Основы построения теории эффективности и надежности систем кондиционирования микроклимата
Б. Н. Богословский, С. Г. Булкин
Теория эффективности и надежности сложных систем интенсивно развивается для обеспечения новейших направлений техники. Однако полная теория разработана только для простых и отдельных сложных систем. Общей теории эффективности и надежности сложных систем, к которым относятся СКМ, с переменными режимами и некоторыми допустимыми отклонениями в работе в настоящее время нет.
В теории надежности приняты основные понятия эффективности качества, надежности, определения которых очень близки и во многих случаях даже совпадают. Для многих систем такое совпадение соответствует их природе и не имеет принципиального значения. Для СКМ это не так, поэтому прежде всего для них необходимо ввести и определить основные понятия, принимая во внимание некоторые из уже сложившихся определений.
К основным понятиям для СКМ, по нашему мнению, следует отнести эффективность и дополняющие ее понятия надежности, обеспеченности и устойчивости.
Эффективность СКМ — свойство системы выполнять заданные функции в течение требуемого промежутка времени, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах (т. е. в заданном объеме при определенных условиях работы).
Надежность СКМ — свойства технических устройств и элементов системы непрерывно сохранять работоспособность в заданном режиме при определенных условиях функционирования.
Обеспеченность СКМ — показатель расчетного выдерживания системой заданных условий в помещении и допустимых отклонений от них (т.е. в заданном объеме и определенных условиях функционирования).
Устойчивость СКМ — свойство системы непрерывно сохранять допустимые отклонения в работе ее отдельных частей и элементов, в том числе в режиме управления в определенных условиях функционирования.
Такие категории системы, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность являются составляющими свойства надежности в принятом определении. Категории системы — режимная управляемость, живучесть, устойчивоспособность — относятся к свойству устойчивости системы. Характеристики работоспособности, неработоспособности и др., определяющие рабочее состояние СКМ, могут в различных ситуациях определять свойство надежности, обеспеченности, устойчивости.
В связи со сложностью и разветвленностью системы энергоснабжения зданий (см. рис. 4.1) в ней неизбежны отказы (постепенные, внезапные, перемежающиеся, частичные и полные). Отказы в системе могут быть вызваны следующими причинами: схемно-конструктивными (проектными, расчетными); производственно-технологическими (брак изделий, изготовления и монтажа); эксплуатационными (неправильное, небрежное обслуживание, ситуационные).
В связи с этим предлагаются следующие пути повышения эффективности: оптимизация схемно-конструктивных решений с учетом необходимой обеспеченности и устойчивости, повышение долговечности и надежности отдельных элементов, узлов систем, улучшение эксплуатации. Любой отказ связан с бесполезными потерями энергии и с затратами энергии на изготовление нового и замену вышедшего из строя узла, элемента или системы.
Важным является вопрос о выборе критериев—показателей эффективности, надежности, обеспеченности и устойчивости. В теории сложных систем выделяют два вида обобщенных критериев. Первый характеризует ее внутренние свойства и структуру, т. е. ее потенциальные возможности. Второй характеризует ее в процессе функционирования, при достижении поставленной цели. Первый и второй критерии должны быть по существу различными градациями некоторого общего функционала эффективности. За обобщенные критерии целесообразно принимать вероятностные показатели, но следует иметь в виду, что в некоторых случаях они должны быть не только вероятностными, но и детерминированными.
Исходя из того, что эффективность отдельных элементов, а также системы в целом изменяется во времени, показатели эффективности по временному признаку могут быть мгновенными и срочными (для расчетных условий, за нормативный срок окупаемости и за весь период эксплуатации).
Учитывая, что решаемая задача связана с экономией энергии при строительстве и эксплуатации зданий, в рассмотрение эффективности отдельных элементов, процессов и системы в целом могут быть введены следующие показатели: показатель термодинамического или термического совершенства
(432)
где Qр — энергия, получаемая в реальном процессе: Qид — энергия, получаемая в идеальном процессе-эталоне;
показатель использования энергии
(433)
где N — энергия, затрачиваемая при производстве (электрическая, механическая мощность).
Приведенные выше показатели дают представление о степени термодинамического совершенства процесса и не могут служить основанием для принятия технического решения, для этого обычно служат приведенные затраты, учитывающие капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Однако в условиях возрастающего дефицита органического топлива прейскурантные цены на тепловую, электрическую и другие виды энергии не всегда отражают их фактическую ценность. Поэтому наряду с приведенными затратами рассматривают термоэкономические показатели:
показатель расхода материала
(4.34)
где М — масса материала (например металла), израсходованная на изготовление аппарата или системы; Qт.м —тепловая мощность аппарата или системы;
показатель использования вторичных энергоресурсов
(4.35)
где Qвэр — исходная тепловая мощность вторичных энергоресурсов;
тепловая характеристика здания — показатель совершенства объемно-планировочных и конструктивных решений здания
Последний показатель может использоваться как наряду с приведенными затратами, так и выступать самостоятельным критерием. В этом случае он рассматривается за весь срок эксплуатации здания, а общее энергопотребление здания должно включать (см. рис. 4.1) энергию, пошедшую на добычу и производство строительных материалов, изделий из них, на их транспорт и монтаж, энергию, пошедшую на добычу материалов, транспорт и монтаж систем инженерного оборудования зданий, а также энергию на их привод и теплообеспечение. Затраты людского труда также в конечном итоге могут быть выражены в виде энергии.
Такое рассмотрение позволяет отказаться от абстрактного оценочного эталона и перейти к оценке совершенства процесса или системы мерой энергии, являющейся действительным источником всех процессов и активной деятельности человека в народном хозяйстве, что наиболее полно отвечает физической основе явлений. Так, для здания
(4.38)
где Qст — энергия, затраченная на добычу и производство строительных материалов, транспорт и монтаж из них; Qтр — энергия, затраченная на транспорт и монтаж сырья, строительных материалов, материалов и элементов здания и систем инженерного оборудования, с учетом отказов и замены отдельных элементов за срок эксплуатации здания; Qт — энергия, затраченная на тепло- и холодоснабжение и привод электродвигателей систем ОВ, КВ и ГВ; Qо — энергия, затраченная на освещение зданий: Qл — энергозатраты труда.
Затраты энергии на производство различных материалов приведены в табл. 4.3.
Расход энергии на производство различных материалов [11] приведен ниже.
Таблица 4.3. Расход энергии на производство теплоизоляционных строительных материалов |12|
