CC BY
9Научная статья УДК 621.565.93/.94
ГРНТИ: 67 Строительство и архитектура
ВАК: 2.1.1. Строительные конструкции, здания и сооружения; 2.1.5. Строительные материалы и изделия doi:10.51608/26867818_2023_1_133
ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА АНАЛИЗА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ВОЗДУШНЫХ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ
© Авторы 2023 SPIN: 1840-8194 AuthorID: 105900 Scopus ID: 7005670404 ORCID:0000-0001-6117-7529
ФЕДОСОВ Сергей Викторович
академик РААСН, доктор технических наук, профессор Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (Россия, Москва e-mail: fedosovsv@mgsu.ru)
SPIN: 2198-1230 AuthorID: 670934 ScopusID: 56763729700
ФЕДОСЕЕВ Вадим Николаевич
доктор технических наук, профессор кафедры «Организация производства и городское хозяйство»
Ивановский государственный политехнический университет (Россия, Иваново, e-mail: 4932421318@mail.ru)
SPIN: 3084-4275 AuthorID: 648928 Scopus ID:57190020354 ORCID: 0000-0003-3451-2031
ЗАЙЦЕВА Ирина Александровна
кандидат экономических наук, доцент кафедры «Организация производства и городское хозяйство»
Ивановский государственный политехнический университет (Россия, Иваново, e-mail: 75zss@rambler.ru)
SPIN-код: 8065-6330 AuthorID: 835870 Scopus ID:57193557894 ORCID: 0000-0003-4046-2130
ВОРОНОВ Владимир Андреевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация производства и городское хозяйство»
Ивановский государственный политехнический университет (Россия, Иваново, e-mail: amenamiiii@gmail.com)
Аннотация. Задача совершенствования испарительно-конденсационного блока энергосберегающих теплообменных аппаратов (ЭТО) на сегодняшний день является одной из наиболее актуальных в направление развития энергоэффективных технологий. Целью исследования, приведенного в данной статье, является определение значимости факторов, влияющих на теплоэнергетическую эффективность ЭТО. Для этого применяется метод анализа иерархий.
В статье обосновывается целесообразность применения метода анализа иерархий, как математического инструмента прогнозирования системного и необходимого подхода для анализа сложных проблем при поддержке принятия управленческих решений. В данном исследовании метод анализа иерархий реализован на основе метода экспертных оценок, в котором респондентами являются эксперты - специалисты в определенной области деятельности. Основное назначение метода экспертной оценки - выявление сложных аспектов исследуемой проблемы, повышение качества информации, выводов. При проведении исследования была сформирована группа независимых экспертов, посредством индивидуального опроса определены критерии повышения энергоэффективности воздушного теплового насоса (системная взаимосвязь теплообменников: испарителя и конденсатора). Экспертное обоснование теплофизических свойств теплоносителя, рабочего тела, окружающей среды позволит провести объективное математически обоснованное сравнение и расчет приоритетов вариантов энергосберегающих теплообменных аппаратов (на примере конфигурации различных моделей воздушного теплового насоса).
Ключевые слова: строительная отрасль; теплообменные аппараты; воздушный тепловой насос; метод анализа иерархий; экспертные оценки; энергоэффективность; энергосбережение; тепломассообмен; экология
Для цитирования: Экспертная оценка анализа энергосберегающих моделей воздушных теплонасосных систем / С.В. Федосов, В.Н. Федосеев, И.А. Зайцева, В.А. Воронов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 1 (20). С. 133-138. Сок10.51608/26867818_2023_1_133.
Original article
EXPERT EVALUATION OF ENERGY-SAVING MODELS OF AIR HEAT PUMP SYSTEMSANALYSIS
© The Author(s) 2023 FEDOSOV Sergey Viktorovich
Academician of the RAACS, Dr. of Technical, Prof.
National Research Moscow State University of Civil Engineering
(Russia, Moscow, e-mail: fedosovsv@mgsu.ru)
FEDOSEEV Vadim Nikolaevich
Dr. of Technical, Professor of the Department "Organization of production
and urban economy"
Ivanovo State Polytechnic University
(Russia, Ivanovo, e-mail: 4932421318@mail.ru)
ZAYCEVA Irina Alexandrovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department "Organization of production and urban economy" Ivanovo State Polytechnic University (Russia, Ivanovo, e-mail: 75zss@rambler.ru)
VORONOV Vladimir Andreevich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department
"Organization of production and urban economy"
Ivanovo State Polytechnic University
(Russia, Ivanovo, e-mail: 4932421318@mail.ru)
Annotation. The task of improving the evaporative-condensing block of energy-saving heat exchangers is one of the most relevant in the direction of the development of energy-efficient technologies today. The purpose of the study presented in this article is to determine the significance of the factors affecting the heat and power efficiency of the SHE. For this, the hierarchy analysis method is used. The article substantiates the expediency of using the hierarchies' analysis as a mathematical tool for predicting a systematic and necessary approach for analyzing complex problems with the support of managerial decision-making. In this study, the method of hierarchies' analysis is implemented on the basis of the method of expert assessments, in which the respondents are experts and specialists in a particular field of activity. The main purpose of the peer review method is to identify complex aspects of the problem under study, improve the quality of information and conclusions. During the study, a group of independent experts was formed, through an individual survey, criteria for improving the energy efficiency of an air source heat pump were determined. Expert substantiation of the thermophysical properties of the coolant, working fluid, environment will allow an objective mathematically justified comparison and calculation of priorities for options of energy-saving heat exchangers (on the example of the configuration of various models of an air source heat pump).
Keywords: heat exchangers; air heat pump; hierarchy analysis method; expert assessments; energy efficiency; energy saving; heat and mass transfer; ecology
For citation: Expert evaluation of energy-saving models of air heat pump systems analysis / S.V. Fedosov, V.N. Fedoseev, I.A. Zayceva, V.A. Voronov // Expert: theory and practice. 2023. № 1 (20). Pp. 133-138. (In Russ.). doi:10.51608/26867818_2023_1_133.
Введение
Для повышения степени объективности и качества процедуры принятия решений целесообразно учитывать мнения нескольких экспертов. С этой целью проводится групповая экспертиза, в процессе которой каждый из участников может иметь свое видение решения поставленной задачи или оценку возникшей проблемы.
Непосредственно для получения оценок экспертов могут использоваться различные опросы. Од-
ним из способов выявить предпочтения и представить их в количественном виде является метод анализа иерархий (МАИ).
Метод анализа иерархий основывается на трёх методах и принципах: методе экспертных оценок, методе парных сравнений и принципе глобального приоритета. Метод экспертных оценок позволяет использовать мнение компетентных специалистов, обладающих достаточным опытом и знаниями по тематике проблемы - экспертов. Метод парных
№1 ЭКСПЕРТ:
' ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
сравнений используется для проведения абсолютной оценки критериев по типу «лучше - хуже». Принцип глобального приоритета позволяет определить критерии, которые имеют явное превосходство над другими.
Метод анализа иерархий опирается на достаточно простые элементы, которые оцениваются в шкале метода анализа иерархий в виде суждений экспертов, а затем на основании обработки экспертных оценок определяется относительная степень их взаимного влияния в иерархии. Применение данного метода позволяет лицу, принимающему решения в интерактивном режиме найти такой вариант (альтернативу), который наилучшим образом согласуется с его пониманием сути проблемы и требованиями к её решению.
Метод анализа иерархий реализован на основе метода экспертных оценок, в котором респондентами являются эксперты - специалисты в определенной области деятельности. Основное назначение метода экспертной оценки - выявление сложных аспектов исследуемой проблемы, повышение качества информации, выводов. Отличительная особенность метода состоит в том, что он предполагает компетентное участие экспертов (экспертизу) в анализе и решении проблем исследования. Экспертные оценки - это суждения экспертов в определенной сфере человеческой деятельности, предполагающие процедуру сравнения объектов и их свойств по выделенным критериям [3].
В этой связи задача совершенствования испа-рительно-конденсационного блока энергосберегающих теплообменных аппаратов (ЭТО) является крайне актуальной. Для её решения необходимо проанализировать термодинамический цикл и рамки его изменений, систему нестационарного теп-ломассопереноса, раскрывающего теоретическую суть самих процессов, так как эти процессы сильно зависят от изменяющихся параметров окружающей среды [4-5].
При обосновании критериев, влияющих на теплоэнергетическую эффективность воздушных тепловых насосов имеем ввиду взаимосвязь и приоритет тепломассопереноса в системе контура ЭТО.
Взаимосвязь - это скрытая теплота парообразования, как количество теплоты, которую поглощает кипящая жидкость при переходе из жидкой фазы в пар - (испарение) или отдача при переходе из паровой фазы в жидкую - конденсация [6-7].
Приоритет - это весомое влияние на ЭТО составляющих: окружающей среды, рабочего тела, теплоносителя на термодинамическую активность испарительно-конденсационного блока в условиях неравновесного процесса.
Цель - определение значимости факторов, влияющих на теплоэнергетическую эффективность
ЭТО, для повышения энергоресурсоэффективности или интенсификации тепломассопереноса.
Методология
Решение через математическое моделирование проводимых процессов является важным инструментом для выбора энергоресурсосберегающих технических решений и является методологическим инструментом для разработки теоретических основ эффективных термодинамических процессов, протекающих в испарительно-конденсационном блоке ЭТО [8-10].
При проведении данного исследования было поставлено две задачи. Первая задача состояла в формировании группы независимых экспертов, которые имеют ученые степени кандидатов и докторов наук, многолетний опыт производства и анализа. Количество экспертов выбирается произвольно, в зависимости от сложности выполняемого исследования. Выбор экспертов высокой степени компетентности позволил провести исследование посредством индивидуального опроса шести экспертов.
Уровень 1. Цель
Интенсивность энерготепловых процессов
Уровень 2. Критерии (теплофизические свойства)
Окружающая Теплоноситель Рабочее тело
среда (вода) (фреон - хладагент)
(воздух)
Температура Плотность Температура кипения (теплопроводимость рабочего тела)
Химический Давление (плотность
состав в испарителе)
Влажность Механическое сопротивление (в магистрали)
Температура Температура
кипения конденсации
Объем Теплота фазового
воздуха перехода
Объем Структура потоков в магистралях теплообменника (толщина стенок или скорость потока)
Уровень 3. Альтернативы (направления выбора)
Классический воздушный тепловой насос (ВТН) и ТЭН
Воздушный тепловой насос с системой рециркуляции
(РВТН)
Воздушный тепловой насос с системой рекуперации и
рециркуляции РВТНР
Рис. Иерархия проблемы выбора приоритетных направлений повышения интенсивности тепломассопереноса
Вторая задача заключалась в определении экспертами критериев, по которым проводилось сравнение вариантов анализируемых моделей ВТН. В рамках исследований ограничимся тремя наибо-
лее перспективными ЭТО: воздушным тепловым насосом с электронагревательным устройством (ВТН+ТЭН), рекуперационным воздушным тепловым насосом (РВТН) и рекуперационным воздушным тепловым насосом с рециркуляцией (РВТНР).
От полноты описания экспертных суждений зависит качество и эффективность принимаемых решений. Поэтому важным этапом анализа является проведение экспертизы опытными специалистами. Для процесса оценки необходимо было провести декомпозицию в иерархию, которая представлена на рисунке.
На рисунке приведены теплофизические свойства по каждому критерию. Выбор критериев и их свойств был сделан на основании следующих рассуждений и умозаключений экспертов.
Применение метода анализа иерархий, как математического инструмента прогнозирования системного и необходимого подхода для анализа сложных проблем поддержки принятия управленческих решений, позволяет лицу, принимающему решения, в интерактивном режиме найти такой вариант (альтернативу), который наилучшим образом согласуется с его пониманием сути проблемы и требованиями к её решению. Обоснованность применения метода анализа иерархий (МАИ) заключается в том, что в процессе моделирования тепломассопе-реноса в испарительно-конденсаторном блоке ЭТО, необходимо определять основные параметры моделирования, для чего следует расставить приоритеты.
Отличительная особенность метода состоит в том, что он предполагает компетентное участие экспертов (экспертизу) в анализе и решении проблем исследования. Основываясь на интуитивно-экспериментальном подходе, было сформировано три группы факторов, влияющие на теплоэнергетическую эффективность ЭТО [13-15].
Результаты
Одной из задач метода иерархии Т. Саати является стремление снизить влияние человеческого фактора на итоговый смысловой результат. Это связано с тем, что заполнение матрицы суждений осуществляется экспертом, который может допустить погрешность в определении относительной важности критериев по психологическим причинам. Для определения степени корректности данных в заполненной матрице введено понятие меры согласованности матрицы. Для такой матрицы индекс согласованности равняется нулю. Однако, как правило, при анализе данных, полученных экспертным путем, матрица не является полностью согласованной.
Следующим этапом анализа является определение приоритетов, представляющих относительную важность или предпочтительность элементов построенной иерархической структуры, с помощью
процедуры парных сравнении отдельных компонент иерархии. Данная таблица строится на основе работы группы экспертов.
Формирование результатов данного сравнения осуществляется с использованием качественной 9-ти балльной шкалы, предложенной Т. Саати.
Эксперты производят суждения, отвечая на вопросы, приведенные в таблице.
Результаты опроса экспертов
н н н н н н
Вопросы для опроса Ш с и ш с и ш с и ш с и ou с и du с и го ю SS
и анализа m >s m JS m JS m JS m JS m JS X I ■Ï
*н ÎM m ^ 1Л из 41 О. и
1 2 3 4 5 6 7 8
по критериям окружающей среды
Во сколько раз критерий
«температура» значитель-
нее критерия «влажность» 5 5 6 3 2 3 4
для достижения цели (отно-
сительно цели)?
Во сколько раз критерий
«температура» значительнее критерия «объем воз- 5 5 7 6 6 7 6
духа»?
Во сколько раз критерий
«влажность» значительнее 3 3 2 4 3 3 3
критерия «объем воздуха»?
по критериям теплоносителя
Во сколько раз критерий
«температура кипения» зна-
чительнее критерия 4 4 4 5 3 4 4
«объем» для достижения
цели (относительно цели)?
Во сколько раз критерий
«температура кипения» зна- 5 7 6 6 4 8 6
чительнее критерия «плот-
ность»?
Во сколько раз критерий
«температура кипения» зна- 7 6 8 7 7 7 7
чительнее критерия «вяз-
кость»?
Во сколько раз критерий
«объем» значительнее кри- 2 4 3 3 2 4 3
терия «плотность»?
Во сколько раз критерий
«объем» значительнее кри- 4 5 6 3 3 4 4
терия «вязкость»?
Во сколько раз критерий
«плотность» значительнее 1 1 3 3 2 2 2
критерия «вязкость»?
по критериям рабочего тела
Во сколько раз критерий
«давление» значительнее
критерия «теплота» для до- 3 3 3 3 3 3 3
стижения цели (относи-
тельно цели)?
Окончание таблицы
1 2 3 4 5 6 7 8
Во сколько раз критерий
«теплота» значительнее 8 9 7 6 9 9 8
критерия «сопротивления»?
Во сколько раз критерий
«теплота» значительнее 2 4 3 3 2 4 3
критерия «температура ки-
пения»?
Во сколько раз критерий
«теплота» значительнее 3 4 3 4 2 2 3
критерия «температура кон-
денсации»?
Во сколько раз критерий
«теплота» значительнее 7 7 7 7 7 7 7
критерия «структура»?
Во сколько раз критерий
«давление» значительнее 9 9 9 9 9 9 9
критерия «сопротивление»?
Во сколько раз критерий
«давление» значительнее 9 9 9 9 9 9 9
критерия «структура»?
Во сколько раз критерий
«давление» значительнее 2 4 4 2 2 4 3
критерия «температура ки-
пения»?
Во сколько раз критерий
«давление» значительнее 4 3 2 2 3 4 3
критерия «температура кон-
денсации»?
Во сколько раз критерий
«сопротивление» значи- 2 2 2 2 2 2 2
тельнее критерия «струк-
тура»?
Во сколько раз критерий
«температура кипения» зна- 5 7 6 6 4 8 6
чительнее критерия «сопро-
тивление»?
Во сколько раз критерий
«температура кипения» зна- 7 6 5 6 6 6 6
чительнее критерия «струк-
тура»?
Во сколько раз критерий
«температура конденсации» 5 4 6 5 6 4 5
значительнее критерия «со-
противление»?
Во сколько раз критерий
«температура конденсации» 6 6 6 6 6 6 6
значительнее критерия
«структура»?
Во сколько раз критерий
«температура конденсации» 3 2 5 2 3 3 3
значительнее критерия
«температура кипения»?
Эксперты отвечают одним из чисел для сравнения, представленных в 9-ти балльной шкале Т. Са-ати на основании имеющихся у них знаний и накопленного опыта. Они работают независимо друг от друга, а их оценки (суждения) усредняются и заносятся в таблицы парных сравнений. Расчет среднего
балла на основе средней арифметической простой позволяет получить результаты, отражающие согласованность экспертных суждений.
На основании средних оценок, полученных из результатов опроса шести экспертов, можно получить суждения парного сравнения по критериям окружающей среды, теплоносителя и рабочего тела относительно цели повышения интенсивности тепломассопереноса. При выставлении баллов эксперты руководствовались соответствующими умозаключениями, на основании которых составляется матрица попарных сравнений. Результаты этих логических операций авторы планируют представить в следующей публикации.
Выводы
Методом анализа иерархий установлена взаимосвязь между основными термодинамическими и теплофизическими параметрами различных критериев, которые оказывают существенное влияние на повышение интенсивности тепломассопереноса при выборе эффективной энергосберегающей модели ВТН.
Решение проблемы выбора модели ВТН для повышения энергоресурсосбережения при использовании идеальных единиц измерения (стоимостные) позволяет из технической системы «режим работы - затраты» перевести в экономическую задачу как система «эффективность - стоимость». В этой связи необходимо пересмотреть иерархию проблемы, так как имеются общая цель и одинаковые альтернативы. Это позволит установить новые взаимосвязи между критериями (контурами) и получить их приоритет.
Решающим преимуществом МАИ над большинством существующих методов оценивания альтернатив является четкое выражение суждений экспертов, а также ясное представление структуры проблемы: элементов и взаимозависимостей между ними. При идентификации критериев желательно изначально обосновать их выбор и ранжировать по степени значимости их влияния на главную цель. Это оказывает влияние на правильную постановку и ориентацию вопросов для составления анкеты экспертам.
Таким образом, корректная оценка суждений играет значительную роль в достоверности и показательности конечных результатов экспертизы, на основе которой составляются таблицы парных сравнений. Участие нескольких экспертов позволяет приходить к компромиссам и достигать лучшей в целом согласованности.
Библиографический список
1. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1993. - 278с.
2. Сравнительный анализ комбинированных режимов работы ВТН для малоэтажных строений в текстильной отрасли / Р. М. Алоян, В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева [и др.] // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. - 2017. - № 5(371). - С. 324328. - ЕРЫ У1^1Ч1.
3. Теория и практика решения задач: Приоритеты в системе управления ЖКХ: Учебно-методическое пособие / Макаров Д.В., Зайцева И.А., Андреева О.Р., Татиевский П.Б.- Иваново: ОАО «Издательство «Иваново», 2013 - 83с.
4. Федосов, С. В. Рециркуляционный воздушный тепловой насос с рекуперацией: опыт применения / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. - 2020. - № 8. - С. 5457. - ЕРЫ РСТШ.
5. Федосов, С. В. Эффективность конструкции смесительной камеры при совместной работе с воздушной теплонасосной системой теплоснабжения помещений / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, В. А. Емелин // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. -2021. - № 1(65). - С. 94-100. - РО! 10.60607snt.20216501.0012. - ЕРЫ гЦРОА!
6. Федосов, С. В. О некоторых особенностях управления в схеме "воздушный тепловой насос - электронагреватель" для целей повышения энергоэффективности / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева // Приборы. - 2020. - № 11(245). - С. 38-42. - ЕРЫ гНВ^Р.
7. Высокотехнологическая система воздушного теплового насоса "три в одном" для малоэтажных и коттеджных строений / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева, В. А. Емелин // Приборы. - 2020. - № 2(236). - С. 4953. - ЕРЫ АРЫОгТ.
8. Федосов, С. В. Эффективность конструкции смесительной камеры при совместной работе с воздушной теплонасосной системой теплоснабжения помещений / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, В. А. Емелин // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. -2021. - № 1(65). - С. 94-100. - РО! 10.60607snt.20216501.0012. - ЕРЫ гЦРОА!
9. Федосов, С. В. Использование низкопотенциальной теплоты окружающего воздуха в испарительно- конденсационном блоке воздушного теплового насоса / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, В. А. Воронов // Приволжский
научный журнал. - 2019. - № 3(51). - С. 37-45. - EDN MAOKIK.
10. Федосеев, В. Н. Информационно-аналитический подход к решению сложных слабоструктурированных задач методом анализа иерархий (МАИ) / В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений : Сборник научных трудов / Ивановский государственный политехнический университет. Том Выпуск 8. - Иваново : Ивановский государственный политехнический университет, 2019. - С. 72-82. - EDN KWLNVF.
11. Федосеев, В. Н. Экспертиза объектно-пространственного моделирования ВТН методом анализа иерархий / В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений : Сборник научных трудов / Ивановский государственный политехнический университет. Том Выпуск 8. - Иваново : Ивановский государственный политехнический университет, 2019. - С. 136-152. - EDN DDVTTM.
12. Fedosov, S.V., Fedoseev, V.N., Loginova, S.A., Vo-ronov, V.A. Energy-Efficient State of the Room Microclimate with a Combined Heat Pump Air Exchange System and Built-in Sanitary and Hygienic System // Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022, vol. 272, С.555-561
13. Комплексное теплообеспечение и устойчивое состояние тепловлажностной среды внутри помещения с уровнем качества со2 / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, В. А. Воронов [и др.] // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - 2022. - № 1(69). - С. 76-82. -DOI 10.6060/snt.20226901.00010. - EDN PSWTXC.
14. Качество воздухообмена в помещении с эффектом очищения окружающей среды / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, С. А. Логинова [и др.] // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. - 2022. - № 4(72). - С. 69-74. - DOI 10.6060/snt.20227204.00010. - EDN AHHWBI.
15. Федосов, С. В. Цифровая модульно-структурная схема воздушной теплогенерации в малоэтажных строениях / С. В. Федосов, В. Н. Федосеев, И. А. Зайцева // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования : Сборник докладов Первой Национальной конференции, Москва, 30 сентября 2020 года. - Москва: Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, 2020. - С. 908-914. - EDN EGNIEB.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Статья поступила в редакцию 09.01.2023; одобрена после рецензирования 07.02.2023; принята к публикации 15.02.2023.
The authors declare no conflicts of interests. The authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The article was submitted 09.01.2023; approved after reviewing 07.02.2023; accepted for publication 15.02.2023.
