CC BY
74
УДК 620.97+628.8+697.341
ОСОБЕННОСТИ НАЦИОНАЛЬНОГО РОССИЙСКОГО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
© Е.Э. Баймачев1, В.С. Степанов2, Н.П. Коновалов3, Л.М. Манзарханова4, С.С. Макаров5
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведены результаты исследований и выводы на их основе о проблеме повышения энергоэффективности народного хозяйства в целом, и в сфере жилищно-коммунального хозяйства в частности. Иллюстрирована неправильность подхода математического сложения энергий и их мощностей различных видов. Показана необходимость первоочередной экономии видов энергии, обладающих высоким содержанием эксергии, и сокращения потерь эксергии в результате энергетических трансформаций. Сделан вывод о перспективности использования схемы теплоснабжения «из обратки в обратку».
Ключевые слова: энергосбережение; энергоэффективность; эксергия; энергия; теплоснабжение; отопление. FEATURES OF RUSSIAN NATIONAL ENERGY SAVING
E.E. Baimachev, V.S. Stepanov, N.P. Konovalov, L.M. Manzarkhanova, S.S. Makarov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article presents the study results and derived on their basis conclusions on the problem of increasing the energy-efficiency of the national economy as a whole, and of the housing and communal services in particular. It is shown that the approach of the mathematical addition of energies and their powers of different kinds is wrong. It is indicated that top priority should be given to the saving of those types of energy that are characterized with the high content of exergy. Ex-ergy losses caused by energy transformations should be also reduced. The conclusion is made on the prospects of using the heating scheme «from return line to return line».
Keywords: energy savings; energy efficiency; exergy; energy; heat supply; heating.
В последнее время мы все чаще слышим об энергосбережении. Появляются новые законы и подзаконные акты; происходит замена ламп накаливания на люминесцентные и светодиодные источники света; в массовом масштабе проходит устанавка тепло- и во-досчетчиков; строятся здания с высоким термическим сопротивлением конструкций теплопередаче; при выборе бытовой техники потребитель все большее внимание обращает на ее класс энергоэффективности и т.д. Таким образом, складывается впечатление, что в области энергосбережения наша страна является если не мировым лидером, то, по крайней мере, движется в правильном направлении.
Однако все меры, предпринимаемые в области энергосбережения, либо входят в сферу понятия «энергоучет», что далеко от собственно сбережения; либо способствуют снижению потребления энергии на самом нижнем - потребительском - уровне. Да, регулируя клапан на отопительном приборе для снижения температуры в помещении вместо привычного откры-
тия форточки, потребитель наблюдает как экономию тепловой энергии, так и средств на ее приобретение и тем самым участвует в решении важной задачи энергосбережения. Вместе с тем эта задача носит не только бытовой, но и отраслевой характер, охватывая строительство, энергетику, промышленность, приобретая общегосударственную остроту. По разным оценкам, 50-60% энергии, вырабатываемой в нашей стране, тратится в жилищно-коммунальной сфере, и в основном на нужды отопления. А источников энергии для теплоснабжения зданий имеется множество. Если есть возможность подключения к централизованным тепловым сетям, то источником энергии является сжигаемый уголь, или газ на ТЭЦ или в котельной, или, как вариант, электричество в электрокотельной; ну а электричество туда подается либо с ТЭЦ, КЭС (опять сжигаем газ или уголь), либо с ГЭС (в данном случае электроэнергия - возобновляемый ресурс); для индивидуального строительства используем, в основном, электрокотлы в качестве основного источника (самое
1 Баймачев Евгений Эдуардович, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952)405320, e-mail: [email protected]
Baimachev Evgeniy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952)405320, e-mail: [email protected]
2Степанов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: (3952)405446, e-mail: [email protected]
Stepanov Vladimir, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: (3952)405446, e-mail: [email protected]
3Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры физики, тел.: (3952)405090, e-mail: [email protected]
Konovalov Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Physics, tel.: (3952)405090, e-mail: [email protected]
4Манзарханова Любовь Михайловна, аспирант, тел.: (3952)405143, e-mail: [email protected]
Manzarkhanova Lyubov, Postgraduate, tel.: (3952)405143, e-mail: [email protected]
5Макаров Святослав Станиславович, аспирант, тел.: (3952)405143, e-mail: [email protected]
Makarov Svyatoslav, Postgraduate, tel.: (3952)405143, e-mail: [email protected]
распространенное решение в Иркутской области, в связи с низкой стоимостью электроэнергии для населения) и котлы на ископаемом топливе в качестве резервных. В газифицированных районах уголь и электричество повсеместно заменяются газовым топливом. Подытожив, можно сказать, что источником энергии для отопления служит тепло сгорания ископаемого топлива или электричество, выработанное на ГЭС или ТЭЦ.
Выбирая источник энергии для теплоснабжения, потребитель всегда оценивает его стоимость и удобство эксплуатации, проводя сопоставление инвестиционных (капитальных) и эксплуатационных затрат, не беря во внимание качественные характеристики различных видов энергии.
Наглядным примером, иллюстрирующим качественные различия различных видов энергии, является автомобиль. Мощность его двигателя составляет несколько десятков, а то и сотен лошадиных сил. Давайте задумаемся, будут ли потребительские характеристики автомобиля выше, если мы прибавим к мощности его двигателя еще, скажем, пять лошадиных сил? Ответ не так очевиден, как кажется. Конечно, если убрать из автомобиля двигатель в 120 л. с., заменив его на 125-сильный, то скорость, развиваемая автомобилем, в общем, возрастет. Если же к автомобилю с двигателем в 120 л. с. привязать пять живых лошадей, то мы вряд ли получим прирост скорости, скорее произойдет обратное. Получается, что разные виды энергии обладают различной работоспособностью, то есть возможностью произвести полезный эффект, и простое сложение мощностей разных видов энергий не дает корректных результатов.
Рассмотрим другой пример. Можно ли использовать для отопления жилого здания поток теплоносителя с температурой 150С, осуществляя его нагрев с помощью электричества? Нет! Ведь в основной массе помещений жилого здания у нас должна поддерживаться температура 18-200С, а достичь ее с таким теплоносителем будет невозможно. (Но при этом возможно использовать такой теплоноситель для отопления, скажем, склада или автостоянки). Но если мы применим непосредственный электрообогрев, то не только сможем обогреть жилое здание, но и добиться в нем сколь угодно высоких температур воздуха. На основании этого можно сделать вывод, что электрическая энергия, по сравнению с тепловой, обладает большей ценностью и намного большей применимостью.
Задачи энергосбережения базируются на законе о сохранении энергии: энергия ниоткуда не возникает, никуда не исчезает, а просто переходит из одного вида в другой. Вспомнив об этом, можно задуматься о шаблонных фразах из нашей памяти: «производство энергии», «экономия энергии», «энергосбережение» и т.д. Как соотносятся эти слова с законом сохранения энергии - первым законом термодинамики? Ответ на данный вопрос дает второй закон термодинамики, говорящий о невозможности передачи тепла от более холодного тела к более горячему. Нельзя вскипятить сосуд с теплой водой, обкладывая его льдом; в ре-
зультате вода еще более остынет, отдав свою энергию льду, - нагрев или растопив его. Отсюда следует вывод, что все превращения энергии, происходящие в природе, ведут к уменьшению ее работоспособности. На основании этого можно резюмировать, что на пути от сгорания топлива в котле до радиатора системы отопления в вашем доме или в квартире работоспособность энергии, заключенной в топливе, постоянно уменьшается, пока не будет доведена до нуля, т.е. до энергии окружающей среды.
Ту часть энергии, которую можно преобразовать в работу или полезный эффект, энергетики называют «эксергией». Именно эксергия в любых технических процессах уменьшается из-за их несовершенства.
В различных видах энергии содержится разное количество эксергии. Например, электрическая, механическая, ядерная энергия практически целиком состоят из эксергии и поэтому обладают наибольшей работоспособностью. Количество эксергии в тепловой энергии зависит от ее температуры: чем выше температура, тем больше эксергии. Наконец, в энергии окружающей среды эксергия полностью отсутствует.
Несмотря на отсутствие эксергии в энергии окружающей среды, ее также можно использовать для получения полезного эффекта. Так, например, в теплый период года возможен подогрев воды в системе холодного водоснабжения энергией окружающей среды. В холодный период года энергия наружного воздуха может использоваться (и используется) в качестве природного источника холода.
Поскольку в технических системах невозможно реализовывать полностью совершенные (обратимые) процессы, необходимо сокращать число энергетических преобразований, которые уменьшают содержание эксергии в энергетических потоках. Наглядным примером эксергетически несовершенного процесса является система теплоснабжения. Ей присуще множество лишних преобразований энергии: из тепловой сети в здание может приходить теплоноситель, нагретый порой до температуры в 150°С; затем в тепловом пункте происходит охлаждение теплоносителя до 95-105°С, и все это направлено, в принципе, для поддержания в помещениях температур порядка 18-20°С. Еще большей нерациональностью выглядит использование для отопления зданий электроотопления. Как уже говорилось выше, электричество - очень ценный вид энергии, который может быть использован для множества различных процессов, не реализуемых или труднореализуемых с помощью тепловой энергии. Поэтому использовать электрическую энергию для нагрева воздуха до сравнительно низких температур, который можно осуществить с помощью других видов энергии, с более низким содержанием эксергии, является в высшей степени нерациональным.
Содержание эксергии в греющем теплоносителе можно обозначить понятием: «термодинамическое качество тепловой энергии». Иначе говоря, снижая температуру теплоносителя, мы понижаем его термодинамическое качество.
Таким образом, можно сделать вывод о термодинамической целесообразности снижения температур в
ISSN 1814-3520
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (105) 2015
187
тепловой сети, приветствуя получающий все большее распространение способ подключения потребителей к тепловой сети «из обратки в обратку» с температурным графиком 70°С/40°С. Также напрашивается вывод о необходимости введения различной тарификации за потребление тепловой энергии различного качества, поскольку не вызывает сомнений факт о преимуществах использования потребителем тепловой энергии более высокого температурного уровня по сравнению с низким. Также перспективными видятся: применение воздушного отопления как альтернативы водяному и использование тепловых насосов для по-
вышения энергетического качества низкопотенциальных источников энергии.
В заключение хочется сказать о необходимости, в первую очередь, снижать расходы наиболее ценных видов энергии, последовательного многократного использования энергии с постепенным понижением ее потенциала, и о надежде, что в сознании как потребителей и производителей энергии, так и в государственной политике термин «энергосбережение» заменится понятием «эксергосбережение».
Статья поступила 29.09.2015 г.
Библиографический список
1. Александрова И.В., Толстой М.Ю. Показатели потребления и учета коммунальных ресурсов; техническое состояние и инженерное оборудование зданий и сооружений объектов социальной сферы г. Иркутска // Вестник ВСГУТУ. 2009. № 4 (27). С. 14-19.
2. Анциферов С.А., Усманова Е.А. Анализ влияния внутренней коррозии на эксплуатацию трубопроводов // Вестник Нижегородского государственного инженерно-экономического института. 2015. № 6 (49). С. 5-10.
3. Богданов А.Б. Почему не внедряются энергосберегающие технологии? // Новости теплоснабжения. 2004. № 5. С. 22-30.
4. Коновалов Н.П. Теплофизические исследования жилых зданий с низкой тепловой инерцией // Вестник ИрГТУ. 2010. № 1 (41). С. 231-235.
5. Пат. № 131458 РФ. Установка для системы вентиляции и кондиционирования воздуха (варианты) на полезную модель RUS / Баймачев Е.Э. [и др.]. Заявитель и патентообла-
датель ФГБОУ ВПО «ИрГТУ». Заяв. 2013109036/12; опубл. 28.02.2013. Бюл. № 23.
6. Пат. №144388 РФ. Установка для системы горячего водоснабжения RUS / Е.Э. Баймачев, С.С. Макаров, Л.М. Манзарханова. Заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «ИрГТУ». Заяв. 2014112575/12; опубл. 20.08.2014. Бюл. № 23.
7. Старикова Н.В., Степанов В.С. Исследование эксерге-тической эффективности системы теплоснабжения // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 2. С. 64-70.
8. Степанов В.С., Старикова Н.В. Эксергетический анализ термодинамической эффективности теплоэлектроцентрали и ее подсистем // Вестник ИрГТУ. 2012. № 3 (62). С. 95-101.
9. Степанов В.С. Методы оценки термодинамической эффективности систем поддержания микроклимата // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 10. С. 46-54.
УДК 621.311.001.57
ОСОБЕННОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА ОБОРУДОВАНИЯ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
© А.М. Клер1, П.В. Жарков2, С.Н. Сушко3
Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Разработана методика выбора оптимального состава оборудования локальной энергосистемы, основанная на оптимизации как состава элементов системы, так и ее режимных параметров в нормальных и послеаварийных режимах работы, в результате чего оптимизируются источники как электрической, так и тепловой энергии с учетом условия целочисленности при выборе числа энергоблоков на электростанциях и числа цепей ЛЭП. Ключевые слова: локальные системы энергоснабжения; электрическая энергия; тепловая энергия; оптимизация, режимы работы.
OPTIMIZATION FEATURES OF LOCAL POWER SUPPLY SYSTEM EQUIPMENT AND OPERATION MODES A.M. Kler, P.V. Zharkov, S.N. Sushko
Melentiev Energy Systems Institute SB RAS,
1Клер Александр Матвеевич, доктор технических наук, профессор, зав. отделом теплосиловых систем, тел.: (3952) 423003, email: [email protected]
Kler Alexander, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Thermal Power Systems, tel.: (3952) 423003, e-mail: [email protected]
2Жарков Павел Валерьевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отд. теплосиловых систем, тел.: (3952) 500646 доп. 338, e-mail: [email protected]
Zharkov Pavel, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Department of Thermal Power Systems, tel.: (3952) 500646 ext. 338, e-mail: [email protected]
3Сушко Светлана Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: 89025104300, e-mail: [email protected]
Sushko Svetlana, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Thermal Engineering, tel.: 89025104300, e-mail: [email protected]
