Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ концептуальных подходов совершенствования методологических принципов энергосбережения в энергетических системах для устойчивого развития региона 10
1.1 Энергосбережение для устойчивого развития 11
1.2 Концептуальные и термодинамические принципы построения модели энерго- и ресурсосберегающего развития 20
1.3 Энерго-и ресурсосберегающие технологии в энергетических системах и ком плексах 40
Глава 2. Теоретические основы энерго- и ресурсосберегающего развития ...45
2.1 Введение в локально-равновесную термодинамику 45
2.2 Законы сохранения и переноса 62
2.3 Обобщённый критерий энерго- и ресурсосберегающего развития 99
Глава 3. Модель энерго- и ресурсосберегающего развития региона 104
3.1 Энерго- и ресурсосберегающее развитие и законы термодинамики 104
3.2 Критерии энерго- и ресурсосберегающего развития 112
3.3 Термодинамическая модель энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона : 126
Глава 4. Управление качеством окружающей среды в энергетических системах на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития региона 152
4.1 Методологические принципы и алгоритм управления качеством окружающей среды с использованием массо-и энергетических балансов 153
4.2 Создание и внедрение современных методов мониторинга окружающей средыв энергетических системах и комплексах 169
4.3 Оценка региональных особенностей управления качеством окружающей средыв энергетических системах 195
Глава 5. Энергетическая стратегия устойчивого развития региона 202
5.1 Стратегия развития регионального энергоснабжения и рациональный топливно-энергетический баланс Республики Бурятия 203
5.2 Экологические проблемы энергетики Бурятии и основные пути их решения на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития региона 227
5.3 Энергетика Байкальского региона и устойчивое развитие , 262
Глава 6. Создание эффективной системы управления энергосбережением как основы устойчивого развития региона 277
6.1 Потенциал энергосбережения в Республике Бурятия 283
6.2 Методология создания программ энергосбережения. Разработка Программы энергосбережения Республики Бурятия 290
6.3.Повышение энергоэффективности систем теплоснабжения на основе оптимального топливно- энергетического баланса Улан-Удэнской ТЭЦ-1 325
6.4 Реализация модели устойчивого развития региона с применением нетрадиционных возобновляемых ресурсов 353
Заключение 388
Литература
- Концептуальные и термодинамические принципы построения модели энерго- и ресурсосберегающего развития
- Обобщённый критерий энерго- и ресурсосберегающего развития
- Термодинамическая модель энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона
- Создание и внедрение современных методов мониторинга окружающей средыв энергетических системах и комплексах
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время идёт интенсивное обсуждение разнообразных путей устойчивого развития Байкальского региона, превращение водосборного бассейна озера Байкал в Мировую Модельную Территорию Устойчивого Развития. До последнего времени практически все концепции энерго-и ресурсосберегающего развития энергетических систем и комплексов, в том числе Байкальского региона и Бурятии, не имели теоретически обоснованной методологии. Научная реализация этой непростой задачи требует определённых теоретических обобщений и детальных практических исследований. Не ясно также, какой должна быть региональная стратегия перехода от одного типа природопользования к другому. В связи с этим обострилась проблема принятия решений при выборе той или иной стратегии будущего развития единой системы «человек-общество-производство-природа». Главным системообразующим признаком такой системы являются усиливающаяся взаимосвязь экономических, технологических и природных процессов, что значительно усложняет проблему управления качеством окружающей среды и рациональным природопользованием. Поэтому в последние годы потребовались современные подходы к формированию модели энерго-и ресурсосберегающего развития энергетических систем и комплексов региона на основе новой парадигмы. Суть ее исходит из термодинамической теории развития открытых систем с сопряженными процессами, которая заключается в следующем. Прогресс - это рост «запаса устойчивости» развивающихся систем по отношению к внешним воздействиям. Из указанной формулировки следует, что открытые системы с сопряженными процессами в процессе своего развития должны быть устойчивы по отношению к внешним воздействиям. Разработка современных методов, адекватно отражающих состояние реальных объектов и процессов рационального природопользования, обеспечивает надежность выбранной стратегии энерго-и ресурсосберегающего развития энергетических систем и комплексов региона. Поэтому актуальность решения научных и практических проблем энерго-и ресурсосберегающего развития, в частности, Байкальского региона, не вызывает сомнения. Основная научная идея проведенных исследований заключается в том, что энерго-и ресурсосберегающее развитие энергетических систем и комплексов теоретически базируется на локально-равновесной термодинамике открытых систем с сопряженными процессами массоэнергообмена. Данный методологический подход открывает новые возможности практического решения актуальных инженерно-экологических проблем энергетических систем на основе создания системотехнических комплексов энерго-и ресурсосберегающего и экологического назначения. К ним относятся: управление качеством окружающей среды энергетических систем, мониторинг окружающей среды и защита среды от вредных выбросов энергетических систем и комплексов, управление энергосбережением, использование возобновляемых источников энергии.
5 Диссертационная работа выполнена на кафедре " Теплотехники, вентиляции и теплогазоснабжения" Восточно-Сибирского государственного технологического университета в рамках госбюджетной темы "Охрана окружающей среды в водосборном бассейне реки Селенги и озера Байкал в целом"( № гос. регистрации 01870019607 ) по единому заказ-наряду Министерства Образования РФ, в соответствии с "Целевой Программой энергосбережения Республики Бурятия на 1999-2003 г.г.", с "Отраслевой Программой энергосбережения АО Бурятэнерго, с "Целевой Федеральной Программой энергосбережения", с"Целевой Федеральной Программой по разработке эффективных систем инженерных сетей и сооружений городов в новых экономических условиях ", с "Международной программой TACIS (Энергоэффективность в Бурятии)". ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в разработке методологических и практических основ энерго-и ресурсосбережения в энергетических системах для устойчивого развития Байкальского региона. В соответствии с поставленной целью в данной работе решался комплекс взаимосвязанных теоретических и экспериментальных задач:
анализ концептуальных подходов совершенствования методологических принципов энергосбережения в энергетических системах для устойчивого развития региона;
обоснование теории энерго- и ресурсосберегающего развития с применением локально-равновесной термодинамики открытых экосистем;
разработка термодинамической модели энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона;
экспериментальная апробация и внедрение современных методов управления качеством окружающей среды в энергетических системах и комплексах на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития региона,
разработка и практическое обоснование энергетической стратегии устойчивого развития Байкальского региона;
создание и внедрение эффективной системы управления энергосбережением с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии как основы устойчивого развития Республики Бурятия.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Решение поставленных задач осуществляется на основе теории -систем, методов математического моделирования, термодинамики, тепло-и массообмена и синергетики. Исследования включают в себя: математическое и физическое моделирование, проведение физических и численных экспериментов на ЭВМ с использованием методов математического планирования Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием надёжных методов исследования, подтверждением полученных автором результатов независимыми методами и сравнительным анализом теоретических и экспериментальных данных.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА: - с помощью логистического уравнения количественно сформулирована концепция о развитии: наиболее энергоэффективной считается та энергосистема, у которой в данный момент времени величина K-m/r больше;
методологически обосновано применение термодинамического подхода к созданию теории энерго- и ресурсосберегающего развития региона;
впервые представлена термодинамическая модель энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона;
впервые предложен алгоритм управления качеством окружающей среды в энергетических системах и комплексах на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития региона;
разработана энергетическая стратегия устойчивого развития Республики Бурятия с использованием энерго- и ресурсосберегающих комплексов и систем;
впервые создана и практически внедрена эффективная система управления энергосбережением Республики Бурятия на основе Целевой Программы энергосбережения РБ на 1999-2003 г. г. j ряда муниципальных, районных и отраслевых программ энергосбережения;
разработан и внедрён Атлас "Нетрадиционные возобновляемые источники энергии Байкальского региона" на основе анализа потенциала энергосбережения Республики Бурятия;
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на ежегодных научных конференциях и семинарах МИИТа, Читинского политехнического института, ВСГТУ (с 1976 г. по 2002 г.), на научных семинарах в лаборатории высокотемпературной кристаллизации Института кристаллографии АН СССР (Москва, 1975,1976,1982 г.г.); секции Научного Совета по проблеме "Массо- и теплоперенос в технологических процессах" при ГКНТ СССР (Москва, 1977, 1985 г.г.) 14-ой научной конференции молодых учёных Института теплофизики СО АН СССР (диплом второй степени, Новосибирск, 1981 г.); семинарах кафедр и групп теплофизического профиля Сибири и Дальнего Востока, Институт теплофизики СО АН СССР (Владивосток, 1984 г., Иркутск 1992 г.); 11-ом Международном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, Институт оптики атмосферы СО АН СССР, 1992 г.); 1-ой Международной конференции "Человек у Байкала" (Улан-Удэ, 1990 г.); Всесоюзных научно-практических совещаниях по проблемам экологии Гусиноозёрской ГРЭС (1988,1989 г.г.); 2-ом Международном симпозиуме "Байкальский регион как мировая модельная территория устойчивого развития" (Улан-Удэ, 1994 г.); межрегиональных научно-технических конференциях "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, ИГТУ, 1995,1996,1997 г.г.); межрегиональных научно-практических конференциях "Строительный комплекс Востока России:
7 проблемы, перспективы, кадры" (Улан-Удэ, 1996,1997,1998,1999 гг.); International Simposium on Cold Regions Engineering (Harbin, China, University of Harbin, 1996 ); VI Rosyjsko-Polskie seminarium "Teoretyczne podstawy budownictwa" (Warszawa, Polska, 1997); Международных научных семинарах по проекту TACIS "Повышение энергоэффективности в Бурятии" (1997,1998,1999 г.г.); Всероссийской научно-практической конференции "Горы и человек: в поисках путей устойчивого развития " (Барнаул, 1996 г.); 3-ей Международной конференции "Байкал - Участок Мирового Природного Наследия" (Улан-Удэ, 1998 г.); 2-ом Международном симпозиуме по энергетике (Казань, 1998 г.); Международных конференциях "ГГЕ'98" и "ГГЕ'99" (Москва, 1998,1999 г.г.); 13th International Congress of Chemical and Process Engineering "Chisa'98" (Praga, the Czech Society of Chemical Engineering, 1998); 4th International Simposium on Environmental Geotechnology and Global Sustainable Development ( Boston, Massachusetts, USA, University of Massachusetts, 1998); 5th International Conference on Environmental Education (Zurich, Switzerland, University of Technology, 1999); Международной конференции "Безопасность 2000" (Иркутск, 2000 г.); Всероссийской научной конференции "Молодёжь и научно-технический прогресс" (Владивосток,2000 г.); Международной научно-практической конференции "Энергосберегающие природоохранные технологии на Байкале" (Улан-Удэ, август 2001 г.); 4-ом Международном симпозиуме "21-ый век: диалог цивилизаций и устойчивое развитие " (Улан-Удэ, июль 2001 г.); International Conference "Engineering Education in Sustainable Development" (Delft the Netherlands, University of Technology, 2001). ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ:
разработаны методологические принципы создания региональных, муниципальных и отраслевых программ энергосбережения на конкретных примерах;
проведена оценка топливно-энергетического баланса Республики Бурятия на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона;
получены критерии энергосбережения в условиях экологически устойчивого развития региона;
разработан пакет прикладных программ для ЭВМ по созданию топливно- энергетических балансов Республики Бурятия, г. Улан-Удэ, ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, Гусиноозёрской ГРЭС;
создана и экспериментально апробирована автоматизированная система лазерного мониторинга окружающей среды Гусиноозёрской ГРЭС и Улан-Удэнской ТЭЦ-1;
- в связи с проектированием для Гусиноозёрской ГРЭС сероулавливающая установка для блоков № 5, № 6 с расчетным КПД улавливания окислов серы - 80,5%, разработан и экспериментально испытан проект использования отходов сероочистки для получения из сульфогипса вяжущего р-модификации, используемый в качестве строительного материала;
8 - на Тимлюйской ТЭЦ проведены промышленные испытания цеолитового метода снижения выбросов окислов серы и азота, в качестве реагента использовался цеолит Новокижингинского рудника, при оптимальном соотношении цеолита и угля (1:8 - 1:10) степень очистки дымовых газов от окислов серы составила 75% и от окислов азота - 69%;
на основе модели энерго- и ресурсосберегающего развития региона предложена структура ТЭО газификации Республики Бурятия;
проведена практическая оценка потенциала энергосбережения в республике Бурятия с применением энергоаудитов в энергетических системах и комплексах, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве, госбюджетной сфере, транспорте и сельском хозяйстве, выполнение малозатратных мероприятий на обследованных предприятиях дало экономию финансовых средств в 1,96 млн. рублей в год, при этом затраты на осуществление мероприятий составили 36 тыс. рублей;
предложен алгоритм и пакет прикладных программ ПЭВМ многофакторного анализа ситуаций и выработки решений в системе управления энергосбережением;
определены индикаторы контроля выполнения Программы социально- экономического развития Республики Бурятия на 2001 г., раздел энергосбережение;
создана и внедрена Целевая Программа энергосбережения Республики Бурятия на 1999-2003 г.г., экономический эффект от реализации Программы энергосбережения РБ на первом этапе, в 1999 году, составил 3141т.у.т.; каждый вложенный рубль в энергосбережение в 1999-2001 г.г. дал 2,1рубля прибыли в бюджет;
- определены индикаторы экологической эффективности и индикаторы выполнения
Программы энергосбережения Республики Бурятия на 1999-2003 г.г.;
- разработана модель эколого-энергетического обследования Улан-Удэнской ТЭЦ-1 на
основе оптимального топливно- энергетического баланса;
разработан и внедрён проект повышения энергоэффективности систем теплоснабжения, являющийся практической частью Программы энергосбережения ОАО "Бурятэнерго";
представлены результаты исследований в виде Атласа возобновляемых природных энергоресурсов Байкальского региона, определена тепловая мощность гидротерм Бурятии. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ:
- разработанная в диссертации модель энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского
региона использована в "Программе социально-экономического развития Республики Бурятия на
2001 год" в виде теоретической основы для определения контрольных показателей вьтолнения
программы по разделу энергосбережение;
предложенная энергетическая стратегия устойчивого развития Бурятии, а также разработанные методологические принципы создания региональных, отраслевых и
9 муниципальных программ энергосбережения на основе термодинамической модели, внедрены в целевой "Программе энергосбережения Республики Бурятия на 1999-2003 г. г. ", утверждённой Постановлением Правительства РБ № 210 от 08.06,1999 г.; в "Программе энергосбережения Сибири 2000-2010 г.г.", в "Программе энергосбережения г. Улан-Удэ на 2000 г.", утверждённой Постановлением Администрации г. Улан-Удэ №60 от 11.02.2000 г.; в "Программе энергосбережения Заиграевского района на 2000-2004г.г.", утвержденной сессией районного Совета от 21.12.1999г.; в "Программе энергосбережения Мухоршибирского района на 2000-2005г.г.", утвержденной Постановлением Главы районной Администрации №64 от 01.03.2000; в "Программе энергосбережения и внедрения энергоэффективных технологий АО «Бурятэнерго» на период 2000-20Юг.г. ", утвержденной Техническим Советом АО «Бурятэнерго» от 11 мая 2000г.;
результаты научно-исследовательской работы «Стратегия использования низкопотенциального тепла геотермальных вод на побережье Байкала и в труднодоступных районах Республики Бурятия» по Международной Программе TACIS, внедрены при создании «Атласа нетрадиционных возобновляемых источников энергии Байкальского региона» для Правительства Республики Бурятия (1999г.);
все разделы диссертации систематически используются в учебном процессе Восточно-Сибирского государственного технологического университета в качестве учебных пособий и научных монографий.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации достаточно полно изложено в 91 печатных работах, в том числе: 14 отдельных изданий;
- 2 авторских свидетельства на изобретения;
11 статьях в зарубежных изданиях;
- 64 статьях в журналах центральных изданий и в межвузовских сборниках научных трудов, в
материалах международных, региональных конференций и симпозиумов.
Все результаты опубликованных работ по теме диссертации получены лично автором.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 318 наименований.
Основной текст диссертации изложен на 395 страницах машинописного текста; работа содержит 49 рисунков, 67 таблиц. В приложении диссертации даны акты испытаний и акты внедрений.
Концептуальные и термодинамические принципы построения модели энерго- и ресурсосберегающего развития
Существует концепция развития экологически сбалансированных систем. Она исходит из термодинамической теории энерго- и ресурсосберегающего устойчивого развития открытых систем с сопряженными процессами [46,59,95,307]. В ее основу положена парадигма: прогресс -это рост "запаса устойчивости" развивающихся систем по отношению к внешним воздействиям. Из указанной формулировки следует, что открытые системы с сопряженными процессами должны быть устойчивы по отношению к вмещающей среде и к внешним воздействиям.
Сбалансированные системы непрерывно поддерживают не равновесие по отношению к вмещающей среде. Рост запаса устойчивости означает не что иное, как способность системы совершать большую работу. С термодинамических позиций последнее означает увеличение со временем удельной свободной энергии системы (отнесенной к единице её объёма или массы). На основе термодинамического подхода выявляются общие законы перехода от энергорасточительного к энерго- и ресурсосберегающему и потом к экологически сбалансированному развитию, а также кинетический закон соответствия структуры системы потоку используемой энергии. Учёт неоднородной структуры экологически сбалансированных систем позволяет более адекватно исследовать термодинамическую основу энерго- и ресурсосберегающего развития. Для, примера, рассмотрим некоторые особенности систем с неоднородностями I и II рода, которые прекрасно изложены в [46].
Неоднородность I рода. Экосистемы и биосфера стабильны и стационарны на протяжении большого интервала геологического времени. Считая, что условия среды могли неоднократно изменяться (за счёт колебаний климата, извержений вулканов, землетрясений, пожаров и т. п.), необходимо допустить, что эти системы устойчивы по отношению к внешним воздействиям. В рамках термодинамической модели это означает, что системы внутренне равновесны и поэтому подчиняются принципу устойчивости Ле-Шателье [46,50]. Прогресс осуществляется на основе наиболее эволюционно продвинутого элемента с большим значением удельной свободной энергии. Но в целом система равновесна, ведь полный запас аккумулированной свободной энергии у нее практически не меняется. Именно поэтому система эволюционно устойчива и при внешних воздействиях она неизменно возвращается к внутреннему равновесию. Эту ситуацию и следует рассматривать как устойчивое развитие.
Для поддержания нормальных функций элементов системы {например, живые организмы) используют разные ресурсы и имеют неодинаковый уровень аккумулирования свободной энергии.
Но любой ресурс ограничен. Поэтому при полном его освоении прогресс на основе данного ресурса заканчивается. Дальнейшее развитие идет благодаря использованию новых элементов.
Именно таким способом функционирует биосфера - на основе прогресса эволюционно наиболее продвинутых систем при стабильности остальных. В процессе развития возможно "перехватывание" ресурсных потоков более развитыми элементами системы у менее развитых. Значение такого перехвата для устойчивого энерго- и ресурсосберегающего развития состоит в экспансии прогресса. Экспансия прогресса - конкурентное взаимодействие на уровне сообществ, имеет в истории биосферы весьма ограниченное значение, не являясь движущим механизмом эволюции. Действительно, чем большее число элементов заместит вид-агрессор, тем менее устойчивой становится вся система. В результате потери устойчивости она вытесняется другой, более стабильной системой.
Человек взял "на вооружение" экспансию прогресса, когда, с одной стороны, стал уничтожать вредные для себя виды (в сельском хозяйстве), а с другой, быстро наращивал биопродукцию, что непрерывно уменьшало запас устойчивости экосистем и биосферы в целом. В этом и суть современного экологического кризиса. Выход из создавшегося положения в оптимизации природопользования, когда используемая био продукция максимальна при сохранении оптимального числа элементов биосферы: экосистем, видов, популяций, их численности и др.
Неогтноролность П рода. Осуществляется отдельными прогрессивными особями, которые первыми освоили новый ресурс. Популяция постепенно начинает использовать новый ресурс -через передачу приобретенного эволюционно продвинутой особью признака от одного поколения к другому.
Другая картина наблюдается, если какая-либо особь уменьшает запас устойчивости популяции: тогда благодаря конкурентному взаимодействию она вытесняется из ресурсного потока другими особями (или уничтожается хищниками). Следовательно, конкуренция за фиксированный ресурс препятствует регрессу. Но главной движущей силой прогресса является не подобное взаимодействие, а использование нового ресурса.
Устойчивость экосистем определяется не только величиной удельной свободной энергии, аккумулированной в них самих, но и запасенной в мортмассе (подстилке, гумусе, торфе), древесине и биогенных карбонатах. Отмирая, организмы улучшают среду обитания последующих поколений - увеличивают их запас устойчивости.
Отложенные про запас углеродсодержащие вещества являются своего рода накопленным "материальным богатством" экосистем. Оно может быть как индивидуальным, принадлежащим конкретному живому объекту (древесина), так и коллективным, относящимся к экосистеме в целом (мортмасса, отложенные биогенные карбонаты). Удельная свободная энергия, аккумулированная экосистемой, складывается таким образом, из аккумулированной в экосистеме, индивидуальном и коллективном "материальном богатстве". Тип развития, при котором прогресс идёт благодаря росту накопленного "материального богатства", условно назван неэкологическим. Когда же процесс осуществляется на основе роста качества живого объекта при относительной стабилизации накопленного "материального богатства", то это экологический тип развития. Мир растений развивается неэкологическим способом, тогда как мир животных -экологическим. Люди объединили оба способа, развития, но главным для них до сих пор остаётся рост материального богатства, в то время "качество" человека растёт незначительно. Человечество продолжает развиваться неэкологическим путём, хотя резервы такого развития уже исчерпаны (с чем и связан современный кризис). Итак, устойчивость систем и составляющих их живых существ поддерживается разными способами. Для некоторых систем важно индивидуальное "материальное богатство" - древесина, тогда как коллективного "материального богатства" - гумуса мало. Это -экосистемы хвойного и тропического лесов. Наоборот, устойчивость степных экосистем поддерживается главным образом на основе коллективного "материального богатства" - гумуса. Устойчивость дубрав осуществляется как на основе индивидуального, так и коллективного "материального богатства" - у них значительны как мортмасса, так и содержание гумуса. Экосистемы разного типа являются "равновесными" образованиями, они устойчиво сосуществуют длительное время [46].
Структурная устойчивость, динамика, развитие и организация систем Понятие структурной устойчивости находит широкое применение в экологических проблемах. Следует, однако, подчеркнуть, что всякий раз речь идёт о сильном упрощении реальной ситуации. Классическое уравнение, описывающее такую проблему, называется логистическим уравнением. Оно описывает как развивается энергосистема X с учётом производства, потребления энергии и количества топливно-энергетических ресурсов в условиях свободного рынка. Логистическое уравнение можно представить в виде dX/dT=rX(K-X)-mX, где r=kiA и m=k2B - характерные постоянные производства и потребления энергии, К -экологическая «несущая способность» окружающей среды. При любом начальном значении X энергосистема со временем выходит на стационарное значение Х=К-т/г, зависящее от разности между несущей способностью среды и отношением постоянных производства и потребления энергии. При достижении этого стационарного значения наступает равновесие: в каждый момент времени производство энергии равно его потреблению. Кажущаяся простота логистического уравнения до некоторой степени скрывает сложность механизмов, участвующих в процессе.
Обобщённый критерий энерго- и ресурсосберегающего развития
Выше показано, что развитие открытых систем теоретически базируется на локально-равновесной термодинамике. Рассмотрены открытые системы с сопряженными процессами массо и энергообмена. На основе термодинамического подхода выявлены общие законы массо и энергопереноса.
В этой главе второе начало термодинамики обобщается на разные процессы развития путем введения особой функции состояния изолированной экосистемы — стереохроны К. В обобщенной формулировке устанавливается, что стереохрона К изолированной экосистемы стремится к максимуму. Ото происходит потому, что стереохрона К в самопроизвольных процессах возрастает; когда же все самопроизвольные процессы завершены, она достигает максимального значения. Введение понятия стерсохроны дает возможность определить обобщенный критерий энерго- и ресурсосберегающего развития как стремление пространственно-временного континуума изолированной системы к максимально возможному значению.
Применительно к переносу массы М второе начало термодинамики показывает, что самопроизвольным (с увеличением стереохроны К) является процесс выравнивания плотностей массы рі в изолированной системе. Если в системе имеется многокомпонентная среда, причем плотности . компонентов в разных частях системы неодинаковы, то возникают направленные потоки массы qMi, стремящиеся выровнять плотности этих различных компонентов. Система посредством массопереноса приходит в состояние термодинамического равновесия (с максимальной стереохроной К), при котором концентрация веществ в любой части этой системы одинакова.
Когда концентрация массы р, в разных частях системы неодинакова, то можно сказать, что в распределении массы в системе имеется определенный "порядок". Он заключается, например, в том, что в определенной части системы какой-то компонент есть, а, в другой этот компонент отсутствует. Массоперенос переводит систему в состояние, соответствующее максимально неупорядоченному распределению компонентов, т.е. равенству их концентраций во всех частях системы. Следовательно, самопроизвольные процессы массопереноса приводят к уменьшению упорядоченности в изолированной системе.
Аналогичным образом, при самопроизвольных процессах переноса энергии происходит выравнивание плотностей энергии st различных частей системы, что приводит к рассеянию энергии, ее обесцениванию.
В частных случаях обобщенного процесса переноса, например, при самопроизвольном процессе передачи тепла также происходит выравнивание температуры Т различных частей системы, что приводит к рассеянию тепла, его обесцениванию. Действительно, если температура Т в разных частях системы одинакова, то уже нельзя построить тепловую машину, которая преобразовывала бы тепловую энергию Q в полезную работу L. Поэтому В. Томсон [37] сформулировал второе начало термодинамики на основе принципа рассеяния (диссипации) энергии: энергия Е изолированной системы постепенно обесценивается и рассеивается.
Таким образам, из второго начала термодинамики следует, что в результате самопроизвольных процессов изолированная система регрессирует, в итоге наступает ее "тепловая смерть". При этом температура Т, плотности (концентрации) массы р и энергии є во всех частях системы одинаковы, то есть не может совершаться полезная работа L.
Как уже указывалось, термодинамика не отрицает возможность протекания не самопроизвольных процессов. Но, если самопроизвольные, основные (положительные, по Клаузиусу) процессы протекают сами собой, то не самопроизвольные, сопряженные (отрицательные) — лишь на фоне основных. Эти самопроизвольные процессы, по существу, выступают в роли источника энергии Е и массы М, необходимого для устойчивого развития не самопроизвольного процесса. Так, в любой тепловой машине имеется, по сути, сопряжение двух процессов: не самопроизвольного превращения теплоты Q в механическую работу L и самопроизвольного перехода теплоты Q от теплого тела (нагревателя) к холодному (холодильнику). А за счет механической работы L можно создавать все более "сложные" упорядоченные системы.
В равновесной термодинамике процессы рассматриваются в линейном приближении, однако, в природе большинство процессов не равновесны. Они описываются нелинейными уравнениями.
В процессах, которые изучаются в равновесной термодинамике, возбуждаются только лишь ближние связи, в неравновесных системах имеет место накопление массы М и энергии Е с использованием всех связей. Это накопление осуществляется до точки бифуркации, после которой система переходит в другое состояние. Точка бифуркации характеризует разделение системы на равновесную и возбужденную ( структурированную) части. То есть, чтобы получить новую диссипативную структуру, необходимо иметь исходную сильно неравновесную систему, которая накапливает массу М и энергию Е до точки бифуркации. В этой точке система разделяется, производя новую структуру, характеризующуюся своей однородностью. Итак, в природе существуют равновесные системы, в основе которых лежит близкодействие, и диссипативные системы, образованные за счет накапливания внешних воздействий. В диссипативных структурах колебания совершаются около стационарного состояния, так как масса М и энергия Е, пошедшая на образование этой диссипативной структуры, рассеивается в окружающую среду. Процессы диссипации и восстановления структуры системы в целом, характеризуется колебательным режимом. Это позволяет диссипативным системам быть всегда готовым к образованию новых структур. Изучение общих свойств систем с позиций локально- равновесной термодинамики позволяет прогнозировать направления развития процессов. Эта возможность термодинамической теории имеет очень большое значение, поскольку помогает правильно выбрать направление развития и избежать тупиковых решений. Например, общеизвестная истина о том, что тепло может переходить только из горячей а холодную область, хорошо объясняется обобщённым критерием развития- стереохроной К или её частным случаем для тепловых процессов - энтропией S.
Термодинамическая модель энерго- и ресурсосберегающего развития Байкальского региона
Для того чтобы испытать устойчивость данного стационарного состояния, в системе создают флуктуацию 5q и SX t и затем вычисляют избыточное производство энтропии 6ХР. Далее с учетом знака этой величины и соотношений (3.2.27) оценивают устойчивость стационарных состояний.
Критерий устойчивости (3.2.27) имеет физический смысл. Давайте рассмотрим локальный элемент объема системы, находящейся в стационарном состоянии вдали от равновесия. Система подвергнута действию силы X, вызывающей поток q. Равенство SXP = \{SqSX)dV может становиться отрицательной величиной, если локально SX-Sq также отрицательная величина. Единственной возможностью возникновения такой ситуации является возрастание потока 5q под действием силы Y таким образом, что в присутствии векторных величин угол между двумя векторами будет больше 90 . Это в свою очередь означает, что увеличение данной силы будет рождать избыточный поток и все больше будет увеличиваться значение флуктуирующий силы. Поэтому начальные отклонения увеличиваются, вместо того чтобы уменьшиться, вызывая неустойчивость стационарного состояния. Напротив, SX-5q 0 означает, что флуктуирующие силы локально генерируют поток, так что угол между двумя векторами становится меньше 90 . Флуктуирующий поток действует таким образом, чтобы заставить силы исчезнуть, все флуктуации затухают и система возвращается в свое первоначальное стационарное состояние.
Критерий устойчивости неравновесных состояний получился в предположении допустимости локального равновесия и отсутствия движения всей среды. Это справедливо только в ближайшей окрестности равновесного состояния.
Соотношения (3.2.27) представляют собой универсальный критерий устойчивости, справедливый для всех систем, подчиняющихся ограничением, приведенным выше. Поэтому можно ожидать, что критерии устойчивости равновесных состояний в линейной области, являются частным случаем этого универсального критерия устойчивости. Если исходное состояние - равновесное, то не существует каких бы то ни было сил и потоков и, следовательно, никаких отклонений этих величин не существуют, т.е. qk = Sqk и Хк =SXk, а избыточное производство энтропии просто равно производству энтропии, которая всегда имеет положительное значение. Кроме того, из уравнения (3.2.25) следует, что S2S3 0. Поэтому из соотношений (3.2.27) заключаем, что исходное состояние стабильно. Из уравнения (3.2.26) можно заключить, что 2Sj3 имеет временную зависимость.
Известно, что в линейной области неравновесной термодинамики потоки являются линейными функциями сил, аналогичное соотношение существует и между отклонениями dq и SX, поэтому Sqk = акк5Хк. Отсюда для одного потока можно написать: SXP= \{SqkdXk)dV= [akk{SXk)2dV $ (3.2.28.)
Поскольку акк 0, данная величина также положительна, и, следовательно, исходное стационарное состояние всегда устойчива.
Если вдали от равновесия стационарные состояния неустойчивы, это означает, что в этой области какое-либо данное состояние, в случае возникших отклонений, просто не будет приспосабливаться к новым условиям путем хотя бы даже незначительных изменений всех своих термодинамических параметров. Наоборот, флуктуации открывают новые возможности для рассеивания энергии, что в свою очередь приводит систему к другим стационарным состояниям, и новый режим, устанавливающийся в системе, может оказаться устойчивым к отклонениям, по крайней мере, в некоторых из этих состояний.
Равновесные и неравновесные системы в линейной области не проявляют каких-либо особых пространственно-временных зависимостей в своем поведении. Если какие-нибудь возмущения уводят их в нелинейную область, возникшая неустойчивость может сдвигать систему в новые, зависящие от времени или пространственно неоднородные состояния .
В настоящее время известно много примеров неустойчивых нелинейных систем. Они играют решающую роль в понимании динамических свойств материи, необычайного характера протекания химических реакций, организации открытых систем, устойчивого развития региональных экосистем и даже ноосферы.
Открытые системы с сопряженными процессами широко распространены на Земле и имеют самую разную природу [1,127,159,165,170,173,178,183,197,300]. К ним относятся уже обсуждавшиеся выше термодинамические системы. Ноосфера — поверхностная область Земли, в которой осуществляется деятельность человека, протекает процесс взаимодействия человек-геосфера, -также является открытой системой с сопряженными процессами, обменивающейся массой и энергией с окружающей средой [27]. Действительно, ноосфера не равновесна относительно окружающей среды. Будучи лишена обмена массой и энергией с ней, она неизбежно деградирует, а ее структуры разрушаются. Многие процессы внутри ноосферы также относятся к сопряженным, например, концентрирование населения в городах, богатства в руках отдельных лиц и т.п.
Несмотря на всю специфику каждой из такого рода систем, их объединяет наиболее существенный общий признак: функционирование благодаря сопряжению процессов, при котором работа не самопроизвольных процессов концентрирования разного рода осуществляется основным самопроизвольным процессом. Поэтому должны существовать общие закономерности устойчивого развития такого рода систем вне зависимости от их природы.
Из обсуждения термодинамической теории энерго- и ресурсосберегающего развития во второй главе и предыдущих разделов этой главы, используя уравнения (2.2,52), (3.1.1), (3.1.15), (3.2.8), (3.2.27) и (3.2.28), за условие развития открытой системы примем рост со временем удельной свободной энергии системы /(отнесенной к единице объема системы V) [59,95,305,306,307]; 0,/ = - ,zdeF = uS (3.3.1) dr V
Этот критерий отражает в обобщенной форме усложнение структуры системы. Однако рассчитать абсолютное значение удельной свободной энергии нельзя. Это ограничивает возможность практического использования этого критерия развития открытой системы. Выше была отмечена возможность использования в качестве критерия развития системы рост со временем удельной работы сопряженного процесса т.е. — 0, / = -, Ь=Д/\Д/ = — (3.3,2)
Действительно, величина / совпадает с количеством "сконцентрированной" в единице объема системы свободной энергии Д/ (которая может быть превращена в "полезную" работу). Чем больше I, тем более неравновесна система по отношению к окружающей среде, тем больше энергии основного процесса сконцентрировано в единице объема и соответственно тем на более высоком уровне эволюционного развития находится система. Так как и условие (3.3.2) развития системы может реализоваться на основе роста как используемой энергии (de/df 0), так и КПД (drj/df 0). Если эволюция системы реализуется в основном на основе роста используемой энергии, то такой тип развития можно назвать энерго расточительным (экстенсивным). Наоборот, когда эволюция системы реализуется в основном на основе роста КПД, то имеем дело с энерго- и ресурсосберегающим развитием (интенсивным). С увеличением исполь
зуемой энергии слагаемое zdr}/dvb выражении dl/di растет. Поэтому влияние роста энергии (слагаемого r\d&/dr) на развитие системы со временем уменьшается. Существуют также объективные ограничения роста величины 8, связанные, например, с ограниченностью источников пищи (при эволюции животных) или энергетических ресурсов (при эволюции ноосферы), а также с существованием предела диссипации энергии. Поэтому в общем случае представляется неизбежным при росте используемой энергии переход систем с энергорасточительного на энерго- и ресурсосберегающий путь развития.
Создание и внедрение современных методов мониторинга окружающей средыв энергетических системах и комплексах
При известных xg и х0 устанавливаются такие значения на водовыпусках, при которых в соответствии с (4.1.69.) исключается образование системы с плотностным расслоением. Затем определяется минимальное значение скорости истечения обеспечивающее заданную величину Fjo.
Модель управления качеством окружающей среды на основе алгоритма прогнозных расчетов Озеро Байкал является наиболее крупным озером России. Его длина составляет 636 км, ширина 48 км. Средняя глубина озера равна 730м., объем воды 23.6 тыс.км . Водосборная площадь озера - около 560 тыс.км , Годовой поверхностный сток в озеро составляет примерно 59км , из которых половина приходится на р.Селенгу. С водами р.Ангары за год из озера вытекает 61км3 воды. Вода озера Байкал отличается очень низкой минерализацией (до 100мг/л), высокой прозрачностью, низкой температурой и повышенным содержанием растворенного кислорода. В озере сформировалось уникальная экологическая система.
Озеро в настоящее время, представляет собой уникальный экологический объект, включённый ЮНЕСКО в список Памятников Мирового Природного Наследия. В 1998 году водосборный бассейн Байкала предложено рассматривать в качестве Мировой Модельной Территории Устойчивого Развития. В то же время Байкал имеет большое народнохозяйственное значение. В результате интенсификации хозяйственного освоения водосборной площади озера возрастает антропогенная нагрузка, что может привести к необратимым изменениям сложившейся экосистемы. В настоящее время для предотвращения негативных последствий хозяйственной деятельности, которая уже сейчас приводит к необратимым изменениям сложившейся уникальной системы экосистемы озера Байкал, разработана и реализуется концепция комплексной программы природоохранных мероприятий в бассейне реки Селенги.
Научным обоснованием комплекса мероприятий предложен прогноз возможных изменений качества окружающей среды, как в отдельных зонах, так и для всего водосборного бассейна реки Селенги в целом [78,83,90,111,126].
Основным источником водного питания озера Байкал является река Селенга, которая вносит в озеро наибольший объем техногенных загрязняющих веществ. С поверхностным стоком реки Селенги в озеро Байкал вносится около 70 % минеральных веществ, из них более 50 % составляют хлориды, около 44% - сульфаты. Кроме того, ежегодно вносится до 700 тысяч тонн органических веществ (по ХПК), около 1 миллиона тонн взвешенных веществ, большое количество нефтепродуктов, фенолов, тяжелых металлов. Подавляющая часть тяжелых веществ осаждается на дно оз. Байкал вблизи устьевой зоны, главным образом в районе Селенгинского мелководья. Поэтому антропогенное влияние загрязнений, поступающих в реку Селенгу, распространяется не только на воду, но также на грунты и бентос озера Байкал, что в конечном итоге вызывает изменения в структуре гидробионтов. Для предотвращения негативных последствий хозяйственной деятельности, которые могут привести к необратимым изменениям сложившейся уникальной экосистемы озера Байкал, разработан и частично реализован комплекс водоохранных мероприятий, и, прежде всего в бассейне реки Селенги. Алгоритм прогнозных расчетов представлен следующим образом:
1. Определены основные источники загрязнения в бассейне реки Селенги на современном уровне развития народного хозяйства. Это прежде всего, загрязнения, попадающие в озеро со стоком основных притоков - р.Селенги, р.Баргузин и р.В.Ангара, а также со сбросом Байкальского целлюлозно-бумажного комбината. Существенное загрязнение воды озера связано с загрязнением воздушной среды региона. В настоящее время и, особенно, в перспективе в связи с началом более интенсивной эксплуатации БАМа резко возрастает антропогенная нагрузка на северную часть Байкала.
На основе статистического анализа исходной информации установлены корреляционные связи между концентрациями отдельных ингредиентов и расходами воды в основных притоках. Определены характерные концентрации веществ в каждом из источников загрязнения воды оз.Байкал, определены внутригодовые изменения этих концентраций. Вычисляются величины массовых расходов веществ в озеро на современном уровне хозяйственного развития региона.
Принимая во внимание, что водоохранные мероприятия связаны, главным образом, с очисткой хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод, относительный удельный вес поверхностного стока в общем процессе загрязнения водных объектов постоянно возрастает. К сожалению, информация о влиянии поверхностного стока с территории городов, населенных пунктов и промштощадок на качество воды рек бассейна р. Селенги крайне скупа и ненадежна. Отсутствуют фактические данные по стокам биогенных, органических и токсических веществ с сельхозугодий.
Изучение всех источников загрязнения позволит установить иерархию загрязнителей по каждому показателю качества воды, что даёт возможность наметить наиболее рациональную стратегию разработки и реализации водоохранных мероприятий.
2. Выполняется статистический анализ современного состояния качества воды бассейна реки Селенги. Такой анализ позволяет выявить тренды изменения показателей качества воды не менее, чем за 10-летний период наблюдений, определить все статистические характеристики, установить сезонные периодические колебания параметров. Для всех водных объектов бассейна выполняется анализ связи показателей качества воды с расходами воды. На основании анализа тенденции изменения качества воды от водности делаются общие выводы о приоритетном влиянии организованных или неорганизованных источников загрязнения.
На основе детального статистического анализа гидрохимического режима оз.Байкал выделяются в соответствии с особенностями качества воды характерные зоны. Предварительные исследования дали возможность в поверхностном, наиболее загрязненном слое глубиной 50 м, выделить следующие наиболее характерные зоны: а) Область протяженностью около 100 км вблизи устья р.Селенги наиболее загрязненная зона озера. Концентрации веществ в этой зоне подвержены существенным сезонным изменениям, связанным с годовым изменением стока р.Селенги. б) Область южной части озера характеризуемая высокой степенью загрязнения воды. Вода в этой зоне формируется под влиянием сбросов Байкальского целлюлозно-бумажного комбината и стоков р.Селенги после смешения их с водой этой зоны озера. в) Центральная область озера, характеризуемая умеренной загрязненностью воды. г) Северная, наименее загрязненная область озера Байкал, от устья р.Баргузин до устья р.В.Ангара. Как уже отмечалось в этой области можно ожидать самых интенсивных изменений качества воды.
Для каждой из выделенных областей устанавливаются среднемноголетние значения концентраций, определяются максимальные и минимальные величины, выявляются тренды. 3. На базе прогнозной модели выполняется диагностический расчет качества воды в бассейне реки Селенги. Расчет производится последовательно для всех рек бассейна, начиная с верхних участков, для характерных гидрологических условий с учетом неполноты смешения и самоочищения воды. Результаты расчета сопоставляются С данными натурных наблюдений современного состояния качества воды в соответствующих створах. В случае существенного отклонения расчетных данных от измеренных необходимо дополнительно изучить полноту информации об источниках загрязнения или произвести корректировку коэффициентов модели (коэффициента самоочищения, диффузии). Отклонение результатов диагностического расчета от данных измерений не должно превышать для всех створов заданной величины. (15-20%).
При разработке водоохранных мероприятий определяются нормативные концентрации, то есть предельно допустимые концентрации загрязнений. Принимая во внимание, что вода озера Байкал характеризуется уникальным составом, достижение общепринятых значений ПДК может привести к изменению сложившегося экологического равновесия. Поэтому при разработке проекта рационального использования воды оз.Байкала необходимо задаваться в качестве предельных такими концентрациями, которые не вызывают изменений в экосистеме озера. Разработка таких нормативов требует детальных исследований всех уровнях сложившейся трофической цепи - более 2400 видов и подвидов флоры и фауны, из которых более 1500 видов составляют эндемики.
Выполнение этих исследований требует организации комплексных работ в течение длительного периода времени и вряд ли будет осуществлено в ближайшем будущем, поэтому разработатаны временные ПДК в воде озера Байкал. Основой разработки таких временных ПДК могут служить предложенные д.т.н. проф. Родзиллером И.Д. значения концентраций [83,307], полученные в результате обработки многолетних данных по гидрохимическому режиму озера Байкал. Вполне обосновано принимая, что наблюдаемые колебания значений концентраций характеризует изменение гидрохимического режима озера в допустимых пределах, не вызывающих отрицательных изменений экосистемы, И. Д. Родзиллер предложил определить ПДК по максимально наблюденным концентрациям. Как дальнейшее развитие этих предложений устанавливаются величины ПДК не для всего озера в целом, а для каждой из выделенных областей по данным статистической обработки многолетних наблюдений. Предварительно, однако, выявляются тренды для значений концентраций загрязнений в воде каждой из областей. Вместе с тем, следует оговорить, что соблюдение не выходящей за рамки многолетних наблюдений концентраций веществ в воде озера является необходимым, но не достаточным условием сохранения сложившейся экосистемы.
