модернизируемого комплекса может быть осуществлена на основе определения обобщенного показателя энергетической эффективности (эксергетического КПД), значение которого показывает степень приближения комплекса к идеальному, т.е. в таком комплексе все процессы обратимы, а ηе = 1.
Цель эксергетического анализа — оценка эффективности агрегатов (тепломассообменных аппаратов, компрессора, насосов, вентилятора, сети воздухопроводов) и комплекса СККВ-ХУ в целом на основе определения эксергетического КПД. При эксергетическом анализе комплекса могут быть использованы два направления.
Первое направление такого анализа связано с задачами только термодинамического характера, к которым можно отнести определение степени термодинамического совершенства (КПД) комплекса и любых его частей, а также его факторов: установление предельно возможных величин КПД в данных конкретных условиях; вычисление внутренних термодинамических потерь работы от необратимости в комплексе, его частях и внешних потерь при взаимодействии с источниками и приемниками энергии; анализ характера этих потерь с точки зрения их уменьшения при конкретной организации процесса воздухообработки; термодинамическая оптимизация комплекса в целом и его элементов, выявление самых выгодных режимов внешних условий работы.
Второе направление термодинамического анализа относится к технико-экономическим задачам. При этом решаются следующие сложные научно-технические и экономические задачи: технико-экономическая оптимизация параметров комплекса и его частей, определение наиболее выгодных условий работы. Использование первого направления эксергетического анализа позволяет выбрать энергетически эффективный комплекс центральной СККВ-ХУ.
При этом выполняются техникои термодинамические сравнения различных вариантов комплексов с последующей термодинамической оптимизацией режимов его работы, при которых последовательности обработки воздуха в центральном кондиционере, его параметры или структура изменяются в зависимости от значений параметров наружного воздуха и воздуха в помещениях, а ηе максимален.
Поэтому неслучайно, что для эксергетического анализа проектируемых, эксплуатируемых и модернизируемых систем кондиционирования воздуха широко используются известные результаты эксергетического анализа, приведенные в работах [7–10]. Так, С.В. Брух [8] для сравнительного анализа энергоэффективности мультизональных СККВ (в частности, для оценки охлаждающего оборудования) предложил использовать эксергетический холодильный коэффициент температурных параметров СККВ.
Для оценки энергоэффективности оборудования СККВ автор применил эксергетический КПД. Им было установлено, что в случаях, когда подводимая энергия тратится только по назначению, то энергоэффективное оборудование отличается лучшими показателями надежности, меньшими уровнями шума и вибрации, большим сроком эксплуатации. Часто при проектировании, эксплуатации и модернизации комплекса центральной СККВ-ХУ, оценивая ее работу с использованием эксергетического КПД, необходимо также определять и величины удельной эксергии е в агрегатах комплекса.
Зная соответствующие величины удельной эксергии е1 … еn, достаточно просто найти потери эксергии на каждом участке воздухообработки, которые определяются по формуле ΔЕ = Gв(en – en–1), (4) где Gв — массовый расход воздуха. Для определения величин удельной эксергии еn в соответствующих точках технологического процесса могут быть использованы зависимости, приведенные в [11]. При термодинамическом анализе на основе Первого и Второго начал термодинамики, отражающих эксергетический баланс комплекса, вычисляются суммарные потери эксергии:
ΣD = ΣEʹ – (ΣEʺ + ΔE), (5)
где ΣЕ — приращение эксергии комплекса между начальной и конечной точкой технологического процесса воздухообработки; ΣЕʹ, ΣЕʺ — суммы подводимых и отводимых потоков эксергии в комплексе. Тогда степень термодинамического совершенства комплекса может быть найдена по формуле:
Следует отметить, что эксергетический баланс дает возможность устанавливать предельные значения, до которых может быть снижена эксергия вещества и энергия для получения заданного результата на выходе комплекса, т.е. выявляются реальные технические возможности совершенства его агрегатов. Для идеального случая (ηе = 1) значение затрат при ΣD = 0.
Предельное значение эксергии в реальных условиях определяется технически достижимым ηе. Таким образом, благодаря эксергетическому балансу задаются научно обоснованные масштабы для сравнения характеристик имеющейся системы с идеальным и реально достижимым для данного уровня техники и технологии образцом. Таким образом, проведение термодинамической оптимизации комплекса СККВ-ХУ согласно первому направлению эксергетического анализа сводится к тому, чтобы, изменяя те или иные его параметры либо его структуру, получить как можно большую термодинамическую эффективность (максимальный эксергетический КПД).
Такая оптимизация в ряде случаев может дать существенный практический эффект. Однако, в конечном счете для практики решающей является оценка результатов, полученных при технико-экономической оптимизации. Результаты термодинамической и техническо-экономической оптимизации в общем случае не совпадают. Поэтому анализ и оптимизация технических систем, основанных только на термодинамических методах, связаны с определенными ограничениями.
В результате возникает необходимость в технико-экономических эксергетических расчетах с использованием «стоимости эксергии». Сумма всех затрат, относящихся к единице эксергии данного продукта, определяет «стоимость эксергии». Пользуясь этой величиной, можно с помощью соответствующей методики: провести технико-экономический анализ; определить стоимость потоков вещества и энергии в любом месте рассматриваемого комплекса; проследить от входа до выхода, где и как она изменяется, из чего складывается и как распределяется между агрегатами комплекса.
Затраты, определяющие «стоимость эксергии», определяются по двум методикам: денежная, основанная на существующих ценах и тарифе, по которым определяются все виды затрат на выходе (входах) в рассматриваемый комплекс; энергетическая (эксергетическая), которая базируется на суммировании всех энергетических затрат, выраженных в единицах энергии.
Следует отметить, что эксергетический метод, учитывающий при расчетах «стоимость эксергии», органически сочетает в себе экономические и термодинамические показатели и тем самым дает возможность решать оптимизационные задачи наиболее коротким путем посредством эксергетический техникоэкономической оптимизации. Целевой функцией здесь служит зависимость суммарных затрат на единицу эксергии конечного продукта от определяющих факторов.
Минимум целевой функции соответствует оптимальным характеристикам системы. Возможные ее решения: вариантное, структурное и структурновариантное рассматриваются в [6]. При решении основных оптимизационных задач комплекса СККВ-ХУ можно использовать результаты системного анализа, полученные в работе [4]. Предложенный автором подход позволяет найти не только оптимальное для данных условий решение системы в целом, но и оценить влияние на ее технико-экономические показатели множества различных факторов.
Так, например, применяя для выяснения поведения СККВ функциональный анализ на основе термодинамической модели, автором была установлена взаимосвязь комплекса технико-экономических показателей, определены пути целенаправленного перебора конкурирующих вариантов, выявлены оптимальные резервы улучшения качества решений систем. Метод [4] целесообразно использовать в первую очередь для поиска оптимального режима вновь проектируемых систем, а также для выявления и реализации резервов эксплуатируемых систем, например, подлежащих реконструкции.
Данный метод ставит своей целью обосновать требования к типовым решениям систем для характерных объектов, а также требования к типовым решениям систем для характерных объектов с учетом условий привязки схем и организации режимов функционирования в зависимости от климатического района. Следует учитывать, что в процессе оптимизации процедуры вычисления критериальных показателей существенно облегчаются, если заранее подготовлен удобный для использования банк информации по отдельным подсистемам, входящих в комплекс СККВ-ХУ.
Другими словами, при рассмотрении, например, конструктивно-компоновочных показателей СККВ желательно использовать банк информации, обладающий соответствующими специфическими особенностями. Структурная схема взаимосвязи определяющих факторов с основными операциями вычисления комплекса технико-экономических показателей (с учетом рекомендаций [4]) для судового комплекса центральной СККВ-ХУ приведена на рис. 1.
В левой колонке (см. рисунок) представлены систематизированные группы определяющих факторов, справа даны их связи с технико-экономическими показателями. В качестве связующего звена между определяющими факторами и технико-экономическими показателями используется термодинамическая (математическая) модель комплекса центральной СККВ-ХУ. При исследовании комплекса СККВ-ХУ рассматриваются идеальная и многофакторная модели комплекса.
Для идеальных комплексов учитываются следующие условия, определяющие системные характеристики: в системе воздухораспределения параметры воздуха распределяются равномерно по всему объему помещения; в системе транспортировки воздуха метеорологические параметры постоянны по длине каналов; нагрев воздуха в вентиляторе отсутствует; в системе тепловлажностной обработки воздуха достижима теоретически возможная эффективность тепломассообмена.
Таким образом, с математической, точнее, с вычислительной точки зрения эксергетические технико-экономические показатели могут выполнять функции параметров, характеризующих состояния комплекса или его агрегатов. Эти параметры составляют каркас комплекса, они могут описывать его поведение. Кроме того, параметры могут приниматься в качестве переменных при эксергетической технико-экономической оптимизации в процессе решения оптимизационной задачи.
