книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях

ПРЕДСДОВИЕ

Устойчивое удовлетворение раступщх потребностей в различных

видах тошпва и энергии требует улучшения структуры энергетическо­ го баланса и последовательного доведения во всех отраслях народ­ ного хозяйства активной и целенаправленной работы по экономии топливно-энергетических ресурсов..

В настоящее время наметился новый подход к инвестиционной политике. Она призвана обеспечивать быстрый рост эффективности капительных влажешй, их концентрацию на решающих участках, по­ лучение наибольшего прироста продукции и национального дохода на каждый рубль затрат. Поэтому большое внимание уделяется техническо­ му перевооружению и реконструкции действующих предприятий.

Проектирование, строительство, реконструкция и эксплуата­ ция систем кондиционирования микроклимата (СКМ) в зданиях тре­ буют больших энергетических и материальных затрат. Объем капита­ ловложений в систем* настолько велик, что сокращение его даже на несколько цроцентов за счет назначения оптимальных параметров систем и установок дает значительную экономию средств.

Одним из основных элементов энергосберегающих технологий яв­ ляется энергосбережение в СКМ зданий, который в настоящее время потребляют до 40 * добываемого в стране твердого и газообразно­ го топлива и около Ю % вырабатываемой электрической энергии. Ргвеше поставленных задач обеспечивается за счет создания и внедрения в производство высокоэффективных систем автоматизиро­ ванного проектирсвашя (САПР) и автоматизированных систем управ­ ления технологическими процессам! (АСУ ТП). Одним из основных звеньев математического обеспечения САПР и АСУ ТП являются про­ грем и статической и динвм1ческой о игигазации объектов проекти­ рования и управления.

При изучении таких елейных систем, как СКМ, используется системный анализ с пршенешем методов математического моделиро­ вания дня описания коячествен ш х закономерностей на всех уров­ нях иерархии системы. Системный анализ требует, в свою очередь, декомпозиции СКМ га подсистемы и отдельные элементы с их после­ дующим когачественшм анаязсм га основе математических моде­ лей и задачи синтеза оптимальной СЯМ, исходя из критерия эффек­ тивности системы.

За последние года пробиема оптимизации технологических и конструктивах параметров разичных систем в сооружений првоб-

3

рела исключительную актуальность, В ряде отраслей науки и техни­ ки задачи оптимального планирования, проектирования, функциональ­ но-стоимостного анализа и управления решаются довольно успешно, что позволяет достигать высоких технологических, энергетических и экономических эффектов. Однако в области оптимизации СКМ и, в частности, практического применения современных математических методов оптимального проектирования ресурсоэкономичных систем обеспыливания воздуха (СОВ) в промышленных зданиях отмечается еще большое отставание.

Широкое внедрение в практику проектирования методов опти­ мизации СКМ должно являться важнейшей производственной задачей научно-исследовательских и проектных институтов, располагающих математическими отделами и лабораториям!, оснащенными современ­ ными ЭВМ МИСИ им. Куйбшева, МЭИ, ЦНИИ промзданий, МАРКИ, НИИСФ Госстроя РФ, НИИОТ (Санкт-Петербург), Пермского государственно­ го технического университета (ПГТУ) и др.

В предлагаемой монографии автор поставил перед собой цель на примере зданий с пылевыделениями обобщить существующие прин­ ципы системного анализа и метода оптимизации СОВ и СКМ в целом. Это первая работа, систематизирующая основные идеи и результаты в области оптимального проектирования процессов обеспыливания воздуха (ПОВ) и кондиционирования микроклимата (ПКМ).

Болыцую помощь в работе над изданием книга оказали сотруд­ ники кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ПГТУ И.Я.Вайоман, А.Л. Гришков, А.В. Гришкова, С.Н. Знаменский и А.Ю. Поляков.

Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук, профессорам В.В. Богословскому, Л.Д. Богуславскому, M.H.I'pH-

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на улучшение условий труда в промышленных здани­ ях с выделениями пыли, запыленность воздушной среда в них зачас­ тую превышает допустимые значения, микроклиматические условия не

отвечают требованиям CHt велика доля тяжелого физического труда (например, ручного труда по уборке пыли в помещениях). Запылен­ ность воздушной среды помещений в значительной мере обусловли­ вает загрязнение атмосферного воздуха неорганизованным! пылевы­

ми выбросами.

фективно локализующие образования пыли, и приточные системы об­ щеобменной вентиляции (ПСОВ) или системы кондиционирования воз­ духе (СКВ), компенсирующие удаляемый аспирационный воздух. Крат­ ность воздухообмене в помещениях нередко достигает несколыих десятков единиц в час. Энерго- и металлоемкие СА перемещают большие объемы высококонцентрированного запыленного воздуха, который очищается в громоздких и дорогостоящих пылеулавливаю­ щих устройствах, имеющих большое аэродинамические сопротивление и занимающих значительные производственные площади. С аспираци­ онным воздухом нередко теряются дорогостоящие перерабатываемые материалы, а в окружающую среду поступает значительное количество пыли. При аспирационном воздухообмене затрачивается большое коли­ чество электроэнерпм на перемещение запыленного воздуха и прео­ доление сопротивления очистных устройств и металла на изготов­ ление аспирационных укрытий, воронок и воздухопроводов и пыле­ уловителей. Аспирационное оборудование занимает иногда до 2530 % производственных площадей и объемов.

Расходы аспирационного воздуха, как правило, однозначно определяют воз духопрои звода те льноеть ОПВ и СКВ. Это ограничи­ вает оптимизацию проектных решений этих систем и СКМ в целом.

Вследствие этого в ОПВ и СКВ расходуются большие количества теп­ ловой и электрической энергии, холода и воды. Так по данным ВНИИОТ ( г . Ленинград) энергетические затраты по стране только на нагревание приточного воздуха в холодный период года дости­ гают 100 млн.т условного топлива. Системы характеризуются зна­ чительной металлоемкостью, включают в себя много приточных ка­ мер и кондиционеров, которые занимают большие площади в помеще­ ниях.

Традиционные СОВ дорогостоящи, малоэффективны и требуют больших эксплуатационных затрат.

Современный уровень развит!я кондиционирования м кронлямата

псыещениА позволяет синтезировать различные подсистемы СОВ и СКМ, обеспечивающие получение конечного результата - нормируемых па­ раметров микроклимата на необходимом уровне• При проектировании СОВ и СКМ приходится решать задачи системного анализа, поиска оп­ тимального состава систем, подсистем и установок при многовахиантнсм обеспечении технологаческих решений на всех этапах обеспы­ ливания воздуха и кондиционирования микроклимата и одновременно технологические, энергетические, экономические, санитарно-пние- нические и экологические задачи.

Оптимальное проектирование СКМ в зданиях возможно лишь при сокращении величины воздухообмена в помещениях. Уменьшение возду­ хообмена только на I % приводит в масштабах страны к экономя около I млрд.кВт.ч электроэнергии. В помещениях с пылевыделениями уменьшения воздухообмена можно достачь за счет сокращения расходов аспирационного воздуха и применения комбинированных систем. Кроме того, уменьшить расход аспирационного воздуха мож­ но за счет использования нетрадиционных для цроадпленных зда­ ний способов и средств обеспыливания технологического оборудова­ ния. Системы гидро- и парообеспыливания, обеспыливания пеной или электрообеспыливания (СГО, СПО, СОП или СЭО) работают в комплексе с СА га менытх массах малоза пылеиного воздуха или позволяют в ряде случаев полностью отказаться от аспирации.

Совместная работа центральных воздушных систем ОВ и КВ с водяными и другими местным системами отопления или охлаждения, а также с местными увлажнительным иля осушительным устройствам сокращает воздухообмен и позволяет сберегать электрическую энер­ гию, а нередко, и теплоту, холод и воду. При этом чаще всего снижаются и материальные затраты.

Использование систем обеспыливания оборудования и Комбини­ рование центральных систем СВ я КВ о местными устройствами поз­ воляет осуществлять оптимальное проектирование СОВ и СКМ в целом.

Несмотря на устройство систем обеспыливания технологческого оборудования (СОТО) в воздушную среду помещений выделяется пыль: она частично витает в воздухе, часть ее удаляется вытяж­ ной системой общеобменной вентиляции (ВСОВ), а значительная до­ ля оседает на различных поверхностях. Осевшая пыль мажет снова поступить в воздух помещений (вторичное пылеобразаваняе). в свя­ зи с этим возникает проблема обеспыливания воздушной среды поме­ щений, что достигается про оптимизации организации воздухообме­ на И уборки осе впей пыли в помещениях.

В данной работе рассматриваются вопросы воздухораспределения в помещении при условии предотвращения вторичных пылеобра зо­ ва ний и естественного оседания витающей пыли и вакуумный способ уборки пылеосаждений, имеющий самые высокие технико-экономичес­ кие и санитарно-гигиенические показатели и сокращающий долю тя­ желого ручного труда.

Системный подход к решению указанных задач предполагает

использование современной математической теории оптимизации и практической реализации методов оптимального проектирования и оптимального управления.

Требования СИ, рекомендации СЙШ и отраслевых нормативных документов по проектированию систем ОВ в КВ оставляют большую свободу выбора состава систем, численных значений конструктив­ ных и технологических параметров, позволяющих достигать опти­ мальные параметры микроклимата, однако, материальные и энерге­ тические затраты цри реализации различных вариантов могут су­ щественно отличаться. Технико-экононяческая оценка вариантов систем пре проектировании возможна только при использовании ЭВМ и специальных СОВ и СКМ, характеризуемых многоуровневой иерархической схемой связей явлений различной природы, опреде­ ляется не только успешньы функционированием отдельных элемен­

тов систем, но и сложной, взаимосвязанной работой всех их под­ систем, установок и устройств. Применение методологии систем­ ного анализа позволяет систематизировать и подчинять единой цели все ПОВ и ПКМ. При этом исследования СОВ и СКМ в целом ос­ новываются на анализе процессов и явлений, протекающих на всех их иерархических уровнях. Разделение системы на иерархические уровни, соответствующие блокам общей математической модели (ММ), позволяет, проведя детальный анализ нижних уровней, обоб­ щить информацию при передаче ее на верхние уровни и выявить основные факторы, влияющие на глобальный критерий оптимальнос­ ти системы.

Иерархическая схема СКМ включает ряд уровней от процессов на микроуровне, связанных, например, с молекулярным характером Процессов адгезии частиц пыли к стенке или тепло- и влагообмена между воздухом и водой в элементарном объеме тепло- в влагооб­ менного аппарата, до процессов функционирования СОВ или других отдельных подсистем и установок.

Оптиновация процессов на квждом уровне иерархии подчиняет­ ся частным критериям оптимальности, формирующим в той или иной

7

форме глобальный критерий, в качестве которого чаще используют­ ся технико-эконоляческие показатели. Исследование и оптимизация СКМ на основе критерия оптимальности включает две основные зада­ чи: выбор оптимальной структуры и определение эффективной после­ довательности. связей между подсистемами и установками, характери­ зуемыми определенным! условиями функционирования; выбор опти­ мальных условий функционирования подсистем и установок, их входных, выходных и управляющих параметров для СКМ заданной структуры.

Первая задача наиболее актуальна на этапах предпроектной и проектной цроработки новых систем и связана с разработкой

Страте тая системного анализа предполагает в каждом из рас­ смотренных случаев использование формализованных представлений в виде ММ подсистем и установок СКМ.

Данная работа посвящена оптимальному проектированию одной из основных подсиотем СКМ - СОВ, которая, в свою очередь, явля­ ется подсистемой комплекса инженерных систем (КИС) в помещении. Глобальным и универсальным критерием оптимальности систем яв­ ляется функция годовых приведенных затрат, описывающая экономи­ ческие, энергетические, технолотаческие и конструктивные пара­ метры.

Целью оптимального проектирования СКМ и СОВ в помещениях с

микроклиматические параметры воздуха в помещениях достигаются с наименьшими приведенными затратами.

Машинно-ориентированная формализация и разработка алгорит­ мов расчета на ЭВМ являются цри этсм основой машинного анализа СОВ г СКМ и их последующей оптимизации.

ЭВМ служит техническим средством, эффективно реализующим Принципы кибернетического подхода к анализу, синтезу и управле­ нию ПОВ и ПКМ. При этом разработка и внедрение САПР систем и АСУ процессам являются важнейшим этапом технической модерни­ зации действущвх систем и создания на основе САПР новых высоко­ эффективных СКМ.

В монографии приведены методологии и алгоритма и прогреты оптимизации на ЭВМ целостных СОВ и СКМ в промышленных зданиях о выделения»» пыли. Они позволяют решать широкий круг инженерных задач, основными из которых являются: выбор оптимального состава подсистем и установок КИС; определение оптимальных (ресурсосбере-

энергетической и экономической эффективности всех подсистем СКМ. Автор надеется, что рассмотренные принципы системного анвта­

за СЯМ, методы моделирования и оптимизации СОВ и других подсис­ тем будут полезны специалистам, работащам в облаота ОВ и КВ.

ШВА I . ПРИНЦИПЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

ИМОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ. КОЦЦИЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА

ВПОМЕЩЕНИЯХ С ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯМИ

1Л . Применение системного анализа при исследовании и проектировании процессов и систем обеспыливания воздуха

Системный анализ является основнш методом научного изуче­ ния сложных систем, включающих совокупность процессов и явле­ ний различной физической, химической и биологической природы. С помощью системного анализа решаются задачи математического моделирования и оптимизации отдельных устройств и подсистем, а также системы в целом. При этом методологая системного под­ хода сохраняется цри анализе иерархических уровней системы.

При рассмотрении процессов и систем обеспыливания воздуха (ПОВ и СОВ), процессов и систем кондиционирования широклима­ та (ПКМ и СКМ) в помещении с позиций системного анализа в них можно выделить ряд элементов, каждый из которых в свою очередь макет рассматриваться как технологаческвя система. Каждый из этих элементов (подсистем) характеризуется сложной иерархичес­ кой структурой связей, к которой также применим системный под­ ход. Так, любой ПОВ как сложная система может быть представлен многосвязной схемой, соответствующей различным механизмам обес­ пыливания воздуха. Кондиционер с позиций системного анализа

представляет многоуровневую систему, состоящую из аэро- и гидродинаш чески х и тепло- и массообменных процессов. СОВ в целом включает в себя различные процессы и установки обеспыливания, связанные материальными и энергетическими потокаш, и обеспе­ чивает нормируемые значения запыленности воздуха в помещении и в выбросах в атмосферу. Под СКМ в целом понимается совокуп­

ность взаимосвязанных материальными, энергетическими и информа­ ционным! потокаш подсистем, в которых осуществляются процессы, обеспечивающие в помещении необходимые микроклиматические усло­ вия.

Рассмотрим качественные характеристики трех элементов и подсистем на различных уровнях иерархических схем СОВ. и СКМ, что позволит оценить сложность систем и определить метод их ис­ следования в оптишзации и целесообразный уровень детализации (декомпозиции) при разработке фодоализоваиных методов математи­ ческого описания систем.