Проблемы энергосбережения приобретают все большую актуальность в современных условиях. Мировое сообщество, будучи обеспокоено надвигающимся энергетическим кризисом, предпринимает огромные усилия по изысканию новых технологических и технических решений, направленных на сокращение потребляемой энергии, а также планирует использование нетрадиционных, возобновляемых источников энергоснабжения. Комиссией по энергетике ЕЭС осуществляется программа THERMIE, предусматривающая поддержку международных проектов в области энергосбережения. Программа охватывает широкий круг вопросов, касающихся строительства, промышленности, сельского хозяйства, транспорта и других сфер деятельности. Предусмотрено первоочередное финансирование инновационных проектов с участием не менее двух стран, в т.ч. Восточно-Европейских, включая Россию, Украину, Беларусь и др. В целях обмена информацией о новейших достижениях регулярно проводится Всемирная ярмарка по энергетическому обеспечению жизнедеятельности человека. Наряду с активными инженерными изысканиями в области энергосбережения осуществляются также интенсивные научные исследования. Отечественная практика внедрения рыночных механизмов в систему вновь формируемых хозяйственных отношений, исходя из реально складывающихся экономических условий, диктует необходимость коренного изменения ранее существовавших подходов к проблемам учета и расходования энергии, что становится насущной проблемой любого из потребителей, определяя выживаемость и конкурентоспособность как на переходном периоде, так и в дальнейшей перспективе. Принятый Федеральный закон «Об энергосбережении» определяет правовые, экономические и организационные основы государственной политики в этой области. Во исполнение указанного Закона в ряде регионов России разработаны соответствующие программы энергосбережения. Наиболее характерные мероприятия, предусматриваемые программами подобного рода, включают: o энергетический аудит; o внедрение энергетических паспортов; o создание демонстрационных зон высокой энергетической эффективности, что должно способствовать распространению современных энерго- и ресурсосберегающих технологий, а также отработке механизмов инвестиционной политики при реализации проектов, основанных на принципах международной интеграции; o использование экономических стимулов внедрения энергосберегающих технологий. Так, в Москве, Санкт-Петербурге и ряде других городов России были разработаны и приняты собственные городские и региональные «Концепции развития энергетики», которые в дальнейшем послужили основой соответствующих «Энергетических программ развития регионов до 2010 года» и «Программ энергосбережения». Согласно распоряжению мэров Москвы и Санкт-Петербурга на всех строящихся и реконструируемых объектах обязательной является установка приборов учета энергоресурсов, что должно способствовать усилению контроля за их расходованием. В качестве характерной особенности разворачиваемой деятельности в области энергосбережения следует отметить высокую степень динамизма предусматриваемых при этом средств и методов реализации разрабатываемых программ. Согласно Закону «Об энергосбережении» показатели энергоэффективности и энергосбережения должны устанавливаться на срок не более 5 лет. Вместе с тем, наиболее действенным мотивом активизации действий в части экономии энергетических ресурсов является значительное повышение их стоимости за последние годы, что заставляет не только внедрять на стадии проектирования наиболее эффективные с экономической точки зрения конструкторские разработки, но и в ряде случаев ставить вопрос о реконструкции действующих предприятий. Тариф на тепловую энергию, отпускаемую МГП «Мостеплоэнерго» для предприятий промышленности, составляет 606 руб/Гкал, для организаций здравоохранения, образования, культуры, спорта и жилищно-коммунального хозяйства — 359 руб/Гкал. Тариф на электрическую энергию, отпускаемую АО «Мосэнерго» для промышленных и приравненных к ним потребителям с присоединенной мощностью 750 кВА и выше, складывается из двух компонентов: платы за мощность в месяц — 325 руб/кВт и платы за энергию — 0,5 руб/кВт•ч. Для других регионов эти значения могут существенно различаться, однако общая картина существенного роста цен на энергию сохраняется повсеместно. В соответствии с действующими укрупненными сметными нормами (УСН) на строительство 15–20% капитальных и около 15% эксплуатационных затрат приходятся на долю систем вентиляции и кондиционирования воздуха. В ряде отраслей производства эти цифры могут достигать 30% и более. В целом по России системами вентиляции и кондиционирования воздуха ежегодно потребляется свыше 20 млрд кВт•ч электроэнергии и более 40 млн т условного топлива. Потребление энергии существенным образом зависит от климатических особенностей районов расположения вентилируемых объектов. Так, по данным AIVC (Air Infiltration and Ventilation Centre, Coventry, UK), в США годовое потребление энергии на единицу весового расхода приточного воздуха составляет [1] в Лос-Анджелесе (штат Калифорния) 22,1 MДж•ч/кг и в Омахе (штат Небраска) 102,5 MДж•ч/кг. В Европе аналогичные значения составляют от 45,6 до 101,1 MДж•ч/кг. Отечественные справочные данные подобного рода отсутствуют. Однако следует предположить, что с учетом географического разнообразия территорий России удельные расходы энергии, связанные с работой систем вентиляции, составляют значения в диапазонах не менее широких по сравнению с приведенными выше. В России, как и в Европе, основная доля энергии расходуется на подогрев приточного воздуха. В то время как в США, наряду с подогревом, существенное количество энергии расходуется на охлаждение воздуха при работе систем кондиционирования. В некоторых случаях, определяемых климатическими особенностями региона либо спецификой объектов, значительная энергия расходуется на осушение воздуха. Так, в Майами на эти цели расходуется до 86% энергии, потребляемой системами вентиляции. Последнее является весьма характерным, позволяя рассматривать проблемы осушения воздуха, наряду с вентиляцией и кондиционированием в качестве одного из основных способов обработки воздуха, определяемых триадой параметров, характеризующих микроклимат и, соответственно, степень комфорта: подвижность воздуха, его температура и влажность. В среднем на производственных площадях ежегодно потребляется ориентировочно 10 000 кВт•ч/м2 (8,5 Гкал/м2 в год). Широко известны традиционные методы энергосбережения, связанные с уменьшением тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений, а также снижением инфильтрации и эксфильтрации путем герметизации оконных проемов, дверей, чердачных и межэтажных перекрытий. Вместе с тем, существуют инженерно-технические решения специализированного характера, обеспечивающие средствами рациональной организации и конструктивного оформления систем вентиляции и кондиционирования воздуха существенное снижение энергопотребления. К числу таких решений относятся [2]: o частичная либо полная рециркуляция воздуха; o рекуперация тепла в теплообменниках пластинчатого типа; o использование тепловых насосов; o регенерация скрытой теплоты испарения путем конденсации избыточной влаги. По имеющимся оценкам [3], за счет использования подобного рода мероприятий годовые значения энергопотребления могут быть снижены в среднем до 2000 кВт•ч/м2 (1,7 Гкал/м2 в год). С теплофизической и инженерной точек зрения указанные выше способы энергосбережения и их техническая реализация являются нетривиальными и требуют профессионального подхода. Они предполагают в каждом конкретном случае достаточно глубокий анализ особенностей имеющих место механизмов и процессов, способствующих повышению эффективности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Рассмотрение данных вопросов как с теоретической, так и с практической точек зрения должно способствовать повышению уровня инженерных разработок, связанных с проектированием новых и реконструкцией существующих зданий и сооружений. Следует отметить, что целесообразность принятия решения относительно использования того или иного способа энергосбережения определяется, прежде всего, экономическими соображениями. Капиталовложения являются рентабельными, когда общая прибыль (Е) превышает инвестиционные вложения (K): Е > K. При этом существенным является соотношение капитальных и эксплуатационных затрат. Первые из них на стадии проектирования определяются стоимостью применяемого оборудования, а также объемами строительно-монтажных и пусконаладочных работ. Вторые связаны с режимами эксплуатации, необходимыми расходными материалами, энергопотреблением, а также трудозатратами на техническое обслуживание и ремонт. Использование частичной либо полной рециркуляции является одним из действенных средств энергосбережения, достаточно хорошо исследованных и нашедших широкое использование на практике, поскольку с инженерной точки зрения при этом в дополнение к стандартному набору вентиляционного оборудования требуется установка простейшей смесительной секции. Более сложными являются схемы рекуперации тепла, на примере которых рассмотрим более подробно структуру указанных выше экономических показателей. В этом случае общая прибыль определяется суммой следующих основных слагаемых: E = ЕW + ЕВ + ЕZ, где: ЕW — годовая стоимость рекуперируемого тепла; ЕВ — экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла; ЕZ — экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п. Годовая стоимость рекуперируемого тепла ЕW рассчитывается, исходя из годовой рекуперации тепла и стоимости тепловой энергии. ЕW = QW і РW, где: QW — годовая рекуперация тепла; РW — стоимость тепловой энергии. Стоимость тепловой энергии в свою очередь рассчитывается, исходя из стоимости топлива РВ, коэффициента, характеризующего потери тепла в процессе его производства и распределения hH, а также теплотворной способности топлива HU: РW = РВ/(hH і HU). Годовая рекуперация тепла QW при неизменных производственных условиях рассчитывается обычным образом. QW = V2 і S2 і C2 і і (t11 – t21) і h і F2, где: V2 — расход приточного воздуха, м3/ч, S2 — плотность воздуха на притоке, кг/м3, C2 — удельная теплоемкость воздуха на притоке, ~2,79 кВт•ч/(кг•К), t11 — температура на вытяжке; t21 — температура на притоке до рекуператора, h — число часов работы в течение года, F2 — эффективность рекуперации тепла по отношению к притоку. Температура воздуха на притоке до рекуператора определяется, исходя из климатологических данных [4] t21 = tМ. В зависимости от сменности работы вводятся поправки по следующей схеме t21 = tМ + DtМ (см. табл. 1). Экономия за счет сокращения расходов на производство и распределение дополнительного тепла ЕВ. Как следствие рекуперации, имеет место сокращение производственных расходов, связанных с производством и распределением уменьшенного количества потребляемого тепла. Отсюда образуется определенная экономия, которая, тем не менее, как правило, не учитывается. Экономия за счет государственных льгот, амортизационных отчислений и т.п. ЕZ. Во многих странах существует система стимуляции деятельности, направленной на сокращение потребляемых энергетических ресурсов. При этом вводятся специальные государственные льготы, получаемые при внедрении энергосберегающих технологий. В результате образуется дополнительная экономия, учитываемая в составе общей прибыли. С 1997 г. в России также вместо ранее существовавшей системы штрафов вводятся льготы, основы которых предусмотрены Законом «Об энергосбережении». Инвестиционные вложения определяются суммой следующих основных слагаемых: К = КК + КВ + КU + КW, где: КК — капитальные затраты, КВ — стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии, КU — эксплуатационные расходы, КW — расходы на техническое обслуживание и ремонт. Капитальные затраты КК обычно определяются, прежде всего, в зависимости от используемого метода расчета рентабельности. При этом различают статические и динамические методы. В случае рекуперации, однако, капитальные затраты рассчитываются однозначным образом. Они складываются из затрат на вновь устанавливаемые теплообменники, дополнительные агрегаты и блоки, а также включают стоимость монтажа. При этом из общей суммы вычитается остаточная стоимость высвобождаемого оборудования, что может быть связано с сокращением количества производимого и распределяемого тепла. Кроме того, в расчете капитальных затрат следует учитывать дополнительные инвестиции, получаемые в соответствии с различного рода правительственными программами энергосбережения. Стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии КВ. Установка рекуператоров приводит к увеличению потери давления в вентиляционной сети. В результате требуется увеличение напора, развиваемого вентиляционным агрегатом и, соответственно, электроэнергии, потребляемой электродвигателем: KB = [(V1 і DР1)/hV1 + (V2 і DР2)/hV2] і і (h і РкВтч)/(3,6 і 106), где: V1 — расход воздуха на вытяжке, м3/ч, DР1 — потеря давления в рекуператоре на вытяжной ветви, Па, DР2 — потеря давления в рекуператоре на приточной ветви, Па, РкВтч — действующий тариф на электрическую энергию в расчете на кВт•ч, hV — коэффициент полезного действия вентагрегата (1 — вытяжка, 2 — приток). При использовании рекуперации тепла в производственных условиях стоимость дополнительно потребляемой электроэнергии КВ может достигать 10% от годовой стоимости рекуперируемого тепла КW. Эксплуатационные расходы КU зави-сят от конкретных особенностей используемых систем рекуперации тепла. Существуют определенные нормы расходов подобного рода (в большинстве случаев они составляют 2% от капитальных затрат в расчете на год). Расходы на техническое обслуживание и ремонт КW также зависят от используемого рекуперационного оборудования. При отсутствии статистических данных на основе опыта эксплуатации указанные расходы должны оцениваться ориентировочно. Как правило, они составляют от 2 до 5% от капитальных затрат в расчете на год. Существенное повышение эффективности рекуперации тепла обеспечивается с помощью тепловых насосов, устанавливаемых в качестве дополнительной ступени за теплообменниками пластинчатого типа. Дополнительная разность энтальпий на приточной и вытяжной ветвях при этом составляет: Di = (Nт.н. і 3600)/(V2 і 1,2), где: Nт.н. — электрическая мощность теплового насоса, кВт, 1,2 — плотность воздуха при 20°С, кг/м3. Коэффициент эффективности COP (Coefficient of Performance) в этом случае достигает 4,5–5,0, т.е. на единицу расходуемой электрической мощности вырабатывается 4,5–5,0 единиц тепловой мощности. При наличии избыточной влажности дополнительным источником энергосбережения является регенерация скрытой теплоты испарения путем конденсации влаги на поверхности испарителя. При этом на каждый килограмм конденсируемой влаги выделяется 580 ккал (2,4 МДж) тепла. Приведенные выше экономические показатели и соответствующие им математические соотношения положены в основу директивного документа Союза немецких инженеров VDI 2071 (часть 2) «Экономический расчет рекуперации тепла в установках кондиционирования воздуха». Указанный документ de facto является общепризнанным европейским стандартом, используемым большинством производителей кондиционеров и вентиляционного оборудования в целях унификации методов оценки экономической эффективности и сравнительного анализа альтернативных технических решений. В связи с отсутствием на настоящий момент национальных и ведомственных стандартов аналогичного содержания упомянутый выше документ представляет собой основу технико-экономического анализа осуществляемых отечественных и зарубежных проектов, тем более, что рядом фирм-поставщиков оборудования методика VDI 2071 реализована в составе лицензионного программного обеспечения, используемого при теплотехнических расчетах и подборе необходимых типоразмеров комплектующих изделий и элементов систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Рассматривая представленные выше материалы в качестве своеобразного введения в проблему энергосбережения при проектировании и эксплуатации систем вентиляции и кондиционирования воздуха, мы намерены поделиться опытом и провести дискуссию по вопросам дальнейшего экономически строго обоснованного внедрения в отечественную практику наиболее прогрессивных методов и способов обработки воздуха, а также новых технических решений с использованием последних мировых достижений в данной области. Основой приобретенного опыта является реализация проектов вентиляции и кондиционирования воздуха на ряде объектов промышленного, общественного и социально-культурного назначения, к которым относятся: первая очередь реконструкции здания МИД в Москве, Центробанк в Санкт-Петербурге, промышленные сооружения Санкт-Петербургского Морского порта, нефтеперерабатывающий завод в г. Кириши, завод «Газдевайс» в Москве, картонно-бумажный комбинат в Набережных Челнах, плавательные бассейны в Сочи, Ессентуках, Киришах, Минске, теннисные корты в Днепропетровске и др. В этих проектах использовано оборудование ряда европейских фирм, уделяющих наибольшее внимание проблемам энергосбережения, к числу которых, в первую очередь, относятся фирмы DANTHERM (Дания) и HOVAL (Лихтенштейн) [5–9]. Литература: 1. Colliver D.G. Energy requirements for conditioning of ventilating air. AIVC Technical Note 47, AIRBASE#NO 9104, September 1995, 36 pp. 2. Irving S.J. Air to air heat recovery in ventilation. AIVC Technical Note 45, AIRBASE#NO 9102, December 1994, 25 pp. 3. Heat Recovery with Heat Pumps and Dehumidifers in Swimming Pools, DANTERM 05.91, 16 pp. 4. СНиП 2.04.05–91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», Госстрой, 1994. 5. Е.П. Вишневский «Реализация энергосберегающих технологий обработки воздуха на базе рециркуляционно-рекуперационных агрегатов моноблочного типа производства фирмы HOVAL». АВОК, 1998, №6, стр. 38–39. 6. «Как извлечь прибыль из воздуха». Информационно-аналитический журнал «Мир Перспектив», 1999, №1, стр. 24–25. 7. Е.П. Вишневский «Опыт вентиляции объектов промышленности и социально-бытового назначения с использованием децентрализованных агрегатов производства фирмы HOVAL». АВОК, 1999, №5, стр. 12–13. 8. Е.П. Вишневский «Вентиляция крупных промышленных сооружений с использованием децентрализованных агрегатов моноблочного типа». Огнеупоры и техническая керамика, 2000, №5, стр. 38–40. 9. E.P. Vishnevsky «Numerical Estimation and Comparison of Main Energy Efficient Design Strategies for Mechanical Ventilation Systems». The Journal of the International Society of the Built Environment «Indoor + Built Environment», 2000, vol. 9, No 2, pp. 118–122.