Доклад Римскому клубу "Фактор четыре"

Хотя работа Мейера и его коллег из Швеции и Норвегии чрезвычайно ценна и очень впечатляет, их анализ не может быть непосредственно перенесен на другие страны. Скандинавская ситуация -- особая, благодаря наличию гидроэнергии и низкой плотности населения. Вообще, возобновляемые источники энергии не следует рассматривать как панацею.

1.15 Говядина, полученная с малыми затратами энергии

Сельское хозяйство всегда являлось для людей источником энергии. В традиционном обществе около 80% всего потока энергии в человеческом организме обеспечивали калории, содержащиеся в пище. Хотя крестьяне и домашние животные вкладывали некую механическую энергию во время сельскохозяйственных работ, соотношение вложенных затрат и выхода продукции составляло приблизительно 1 к 100. Все изменилось, когда в XX в. сельское хозяйство, в том числе фермерское хозяйство в США, стало механизироваться и все больше потреблять энергии. В современном производстве риса и пшеницы соотношение «затраты/выход» находится в пределах от 0,1 до 0,4 (выход в 10 или 2,5 калории на 1 вложенную калорию). Для фруктов и овощей аналогичный показатель располагается в диапазоне между 0,5 и 10. Но упомянутое соотношение может достигать экстремальных значений -- на уровне 500 -- для зимних тепличных овощей, которые в Нидерландах являются обычным продуктом питания.

В целом применительно к продуктам растениеводства соотношение затрачиваемой и получаемой энергии более благоприятное, чем для продуктов животноводства. Для молока оно составляет от 0,8 до 8, яиц -- от 0,5 до 10, мяса -- от 0,5 (для содержащихся на воле цыплят, которые питаются в основном тем, что находят на ферме) до 35 (для промышленного производства мяса с использованием зарубежных кормов). Даже в процессе рыболовства потребляется энергия, что удивительно, поскольку выращивание рыбы не требует никаких усилий человека. Соотношение в данном случае составляет от 1 (широкомасштабный отлов рыбы в прибрежных водах) до 250 (высокомеханизированный отлов в океане, см. илл. 5 на вкладке). Данные основываются на классической работе Иммо Люнцера (1992).

Стратегической точкой отсчета повышения энергетической эффективности в сельском хозяйстве следует избрать говядину. Этот продукт массового производства играет центральную роль в современном сельском хозяйстве. Самое простое решение -- снизить субсидии и тем самым сократить перепроизводство говядины в Европе. Только с помощью экспортных субсидий на говядину фермеры в Европе могут выращивать крупный рогатый скот, который питается (в основном) кукурузой и заморскими соевыми бобами, рыбной мукой, отходами с бойни и другим довольно неестественным кормом. Сокращение субсидий на экспорт сэкономило бы налогоплательщикам громадные суммы денег и коренным образом уменьшило бы потребление энергии фермами. Фермеров это побудило бы вернуться к более экологически приемлемым методам ведения хозяйства и производить в Европе, быть может, на 50% говядины меньше. Потребители платили бы больше за килограмм мяса, но тратили бы меньше денег в месяц за меньшее количество более вкусной и здоровой пищи.

В «Глобальном докладе на 2000 год» (Барни, 1980) представлена энергетическая блок-схема производства пищевых продуктов в Америке. На 3,6 ГДж (на душу населения) энергии человеческой пищи затрачивается 35 ГДж технической энергии, не считая «солнечного подарка» в 80 ГДж, поглощаемого растениями, которые участвуют в процессе (рис. 6). Мы уверены, что потребность в энергии со стороны сельского хозяйства и переработки пищевых продуктов может быть уменьшена в 4 раза без всякого ущерба для благосостояния.

1.16 Оправдано ли расточительство дешевой энергии?*^* Выражаем благодарность Вутеру ван Дирену и Геерту Поема.

Несмотря на неблагоприятные для выращивания помидоров климатические условия, Нидерланды являются одним из крупнейших в мире экспортеров этого вида овощей. Растение из семейства пасленовых было завезено в Европу в конце XVI в. как декоративное и стало широко распространенным пищевым продуктом только в XX столетии.

Превращение помидоров в продукт массового производства Голландии произошло после открытия в ее прибрежных районах больших запасов газа. Были построены отапливаемые природным газом огромные теплицы, позволяющие круглый год выращивать овощи, цветы и многие другие растения. В 1991 г. в Нидерландах собрали 650 тысяч тонн помидоров с 1600 гектаров тепличного хозяйства на сумму приблизительно 400 миллионов фунтов стерлингов.

При таких масштабах нужна особая система сбыта. Сегодня аукционы помидоров привлекают производителей со всей Европы, включая даже Канарские острова. Примерно 15% томатов потребляется в Голландии, остальная часть экспортируется, в том числе и в Венгрию, где они выращиваются в гораздо более подходящих климатических условиях. Но голландская продукция, как правило, дешевле.

Причиной успеха на рынке -- считают специалисты по окружающей среде -- является низкая цена энергии, которая позволяет выращивать помидоры при соотношении затрат к выходу энергии, равном 100 и выше. 79% используемой энергии идет на отопление теплиц, примерно 18% -- на переработку овощей.

Как уменьшить такое расточительство энергии? Конечно, можно намного лучше изолировать теплицы, даже без применения суперокон. По мнению Вутера ван Дирена и Геерта Поема, при сохранении существующих методов выращивания помидоров в Нидерландах эффективность увеличивается в 4 раза. Можно достичь и большего, если выращивать фрукты (например, бананы или манго) в странах, в которых для этого более подходящий климат. Даже перевозка помидоров авиатранспортом в Голландию, скажем, из Сицилии стоила бы меньше, чем одна треть энергии, идущей на голландские теплицы.

1.17 Вентиляторы, насосы и системы двигателей

В промышленном районе Сингапура спокойный, со сдержанным юмором китайский инженер Ли Энглок конструирует самые эффективные в мире системы кондиционирования воздуха (см. илл. 6 на вкладке). В Сингапуре тяжелый климат: относительная влажность воздуха составляет 84%, а температура колеблется от высокой до невыносимой. Большинство инженеров считало бы, что им повезло, если бы они использовали только 1,75 киловатта электрической мощности для обеспечения 1 тонны охлаждения*^* Как отмечалось выше, 1 тонна охлаждения означает отведение тепла со скоростью 3,52 тепловых кВт.. Многие используют 2 кВт или более. Системы Ли Энглока потребляют только 0,61 киловатта на тонну, т. е. на 65--70% меньше. Эта величина ежеминутно тщательно измеряется с помощью откалиброванных вручную датчиков, которые посылают сигналы с шестью значимыми цифрами в компьютерную программу.

Системы Ли обеспечивают гораздо больший комфорт, занимают гораздо меньше места, более надежны и намного дешевле в изготовлении. Они стоят дешевле отчасти потому, что каждая деталь -- нужного размера, не слишком большая.

Элегантная бережливость -- вот девиз Ли. Энергия, деньги, время, металл, каждый ресурс используются в нужном количестве, там, где надо и как надо. Нет никаких затраченных впустую усилий, движений или капиталовложений. Действительные потребности измеряются, а не определяются на глазок. Энергия используется снова и снова, до тех пор, пока почти ничего не останется. Когда Ли однажды поздравили с особо остроумным решением -- использованием выходящего воздуха для предварительной сушки входящего воздуха с помощью простого устройства без каких-либо движущихся деталей -- и спросили, в чем секрет его успеха, он ответил: «Я руководствуюсь правилом китайской кухни. Используй все. Снимай пенки».

Большинство инженеров предположило бы, что место для экономии энергии, затрачиваемой на кондиционирование, находится в «холодильнике», который охлаждает воду, поскольку это единственный потребитель энергии в системе охлаждения. Действительно, Ли сберегает треть энергии, главным образом увеличив размеры теплообменников в 3--10 раз (обычные теплообменники для этого чрезвычайно малы) и заставляя холодильный агрегат крутиться с нужной скоростью. Но это составляет только одну пятую от всего энергосбережения. Две пятых заключены в больших «приточных вентиляторах», которые подают в здание охлажденный воздух, а другие две пятых экономятся в насосах и вентиляторах градирни, рассеивающих тепло наружу.

Приточные вентиляторы Ли потребляют не обычную, считающуюся стандартной норму в 0,60 кВт/т, а лишь 0,061 кВт/т, т. е. на 90% меньше. Его насосы для подачи охлажденной воды расходуют не 0,16, а 0,018 кВт/т -- на 89% меньше. Его насосы для охлаждающей воды в конденсаторе, которые удаляют тепло из холодильников, потребляют не 0,14, а 0,018 кВт/т, т.е. на 87% меньше. Его градирни потребляют не 0,10, а 0,012 кВт/т -- на 88% меньше. Откуда берется эта почти десятикратная экономия энергии при улучшенных рабочих характеристиках?

Источник -- в здравом смысле, технике конструирования системы в целом, здоровом скептицизме по отношению к традиционной практике и в строгом применении часто игнорируемых общепризнанных технических принципов. Прежде всего, это безжалостное устранение трения, где бы оно ни проявлялось.

Пять вопросов «почему?»

Таиичи Оно, пионер бережливого и четко хронометрированного поточного производства на «Тойоте», разделял одержимость Генри Форда в том, чтобы избавиться от расточительства, и привычку Фрэнка Банкера Джилбрета докапываться до самой сути. Т. Оно писал: «За видимой причиной скрывается истинная. В каждом случае мы обязаны вскрыть истинную причину возникновения проблемы, задавая себе вопрос "почему?", "почему?", "почему?", "почему?", "почему?"». Джозеф Ромм приводит пример: «Почему остановилась машина? Была перегрузка, и вылетел предохранитель. Почему случилась перегрузка? Недостаточно был смазан подшипник. Почему? Плохо работал нагнетатель смазки. Почему? Сносился и дребезжал стержень нагнетателя. Почему сработался стержень? Не был поставлен фильтр, и внутрь попала металлическая стружка» (Ромм, 1994).

q Труба в первоначальной конструкции имеет слишком большое трение, так как она чересчур длинна и в ней слишком много изгибов. Это случилось потому, что инженер сначала скомпоновал оборудование, а затем соединил его трубами, которые должны были проходить по всевозможным углам и закоулкам, чтобы попасть из А в Б. (Монтажники труб не возражали: у них почасовая оплата.) Вместо этого давайте сначала проложим трубы, а затем разместим оборудование.

q Труба имеет большое трение, поскольку она внутри шероховата, а должна быть гладкой. Выбор правильного материала и чистовая обработка поверхности уменьшат трение в 40 и более раз.

q Труба к тому же слишком тонка. Проводимость трубы для воды примерно пропорциональна пятой степени диаметра. Если ее диаметр увеличить на 10%, трение уменьшится на 37%; если на 20%, то -- на 59%; если на 50%, то -- на 86%. Поэтому более толстые трубы почти устраняют трение. Это стоит чуть дороже, но первый проектировщик сопоставлял дополнительные затраты только со стоимостью сбереженной энергии и при этом использовал старые цены. Он забыл, что, поставив более толстую трубу, можно по крайней мере в 2 раза уменьшить размеры, а значит, и цену всех дорогостоящих деталей -- насоса, двигателя, инвертора, электрических устройств. Это лучше, чем чересчур тонкая труба.

q У трубы слишком много вентилей. Дело в том, что вода через некоторые части трубопровода протекает в меньшем количестве, чем нужно, и вентили увеличивают трение для того, чтобы направить избыточный поток на те участки, которые испытывают недостаток воды. Почему же просто не сделать все трубы достаточно большими? Тогда вода попадала бы туда, куда надо. Точно так же, как мы делаем провод достаточно толстым, чтобы подвести ток в нужные места, а не «распределяем» его с помощью реостатов.

q Вентили способствуют увеличению трения, потому что они не того типа, который нужен: никто этого не заметил. В результате течение становится неравномерным, и это, в свою очередь, требует установки дополнительных вентилей. И так далее.

То же происходит с приточными вентиляторами.

q Рассеивающие диффузоры, направляющие воздух в комнату, неэффективны. Кроме того, они создают шум и трение.

q Они соединены воздухопроводами, которые имеют резкие, а не плавные изгибы, слишком малы в диаметре и слишком длинны, потому что расположены не в нужном месте.

q Змеевики выполнены неправильно и поэтому охлаждают или осушают плохо, и трение воздуха в них в 20 раз больше, чем должно быть.

q Фильтры слишком малы, поскольку кто-то думал, что это делает их более дешевыми; в действительности же гораздо дешевле, с учетом времени эксплуатации, делать их большего размера. Тогда они будут служить значительно дольше. При этом трение становится почти незаметным.

q Для преодоления всех сил трения ставится мощный вентилятор, создающий слишком много шума и требующий установки глушителя, который привносит еще больше трения.

Разумеется, принципиальные усовершенствования, подобные этим, являются лишь началом процесса проектирования. Ли начинает с того, насколько большим должен быть поток. Затем ставит вопрос, насколько короткой, гладкой и изогнутой должна быть труба или воздухопровод, чтобы доставить этот поток. Затем находит вентилятор или насос, имеющий нужные размеры и характеристики для наиболее эффективной доставки потока. Затем достает самый лучший британский вентилятор или немецкий насос, чтобы устранить остатки неэффективной работы. Затем просчитывает в обратном направлении, против потока, механическую систему привода, двигатель, инвертор (который заставляет работать вентилятор на необходимой скорости, а не на более высокой), электрические устройства. На каждом этапе он избегает накопления потерь. Детали становятся меньше, проще, дешевле. Все это действительно очень просто, как все гениальное: надо только очень постараться.

В конструировании, как и везде, добродетель вознаграждается. Когда Ли сделал систему кондиционирования и все ее составные части в несколько раз более эффективными, уменьшилась необходимая величина теплоотвода (например, вся энергия, которую вентилятор сообщает воздуху для его движения, делает воздух более горячим и должна снова отводиться). Таким образом, вместо борьбы со все новыми и новыми недостатками системы кондиционирования не только сберегается энергия, но и уменьшаются размеры наиболее дорогостоящих компонентов --подобно тому, как в гиперавтомобилях (раздел 1.1) экономия, достигаемая благодаря уменьшению веса, нарастает как снежный ком. Составные элементы системы охлаждения становятся меньше и эффективнее, значит, они могут стать еще меньше и еще эффективнее.

Двигатели заставляют мир вращаться

Вентиляторами и насосами дело не кончается. Они приводятся в движение электродвигателями. Институт Рокки Маунтин в 1989 г. показал, как объединить 35 усовершенствований на участке между электрическим счетчиком и входным валом вентилятора, насоса или другого приводимого во вращение устройства. Усовершенствования касаются, в частности, размеров, технической эксплуатации и срока службы двигателей; систем, подводящих электрический ток к двигателю, и систем, передающих вращающий момент машине, которую он приводит в движение. В совокупности они позволяют сэкономить половину подводимой к двигателю энергии, даже без улучшения конструкции участков на дальнейшем пути потока (Хау и др., 1993). Эти сбережения окупаются за период чуть больше года. Заплатив за семь видов усовершенствований, вы получаете остальные 28 в качестве бесплатного приложения.

Для чего нужно это охлаждение?

Большинство американских офисов спроектировано таким образом, что на каждые 25--40 квадратных метров площади им требуется тонна охлаждения. Тем не менее после хорошей модернизации эта площадь обычно достигает 93 квадратных метров, а новые проекты, выполненные по последнему слову техники, приближаются к показателю в 112 квадратных метров, что примерно в 3--4 раза экономичнее. В то же время люди чувствуют себя более комфортно, а строительство всего здания стоит меньше благодаря соответствующему уменьшению количества оборудования для кондиционирования воздуха при затратах на всю систему порядка 3000 долларов за тонну (половина этой суммы уходит на воздухопроводы и трубы).

Достижения Ли Энглока поразительны. И все же они -- не конец пути. Ниже мы рассмотрим виды холодильного оборудования, которые эффективнее, чем громадные центробежные холодильники, и более разумные способы создания комфортных условий.

1.18 Рубежи кондиционирования воздуха

На превращение американских зданий из солнечных печей в большие электрические холодильники идет примерно 16% электроэнергии. Многие считают США самой холодной страной в мире в лет-нее время -- внутри помещений. Что еще хуже, в жаркий летний полдень на кондиционирование, составляющее около 43% пиковой нагрузки, работают более 200 гигантских (в тысячи мегаватт) электростанций, каждая из которых обходится в несколько миллиардов долларов.

Только в 1982 г. жители и компании города Хьюстона (Техас) заплатили 3310 миллионов долларов за «холодный воздух», что больше валового национального продукта 42 африканских стран. Подобная практика распространяется, что очень тревожно, на Восточную Азию, где потребление населением (которое быстро забывает о традиционных методах охлаждения) энергии на кондиционирование воздуха добавляет от 25 тысяч до 50 тысяч МВт пиковой нагрузки в год. Это потребует капиталовложений, крайне необходимых для решения других задач развития азиатского региона.

Так было не всегда. На протяжении по крайней мере восьми тысячелетий люди искусно устраивали свое жилище таким образом, чтобы избежать нежелательного тепла. От Турции до Туниса, от Кипра до Мальты, от Алжира до страны зулусов сложные системы пассивного охлаждения позволяли достигать комфорта, который сегодня «современные» здания в этих же районах едва ли могут обеспечить. Например, в XI--XII вв. в безоконных жилищах индейцев пуэбло на американском юго-западе поддерживалась температура, колебания которой были в 4 раза меньше колебаний температуры на открытом воздухе. На северном побережье Австралии в традиционных тропических домах поддерживается температура на 19°С ниже, чем снаружи. То же можно сказать о классических персидских и греческих домах. Систему пассивного кондиционирования воздуха имел целый римский город. Арабские шатры из козлиной шерсти являются чудом пассивного охлаждения.

Сегодня наука и техника располагают еще большими возможностями. Энергия на охлаждение помещений уменьшается почти в 100 раз только благодаря систематическому применению лучших современных методов (Хьютон и др., 1993).

Прохлада -- это отсутствие жары

Первый шаг -- не допустить жару в здание. Через суперокна в помещение проникает дневной свет, лишенный ослепительного блеска, и при этом почти полностью отсекается тепло. Дневное освещение и осветительные приборы улучшенной конструкции снижают необходимость охлаждения по меньшей мере в 10 раз. Тут же цель преследует эффективная оргтехника. В результате «тепловой вклад» осветительных приборов и офисного оборудования оказывается в 3 раза меньшим, чем то тепло, которое выделяет организм человека. Последнее уменьшить невозможно, разве что если попытаться снизить стресс и сократить лихорадочную деятельность. Не следует сбрасывать со счетов и усовершенствование холодильников, торговых автоматов, устройств для охлаждения питьевой воды, кофеварок и т. д. Все они окупятся в течение трех -- восьми лет, а замена окон практически сразу же.

В новом строительстве особое значение имеет и хорошая планировка. Построив дом нужной формы и сориентировав его в правильном направлении, можно сэкономить треть его энергии без каких-либо дополнительных затрат. Так, в одном административном здании ACT2 в Антиохии (Калифорния) общую энергетическую эффективность удалось повысить на 38% при затратах на шестую часть меньше того, что сэкономлено. Затенение, теплоотражающая отделка поверхности (вспомним побеленные стены домов в городах Средиземноморья) могут сочетаться с благоустройством участка, посадкой деревьев и созданием тени растительностью: одно большое дерево заменяет десятки комнатных кондиционеров. И в любом здании обычно помогают изоляция и уменьшение утечек воздуха.

Расширить оболочку комфорта

Ощущение комфорта зависит от того, как усердно человек работает, сколько тепла выходит сквозь его одежду, от радиационной температуры окружающих предметов, температуры, влажности и движения воздуха. Каждый из этих факторов определяет поиск возможностей для создания условий, в которых люди чувствуют себя удобно.

В совокупности эти простые мероприятия могут уменьшить потребность в охлаждении на 20--30%. Нужно также учитывать, что нервная система человека реагирует на дискомфорт не сразу. Правительство канадской провинции Альберта использовало это обсто-тельство следующим образом: в больших зданиях система кондиционирования во второй половине дня не включалась. В этом не было нужды, поскольку к тому времени, когда помещение нагревалось, люди уже уходили домой. Продолжительность работы холодильного оборудования сокращалась в 4--6 раз, что экономило много энергии и денег, но на дискомфорт никто не жаловался.