Облик энергосбережения
Виталий ПРОХОРОВ, профессор кафедры отопления и
вентиляции МГСУ
Проблема энергосбережения всегда сопутствовала
энергопотреблению
Все
последние годы в России интенсивно обсуждается проблема энергосбережения, в том
числе в системах отопления и других системах инженерного оснащения зданий.
Принимаются
решения, утверждаются нормативные документы как всероссийского, так и
регионального предназначения. Принят закон РФ об энергосбережении. Проводятся
бесчисленные совещания и научно-технические советы, «круглые столы» и
академические чтения, съезды и симпозиумы, научно-практические конференции и
выставки, ну и конечно, «саммиты». Во множестве выпускаются журналы,
публикуются статьи и книги. Защищаются диссертации. Привлекаются зарубежные
организации и эксперты.
И
само собой разумеется, создаются многочисленные новые контролирующие органы и
организации, с большими правами, например, по части запретов и штрафов, и
одновременно - проведения работ по «хоздоговорам» между контролирующими и
контролируемыми, вооруженные импортными дорогостоящими приборами, транспортом,
обучающим персоналом, консультантами, экспертами, компьютерами, программами,
специальными методиками, предписаниями и … непреодолимыми психологическими
установками.
А
кто из специалистов, или просто пытливых обывателей, засомневается в
обоснованности, к примеру утвержденных СНиПов или региональных норм по
энергосбережению в зданиях, или энергетического паспорта здания, того объявляют
ретроградом, его работы – не соответствующими «перспективным интересам
государства и общества» и опирающимися на «устаревшие технические решения» и
зовущими «вернуться в прошлое» и «оставаться в плену отсталых представлений».
У
авторов означенных определений в публикациях не возникает сомнения насчет
качества нового, а именно, что оно может быть ухудшенным старым или просто
ошибочным, т.е. наносить энерго-экономический ущерб государству.
Рассмотрим
некоторые попытки решения обозначенной проблемы, начиная с прошлого и не
проходя мимо «новизны» и «полезности» настоящего.
Человек
заботится об экономии энергии с первых дней своего зарождения, а об экономии
топлива – с момента обретения огня.
В
первые тысячелетия тепловая энергия тратилась исключительно на обогрев людей и
их жилища (отопление совместно с естественной вентиляцией), приготовление пищи
и горячей воды. И было, конечно, небезразлично сколько носить дров для этих
целей.
При
этом сами жилища оборудовались в соответствии с природно-климатическими воздействиями
на них окружающей среды и ресурсными возможностями обитающих в конкретном
географическом месте людей.
Поэтому,
как мы теперь говорим, удельная тепловая характеристика жилищ, конструкции,
энергосберегающие и гигиенические свойства ограждений, источников и
передатчиков тепла, топливных устройств, систем греющих и вентилирующих каналов
с их регулирующими органами подчинялись не только общим закономерностям но и
всегда несли отпечаток климатической обстановки расположения и сложившихся
технологических традиций.
С
появлением промышленности потребность в энергоносителях высокого качества и
одновременно в их экономном расходовании резко возросла, поскольку в разумном
обществе объем потребления и экономия энергии сущностно едины. Это вызвало к
жизни новые научные разработки.
Еще
в 18 веке, в 1745 году М.В. Ломоносов пишет диссертацию «О причине теплоты и
холода», а через три года формулирует «всеобщий закон природы»- закон
сохранения материи и движения.
Вслед
за этим он же исследовал баланс действующих сил и расход энергии при «вольном»
т.е. гравитационном, естественном «движении» вентиляционного воздуха «на шахтах
и рудниках примеченном». Таким образом он оставил последователям научные основы
естественной (наиболее энергоэкономичной) вентиляции, энергетика которой
покоится на разностях температур, влажности и высот неразрывного потока
воздуха.
Важный
вклад в топливо сбережение при отоплении зданий был сделан Н.А. Львовым,
обобщенный (в работе 1795 года «Русская пиростатика или употребление испытанных
уже печей и каминов»).
В первой половине 19 века массированные потребности в энергии и ее экономии
вызвали разработку теории тепловых машин (С. Карно), описание закона сохранения
энергии (Ю.Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц). Возникло ответвление науки – Термодинамика.
Были сформулированы три ее фундаментальных принципа («начала»), имеющие
непосредственное отношение к инженерным системам.
«Первое»
- выражение закона сохранения энергии в виде балансов тепла и потоков
энергоносителей.
«Второе»
(Р. Клаузиус, У. Томсон) – учет необратимых потерь даже в идеализированных
процессах передачи тепла (теплопотери в зданиях), Дж. Гиббс – метод
термодинамических потенциалов (передача влаги в материалах и конструкциях).
И
«третье» (В. Нернст) – свойство вырождения термодинамических функций и тепловой
энергии тел в области температур вблизи абсолютного нуля.
Все
это позволило точно вычислять как полезно потребляемую, так и безвозвратно
теряемую доли тепловой энергии (за счет внешнего рассеивания и за счет
необратимых внутренних потерь при любом теплообмене), т.н. эксергию и анергию.
Уже
в конце 19 – начале 20 веков Д.И. Менделеев сделал научно обоснованные выводы о
необходимости беречь ископаемое топливо, особенно газ, утверждая, что «сжигать
газ это все равно, что топить печи ассигнациями». После Д.И. Менделеева, уже в
наше время, как известно, нашими «ассигнациями» отапливается Запад.
А
В.И. Вернадским были оценены экологические последствия тепловых и газовых
выбросов в атмосферу, тепловых и химических выбросов в воды и грунт и найдены
допустимые границы промышленной и добывающей деятельности человека, не вредящие
самому его будущему, а строго регламентированные и находящиеся в согласии с
природой.
И
ни у кого из великих предков не было волюнтаристски составленных формул и
коэффициентов.
Так
что наше научно-техническое прошлое в части культуры потребления и сбережения
энергии, так же, как и природы представляется отнюдь не темным царством.
И
было бы хорошо, чтобы все современные инженеры, а также чиновники с их скорыми
послушниками и помощниками, сбросили рекламную повязку с глаз, изучили его в
силу своих возможностей, обратясь к объективной ситуации, и стремились бы из
«зияющих высот» настоящего к новым научным «сияющим вершинам», по своему уровню
хотя бы напоминающим уже отдаленные временем научные вершины прошлого.
Оптимизировать
тепловые процессы в системах отопления и вентиляции, где главным критерием
является минимум энергозатрат у нас обучены со студенческой скамьи все
специалисты. Занимаются этим все и всегда. Поэтому разработанные и введенные
нормы по строительной теплотехнике выглядят согласно народной поговорке: «Кто
умеет, тот делает, кто не умеет – тот учит, как надо делать».
Энергетический
кризис, имевший место на Западе в 70-х - начале 80-х годов до нас не дошел,
мощная государственная программа по энергосбережению в СССР была выполнена:
были разработаны все необходимые общепромышленные системы и оборудование для
утилизации тепла вентиляционного выбросного воздуха, а в каждой отрасли
промышленности, буквально для каждого цеха – конструктивные схемы и
оборудование утилизации тепла, выделяемого технологическими аппаратами и
печами. Были также разработаны теплонасосные системы, а также системы
теплоснабжения с использованием солнечной, геотермальной и ветровой энергии.
К
сожалению, все эти результаты оказались заброшенными. Отдельные исключения
держатся на энтузиастах. Так вентиляционные теплоутилизаторы чаще всего не
применяются в строительстве и реконструкции зданий, как в государственном, так
и в частном секторах экономики. Даже в Москве.
Новый
энергетический кризис, произошедший на Западе в последние 10 лет, уже ощущается
и в России. Реакцией на него у нас стало, в частности, массовое и не всегда
добровольное применение дорогостоящего зарубежного оборудования, автоматики,
приборов учета тепловой энергии и теплоизоляционных материалов.
В
подкрепление этого процесса были разработаны: измененный, по существу новый
СНиП «Строительная теплотехника», Московские нормы «Энергосбережение в зданиях»
и многие другие документы и публикации, неоднозначно воспринятые научной и
инженерной общественностью. В первую очередь вследствие своей антирыночной,
волюнтаристской сущности.
Развернувшаяся
дискуссия, казалось, завершится большой и аргументированной публикацией, в которой
в числе ряда положений показано, что традиционные, образованные тысячелетней
эволюцией, выверенные климатом, геологией и географией естественные материалы
для стен, в том числе массовые отечественные местные и наиболее экологичные
дерево (рубленный дом) и кирпич из обожженной глины, поставлены измененным СНиП
вне закона.
Но
сей результат знаменателен тем, что он уже выходит за рамки только
энергосбережения – это цивилизационное отторжение материалов и конструкций
русского национального зодчества. Что для всякого здравомыслящего гражданина
России странно. Результат этот, безусловно, требует более тщательного изучения
задачи, во всей ее полноте. Следует либо отыскать доказательства и объяснения
правомерности таковых нормативов, либо наоборот, их неправомерности и тогда
найти аргументы, выстраивающие логику необходимости их отмены. Иначе и мы
попадем под классическое определение А.С. Пушкина: «Дикость, подлость и
невежество не уважают прошедшего, пресмыкаясь перед одним настоящим».
К чему относить понятие «экономия энергии в зданиях».
Какой
бы жаркой ни была дискуссия вокруг энергосбережения в зданиях, она до сих пор
ведётся в основном по вопросу принятия в заранее заданных значений (нигде не
указывается кем и почему именно таких) минимальных термических сопротивлений
ограждающих конструкций здания и тех или иных величин инфильтрации наружного
воздуха, неизбежно участвующего в естественной вентиляции помещений. На чем и
построен ряд нормативных документов.
Эти
данные, полученные в результате расчетов теплопотерь в процессе проектирования
по фрагментам ограждающих конструкций, суммируются и приводят к определению
тепловой мощности систем отопления зданий.
Изначально
предначертаны и возможные проценты «энергосбережения», которыми авторы норм
активно оперируют и в литературе, и на уровнях управленческих.
Однако
теряется факт, что сама система отопления – лишь одна из нескольких
теплопотребляющих систем здания, к тому же потребляющих и электроэнергию.
Даже
в простейшем примере здания – жилом доме городского типа существует, по крайней
мере, еще система горячего водоснабжения с соизмеримым годовым потреблением
тепла. Имеют место также затраты энергии на пищеприготовление (газ,
электроэнергия ), электроосвещение, электропривод бытовой техники,
электропитание информационной техники и др.
В
гражданских и промышленных зданиях добавляются не менее крупные слагаемые
затрат энергии на механическую вентиляцию и кондиционирование воздуха.
Поэтому
оперировать процентами только на одно слагаемое, говоря, что это экономия
энергии в здании в целом, есть подмена тезиса в дискуссии и некорректность
математическая.
На
самом деле проценты экономии энергии в зданиях от повышения их теплозащиты
будут совсем другими.
Наглядным
примером этой подмены является предписанная в МГСН форма энергетического
паспорта здания. Она никак не обоснована, и не логична, если учесть весь
комплекс энергопотребляющих систем. Форма паспорта построена на раздутом,
многочисленном дроблении теплопотерь на мелкие составляющие (что является лишь
предметом проектного расчета). Это создает избыток второстепенной информации и
не дает аналитически полного представления об энергозатратах и энергосбережении
в системах обеспечения воздушно-теплового микроклимата, системах светового
микроклимата и санитарно-технических системах (горячее водоснабжение,
пылеуборка, влажная уборка помещений).
Скороговоркой
намеченные в энергопаспорте строчки по составляющим энергозатрат (кроме
теплопотерь) также мало что дают, хотя бы по отсутствию связи с паспортами на
вентиляционные системы, практикуемые у нас с начала 20 века.
Задача
более полного представления энергопотребления зданием достаточно трудоемка и
требует как постановочно-методических, так и серьезных научно-исследовательских
работ, например в части интегрированного вычисления и отображения расходов
разнородных энергоносителей, а также единого и энергоэкономичного управления
физически разными энергопотоками.
Общетеоретическая
постановка задачи и соответствующие формулы были представлены автором настоящих
строк.
На
этой основе, в качестве первого приближения, считаем возможным ограничиться
только доступными данными по отоплению, механической вентиляции,
кондиционированию воздуха и горячему водоснабжению, которые можно получить в
процессе их реального проектирования и проектной оптимизации. При оценках
годовых расходов энергии используем достаточно простой и освоенный аппарат
расчета по ГСОП. В действительности интегральные значения величин потребления
тепла описываются более сложными зависимостями и требуют более громоздких
исходных данных и вычислительных процедур.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.stroyca.ru/