Энергосбережение в строительстве и стомость теплового прожиточного минимума

Журнал "Окна и двери" № 5 (74) 2003 год

"Энергосбережение в строительстве и стомость теплового прожиточного минимума"

, автор А.Н.Земцов (ИИЕТ РАН)


Интересны суждения великих людей о технологиях. Маршал М.Н.Тухачевский утверждал, что будущая война - это война моторов. Великий физик академик П.Л.Капица считал, что основа цивилизации и могущества государства - энерговооруженность жителя. В обоих случаях (идет ли речь о войне или мирной жизни) важную роль играет топливо. Эффективность потребления топлива - это уже технологии.

Приведем цитату из интервью ректора Санкт-Петербургского горного института В.С.Литвиненко журналу "Итоги" 28 января 2003 г.: "Мир реально вступает в эпоху глобальной конкуренции между различными видами топлива. Это вызовет переориентацию существующих отраслей энергетики, использующих только газ, нефть или уголь, и приведет к созданию глобальных энергетических компаний, действующих на общемировом рынке энергетики"1).

Затраты энергии являются одним из ключевых параметров любой технологии, а, следовательно, любое жилище должно оцениваться с этой - энергетической - точки зрения. Насколько физически обоснованно ставится вопрос о необходимости теплосбережения в строительной отрасли и сколько вообще стоит в сегодняшних ценах обогревать жилище в нашей климатической зоне? Сколько энергии нам действительно нужно, где начинаются и сколько стоят "энергетические излишества"?

Постараемся разобраться в этом с позиций достаточно элементарной физики. Практически любой процесс мы можем оценить энергетической характеристикой, то есть вполне определенным числом. Каковы масштабы тепловых потоков в окружающей нас среде и нашем жилом помещении?

Основным обогревателем поверхности Земли является Солнце. За пределами атмосферы поток солнечного тепла к Земле, поступающего, преимущественно, в виде радиации (солнечная постоянная) составляет более 1 киловатта на кв.м. Вертикальный поток тепла в атмосфере (2) оценивается средней величиной около 50 кал/кв.см в сутки, или 20 ватт на кв.м. Снизу, из недр, к поверхности подходит тепловой поток порядка 0,1 Вт/м2. Таков диапазон тепловых процессов, формирующих погоду и климат.

Оценим неизбежные потери тепловой энергии из-за постоянно меняющейся разности температур поверхности стен здания и окружающей воздушной среды.

Энциклопедический справочник "Машиностроение"(3) приводит для теплоотдачи Р с поверхности теплых плит (аналог стен для нашего случая) формулу известного немецкого ученого В.Нуссельта (1882-1957 гг.) для небольших перепадов температур ДТ < 15 градусов между воздухом и поверхностью плиты-стены (единицы переведены в СИ):

Р = 3.5 +0,08 dТ. где Р - Вт/м2; Т - градусы.

В этой формуле существенно то, что существует минимальная, в пределах точности измерений, величина теплопотерь (теплоотдачи) с поверхности нагретой плиты. Эту величину можно интерпретировать как флуктуационный теплопоток на границе "твердое тело - газовая среда".

При разнице температур "стена - окружающая среда" 8-15 градусов теплоотдача по формуле Нуссельта составляет от 4,1 до 4,7 ватт на кв.м. Значит, только для поддерживания стен несколько более теплыми, чем окружающая среда, мы уже теряем 4 ватта с каждого квадратного метра, или должны обеспечить за свой счет одну пятую часть среднего вертикального теплопотока в атмосфере (4).

Оценим теплоотдачу с суммарной поверхности стен условного "элементарного жилища". Приняв скромную норму размера элементарной ячейки - 10 кв. м жилой площади на человека (длина периметра около 13м) при высоте стен 3 м, получим величину суммарной поверхности ограждающих конструкций жилища (площадь пола, потолка и четырех стен), равную 59 кв.м. Минимальные теплопотери составят 59 х 4 = 236 ватт для жилища в целом, или 23,6 ватта на кв.м полезной (жилой) площади.

Из приведенного анализа вытекают несколько довольно очевидных выводов:

Отдача тепла с единицы площади поверхности стен энергоэффективного здания при малом перепаде температур должна составлять менее 4 ватт на кв.м, к чему и ведут нормы развитых стран. Европейские нормы сопротивления теплопередаче требуют, чтобы сооружение было более инерционным по теплу, нежели окружающая здание среда.
В нашей климатической зоне целесообразно строить многоквартирные дома, уменьшая долю общей поверхности стен, приходящуюся на единицу жилой площади.

Для обогрева помещения, оборудованного эффективной теплоизоляцией, достаточно тепловой энергии, рассеиваемой при работе бытовых приборов, например, осветительных - вот каким физическим аргументом, помимо прочего, обоснован повсеместный переход к высоким технологиям при производстве строительных материалов и конструкций.

С чем можно сопоставить полученную нами величину минимального расхода тепловой энергии для поддержания постоянной и комфортной температуры в помещении? Для сравнения воспользуемся другим способом подсчета расходов тепла: во многих странах уже принято учитывать расходы на отопление жилищ в киловатт-часах на кв.м в год. Расход энергии 100 кВт-час/кв.м в год эквивалентен мощности 11 ватт на кв.м. В странах Европы во многих домах уже расходуется на обогрев не больше указанной величины (5). Подчеркну - эта величина отражает средний расход энергии в течение различных сезонов года, понятно, что реальный расход максимален в холодное время года и многократно превосходит среднюю величину, следует также учесть более теплый климат в Европе.

На обогрев помещения площадью 10 кв.м при использовании идеальных (оптимальных) технологий требуется в среднем по сезонам года обеспечивать расход энергии в количестве 110 ватт. Сегодня в России (но с учетом более холодного климата!) расходуется на обогрев подобного помещения до киловатта, т.е. в десять раз больше.

Почти одна лошадиная сила (736 ватт) для целей отопления на каждого жителя - такова цена выживания в нашей климатической зоне.

Какова энергообеспеченность россиянина? Данные об обеспеченности электроэнергией на конец 2001 г. можно найти на сайте РАО ЕЭС России www.rao-ees.ru суммарная установленная мощность электростанций страны составляет 156,1 х 109 ватт, что при численности населении России (6) около 140 млн. человек дает 1,1 киловатт на жителя. Для сравнения: в 1975 году мощность всех электростанций СССР составляла 217,5 х 109 ватт при населении 255 млн.человек (БСЭ, 3-е изд., т. 24-СССР (1977), с. 210), то есть равнялась 0,85 киловатт на жителя.

Отпуск тепла в стране в 2001 г., по данным РАО "ЕЭС России", составил 1451,0x1015 калорий (в первую очередь, отопление и горячее водоснабжение), что в пересчете составит 1,3 кВт на жителя страны.

В части обеспеченности страны топливом сегодняшние данные, к сожалению, противоречивы и неполны - поэтому обратимся к советской статистике. В СССР в 1975 г. добывалось 491 млн. тонн нефти, 289 млрд.куб.м газа и 701 млн. тонн угля (там же, с. 210-211). Принимая для грубой оценки соотношение: 1 тонна нефти = 1000 куб. м. газа, и учитывая 255 млн.человек населения, получаем 5,8 тонны "обобщенного топлива" на жителя страны в год. Сегодня, по некоторым сведениям, эта цифра существенно ниже, но воспользуемся ею в качестве ориентира.

Принятая в теплоэнергетических расчетах величина - тонна условного топлива - соответстствует 29,3 МДж/кг или 29,3 ГДж/т (в гигаджо-улях на тонну).

Если тратить одну тонну условного топлива в течение года (=32,6 миллиона секунд), то энерговооруженность составит 0,90 киловатта. То есть для грубых оценок можно принять: сжигание тонны условного топлива в год = киловатт мощности.

Следовательно, житель сегодняшней России обладает 1 киловаттом мощности в виде электроэнергии и 2-3 киловаттами в виде условного топлива, итого энерговооруженность составляет 3-4 киловатта на жителя. Это примерно в два раза выше средней энерговооруженности жителей по планете в целом. Однако уточним - речь идет о расходах энергии, подлежащих статистическому учету. Энергия, расходуемая в "инициативном порядке" за счет доступных ресурсов, например, в домашних очагах и подсобном хозяйстве, а также бесконтрольно в бедных регионах, может быть учтена только косвенно.

Теперь сравним полученную цифру с минимально необходимым расходом энергии для обогрева жилого помещения - порядка одного киловатта. С учетом неизбежных потерь получаем, что не менее 25-30% энерговооруженности это есть минимально необходимая вооруженность - энергетический прожиточный минимум, составляющий, как мы видим, сегодня около 1 киловатта на жителя(7).

Киловатт - единица измерения мощности, при потреблении 1 кВт за час расходуется один киловатт-час энергии. Сегодня киловатт-час стоит один рубль. Значит, в сутки расходуется 24 киловатт-часа или 24 рубля. При сегодняшней цене доллара - 31 рубль за доллар (15 мая 2003 года) это составляет 77 центов или около доллара в сутки(8).

И вот интереснейшее совпадение. На встрече глав государств и правительств в штаб-квартире ООН в Нью-Йорке 6-8 сентября 2002 года была принята так называемая "Декларация тысячелетия". В 19-м пункте этой декларации подписавшие документ страны (и Россия в том числе) выражают решимость "уменьшить наполовину к 2015 году долю населения Земли с доходом менее одного доллара в день".

То есть доллар в день принят в качестве уровня мировой "черты бедности". Выше мы получили эту цифру в качестве стоимости "энергетического прожиточного минимума" для жителя нашей страны.

Вряд ли это совпадение случайно... Выходит, что уровень бедности у нас всех в России неминуемо достигается за счет необходимых расходов энергии на отопление и питание. Что же остается нам сверх уровня бедности?

Выводы

1. Отопление жилых помещений в России составляет существенную долю в энергобалансе страны. Основной, если не единственный, путь сокращения подобных расходов энергии - уменьшение теплопотерь с ограждающих конструкций зданий и систем транспорта энергоносителя, то есть применение современных конструкционных и теплоизоляционных материалов. Нормативы развитых стран по величине сопротивления теплопередаче сводятся, фактически, к достижению минимально возможной теплоотдачи от ограждающих конструкций в окружающую среду и вполне отвечают рыночному подходу к платному ресурсу: "оплачивай или не расходуй".

2. Стоимость отопления зданий и сооружений влияет на рыночные экономические соотношения. Строительство нового жилья без сокращения удельного расхода тепловой энергии приведет к неприемлемому росту потребления энергии в стране.

3. В зданиях будущего, оборудованных эффективной теплоизоляцией, значительная часть обогрева помещений будет осуществляться за счет рассеянной энергии бытовых устройств.

Начинать реформу ЖКХ надо с повышения энергозащищенности - или, что есть то же самое, но другими словами, - энергоэффективности наших зданий, а это - обязанность не жильцов-пользователей, а настоящих владельцев или собственников зданий и жилых помещений.


--------------------------------------------------------------------------------
Примечание.

1) Источник: www.gorny-ins.ru; март 2003.

2) БСЭ, 3-е изд., т. 25 (1976), статья "Теплообмен в атмосфере", с. 454.

3) "Машиностроение", 1947 г. Т.1, книга 1, с. 495.

4) Автор благодарен проф. Г. С. Иванову за информацию о том, что по оценкам, основанным на действующих СНиП "Строительная теплотехника", возможны потери до 30-50 ватт с квадратного метра площади стены в холодное время года.

5) Расход на нужды отопления в многоквартирных домах в средней полосе России составляет 350-600 кВт-час/кв.м в год (Ю.Матросов, И.Бутовский, 2000).

6) По предварительной оценке, на 1 января 2003 г. постоянное население Российской Федерации (без учета итогов Всероссийской переписи населения 2002 г.) насчитывало 143,1 млн.человек (данные с Интернет-сайта Госкомстата www.gks.ru).

7) Подобное соотношение известно довольно давно: "На отопление только жилых и гражданских зданий расходуется около 30% всего добываемого твердого и газообразного топлива" (БСЭ, 3-е изд., т. 19 (1975), статья "Отопление", с. 5).

8) В приведенных выше оценочных расчетах не учитывается КПД рассматриваемых процессов и различный характер измерения и учета тепловой и электрической энергии. При учете КПД минимально необходимые расходы энергии возрастут.

http://www.oknaidveri.ru/index.php?page=zurnal&code=1286&act=head&year=2003