Энергосбережение как энергетический ресурс
Определение энергосбережения
В настоящее время полезное применение энергии, в первую очередь, связывают с энергосбережением. Есть официальное определение понятия – энергосбережение – комплекс мер по реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.
Но что в первую очередь следует понимать под словом «энергосбережение »?
Не считая борьбы с откровенной бесхозяйственностью при использовании энергии (хотя бороться с ней, конечно же, нужно беспощадно!), можно выделить три основные направления энергосбережения:
• полезное использование (утилизация) энергетических потерь,
• модернизация оборудования с целью уменьшения потерь энергии,
• интенсивное энергосбережение.
Примером утилизации энергетических потерь может служить использование тепловых «отходов» промышленного производства для обогрева теплиц. При модернизации уменьшаются потери энергии в уже действующем оборудовании, но не изменяются сами принципы технологии и техники. Примером может служить установка систем автоматического регулирования процессов горения на котлах электростанций, уплотнение окон и дверей при ремонте зданий, использование окон с тройным остеклением, и т.д. Интенсивное энергосбережение подразумевает полную реконструкцию оборудования и введение новых принципов его работы, существенно сокращающих потребление энергии. Примером может служить замена двигателей внутреннего сгорания в автомобилях на электродвигатели с питанием от солнечных элементов (электромобили).
Для нас с вами доступны первые два направления энергосбережения. Что же мы можем сделать?
|
Энергосбережение в соответствии с первым законом термодинамики: Не растрачивайте энергии впустую! |
Энергосбережение в соответствии с первым законом означает, что мы начинаем тратить за то же самое время меньше энергии, чем раньше, так как используем энергию более рационально.
Приведем примеры энергосбережения, которые соответствуют первому закону:
• Используйте экономичные электролампочки (лампы дневного света вместо ламп накаливания),
• Выключайте осветительные и нагревательные устройства, когда уходите из комнаты,
• Используйте тепловые отходы промышленных предприятий и электростанций для обогрева жилых помещений.
|
Энергосбережение в соответствии со вторым законом термодинамики: Не теряйте качество энергии! |
Энергосбережение в соответствии со вторым законом термодинамики заставляет задуматься над вопросом: энергию какого качества использовать для выполнения той или иной задачи? В будущем интерес к качеству энергии будет только возрастать.
Приведем примеры энергосбережения в соответствии со вторым законом:
• Использование биоэнергии и тепловой энергии для обогрева вместо электроэнергии,
• Использование тепловых отходов для обогрева зданий,
• Использование солнечной энергии для обогрева зданий.
Как видите, при некоторых способах энергосбережения (использование тепловых отходов для обогрева) действуют оба закона.
Применение энергии
Процессы производства энергии, которую мы потребляем, наносят урон окружающей среде. Этот урон заставляет нас задуматься над возможностями снижения потребления энергии. Более эффективное использование энергии послужит на пользу окружающей среде, и в то же время принесет выгоды. Меры по повышению энергоэффективности повысят комфорт нашей жизни и качество полезных применений энергии. Наконец, экономия энергии и ресурсов - способ сократить расходы.
Энергия в форме электричества, нефти или газа сама по себе не является для нас полезной. Фактически, электричество и газ не только невидимы, но даже опасны. С другой стороны, работа и другие полезные способы применения энергии, которые могут быть произведены с этими источниками - основные элементы нашей повседневной жизни. Невидимые и опасные источники энергии могут быть использованы для получения света, тепла, механической работы и для других полезных целей. Такое использование источников энергии мы называем полезным применением энергии.
Существует следующие основные цели применения энергии, которые могут быть обеспечены различными источниками энергии:
• Нагревание
• Охлаждение
• Освещение
• Механическая работа
Для обсуждения:
Полезное использование энергии
Многочисленные мероприятия, которые способствуют экономии энергии, можно разделить на три группы.
Общеорганизационные меры. Практически любой потребитель энергии может значительно уменьшить энергопотребление, улучшив обслуживание оборудование и организацию энергопотребления (например, устранение утечек пара, тепла, утеплением помещений и тому подобное). Другие направления – разработка мероприятий по оптимизации энергопотребления, по улучшению эксплуатационных режимов (например, работа при более низких, но достаточно приемлемых температурах и др.)
Многочисленные примеры из практики показали, что только за счет общеорганизационных (режимных) мер можно снизить расход энергии на 25 – 30 %.
Малозатратные мероприятия. Сюда следует в первую очередь отнести незначительные видоизменения оборудования или технологических процессов. Например, установка терморегуляторов перед отопительными батареями, применение термоотражающей пленки между отопительной батареей и ограждающей стенкой и т.д. и т.п.
В этом случае снижение расхода энергии может быть до 30 – 40 %. При этом окупаемость мероприятий не превысит 0,5 – 1,0 года.
Комплексные мероприятия. Обычно это достаточно затратные мероприятия с заменой устаревшего оборудования, переход на автономное энергоснабжение, замена теплоисточника на установку с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии и др.
Несмотря на свою относительную затратность, данные мероприятия позволяют значительно снизить расходы на производство продукции, на теплоснабжение зданий и сооружений.
Принципы энергосбережения
Полезное применение энергии может быть достигнуто различными способами. Можно использовать различные источники энергии, и получение полезной работы может происходить совершенно по-разному. Потери полезной энергии в процессе ее преобразований и ее воздействие на окружающую среду зависят от источника энергии и от используемой технологии. Чтобы повысить эффективность этих процессов и снизить воздействие нашего потребления энергии на окружающую среду, нужно применять передовые знания из естествознания и социологии.
Стремясь к улучшению жизненных условий и снижению воздействия на окружающую среду, необходимо найти методы и технологии, которые позволят:
1. Эффективно использовать энергию
Мы должны как можно более полно использовать энергию на полезную работу и ни на что иное! Наши потребности в применении энергии в полезных целях должны удовлетворяться при минимальной бесполезной затрате. В качестве примеров можно привести: устранение утечек теплого воздуха из квартиры, использование энергоэффективных лампочек и сокращение использования горячей воды.
2. Применять источники энергии низкого качества
Нам не следует использовать понапрасну энергию высокого качества. В тех случаях, когда возможно использовать энергию низкого качества (тепло), не следует расходовать энергию высокого качества (электричество). Но даже если мы следуем этим принципам, основанным на законах природы, необходимы дополнительные усилия по организации общества и нашей жизни устойчивым образом. В этот процесс должны вовлекаться и общественные науки, и политика и общественное участие.
3. Организовать общество и нашу жизнь устойчивым образом
Наш образ жизни в современном обществе должен развиваться в соответствии с вышеизложенными правилами. Организация общества, включая законы и экономические рычаги, должна способствовать энергоэффективности, вторичной переработке материалов, развитию общественного транспорта и другим составляющим устойчивого образа жизни.
Для обсуждения
Выше приведены основные принципы энергосбережения. Работать они начнут только тогда, когда мы их будем использовать в своей жизни. В этом плане следует рассматривать различные виды применения энергии в полезных целях для получения того же результата с минимальным расходом энергии, меньшими потерями ее качества, и при оптимальном использовании возобновляемых источников энергии.
И помните: сберечь одну единицу энергии гораздо лучше, чем произвести новую. Сберегая энергию дома, Вы также уменьшаете потери энергии при ее производстве и транспортировке. Наконец, Вы также снижаете воздействие на окружающую среду.
Энергосбережение как энергетический ресурс
В процессе экономического развития у каждой страны были периоды недооценки возможности и необходимости экономии энергии. Это приводило к выводу из процесса экономного расходования энергии большую часть производителей и потребителей энергии. Важность экономии энергии в производственной сфере определяется еще и тем, что на каждую единицу энергии, затраченной на этой стадии, приходиться расходовать при производстве и передаче энергии около трех единиц первичного энергоресурса.
Расчеты показывают, что 1% экономии энергоресурсов в России дает прирост валового внутреннего продукта на 0,35%. Вызвано это тем, что затраты на осуществление мероприятий по экономии топливно-энергетических ресурсов в промышленности, коммунальном хозяйстве в 2-3 раза ниже по сравнению с капитальными вложениями, необходимыми для эквивалентного прироста их производства в виде природного газа, нефти, каменного угля.
Следовательно, энергосбережение есть дополнительная мощность энергоисточника, так как позволяет за счет экономии энергии на энергоисточнике или у потребителя подать дополнительную энергию другому потребителю при сохранении существующих мощностей.
Энергосбережение позволит растянуть на более продолжительное время ограниченные запасы высококачественных видов топлива, находящихся в земле. Оно также позволяет зарезервировать часть запасов ископаемого топлива для неэнергетических нужд: производство лекарств, смазочных и других материалов. Проблема еще заключается в том, что уже сейчас, преодолевая нередко ограничения по топливу и электроэнергии по разным на то причинам, в будущем нас ожидает не меньшее число проблем, вызванных продолжительным энергетическим дефицитом, если только не будут открыты и подготовлены новые источники энергии. Следует готовить себя к тому, что часть этого дефицита должна быть компенсирована мероприятиями по энергосбережению. В противном случае можно ожидать весьма существенные изменения в запасах и поставках не только энергии, но сырья и материалов отдельным предприятиям и даже населенным пунктам.
Как уже отмечалось, имеются большие потенциальные возможности для энергосбережения. Но есть и много факторов, которые препятствуют использованию большей части эффективных с энергетической точки зрения процессов. Их много. Отметим здесь следующие факторы: структура тарифов не мобилизует производителей энергии на снижение объемов ее поставки; потребители энергии в большей степени заинтересованы в удовлетворении, чем в оптимизации потребности в энергии; сохранение существенного недостатка знаний у населения, производственного персонала в отношении возможностей энергосбережения при бытовом, производственном и других видах потребления энергии.
В этой связи будут делаться попытки определить те области энергосбережения, которые экономически выгодны и позволяют значительно улучшить эффективность использования энергии в нашей жизни.
Приведем несколько примеров, касающихся реальных методов и технологических процессов, которые могут способствовать более эффективному использованию энергии.
Подготовка энергетической воды. В России работают десятки тысяч мелких котельных. Большая половина из них работает вообще без химической подготовки воды. При питании котлов сырой водой, при повышении ее температуры соли жесткости образуют кристаллы, которые формируют прочные отложения (накипь) на поверхности нагрев. Именно такая накипь, как правило, образуется в эмалированных чайниках для кипячения воды. Данные отложения обладают высоким термическим сопротивлением:
Толщина накипи, мм 1,0 1,5 3 5 7 10 13
Потери топлива, % 10 15 25 32 39 50 70.
Минимальная толщина отложений в трубах котлов, тепловых сетей, работающих без организации водно-химического режима, – составляет 2,5-3,5 мм. То есть на этих системах теплоснабжения дополнительно потребляется 25% топлива при обеспечении необходимого режима отопления. По нашим расчетам, в каждом регионе России перерасход топлива по этой причине составляет от 1 до 2 млн. т у. т. в год. Решение этой проблемы возможно при использовании антинакипинов.
Тепловая изоляция. Еще до сих пор в обывательском плане возникает вопрос: «Зачем нужна изоляция?». Тепловая изоляция снижает потери энергии с поверхности, находящейся при температуре, отличающейся от температуры окружающей среды (воздуха, грунта); уменьшает текущие затраты предприятия и населения на топливо и энергию; улучшает КПД технологических процессов и повышает их производительность. Изоляция даже может уменьшить требуемые капитальные затраты.
Преимущества от применения тепловой изоляции не ограничиваются только снижением расхода энергии. Изоляция помогает уменьшить расходы на вентиляцию и кондиционирование воздуха для оборудования, находящегося внутри помещения, а также уменьшить коррозию оборудования в результате сокращения конденсации коррозионных компонентов в газовых потоках. Снижение расхода топлива приведет в результате к уменьшению выбросов продуктов горения, загрязняющих окружающую среду (главным образом, оксидами серы, азота и взвешенными твердыми веществами), тем самым применение изоляции способствует улучшению качества окружающего воздуха.
Приведем только один пример. В нашей повседневной жизни регулярно приходиться видеть трубы тепловой сети без какой либо изоляции. Проведем расчетную оценку тепловых потерь неизолированной трубой со следующими данными: диаметр трубы 159 мм, температура стенки трубы 650С, температура окружающего его воздуха 00С, длина неизолированного участка – 10м. Продолжительность отопительного периода – 228 суток. Тариф на тепловую энергию 200 руб./Гкал. Согласно справочным данным, величина теплового потока с 1 погонного метра трубы составит 336 ккал/м∙час. Определим потери тепла (в Гкал и рублях), в случае работы данного участка теплосети неизолированным в течение всего отопительного периода:
Q=(336∙10∙228∙24)∙10-6=18,4 Гкал/год;
Qруб= 18,4∙200=3680 руб./год.
Для сравнения отметим, что для отопления одной квартиры общей площадью 50 м2 за год требуется от 12 до 15 Гкал. То есть, каждые 10 м неизолированной теплотрассы, это - потери тепла более, чем на отопление одной квартиры площадью 50-60 м2.
Именно здесь кроется одна из причин того, что в России на одну тысячу долларов социальных расходов приходиться свыше 20 тонн условного топлива, в то время как в странах Скандинавии, довольно близких нам по климатическим условиям, эта социальная энергоемкость составляет от 1 до 3 т у.т на 1000 долларов США.
7.4. О забытых решениях
В нашей стране в свое время были разработаны, освоены и широко использовались приемы рационального использования энергии. В первую очередь, сюда следует отнести, когда-то широко используемые, подручные утеплители – торф, снег, опилки, солома. В сельской местности эти материалы и технологии их применения использовались повсеместно.
Но особенно широко, в том числе и промышленное применение, в свое время нашло безмашинное охлаждение с помощью естественного или искусственного водного, а также сухого льда (твердой углекислоты). Затем по мере развития холодильной техники в условиях низких цен на энергию и топливо эти технологии практически были забыты.
Но несомненно достоинствами безмашинного охлаждения для получения низких температур, особенно при небольшой холодопроизводительности, являются его простота, доступность, малые первоначальные затраты, малый расход металла и других конструкционных материалов, и главное, возможность охлаждения без потребления энергии. Поэтому приведем здесь некоторые материалы прошлых лет на эту тему.
Способы заготовки естественного льда
Климатические условия нашей страны позволяют на значительной части территории проводить заготовку естественного льда. В зависимости от климатических и других местных условий применяются главным образом два основных способа заготовки естественного льда: заготовка льда из водоемов; послойное намораживание льда.
Заготовка льда из водоемов производится путем выкалывания или вырезания блоков из ледяного покрова, образующегося в зимнее время на поверхности естественных водоемов. Сейчас эта технология используется для заготовки льда как строительного материала при сооружении новогодних ледовых «городков».
Толщина льда на поверхности водоемов зависит прежде всего от того, насколько низко к данной местности понижается температура зимой и как долго удерживаются низкие температуры воздуха, какова устойчивая скорость ветра. По эмпирической формуле Ф. И. Быдина толщина льда в конце сезона может быть приблизительно определена следующим образом:
см, (7.1)
где ∑tср.мес — сумма среднемесячных отрицательных температур.
Толщина льда в любой момент зимнего периода
см, (7.2)
где tср. сут - сумма среднесуточных отрицательных температур всех дней, предшествующих данному.
Промышленную заготовку льда в северной и средней полосе целесообразно проводить при толщине льда свыше 20 – 25 см. Лед такой толщины способен выдержать автомашину, легкий трактор.
Заготовка льда из водоемов теперь распространена мало из-за ряда недостатков, свойственных этому способу: трудоемкости при ручной разработке поля, больших первоначальных затрат на оборудование для механизированной разработки поля и транспортировки льда, обычно низкого качества льда из-за загрязненности водоемов, необходимости транспортировки льда от места заготовки к месту хранения.
Способ послойного намораживания льда был наиболее распространенным. При послойном намораживании лед на площадках наращивается в монолитный массив, называемый бунтом, путем постепенного замораживания тонких слоев воды. Применяется тот способ в местностях, где в зимнее время устойчиво и длительно удерживаются температуры наружного воздуха ниже – 5° С. Приведём здесь кратко схему организации этих работ.
Работы по намораживанию льда во всех случаях начинаются с выбора и оборудования площадки под будущий ледяной бунт. Подготовительные работы проделываются до наступления холодного времени. Площадка должна находиться возможно ближе к месту потребления льда. Так как ветер ускоряет намораживание, то площадку лучше выбирать на открытых, не защищенных от ветра местах. Обычно площадка намечается в виде удлиненного прямоугольника, располагающегося длинной стороной с сервера на юг. Отношение сторон прямоугольника чаще всего от 1 : 3 для малых бунтов до 1 : 5 для крупных.
При наступлении холодной погоды грунт площадки промораживают на глубину до 0,5 м, для чего площадку 3 с настилом 4 (рис. 7.1) обильно поливают водой и регулярно очищают от снега. Промораживание площадки ведут до образования на ней ледяной корки, а затем площадку огораживают временным деревянным бортом, высотой около 0,5 м.
Подача воды на площадку при немеханизированном способе производится вручную посредством шланга, на конце которого укрепляется водораспылитель. Для лучшего разбрызгивания и охлаждения водяной струи рабочий держит конец шланга под углом 45° и равномерно поливает площадку от борта к борту по ширине, перемещаясь вдоль площадки. Каждый рабочий может обслужить площадь около 700 м2.
Рис. 7.1. Послойное намораживание льда: а – ледяной массив намороженного льда; б – продольный разрез ледяного бунта; в – поперечный разрез.
Скорость замерзания слоя воды на площадке, прежде всего, зависит от температуры и скорости движения наружного воздуха (скорости ветра). Некоторое влияние на скорость замерзания оказывает теплообмен лучеиспусканием и совсем малосущественна роль испарения воды в процессе ее замораживания.
Вода наливается на площадку и последовательно намораживается тонкими слоями. После полного промерзания одного слоя воды на образовавшийся лед наливается следующий слой. По эмпирической формуле ЦНИИ железнодорожного транспорта, справедливой для скорости ветра около 1 м/сек, за 12 ч работы намораживается слой льда δ = 0,2 tн см (tн — температура наружного воздуха). Это значит, что за сутки может быть наморожено льда:
|
tн в ºС |
Толщина слоя δ в см |
|
- 5 |
2,5 |
|
- 10 |
5 |
|
- 20 |
10 |
При скорости ветра 4 м/сек скорость намораживания подрастает против указанных цифр примерно в два раза.
Для сохранения льда в теплое время года и защиты его от атмосферных осадков бунт после окончания намораживания укрывают тепловой изоляции. Чтобы не загрязнить лед обычно применяемыми засыпными теплоизоляционными материалами, ледяную поверхность бунта прежде всего покрывают соломенными или камышовыми матами 6 (рис. 7.1, б). Затем укладывают слой теплоизоляционного материала 5 толщиной 50 – 100 см в зависимости от климатического пояса. Чаще всего применяют местные дешевые материалы, такие, как опилки, торфяная крошка, костра, болотный мох и т. п.
Использовались так же и различные механизированные способы намораживания бунтов льда.
Ледники
Ледниками называются простейшие холодильные сооружения, предназначенные для хранения пищевых продуктов и охлаждаемые льдом.
Заготовленный и загруженный в зимнее время лед должен помещаться в леднике в таком количестве, чтобы обеспечить поддержание низких температур в течение всего теплого времени года. В леднике предусматривается одно или несколько помещений (камер) для хранения продуктов и помещений для размещения льда – льдохранилище.
Камеры для хранения продуктов и льдохранилище должны быть связаны друг с другом так, чтобы создать хорошую естественную циркуляцию воздуха между ними. Необходимо также обеспечить удобную загрузку льда в льдохранилище и отвод воды, образующейся при таянии льда.
Эти условия выполнены в конструкции ледника с боковым расположением льда, схематически изображенного на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Ледник с боковым расположением льда
Как камеры для продуктов, так и льдохранилище здесь размещаются на уровне земли, что обеспечивает удобную загрузку продуктов и льда. В стене 3, отделяющей камеру от льдохранилища, внизу устраиваются окна 2 для поступления холодного воздуха в камеру, а вверху – окна 4 для отвода отепленного воздуха из камеры в льдохранилище. Чтобы усилить циркуляцию воздуха, льдохранилище делается несколько большей высоты, чем камеры. Температура в помещении такого ледника достигается + 4 – + 6°С. Отвод воды из льдохранилища осуществляется из сборника воды через гидравлический затвор в дренажном колодце 1, чтобы воспрепятствовать поступлению теплого воздуха в льдохранилище.
При расчете ледника необходимо определить размеры льдохранилища, достаточные для того, чтобы заложить в него лед в таком количестве, какое обеспечит нужные условия в камерах в течение всего сезона. Для этого, прежде всего, следует найти полное количество тепла ∑Q, которое поступит ко льду от всех источников теплопритока за время года с положительными температурами наружного воздуха. Тогда необходимое количество льда будет
( 7.3)
где n– коэффициент запаса, равный 1,2 – 1,3.
Объем льдохранилища
(7.4)
где γл - объемная плотность крупных кусков льда, равная 800 - 850 кг/м3; βv – коэффициент заполнения объема льдохранилища, равный 0,85—0,95.
Введение коэффициента запаса n предусматривает наличие остатка льда в льдохранилище в конце сезона в размере 20—30% от действительно необходимого количества с тем, чтобы обеспечить достаточную охлаждающую поверхность и тем самым поддержание нормальных температур в камерах в последние дни сезона с положительными температурами.
Ледяной склад Крылова
Ледяной склад представляет собой холодильник, построенный из льда обычно путем его намораживания. В таком холодильник лед используется не только как аккумулятор естественного холода и, следовательно, средство для охлаждения, но и как строительный материал, поскольку все основные строительные элементы здания выполняются из льда.
Лед оказывается хорошим строительным материалом, если он работает на сжатие. Предел прочности на сжатие у льда от 10 до 70 кгс/см2 (у бутовой кладки от 50 до 80 кгс/см2). Допускаемое напряжение на сжатие для элементов ледяных складов обычно не превышает 2 – 3 кгс/см2. Допускаемое напряжение в случае необходимости может быть повышено в три-четыре раза, если лед армируется деревянной или бетонной арматурой. Повышение прочности материала в этом случае связано с весьма надежным смерзанием льда с деревом, бетоном и горными породами. Так, сила смерзании льда с деревом и бетоном характеризуется следующими удельными значениями: 4 – 5 кгс/см2 при – 1°С и 18 – 22 кгс/см2при – 20°С.
При температурах около 0°С значительно также понижается и предел прочности на сжатие у льда, поскольку при этих температурах между кристаллами льда появляются прослойки из воды. Поэтому для сохранения достаточной прочности ледяных сооружений необходимо, чтобы температура внутри склада не поднималась выше – 1 - – 0,5°С.
Первый ледяной склад был построен М. М. Крыловым (Институт мерзлотоведения АН СССР) в 1931 г. и имел емкость 100 т. Всего было построено (после 1945 г.) несколько сот таких складом емкостыо от 20 до 1000 т. Достоинством ледяных складов является, прежде всего, отсутствие необходимости в крупных капитальных затратах. Стоимость сооружения ледяного склада не превышает 30 – 40 руб. на 1 т емкости, в то время как стоимость строительства холодильника такой же емкости, но с машинным охлаждением составляет порядка 200 руб. на 1 т емкости.
12.04.2024