Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

Отсюда можно определить как бы третий вид потерь энергии – неце-

лесообразное использование высококачественной энергии для выполнения

тех задач, которые можно выполнить с помощью низкокачественной энер-

гии. Попробуем сформулировать «золотое» правило энергетики: качество

выбираемого типа энергии должно соответствовать поставленным

задачам, или, иными словами, чем больше количество ступеней в про-

цессе преобразования энергии, тем ниже ее практический КПД.

Несомненно, могут быть исключения из указанного здесь правила.

Но, по нашему мнению, чем мощнее источник высококачественной энер-

гии и чем дальше от него расположены потребители энергии, тем более

при относительно низкой температуре требуемого для них тепла, именно

данным правилом следует руководствоваться при выборе варианта энерго-

обеспечения объекта как промышленного, так и коммунального назначе-

ния. Отсюда вытекают несколько следствий:

• концентрирование производства высококачественной энергии на круп-

ных источниках вступает в противоречие со вторым законом термоди-

намики;

• чем выше мощность источника энергии, тем выше его энтропийный по-

тенциал;

• любая централизация энергообеспечения (централизованные системы

теплоснабжения, единая энергетическая система и т.д.), несмотря на все

преимущества, способствует росту масштабов беспорядка в окружаю-

щей среде.

Еще одна особенность нашего современного общества - масштаб-

ное и повсеместное использование устройств с громадными потерями

энергии:

• лампы накаливания (КПД 5 %, соответственно потери энергии 95 %);

• машина или трактор с двигателем внутреннего сгорания (КПД 10 % от

энергии, заключенной в горючем);

• высокотемпературная ковка металла в кузнице (КПД 12 %);

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

• строительство плохо изолированных домов, где тепло может удержи-

ваться не более нескольких минут;

Ситуация усложняется еще тем, что сооружаются сотни тысяч паро-

вых котельных, которые могли бы при незначительных дополнительных

инвестициях быть мини-ТЭС с комбинированной выработкой тепловой и

электрической энергии (метод когенерации). В этом случае не потребова-

лось бы строительства в России, по крайней мере, 100 крупных ТЭС и

ТЭЦ, а может быть, и АЭС, снизилась бы стоимость электроэнергии и др.

Соответственно были созданы и сохраняются условия для увеличе-

ния количества отходов тепла и веществ, поступающих в окружающую

среду и способствующих повышению ее энтропии.

Современные государства с развитой промышленностью представ-

ляют собой генераторы энтропии, «работа» которых не только снижает ус-

тойчивость окружающего мира, но и способствует ее нарушению. Для та-

кого беспокойства есть теоретическая основа. Закон сохранения вещества

можно определить следующим образом: по мере роста объемов и геогра-

фии промышленного производства все большее количество людей возрас-

тающими темпами будут наращивать использование ресурсов, способство-

вать загрязнению окружающей среды тепловыми и вредными отходами. В

результате неизбежно способность окружающей среды рассеивать и раз-

рушать выброшенные вещества и поглощать низкотемпературное тепло

будет нарушена на всех уровнях: локальном, местном и глобальном. Не

хочется, чтобы нас обвинили в каком-нибудь неомальтузианстве (учение,

утверждавшее, что причина всех бед человечества есть результат «абсо-

лютного избытка людей»).

Речь идет о том, что чем настойчивее человечество будет пытаться

покорить природу, тем быстрее, согласно второму закону термодинамики,

в окружающей среде накапливаются низкокачественное тепло и отходы и,

уже в соответствии с законами сохранения вещества и энергии, тем раньше

мы достигнем пределов своего роста, конкретные параметры которых оп-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

ределяются возможностями природы воспроизводить изъятые у нее биоло-

гические ресурсы.

Основываясь на тех же физических законах, описывающих поведе-

ние энергии и вещества, следует считать наиболее перспективной моделью

обеспечения устойчивого развития общества, сохранения окружающей

среды и ее ресурсов снижение энтропии при обеспечении принципов, с

помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организ-

мов в природе.

Реализация данной модели развития общества заключается главным

образом в том, что количественное увеличение энергетического бюджета

каждого человека общество должно обеспечивать при все меньших удель-

ных затратах энергии:

• уменьшении затрат энергии на единицу валового внутреннего

продукта;

• экономном использовании тепла для промышленных нужд и ото-

пления;

• исключении применения без особой необходимости высококаче-

ственных видов энергии;

• переходе к производству продукции более удобной для повторно-

го использования и ремонта;

• вовлечении в оборот возобновляемых источников энергии и др.

Причем история развития современного общества показывает, что

введение ограничений потерь энергии и ресурсов и недопущение нежела-

тельных входных воздействий в природную среду с позиций термодина-

мики и экономики оказывается более оправданным подходом, чем кон-

троль последствий и исправление случившегося. Отсюда следует, что

энергетическую эффективность можно рассматривать как ресурс. За счет

уменьшения количества используемой энергии сокращаются необходимые

для новых энергоисточников инвестиции или же появляется возможность

закрыть убыточные и/или опасные для шахтеров угольные шахты. И если

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

объемы экспорта первичной энергии из России будут в основном ограни-

чиваться величинами сэкономленного за счет энергосбережения топлива,

то наши потомки вряд ли будут к нам в претензии за расточительное от-

ношение к имеющимся запасам органического топлива.

Иными словами, энергосбережение есть объективная реальность. И

именно через энергосбережение в долгосрочной перспективе наилучшим

вариантом решения проблем устойчивого развития является переход к

природосберегающему обществу. Основой такого общества является по-

вышение эффективности использования энергии, переход на возобновляе-

мые ее источники, сокращение ненужных затрат и потерь энергии, рецир-

куляция и вторичное использование ресурсов вещества, а также сокраще-

ние производства отходов и необязательного потребления ресурсов веще-

ства, при разработке мер по контролю роста населения.

Необходимым условием перехода на энергосберегающий путь раз-

вития является понимание каждым из нас того, что мы можем и не можем

делать, используя ресурсы вещества энергии, и умение ответственно реа-

лизовать эти знания в своей жизни.

4.3. Некоторые особенности энергопотребления в России

В нашей стране есть ряд объективных (природных) факторов, спо-

собствующих росту удельных объемов энергопотребления. Основные из

них – климатические условия, более высокие транспортные издержки. Ос-

тановимся более подробно на климатических условиях.

Климатические условия можно оценить коэффициентом суровости

климата (градусо-сутки отопительного периода), равным произведению

разности температуры внутреннего воздуха в отапливаемом помещении

) и средней температуры наружного воздуха за отопительный период

(t ) на продолжительность отопительного периода (Z ):

от.пер от.пер

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

= (t – t

в от.пер

) ⋅ Z . (4.1)

от.пер

Нормативный коэффициент суровости климата для конкретной ме-

стности (города и т.д.) можно определить, исходя из показателей строи-

тельной климатологии, СНиП 23-01-99. С учетом данных настоящего нор-

мативного документа коэффициент суровости климата для города Екате-

ринбурга составит

= [20 – (–6)] ⋅ 230 ≈ 6000 градусо-суток.

Сопоставим коэффициенты суровости климата для ряда стран и от-

дельных регионов России (табл. 4.1).

На основании данных табл. 4.1 можно принять, что по климатиче-

ским условиям удельные показатели расхода энергии на теплоснабжение, а

также на некоторые виды технологических процессов (нагрев, сушка и

т.п.) примерно в 1,5 раза выше, чем в большинстве европейских стран, и в

1,85 раза выше, чем в США.

Фактически эти показатели в России, по многочисленным литера-

турным и официальным статистическим данным, значительно выше. Чем

это можно объяснить?

Таблица 4.1

Показатели суровости климата (применительно к жилым зданиям),

градусо-суток

Коэффициент сурово-

сти климата

Коэффициент су-

ровости климата

Страна, город Страна

Россия 5000 Швеция 4020

Москва 5027 США 2700

Екатеринбург 6000 Германия 3165

Верхоянск 12290 Финляндия 4200

Якутск 10620 Канада 5000

Омск 6500

Самара 5010

Астрахань 3400

Краснодар 2500

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

Приведем в табл. 4.2 данные по объемам производства и потребле-

ния тепловой изоляции с использованием литературных данных и резуль-

татов собственных расчетов.

Таблица 4.2

Показатели производства тепловой изоляции

Коэффициент суро-

вости климата,

град.·сут.

Производство теп-

ловой изоляции,

Коэффициент энер-

гетической озабо-

ченности нации

Страна, город

/1000 жителей

Россия 5000 90

∼ 0,1

Екатеринбург 6000 120 (2001 г.) 0,11

Швеция 4020 600 0,8

США 2700 500 1,0

При этом следует отметить, что теплозащита зданий (т. е. свойство

совокупности ограждающих конструкций, образующих замкнутый объем

внутреннего пространства здания, сопротивляться переносу теплоты меж-

ду помещениями и наружной средой, а также между помещениями с раз-

личной температурой воздуха) во многом определяется количеством ис-

пользованной тепловой изоляции, а при равном количестве использован-

ной изоляции - ее качеством и гидрозащитой от внешних атмосферных и

других воздействий.

Согласно представленным данным, количество изделий из тепловой

изоляции в России использовалось в 1995 – 1996 гг. примерно в 5 раз

меньше, чем в США, и почти в 7 раз меньше, чем в Швеции.

Учитывая, что в условиях быстрорастущих цен на первичное топли-

во такой показатель, как теплозащита зданий, определяет коммунальные

расходы населения, тем более в таких странах, как Россия с ее климатиче-

скими показателями (табл. 4.1), введем новый показатель. Назовем его ко-

эффициентом энергетической озабоченности нации – К

э.о

Примем за единицу этот показатель в США. Соответственно в дру-

гих странах (территориях) этот коэффициент будет

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

э.о

= (Т

США

) : (D

США

), (4.2)

где Т , T – соответственно производство тепловой изоляции в рассмат-

i США

риваемой стране и США, м /1000 жителей в год; D

, D

США

– соответст-

венно коэффициенты суровости климата рассматриваемой страны и США,

град.⋅сут.

Из данных табл. 4.2 вытекает, что в нашей стране теплозащитой зда-

ний озабочены на порядок меньше, чем в США, и в восемь раз меньше,

чем в Швеции. Факторы субъективного (менталитетного) подхода к про-

блеме энергопотребления в нашей стране преобладают и определяют сло-

жившийся на настоящий период расточительный характер использования

энергии в коммунальной, бюджетной и ряде других сфер. Все это напря-

мую увеличивает экологическое воздействие на окружающую среду. В ка-

честве примера приведем сравнительные данные по расходам топлива на

отопление в России и Германии (рис. 4.4).

В России В Германии

Рис. 4.4. Удельный расход топлива на отопление зданий

в течение отопительного сезона, л/м

Немодерни-

зированные

здания

Современ-

ные здания

Перспек-

тивные

здания

(7-литро-

вый дом)

(3-литро-

вый дом)

(20 литров)

20 л

80 л

7 л

3 л

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

Особенно ощутимо данная ситуация сказывается на регионах, в ко-

торых нет собственных топливных ресурсов. К таким регионам следует

отнести и Свердловскую область, где местные виды топлива в топливном

балансе региона составляют менее 5 % (рис. 4.5).

Уголь

64%

Газ

30%

Местные

виды

топлива

Мазут 1%

Рис. 4.5. Топливный баланс Свердловской области в 2000 г.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 4. Эффективность использования энергии

Контрольные вопросы

1. Как вы понимаете выражение «энтропийный капкан»?

2. С помощью второго закона термодинамики объясните, почему литр

бензина можно использовать как топливо только один раз.

3. Как вы относитесь к правилу потребления энергии, что в основе любого

производства и использования энергии лежит принцип повышения эф-

фективности? Подумайте, как вы учитываете этот принцип в своей

жизни.

4. Сформулируйте свое понимание того фактора, что использование элек-

троэнергии для отопления дома и обеспечения бытовых потребностей

ведет к большим потерям энергии.

5. Какие задачи и как вы бы стали решать при строительстве своего дома?

6. Согласны ли вы с тем, что необходимость построения природосбере-

гающего общества вытекает из объективных законов природы?

7. Почему энергосбережение – объективная необходимость? Насколько,

на ваш взгляд, осознана его насущная необходимость: в нашей области;

в вашем городе (районе); в вашей школе?

8. Почему, на ваш взгляд, в России уделялось мало внимания теплозащите

ограждающих конструкций зданий?

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 5. Научные основы энергосбережения

5. Научные основы и потенциал

энергосбережения

Истиной веет ветер,

истиной сияет солнце,

все основано на истине

Древнее изречение (Индия)

5.1. Энергетические законы, закономерности, правила

Первое начало термодинамики, одно из основных положений

термодинамики, является по существу законом сохранения энергии в при-

менении к термодинамическим процессам [15]:

Q = ΔU + A, (5.1)

где Q – сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепло-

вой машине) количество теплоты; A – совершаемая ею работа; ΔU – изме-

нение её внутренней энергии.

Некоторые формулировки закона:

• при любых физических и химических взаимодействиях, при любом

перемещении вещества из одного места в другое, при любом изменении

температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из

одного вида в другой;

• энергия, получаемая или затраченная какой-либо живой или неживой

системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получи-

ла от системы или отдала ей окружающая её среда.

Некоторые следствия:

• в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее

больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам;

• нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.