Эффективное использование энергетических ресурсов

   I.Введение. 

   Максимально эффективное использование богатых  энергетических ресурсов страны для  возрождения и последующего подъёма  экономики и обеспечения достойной  жизни населения провозглашено  главной целью энергетической стратегии  страны.

   Основным  направлением экономического и социального  развития Республики Беларусь определено усиление режима экономии, являющегося одним из важнейших факторов интенсификации производства.

   Важнейшую роль в этом направлении играет экономия топливно-энергетических ресурсов. Мероприятия, обеспечивающие интенсификацию энергосбережения, имеют значительно более высокую  рентабельность по сравнению с наращиванием энергоресурсов.

   Экономия  энергии сегодня рассматривается  многими развитыми странами и  как важнейшая национальная экологическая  и экономическая проблема: экологическая - поскольку снижение электропотребления означает сокращение производства энергии  тепловыми станциями и соответственно снижение загрязнения окружающей среды  выбросами ТЭЦ; экономическая - потому, что энергетические затраты сегодня  составляют львиную долю себестоимости  любого вида продукции, товаров или  услуг. На решение этой проблемы во многих странах направлена  вся  мощь законов и норм.

   Крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов в нашей стране являются строительный комплекс и жилищно-коммунальное хозяйство.

   Анализ  показывает, что из-за несовершенства генпланов и выбора плотности  застройки, архитектурно-планировочных  решений жилищно-гражданского строительства  нерациональный расход энергоресурсов составляет около 20-25%. Энергозатраты  на производство строительных материалов и конструкций более чем в 1,5 раза превышают аналоги зарубежных стран, а продукция предприятий стройиндустрии (наружные ограждающие конструкции, окна и др.) по энергоэкономичности уступает зарубежной. Затраты энергии на эксплуатацию существующего фонда жилых и общественных зданий - в 3 раза превышают аналогичные показатели развитых европейских стран. Энергопотребление только на горячее водоснабжение на душу населения вдвое выше, чем в этих странах.  
 
 
 
 

   1.Актуальность  и состояние проблемы  энергосбережения. 

   Актуальность  проблемы в настоящее время обусловлена  неэффективным расходованием природных  и материальных ресурсов, значительным сокращением производства тепловой и электрической энергии. Уменьшение темпов снижения спроса на топливо  и энергию по сравнению с динамикой  производства связано с некоторым  ростом энергопотребления в коммунально-бытовой  сфере, сельском хозяйстве и промышленности из-за недогрузки производственных мощностей  и с относительно более медленным  падением производства энергоёмких  её отраслей.

   Строительство, куда входит и промышленность строительных материалов вместе с коммунально-бытовым  сектором, обладает громадным и далеко не использованным потенциалом энергосбережения.

   Как показывает анализ, в строительном  комплексе, энергия потребляется при производстве строительных материалов, их последующей перевозке, в самом процессе строительства, при эксплуатации объекта в течение его срока службы и во время возможного сноса или реконструкции. Сравнение этих видов потребления энергии показывает, что, как правило, больше всего энергии требуется при эксплуатации, что составляет 90% всего потребления энергии. Используемая для производства строительных материалов и изделий энергия составляет около 8%, а для их перевозки и на строительство объекта - 2%. Таким образом, с точки зрения энергетики, главное внимание при проектировании объектов строительного комплекса следует уделять повышению их эксплуатационных характеристик.

   Жилой фонд в Республике Беларусь, с точки зрения энергоиспользования при эксплуатации является весьма неэффективным. Проводимая в прошлые годы политика "дешёвых" энергоносителей привела к строительству зданий с низким термическим сопротивлением ограждающих конструкций, а отсутствие средств регулирования и учёта расхода тепловой энергии, горячей и холодной воды и природного газа - к расточительному их использованию населением. Завышенному потреблению способствовала также низкая эффективность автономных теплогенераторов и бытовых электроприборов.

   Главными  техническими факторами, приводящими  к повышенным удельным расходам энергоресурсов при строительстве и эксплуатации объектов строительного комплекса  являются:

• Использование в проектах зданий ограждающих конструкций с низким уровнем теплозащиты из-за несовершенной нормативной базы и острого постоянного дефицита в эффективных теплоизоляционных материалах;
• Сложившаяся ориентация промышленности стройиндустрии на преимущественный выпуск энергоёмких стеновых материалов и конструкций (карамзитбетон, железобетон, кирпич);
• Несовершенство систем тепло- и электроснабжения, инженерного оборудования зданий, недостаточная утилизация тепловых выбросов, слабое использование нетрадиционных источников энергии;
• Отсутствие систем регулирования и приборов контроля потребления тепловой энергии зданий и сооружений, несовершенство тарифов за использование тепловой энергии;
• Нарушение принципа комплексности и системности решения вопросов энергосбережения на всех уровнях проектирования, начиная от градостроительных и до инженерных задач. Относительно низкая стоимость топливно-энергетических ресурсов, недостаток нормативных требований к теплозащитным свойствам ограждающих конструкций, ориентация на приоритетность массивных конструкций из железобетона сделало строительство самым энергоёмким в мире.

   2.Техническая  политика и потенциал  энергосбережения  в строительстве. 

   Строго  говоря, поиск уязвимых мест в энергосбережении зданий должен вестись в направлении  совершенствования градостроительства, архитектурно-строительных и инженерных систем зданий как в новом строительстве, так и при реконструкции и  модернизации. 

   К энергосберегающим решениям можно  отнести:

• Размещение потребителей и источников энергии в соответствии с эффективными энерготехнологическими моделями; внедрение энергоэкономных приёмов планировки и застройки городов, жилых и общественных комплексов; совершенствование структуры застройки по этажности, протяжённости и конфигурации жилых домов и их расположению с учётом климатических особенностей региона и города;
• Рациональное планировочное и техническое решение схем развития, размещение инженерно-транспортных и энергетических коммуникаций и сооружений; применение наряду с централизованными системами инженерного оборудования децентрализованных (локальных) систем.

   К градостроительным решениям оптимизации  и экономичности инженерной инфраструктуры относятся:

- рациональное взаимное размещение энергоисточников и энергопотребителей (электричество, тепло, газ) уменьшающее расходы на транспортировку и снижающее материальные затраты на сооружение сетей;

- выбор и обоснование применения централизованных и децентрализованных систем инженерного оборудования;

- рациональная прокладка инженерных коммуникаций, обеспечивающая наряду с высокоэффективной теплоизоляцией снижение теплопотерь за счёт сокращения протяжённости коммуникаций. Кроме того, резервом повышения энергоэффективности градостроительных решений является использование подземного пространства в городах.

   Архитектурными  энергоэффективными проектными средствами решения жилых домов являются: уменьшение удельной ограждающей поверхности, использование грунта для теплозащиты  ограждающих поверхностей, разделение зон с различным температурным  фоном, планировочные приёмы ограничения  инфильтрации наружного воздуха, использование  элементов здания для утилизации солнечного тепла, включение активных гелиосистем в структуру здания и размещение в них специальных  аккумуляторов тепла и рекуператоров  и другие проектные решения.

   Совершенствование архитектурно-строительных систем зданий выдвигает на одно из первых мест задачу повышения их технического уровня на основе современных требований по энергоэффективности, в том числе расходу тепла на отопление.

   Расчёты показывают, что на современном уровне развития уже в ближайшие годы возможно сократить энергопотребление  в зданиях не менее, чем на 20%. 
 

   3.1. Климат местности и микроклимат помещений. 

   Здание  любого назначения должно обеспечивать создание искусственной среды для  жизни и деятельности людей. Необходимость  создания искусственной среды возникает  тогда, когда условия природной  среды не соответствуют требованиям  процессов жизнедеятельности людей, их социальным или индивидуальным потребностям и требованиям (или ограничениям) технологических процессов.

   Среди многочисленных природных условий, влияющих на существование человека на Земле, первостепенное значение всегда имели атмосферные условия. Разнообразие этих условий на обширной поверхности земли и их временная (сезонная) изменчивость привели к формированию понятий: климат территории, для ограниченного территориального пространства, имеющего, как правило, особенности климата, - микроклимат местности, а для искусственной среды помещений в зданиях - микроклимат помещений. И климат и микроклимат - это комплекс значений атмосферных параметров в определённом пространстве. В зависимости от целей или области применения этих понятий может изменять состав комплекса учитываемых параметров, но атмосферные параметры всегда остаются в его составе.

   Наружные  конструкции здания представляют собой, прежде всего, барьер той или иной структуры и формы, при помощи которого вычленяется из природной  среды часть её объёма для создания в ней искусственной среды. Совершенно очевидно, что, находясь между двумя  этими средами, конструкции испытывают воздействия со стороны каждой из них. Но, являясь ограждением искусственной  среды и непосредственно контактируя  с ней, они могут оказать активное влияние на параметры создаваемого в ней микроклимата. Поэтому в  системе климат - ограждающие конструкции - искусственная среда должны быть определены, прежде всего, возможные  климатические воздействия и  требуемые параметры микроклимата, а затем - диктуемые ими физико-химические свойства конструкций, необходимые  для выполнения последними ограждающих  функций.

     Микроклимат помещений определяют  следующие параметры: температура,  влажность, скорость движения  воздуха и инфракрасные излучения.  Регулирование параметров микроклимата  направлено на создание для  человека зоны комфорта. Зона  комфорта - оптимальное для организма  человека сочетание значений  микроклимата. Значения параметров  зоны комфорта определяются интенсивностью  процессов тепло- и влагообмена  человеческого организма в различных  состояниях: отдых, работа различной  тяжести, умственный труд и  особенностями сезонной адаптации  человека к различным климатическим  условиям.

   Следует учитывать, что в своём ежедневном цикле жизнедеятельности человек постоянно осуществляет переход из внешней среды в искусственную среду помещения и наоборот. Такие переходы влияют на процесс терморегуляции организма. Эта необходимость пребывания человека в двух средах накладывает свои требования к регулированию значений параметров микроклимата. Так, в жаркий период года, если разность между температурами наружного и внутреннего воздуха превышает 6 ºС (в среднем, поскольку эта величина зависит и от влажности воздуха), то возникает вероятность простудных заболеваний. С другой стороны, при очень холодной зиме для быстрой нормализации теплового состояния человека в помещении требуется более высокая температура, чем в районах с тёплой зимой. Поэтому гигиенические нормы микроклимата помещений должны учитывать влияние и этих факторов.

   3.2.Принципы совершенствования ограждающих конструкций. 

   Роль  строителя в создании требуемых  параметров искусственной среды  состоит, прежде всего в проектировании (или выборе) наиболее технико-экономически эффективных ограждающих конструкций  зданий в различных климатических  условий. Энергосбережение при проектировании и эксплуатации жилых зданий становится одной из важных приоритетных задач. При этом обязательным условием является обеспечение повышенных санитарно-гигиенических  и комфортных условий, диктуемых  требованиями СНиП II-3-79* и ГОСТ 30494-96 "Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях".

   Задачи  экономии энергии определили переход  к проектированию и строительству  зданий с повышенным уровнем теплозащиты, где значительная роль отводится  увеличению сопротивления теплопередаче  наружных стен зданий.

   Одним из массовых видов строительства  являются крупнопанельные здания. Мощная база строительной индустрии, высокие  темпы строительства таких зданий при далеко не удовлетворенном спросе на жилье сделало необходимым  найти такое конструктивное решение  наружных стен крупнопанельных зданий, которое бы удовлетворяло требования 2-го этапа СНиП П-3, не требовало бы значительной реконструкции или  замены стальных форм и оснастки для  их изготовления.

   Таким решением оказались трехслойные железобетонные панели с эффективным утеплителем взамен ранее применяющихся керамзитобетонных панелей. В качестве связей между наружным и внутренним слоями трехслойных панелей применены железобетонные шпонки. Эти связи - шпонки - имеют малые размеры поперечного сечения, армируются стержнями диаметром 4-5 мм из стали класса В-1 или Вр1 и располагаются прерывисто, равномерно распределяясь по всей площади панели. Изготовленные из тяжелого бетона, панели имеют качественную фактуру и могут изготавливаться фасадной поверхностью как вниз, так и вверх. Фасадные поверхности могут иметь полную заводскую готовность или окрашиваются в процессе строительства.

   Весьма  важным направлением в области строительства  является поиск таких решений, которые  позволили бы, используя преимущества индустриального домостроения, вместе с тем проектировать и строить  многоэтажные здания с различными планировочными и фасадными архитектурными решениями.

   В Академии архитектуры были разработаны  принципиальные решения ширококорпусных  жилых зданий, конструктивную основу которых составила система внутренних продольных и поперечных железобетонных стен, объединенных в единую пространственную схему дисками перекрытий. Наружные стены здания имеют поэтажную разрезку, опираясь на плиты перекрытий. Конструкция стен - трехслойная, кирпичная, с эффективным утеплителем; наружный и внутренние слои стены - кирпичные, толщиной 250 и 120 мм. Связь между слоями из нержавеющей стали. Таким образом, многоэтажный дом, возводимый из крупнопанельных конструкций имеет облик кирпичного здания.

     Следует особо отметить, что строительство кирпичных многоэтажных зданий с несущими стенами, отвечающих требованиям энергосбережения, не имеет сколько-нибудь отчетливой перспективы. Сложность и материалоемкость такого решения очевидны. Альтернативой кирпичных зданий может считаться каркасная система со стенами поэтажной разрезки комплексной (полистиролбетонные или газобетонные блоки с облицовкой кирпичом) конструкции. В качестве несущей системы используется безригельный каркас с натяжением арматуры, располагаемой в створе колонн. Перекрытие из пустотных плит высотой 220 мм. Колонны сечением 300х300 или 400х400 мм. Каркас работает по рамно-связевой системе, воспринимая рамами вертикальную нагрузку, а нагрузки, вызывающие горизонтальные перемещения здания, - диафрагмами жесткости.

   В заключение необходимо остановиться на безусловной необходимости сертификации проектной продукции. Только этот путь обеспечит надежность соответствия принимаемых проектных решений  действующим нормам и правилам. Это  тем более важно, что до сегодняшнего дня нет единообразных  (типовых) решений по такому важному разделу, как проектирование "теплых" стен, соответствующих требованиям 2 этапа  по энергосбережению.

   Сертификация  проектной продукции должна быть признана обязательным условием при  утверждении проектов. Важно отметить, что проектирование зданий, отвечающих требованиям энергосбережения, вовсе  не означает автоматического их удорожания. Реализация рациональных конструктивных решений обеспечит не только энергоэффективность  зданий, но и позволит проектировать  здания, отвечающие современным архитектурным  требованиям, без существенного  увеличения материальных затрат. 

   3.3. Оптимальная планировка зданий. 

   Снижения  энергопотребления можно достичь  путем рационального планирования, которое состоит в выборе таких  формы и габаритов здания, чтобы  площадь наружных ограждений была минимальной  при максимальном объеме помещения. Этому условию идеально соответствуют  кубическая и шарообразная формы. Строительство  зданий кубической формы ограничено требованием СНиПов - обязательное освещение лестничной клетки дневным  светом. В случае размещения лестничной клетки в массиве дома возможно ее освещение с помощью зенитного фонаря. Однако габариты лестничной клетки необходимо увеличить по сравнению с нынешними, чтобы между маршами осталось свободное пространство для освещения нижних этажей. Опыт показывает, что нормы по освещению нижних этажей (даже если зенитный фонарь будет занимать весь потолок лестничной клетки) можно соблюдать только в трех- и четырехэтажных зданиях. Поэтому рекомендация больше подходит для коттеджей.

   Здание  должно иметь, по возможности, минимум  наружных углов, обладающих повышенной теплоотдачей по сравнению с гладкой  стеной. Эту проблему можно решить путем устройства утепленного скоса  внутренней поверхности угла. Такая  конструкция применялась в одной  из серий панельных домов, построенных  в 80-е годы.

   Планировка  здания должна предусматривать с  северной стороны вспомогательные  помещения с пониженной расчетной  температурой наружного воздуха  и уменьшенной площадью остекления, что уже применялось в жилых  зданиях массовой застройки. Указанные  требования в полной мере можно выполнить  только при сооружении коттеджей, в  зданиях массовой застройки - лишь частично, так как их планировка определяется проектом микрорайона.

   В настоящее время уделяется повышенное внимание теплозащите окон. Новые  конструкции окон в настоящее  время устанавливают как в  новостройках, так и в старых зданиях. Они обладают повышенной герметизацией, и потому их способность пропускать в помещение наружный воздух для  вентиляции ограничена. Это ставит под сомнение принятую в соответствии с действующими нормами схему  вентиляции жилых зданий с естественным побуждением и притоком сквозь неплотности  окон. В некоторых конструкциях предусмотрены  отверстия или щели для инфильтрационного  притока. Однако инфильтрационное сопротивление  этих устройств неизвестно, поэтому  целесообразно вернуться к практике его экспериментального определения.

   Наружная  поверхность стен и окон подвергается воздействию не только температуры, но и солнечной радиации. Зимой  ограждения должны эффективно защищать от теплопотерь, в летний период - от теплопоступлений. Если они удовлетворяют  этим требованиям, существенно снижается  нагрузка на системы отопления и  вентиляции. По отношению к окнам  эта двойная функция в течение  веков осуществлялась традиционными  способами. На зиму устанавливались  дополнительные рамы, а притворы оклеивались  бумагой. Летом окна прикрывались ставнями, защищая помещение от рассеянной солнечной радиации.

     Чтобы обеспечить минимальную  освещенность помещений, сейчас  роль ставен выполняют жалюзи. Непрозрачные ограждения должны  удовлетворять тем же требованиям:  отражение солнечной радиации  летом и поглощение ее зимой (в период резкого похолодания интенсивность солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, максимальна). Для снижения теплопоступлений летом в конструкции окна необходимо предусмотреть дополнительное остекление, образующее воздушную прослойку, в которой можно разместить пластмассовые жалюзи или солнцеотражающую прозрачную пленку, скатываемую зимой в рулон. Зимой эта прослойка должна быть герметичной, летом - для удаления тепла солнечной радиации - вентилируемой.  

   4. Экономические основы энергосбережения 

   Экономическая эффективность энергосбережения определяется путем сравнения стоимости производства дополнительной энергии и затрат на ее экономию. Для того чтобы оценить, насколько обоснованным является конкретное мероприятие, необходимо четко представлять затраты на увеличение производства энергии, поскольку именно от них  зависит уровень эффективности. Другими словами, требуется информация о величине замыкающих затрат на производство конкретного вида энергоресурса. В  свою очередь эти затраты зависят  от соотношения свободных производственных мощностей и объемов потребления. Для электроэнергии ситуация выглядит следующим образом: если энергосистема  дефицитна по мощности, замыкающие затраты совпадают либо со стоимостью увеличения закупки энергоресурса  со стороны (при наличии соответствующей  возможности), либо - со стоимостью строительства  дополнительных мощностей. Если же энергосистема  самодостаточна или избыточна, то в  качестве замыкающих затрат используются топливные издержки на соответствующей  станции/блоке, который замыкает баланс. Для других видов энергоносителей  ситуация абсолютно аналогична; при  наличии незагруженных производственных мощностей расходы на дополнительное производство совпадают с краткосрочными замыкающими затратами - переменными  издержками производства, а в случае дефицита мощности они превращаются в долгосрочные замыкающие затраты - к переменным издержкам добавляются  замыкающие затраты на мощность. Повышение  эффективности использования энергии  у конечного потребителя ведет  к снижению потерь в процессе транспортировки  и распределения, уменьшению нагрузки на окружающую среду, что также должно учитываться при сравнении "генерирующих" и "эффективных" технологий.

   Энергосбережение  влияет на цену/тариф энергетического  ресурса, причем это воздействие  отличается для ресурсов разных видов. Тариф на электрическую и тепловую энергию устанавливается на основе средних затрат на производство. Изменение  цены/тарифа на энергоноситель в результате реализации энергосберегающих мероприятий  определяется соотношением замыкающих и средних затрат.

   Ресурсосберегающие  программы уменьшают объем производства энергоснабжающей компании. Воздействие  ресурсосбережения на тариф определяется соотношением замыкающих и средних  затрат на производство. Если замыкающие затраты выше средних, то энергосбережение ведет к снижению тарифа. Такая  ситуация характерна для дефицитных энергосистем, поскольку в их положении  происходит экономия самых больших  расходов, связанных со строительством дополнительных мощностей. При наличии  достаточного количества генерирующих мощностей или возможности увеличения импорта энергоресурса снижение объемов производства, наоборот, ведет  к росту тарифа.

   В принципе, участие в реализации энергосберегающих  мероприятий происходит на добровольной основе, поэтому с точки зрения повышения эффективности использования  энергии потребители делятся  на две категории: участников программ и неучастников. Поскольку активная реализация энергосберегающих мероприятий  влияет на тариф, то действия участников во многом определяют тариф для неучастников. Поэтому существуют разные позиции, исходя из которых можно оценивать  энергосберегающие мероприятия.

   С позиции государства мероприятие  оценивается исходя из минимизации  суммарных затрат всех участников. Другими словами, при реализации ресурсосберегающей стратегии развития энергосистемы критерий оценки не совпадает  с минимумом тарифа.

   С позиции потребителя-участника, экономическая  оправданность подразумевает, что  дополнительные затраты на приобретение эффективного оборудования по крайней  мере окупаются за счет экономии в  эксплуатационных издержках за срок жизни оборудования.

   С позиции энергоснабжающей организации, эффективность энергосбережения определяется соотношением прибыли, которую компания может заработать в результате увеличения объемов производства энергоресурсов, с прибылью, получаемой компанией  благодаря реализации энергосберегающих  мероприятий. Как правило, цена электроэнергии выше краткосрочных замыкающих затрат, а постоянные затраты покрываются  при производстве планового объема энергоресурса. Следовательно, отказ  от производства сверхплановой продукции  лишает поставщика дополнительной прибыли. Отсюда понятно отношение энергоснабжающей компании, хотя его можно изменить, введя соответствующие методы регулирования.

   С позиции неучастника, можно говорить о том, что его положение не должно ухудшаться в результате реализации энергосберегающей политики, то есть тариф на энергоресурс при развитии энергосистемы за счет повышения  эффективности использования энергии  у потребителя должен быть не выше, чем при развитии на основе увеличения генерирующих мощностей.

   Таким образом, при проведении ресурсосберегающей политики не следует стремиться к  уменьшению тарифов. Если энергосбережение экономически обосновано, то у потребителя-участника, несмотря на рост тарифов, общие расходы  на энергетическую услугу будут уменьшаться. Поэтому в качестве критерия оптимальности  берутся не тарифы, а общие расходы  на предоставление энергетических услуг, в которые входят как затраты  на генерирование, так и затраты  на реализацию мероприятий по повышению  энергетической эффективности. При  возможности роста тарифов особое внимание должно уделяться соблюдению интересов социально незащищенных групп потребителей - пенсионеров, многосемейных  и малообеспеченных. Это обеспечивается путем реализации специальных программ, узко нацеленных на этих потребителей, снижающих их расходы на энергию, несмотря на рост тарифа.