книги / Экология. Энергосбережение. Экономика

Р а з д е л I. УЧЕТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРИ РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ЗДАНИЯХ

УДК 551.58:69

Ю.Г. ГРАЧЕВ

(Пермский государственный технический университет)

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ - ЭКОНОМИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЕ РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Приведены результаты исследований и раз­ работок ученых, аспирантов и выпускников кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна Пермского го­ сударственного технического университета в области энергосбережения в теплоснаб­ жении и обеспечении микроклимата зданий и охраны атмосферного воздуха от загряз­ нений промышленными выбросами.

Темпы роста народонаселения заметно увеличились, начиная с середины ХУШ столетия в результате промышленной революции и прогресса в сельском хозяйстве. Особенно сильный рост начался

примерно с 1950 года вследствие достижений здравоохранения и зна­ чительного сокращения смертности в развивающихся странах. С 70-х годов текущего столетия отмечается некоторое снижение темпов роста, однако они остаются все же высокими (согласно прогнозам в ближай- . шие 39 лет численность населения планеты, достигшая 5 миллиардов человек, удвоится), что делает проблему народонаселения чрезвычай­ но острой.

Потребности людей за это время значительно выросли, одновре­ менно выросли и затраты энергии на производство единицы того или иного продукта. Если первобытный человек затрачивал примерно столь­ ко же энергии, сколько потреблял, то в современном обществе при дневном рационе в 3-4 тысячи килокалорий, энергии затрачивается в 4-5 раз больше. Подсчитано, что на получение I "яичной" килокало­ рии на птицефабриках затрачивается 2-5 килокалорий, а на I "рыб­ ную" килокалорию при океаническом лове рыбы - 10-20 килокалорий. Появились и значительно возросли потребности людей в энергии,' не связанные с питанием.

Соответственно росту народонаселения и удельного производст­ ва энергии лавинообразно выросло и суммарное производство энергии, которое можно считать индикатором вмешательства человека в при-

3

родные процессы. По самым грубш оценкам, начиная с каменного века энергопотребление выросло но менее чем в 5000 раз. Мощность источников использованной в настоящее время энергии.составляет около 1,2 десятка миллиардов киловатт против 0,24 миллиона' в но­ вом каменном веке. Можно считать, что вмешательство человека в природные процессы за это время выросло не менее чем в 5000 раз, если это вообще можно оценить.

Дело не только в том, что способность окружающей среды к са­ моочищению находится на пределе из-за больших количеств поступа­ ющих в среду отходов человеческой деятельности. Значительная часть этих отходов чужда природной среде: они либо ядовиты для микроорганизмов, разрушающих сложные органические вещества и превращающих их в простые неорганическйе соединения, либо вообще не разрушаются и поэтому накапливаются в различных частях окружаю­ щей среды. Даже те вещества, которые привычны для окружающей сре­ ды, поступая в нее в слишком больших количествах, могут изменять ее качества и воздействовать на экосистемы. Масштабы воздействия людей на экосистемы достигли таких размеров, что проблема сохра­ нения стабильности климата на планете стала одной из важнейших.

Энергетика особенно воздействует на природу. В нашей стране проблему нехватки энергии всегда пытались решить за счет наращи­ вания ее производства, а значит (при практическом отсутствии зат­ рат на природоохранные мероприятия), и за счет увеличения негатив­ ного воздействия энергетики на.биосферу. Низкая эффективность ис­ пользования энергии означает высокую Степень экологического ущер­ ба в расчете на единицу производимых благ. Энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВЦ) России в 2-3 раза выше, чем в США и Западной Европе. В расчете же на единицу личного потребления (этот показатель получается после вычитания из ВВП капиталовло­ жений и государственного потребления) этот разрыв 3-4-кратный. Если же учесть тот факт, что технологии контроля вредных выбро­ сов у нас почти не применяются, то можно прийти К заключению, что экологический ущерб на единицу прироста личного благосостояния в 6-10 раз больше, чем в развитых странах.

Население потребляет лишь незначительную часть энергии.Промывленность бол|>шую .долю вырабатываемой энергии потребляет сама. Неудивительно, поэтому, что именно на долю производственного сек­ тора приходится от 90 до 96 %выбросов.

Что же надо сделать,, чтобы уменьшить вредное экологическое воздействие? Ответ однозначный - повысить эффективность исполь-

4

зования энергии (энергосбережение). Альтернативы энергосбережению нет! Это проверено на опыте многих стран. Так, в США в 19701991 годы ВВП.вырос на 69 %%потребление первичной энергии - на

5 %, а выбросы диоксида углерода в 1990 году остались примерно на уровне 1970 года. Конечно, на сокращении выбросов значительно сказалось увеличение расходов на природоохранные мероприятия - до 130 миллиардов долларов в год, или около 2 %ВВП. Тем не ме­ нее, от 40 до 50 %эффекта пришлось йа энергосбережение.

Потребление энергии в промышленности составляет 35 %, на транспорте 30 %, на теплоснабжение зданий 30 %, Современные зда­ ния обладают огромными резервами повышения тепловой эффективнос­ ти. Однако исследователи недостаточно еще изучили особенности формирования теплового режима, а проектировщики не умеют оптими­ зировать потоки тепла и массы в ограждениях и зданиях. Кроме того, современные системы обеспечения микроклимата зданий прак­ тически исключают нетрадиционные энергоисточники. Не использу­ ются в необходимой степени достижения науки и техники, например, почти не используется компьютерная техника для оптимизации режи­ ма теплопотребления.

Начиная с 50-х годов, системы теплоснабжения зданий не пре­ терпели революционных изменений, которые имели место в электро­ нике, самолетостроении, кораблестроении, медицине и т.д. Доста-' точно привести только один пример: за 30 лет вычислительные маши­ ны шагнули от огромных крупногабаритных металлических шкафов,за­ нимающих площадь большого зала, до миниатюрных компьютеров, уме­ щающихся на столе, или даже в портфеле, но обладающих несравнен­ но большими возможностями, чем их предшественники.

Уже прошло время, когда главной проблемой считалось.постро­ ить прочное, красивое и устойчивое здание, сейчас главное - соз­ дать современное экологичное здание с комфортным для человека и оптимальным для технологического процесса микроклиматом. Такое здание можно| создать только в результате совместной работы ар­ хитекторов, технологов, гигиенистов, экономистов, инженеров по теплогаэоснабжению, вентиляции, охране воздушного бассейна, водо­ снабжению и др.

Возможны следующие основные пути экологизации и повышения энергетической эффективности зданий:

5

ческих режимов. Разработаны и внедрены: методы обоснования реше­ ний при проектировании систем централизованного теплоснабжения (программные комплексы СП-2 (институт ВНИПИэнергопром), "Надеж­ ность” "оптимизация", "сульф-1"); руководство по выбору систем теплоснабжения (Минэнерго, 1963); методическое пособие по учету экологическихаспектов при выборе систем теплоснабжения (инсти­ тут ВНИПИэнергопром); комплекс математических моделей для прогно­ зирования динамики процессов коррозии, накипеобразования и раз­ вития микробиоценозов в системах теплоснабжения; метод оптимиза­ ции водно-химических режимов; рекомендации по назначению воднохимических режимов систем теплоснабжения и горячего водоснабже­ ния (Москва-Пермь, 1968); метод численного определения надежнос­ ти систем теплоснабжения (использован институтом ВНИПИэнергопром)при разработке действующих строительных норм и правил про­ ектирования тепловых сетей, при назначении условий резервирова­ ния магистральных трубопроводов; метод оптимизации схем подго­ товки подпиточной воды, обеспечивающий повышение надежности теплоснабжения (использован институтом ВНИПИэнергопром при про­ ектировании систем теплоснабжения городов Благовещенска, Минска, Алма-Аты, Балхаша, Волгограда, Волжского, Саратова, Самары, Хаба­ ровска, Комсомольска-на-Амуре, Екатеринбурга, Н.Новгорода, Росто­ ва-на-Дону); комплексы мероприятий по устранению процессов суль­ фидного загрязнения в открытых системах теплоснабжения городов Балхаш, Степногорск, Набережные Челны,Тольятти и др. (кацд.техн. наук Б.М. Красовский).

Установлены закономерности влияния размеров спирального ко­ жуха на характеристики центробежных вентиляторов с разными ло­ патками рабочего колеса; разработаны и исследованы зонты с борто­ выми отсосами, которые нашли применение для вентиляции крупных листопрокатных станов, печей стеклообмоточных кабелеизоляционных машин; предложено более точное уравнение для определения расходов воздуха в сечениях вдоль тепловой струи, а также установлено вли­ яние формы теплоисточника на формирование тепловой струи; разра­ ботана и обоснована методика определения воэдухообменов общеоб­ менной вентиляции при смешанной вентиляции производственных поме­ щений; на основании натурных исследований разработаны, обоснова­ ны и внедрены различные мероприятия по повышению эффективности вентиляции в основных цехах кабельного производства (канд.техн. наук М.В. Палыпин, инженер Г.С. Мишнева).

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установ­ лены закономерности процессов горения и газификации натурально­ го топлива (торфа) и указаны пути интенсификации работы слоевых газогенераторов. В результате экспериментальных исследований •процессов теплообмена в различных теплоиспользующих установках (слоевые аппараты, полые скрубберы высокого давления для чистки доменного газа, радиационные щелевые рекуператоры,.волнообразные трубы) установлены обобщенные критериальные зависимости, рекомен­ дуемые для расчетов этих устройств. Теоретические исследования в области аэродинамики трубопроводов и оптимизации проектируемых

газовых сетей легли в основу разработки рада программных комплек­ сов для проектирования ("Кольцо", "Освод", "Старт", "Надежда"). Предложены критерии оценки, использованные при разработке про­ граммы для ЭВМ по определению надежности работы проектируемых и эксплуатируемых систем газоснабжения (программа "Инга"). Раз­

работаны теоретические предпосылки и составлены программы, реа­ лизованные на персональном компьютере типа 1ВМ РС, для численно­ го моделирования работы систем газоснабжения (программа "Поток") и систем вакуумной пылеуборки (программа "Аспирация", канд.техн. наук В.А. Оленев).

Исследован процесс уноса пыли с поверхности применительно к пылесосным насадкам вакуумных систем пылеуборки. Установлены за­ висимости для определения значений критических скоростей: первой, обусловливающей перемещение частицы н а :стенке, и второй, при ко­ торой начинается унос частицы. Предложены физические й математи­ ческие модели явлений эрозии пыли из слоя конечной и неограничен­ ной толщины, денудации слоя пыли и всасывания.ее пылесосными на­ садками. Установлено, что для уборки эрозирующихся пылей необхо­ димо применять насадки с полкой, так как при этом увеличивается время контакта потока со слоем, благодаря чему уменьшается ско­ рость, а, следовательно, и расход воздуха через насадок, обеспе­ чивающие полную очистку поверхности от пыли. Денудирующиеся пыли следует убирать насадками со щелью, при этом щель необходимо мак­ симально приближать к слою убираемой пыли. Получены формулы для определения расхода воздуха через насадки, обеспечивающие очист­ ку слабоэапыленной поверхности (уборку монослоя частиц), полную уборку слоя эрозирующихся пылей, а также через насадок со щелью в полуцилинцрической поверхности для уборки денудирующихся пы­ лей. Формулы используются для практических расчетов пылесосных насадков и режимов работы вакуумных систем пылеуборки (д-р техн. наук Ю.Г. Грачев).

Исследованы основные физико-химические свойства пылей, об­ разующихся при переработке калийных и титановых концентратов. Разработана математическая модель процесса парообеспыливания (ППО), состоящая из системы уравнений, позволяющих аналитически определить его эффективность в аспирационном укрытии. Численный анализ модели показал, что основными факторами, влияющими на рост частиц гигроскопической пыли, являются начальный размер, плотность частиц и расход пара, а на ППО - длина укрытия, ско­

рость воздуха в нем, начальный размер и плотность частиц. Получе­ на формула для определения эффективности ППО от всех выше указан­ ных параметров и расхода перерабатываемого концентрата. Разрабо­ тана методика инженерного расчета, конструирования и экологичес­ кой и экономической оценки систем и установок парообеспыливания. Методика внедрена в качестве стандартов предприятий АО "Уралка­ лий" и титано-магниевого комбината. Конструкции установок защи­ щены пятью авторскими свидетельствами. Сконструированы и внедре­ ны три промышленные установки. Эксплуатация установки на титано­ магниевом комбинате позволила довести запыленность воздуха в ра­ бочей зоне до 2 мг/м3 , что в пять раз ниже ЦДК, и на выбросе в атмосферу до 30 мг/м3 , что в три раза ниже ВДВ (канд.техн.наук И.Я. Вайсман, д-р техн.наук Ю.Г. Грачев).

Исследованы процессы пылеподавления в калийных рудниках кондиционированием воздуха. Установлено, что запыленность возду­ ха в воздухоподающих выработках в основном зависит от относитель­ ной влажности1рудничного воздуха. Влияние влаги воздуха на запы­ ленность проявляется в двух направлениях: уменьшается количество пылевых частиц, вовлекаемых в поток с поверхности выработок и руды; за счет конденсационного и коагуляционного роста пылевых частиц происходит интенсивное выпадение их из воздушного потока. Для исключения срыва пылевых частиц с поверхности выработок дос­ таточно поддерживать в штреках относительную влажность воздуха, на 1,5-2 %превышающую критическую величину. Указанного пересы­ щения паров достаточно, чтобы интенсивность местных источников пылеобраэования снизилась в 10-15 раз. Изучен механизм взаимо­ действия витающих частиц гигроскопичного аэрозоля с парами во­ ды и разработана на этой основе теория осаждения частиц перемен­ ной массы из влажного воздушного потока. Поставлена и решена кра­ евая задача о распространении аэрозоля переменной массы, посту­ пающего в горную выработку от непрерывного источника постоянной интенсивности! что дало возможность получить пригодное для инже-

9

нерных расчетов выражение по определению оптимальных климатичес­ ких параметров вентиляционных потоков. По разработанной мето­ дике определена критическая влажность пород всех пластов про­ дуктивной толщи Верхнекамского, Старобинского и Прикарпатского месторождений. Предложена методика расчета климатических пара­ метров. воздуха в начале вентиляционного пути, которые обеспечат пылеподавляющую способность потока на всем пути воздухоподавля­ ющих выработок. Получены зависимости, позволяющие обоснованно выбирать геометрические размеры калориферного канала и термоди­ намические параметры ввода кондиционированного воздуха в ствол с целью исключения капле-туманообразования, обледенения и нару­ шения герметичности тюбинговой колонны. Термодинамический ана­ лиз, выполненный для зоны смешения, позволил установить область допустимых сочетаний сливающихся потоков, что дает возможность производить выбор схемы отопления ствола в зависимости от клима­ тических условий данного района. Опытно-промышленные испытания конденсационного способа борьбы с пылью на первом РУ комбината

"Беларусский" подтвердили его эффективность и показали, что пред­ полагаемая методика расчета параметров кондиционирования позво­ ляет с достаточной точностью определять температуру и влажность воздуха, необходимые для снижения запыленности до санитарных норм (канд.тех.наук Б.П. Казаков).

Исследованы, разработаны и внедрены системы обеспыливания пеной (СОИ) при дроблении и перегрузке сырья на заводах силикат­ ных изделий. При этом исследована запыленность воздуха производ­ ственных помещений и эффективность систем аспирации на заводах силикатных изделий. Запыленность воздуха рабочей зоны выше ГЩК в 2,6-54,0 раза. Осадочная запыленность составляет от 3,6 до 41,4 мг/ч»м . Запыленность выбросов аспирационных систем превы­ шает ЦЦВ в 3-30 раз. Выделяющаяся в процессе переработки природ­ ных сырьевых материалов (известняка, калолина, талька, кварцево­ го песка) пыль имеет плотность 2560 ... 2780 кг/м3 . Медианы рас­ пределения частиц по массе лежат в пределах 17,5 ... 29,0 мкм,

средние арифметические диаметры частиц - 9,4 ... 15,2 мкм. Смачи­ ваемость пыли 32 ... 78 %(пыль среднесмачиваемая). Содержание свободной двуокиси кремния достигает 61,0 %. Низкая эффективность систем вентиляции и аспирации, увлажнение перерабатываемого сырья, предусмотренное технологией, а также способность воздушно-механи­ ческой пены связывать пыль обусловили целесообразность примене­ ния способа обеспыливания воздуха пеной при дроблении и перегруз­ ке сырьевых материалов. Разработаны теоретические предпосылки,

10