Главным показателем научно-технического и социально-экономического прогресса принято считать энергоемкость продукции или энергоёмкость ВВП страны, региона. По этому показателю РФ в последние годы отстаёт от передовых стран в 3-5 раз. Результаты первых расчетов изменения энергоемкости сельскохозяйственной продукции зарубежными [1] и отечественными [2] исследователями показали характерный рост энергоемкости сельскохозяйственной продукции по мере интенсификации ее производства. Ещё в 70-х гг. ХХ века установлена более высокая энергоемкость отечественной сельскохозяйственной продукции по сравнению с аналогичной продукцией передовых стран: продукции растениеводства - в 2-2,5 раза, животноводства - в 3,5-4 раза.

По данным международной энергетической ассоциации (МЭА) в 2006 г. самая низкая энергоемкость ВВП была в Японии. Если принять значение ВВП Японии за единицу, то индекс энергетической эффективности использования ТЭР в иных странах был следующим: в Великобритании - 1,4; Германии - 1,75; Франции - 1,9; США - 2,1; Индии - 8,0; Китае - 9,0; России - 18,1.

Несмотря на интенсивные исследования отечественных ученых по снижению энергоемкости сельскохозяйственной продукции в последние десятилетия этот показатель принципиально не улучшился. С переводом аграрного производства РФ на частнособственническую основу большая часть ТЭР, потребляемых в сельской местности, приходится на быт и личные подсобные хозяйства [3]. Основную часть их затрачивают на отопление помещений и получение горячей воды через автономные котельные и иные теплогенераторы, которые не вырабатывают электроэнергии и не производят работы. Эксэргию (потенциальную превратимость в работу или электроэнергию), топлива, затрачиваемого в этих преобразователях практически не используют.

В малых, средних и некоторых крупных городах РФ значительную часть потребляемых в них ТЭР (? 45 %) также используют через подобные автономные теплогенераторы, а электрическую энергию потребляют из централизованной электросети. В начале развития классической термодинамики ее основатель С. Карно высказал в 1824 г. проницательное предупреждение: "использование энергоносителя только для нагрева, не взяв от него работы, - это преступление". Упомянутые большие объемы, потребляемых в РФ и используемых ТЭР только для получения низкотемпературного тепла, свидетельствуют о необходимости учета этого предупреждения для выявления возможности повысить энергетическую эффективность использования ТЭР в системах энергообеспечения АПК и ЖКХ.

Таблица 1. Показатели энергопотребления, структура энергоносителей в сельском хозяйстве РФ в 1990-2007 гг. (млн. т. у. т.) [3]

На рис.1 приведены результаты исследований динамики временного изменения энергоемкости ВВП различных стран и регионов за период с 1990 по 2005 гг., приведенных в работе директора Института энергетической стратегии В.В. Бушуева [4].

Рис. 1. Динамика энергоёмкости ВВП различных стран и регионов мира [4].

Несмотря на интенсивные исследования отечественных ученых-аграрников в последние 30 лет по энергосбережению в технологических процессах производства сельскохозяйственной продукции, снижение ее энергоемкости не произошло. Из-за высокой энергоемкости сельскохозяйственной продукции существенно возрастает ее себестоимость. Ещё в 1999 г. топливно-энергетическая составляющая в себестоимости сельскохозяйственной продукции в целом для Челябинской и Свердловской областей соответственно достигала 46 и 42 % [5] (табл.2).

Таблица 2. Составляющие затрат на ТЭР себестоимости сельскохозпродукции (Челябинская и Свердловская обл. 1999 г [5]).

Для сельскохозяйственного производства этих областей 1999 год был относительно благополучным. Стоимость ТЭР в 1999 г. была в 2-2,5 раза ниже, чем в 2005-2006 гг. Из-за высокой энергоемкости отечественная сельскохозяйственная продукция становится всё менее конкурентоспособной на международном рынке.

В западноевропейских странах топливно-энергетическая составляющая в себестоимости сельскохозяйственной продукции 10-12 %, а производительность труда в 8-10 раз выше, чем в РФ. В настоящее время в сельской местности РФ проживает примерно 37 млн. человек. В связи с сокращением сельскохозяйственного производства число безработных в селе возрастает.

По результатам предварительного энергетического обследования сельских потребителей энергии и ЖКХ малых и средних городов выявлена близость их общего традиционного энергообеспечения: электроснабжение - от централизованной электросети, теплоснабжение - от автономных водогрейных котельных или иных низкотемпературных топливных теплогенераторов, не вырабатывающих электрической энергии.

Соотношение потребности в электрической и тепловой энергии основных потребителей села и ЖКХ соответственно составляет 20-25 % к 80-85 % в зависимости от климатических условий. Водогрейные котельные и иные автономные теплогенераторы как в сельской местности, так и в малых и средних городах морально и физически устарели, их необходимо модернизировать в микро - и мини-ТЭС с когенерацией тепловой энергии и использованием тепловых насосов (ТН). Тепловые насосы-высокоэффективные преобразователи электрической энергии в низкотемпературную тепловую, позволяют использовать доступный и возобновляемый источник энергии - теплоту окружающей среды, обеспечивают снижение теплового загрязнения среды от энергоустановок.

Согласно расчетам, такая модернизация энергообеспечения сельских потребителей и ЖКХ в масштабах РФ позволит снизить энергоемкость ВВП РФ на 40 % по сравнению с этим показателем в 2007 г. Такой уровень снижения энергоемкости соответствует предусмотренному Указом Президента РФ "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" от 4 июня 2008 г. № 889 [6].

Модернизация энергообеспечения потребителей АПК и ЖКХ будет способствовать исполнению Федерального закона РФ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ" от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ [7].

Известно, что эффективность экономики большинства отраслей производства определяется научно-техническим и социально-экономическим уровнем развития энергетики. Модернизация энергетики отечественных АПК и ЖКХ требует больших материальных затрат. В то же время, несвоевременная модернизация энергетики АПК и ЖКХ обрекает экономику страны на недопустимо низкий уровень экономической эффективности.

Только 35-36% тепловой потребности народного хозяйства страны обеспечивается за счет тепловых отходов крупных ГЭС. Остальные 65 % обеспечивают автономными топливными низкоэффективными теплогенераторами. Ежегодно затрачивают на получение низкотемпературного тепла 50-55% топлива, потребляемого в стране. Более 50 % топлива, потребляемого в сельском хозяйстве РФ, используют только для получения низкотемпературного тепла и горячей воды.

В энергетической стратегии РФ до 2030 года [8], к сожалению, не учтена значимая возможность снижения энергоемкости ВВП РФ посредством отмеченной выше модернизации энергообеспечения АПК и ЖКХ. Устаревшие водогрейные котельные и иные низкотемпературные теплогенераторы должны быть заменены на микро - и мини-ТЭЦ с когенерацией тепловой энергии и использованием ТН. В ГНУ ВИЭСХ разработаны научно-методические рекомендации по расчету и выбору энергетического оборудования для такой модернизации.

Одной из причин допущенной отечественными энергетиками ошибки в развитии внутренней энергетики нашей страны является недооценка теплового насоса (ТН), как наиболее высокоэффективного генератора низкотемпературного тепла, использующего теплоту среды. Понимание высокой эффективности этого теплогенератора затруднено тем, что объяснение принципа его работы, а также работы холодильной машины (ХМ) на основе второго начала термодинамики (ВНТ), приводимое в литературе, было ошибочным. Очевидно, из-за этого знергопреобразующую способность этих преобразователей характеризовали не КПД, а "нагревательным" и "холодильным" коэффициентами.

Возможность создания устройств, подобных ТН, была обоснована ученым Кельвином-Томпсоном в 1852 г. и названа "динамическим отоплением". Последовательно определение показателя энергетической эффективности ХМ и ТН приведено в научно-популярном труде П. Эткинса [9, с.131-138]. Показатель энергетической эффективности ХМ он устанавливал, исходя из представления о работе ХМ и ТН по обратному циклу Карно, отличающемуся от прямого тем, что "процессы цикла проходят в направлении против часовой стрелки".

сельское хозяйство энергопотребление жилищный коммунальный

Так как работа, совершаемая круговым замкнутым термодинамическим процессом (по циклу Карно или любому иному), пропорциональна площади графика, ограничиваемой процессами цикла и зависит от градиента температур теплоносителя и давления на входе и выходе из машины и совсем не зависят от направления следования процессов этого цикла справа налево или наоборот. У силовых тепловых машин, у которых термодинамический КПД достигает 50-55%, температурные градиенты достигают тысяч градусов, а давление - сотен бар. У ТН и ХМ температурный градиент составляет только 60-70 градусов, а давление - доли бар, но КПД ТН и ХМ достигает несколько сот процентов. Следовательно, термодинамическим циклом Карно и иными термодинамическими циклами невозможно объяснить высокий КПД этих низкотемпературных преобразователей работы или электроэнергии в тепловую энергию. В действительности он обусловлен использованием в ТН и ХМ в качестве рабочего процесса энергоэкономного фазового перехода теплоносителя "испарение-конденсация" [10].

В результате рассмотрения изменений энтропии [9] сделан вывод: минимальная работа ХМ равна отобранной теплоте, умноженной на отношение разности температур холодного и нагреваемого тел. Для вывода холодильного коэффициента ХМ или нагревательного коэффициента ТН в [9] потребовалось несколько страниц текста.

Для доказательства наличия у ТН и ХМ термодинамического КПД и обоснования его аналитического определения воспользуемся логико-математическим методом. Сформулируем логический тезис: определение термодинамического КПД тепловой машины, характеризующий энергетическую эффективность преобразования тепловой энергии в работу по формуле Карно, надежно обосновано и эмпирически проверено.

ТН и ХМ предназначены для выполнения обратного процесса (не термодинамического цикла!) - преобразования работы в тепловую энергию - тепло или холод. Поэтому показатель их энергетической эффективности - термодинамический КПД - можно характеризовать величиной, обратной термодинамическому КПД тепловой машины (з_тм). В соответствии с определением обратной величины, ей присваивают "результат деления единицы на исходную величину" [11], следовательно, исходя из формулы Карно:

Таблица 3. Фрагмент технической характеристики ТН типа Vitocal [12].

У всех ТН, фрагмент характеристики которых приведен в табл.3, минимальная температура на входе составляет +5 ^оС, а максимальная температура подачи равна +55 ^оС [12]. Подставив в формулу (6) эти значения температур и произведя вычисления, получим значения термодинамического КПД тепловых насосов Vitocal равное 6,5; которое несколько выше значений КПД, приведенных в табл.3 (5,6). Значения КПД, приведенные фирмой, очевидно, являются измеренными номинальными значениями реального КПД теплового насоса, так как эти значения совпадают с отношениями потребляемой электрической мощности и производимой тепловой мощностью. Исходя из вышеприведенного, эти значения не являются термодинамическими КПД тепловых насосов значения КПД ТН Vitocal, приведенные в табл.3. Исходя из вышеприведенного, эти значения (6,5) и являются термодинамическими КПД ТН. Их, очевидно, целесообразно приводить в технической документации, как это сделано фирмой Vitocal. Второй независимый метод определения термодинамического КПД ТН и ХМ возможен на основе значений теплоты фазовых переходов теплоносителей, которые являются основными рабочими процессами в ТН и ХМ.

Значения КПД ТН и ХМ больше единицы, что, казалось бы, противоречит общему определению КПД, но это противоречие имеет современное естественнонаучное объяснение, состоящее в ограниченности приложения второго начала термодинамики только к неравновесным системам [13]. Вопросу несогласованности определения КПД ТН и ХМ со вторым началом термодинамики большое внимание уделено В.М. Бродянским с соавторами в книге "Эксэргетический метод и его приложение". Они отмечают [14, с.137]: "Несравненно более глубокое понимание трудностей общего научного определения КПД проявил акад.А. А. Харкевич. Он писал: "Методические трудности здесь носят фундаментальный характер. Главная из них. состоит в определении того, что именно следует рассматривать в качестве полезного действия данного устройства, и подыскании количественной меры этого полезного действия". Эту трудность автор считает "просто непреодолимой при теперешнем понимании сущности дела".

Под "теперешним пониманием" А.А. Харкевич как раз и имел в виду "… использование в качестве … значений энергии разных видов, выбранных из энергетического баланса, т.е. в конечном счете несоответствие понятия коэффициента полезной эффективности (КПЭ) требованиям к КПД. Это привело его к пессимистическому мнению, что "элегантная простота первоначального определения КПД утрачена в области теплотехники невозвратимо". Действительно, первоначальное определение КПД (effeсt utile), введенное в науку (конец XVIII - начало XIX вв.) французскими учеными Карно, Навье, Понселе и развитое Кориолисом, было элегантно простым: КПД определялся отношением полученной работы к затраченной. Поскольку объектом оценки были механические и гидравлические машины, такое определение было вполне строгим и отвечало всем перечисленным выше требованиям, т.е. КПД был всегда меньше единицы, разность числителя и знаменателя точно равнялась потере; вся отводимая работа шла по целевому назначению. Соответственно определение КПД было строго однозначным - никаких других величин из отношения двух работ получить нельзя. Объясняется все это тем, что сопоставляемые величины энергии были качественно однородны - работа на входе и работа на выходе. Однако, как только этот подход был перенесен "в область теплотехники" - на тепловые машины, где сопоставлялись качественно различные виды энергии в переходе - теплота и работа, "элегантная простота" действительно была утрачена, ибо единый КПД превратился в разные коэффициенты преобразования, не отвечающие комплексу требований к КПД".

Это дает основание считать логически обоснованным использование показателя КПД для характеристики энергопреобразующий способности ТН и ХМ в такой же мере, как и в отношении тепловых силовых машин. Значения этого показателя больше единицы у ТН и ХМ также достаточно обосновано тем, что они высококачественную энергию - электроэнергию или работу - преобразуют в низкокачественную энергию - низкотемпературное тепло, а также тем, что в качестве рабочего процесса в них применен энергоэффективный самоорганизующийся фазовый переход теплоносителя: испарение - конденсация, позволяющий использовать возобновляемый источник энергии - теплоту среды. Значения термодинамического и реального КПД ТН действительно в несколько раз превышают единицу, что отображает их действительную высокую энергопреобразующую эффективность. К сожалению, в нашей стране это не было в должной мере осознано, что привело к отставанию в производстве и использовании ТН. Без их использования полноценная модернизация энергообеспечения АПК и ЖКХ невозможна.

Устаревшее энергообеспечения ЖКХ и АПК отрицательно влияет на производительность труда, обусловливает высокую стоимость коммунальных услуг и социальную напряженность большей части населения страны. Высокая энергоемкость и себестоимость почти всех отечественных товаров и услуг делает их не конкурентоспособными на международном рынке. Модернизация энергообеспечения ЖКХ и АПК в масштабах всей страны неотложна и неизбежна. В передовых капиталистических странах такая модернизация проводилась в 70-80-х годах двадцатого столетия [15]. В ГНУ ВИЭСХ разработаны научно-методические рекомендации по расчетам и выбору энергетического оборудования для рассматриваемой модернизации энергообеспечения АПК и ЖКХ [16].

Список литературы

1. Agriculture depends heavily on energy // Chem. аnd Eng. News. 1974. - Vol.52, N 10. - P.23 - 24.

2. Листов П.Н., Свентицкий И.И. Поисковые инженерные исследования по сельскохозяйственной биоэнергетике // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. 1972. - № 11. - С.9-11.

3. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 г. / Ю.Ф. Лачуга, Д.С. Стребков и др. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009.

4. Бушуев В.В. Энергетический потенциал и устойчивое развитие. - М.: ИАЦ Энергия, 2006.

5. Епишков Н.Е. Энергосбережение - базовая технология создания эффективного сельского хозяйства // Вестник энергосбережения Южного Урала. 2001. - № 2 (3).

6. Указ Президента РФ "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" от 04.06.2008 г. № 889 // Российская газета. - М., 2008. Федеральный выпуск № 4680.

7. Федеральный закон Российской Федерации "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ.

8. Энергетическая стратегия РФ до 2030 г. - www.energystrategy.ru.

9. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. - М.: Мир, 1987.

10. Свентицкий И.И. Этого не может быть!? // Топливно-энергетический комплекс. 2005. - № 1-2. - С.272-274.

11. Бочаров В.А., Маркин В.И. Основы логики: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2001.

12. http://www.viessmann.ru.

13. Свентицкий И.И. Энергосбережение в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.

14. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

15. Новые явления в энергетике капиталистического мира. - М.: Мысль, 1979. - 273 с.

16. Свентицкий И.И., Алхазова Е.О., Мудрик В.А., Обыночный А.Н. Энергосбережение путем повышения эффективности использования ТЭР в АПК и ЖКХ. Научно-методические рекомендации по определению энергетической эффективности и расчету энергетического оборудования для модернизации энергообеспечения в АПК и ЖКХ. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2011.

Размещено на Allbest.ru