Для того, чтобы охарактеризовать процесс производства, передачи или потребления энергии, оценить потенциал энергосбережения на различных объектах (установка, цех, предприятие, жи­лой район, регион, государство), обосновать правильность выбора энергосберегающих мероприя­тий применяются критерии энергетической эффективности.

Вспомним, что означает понятие «критерий». Критерий — это некоторая, достаточно общая харак­теристика процесса, которую можно выразить в численной форме. Критерий должен обладать универсальностью. Например, критерий Рейнольдса, представляющий собой отношение сил инерции к силам вязкости в потоке жидкости, характеризует гидродинамические потери на трение а также теплообмен при течения различных жидкостей в потоках различной геометрии при раз­личных температурах, давлениях и т. д.

Когда мы имеем дело с энергией, мы должны рассматривать различные физические процессы — ее выработку, преобразование, хранение, передачу на различные расстояния и наконец, потреб­ление. Применяемые на практике виды энергии — тепловая, электрическая, механическая — отли­чаются по своим свойствам. Физические процессы производства и потребления энергии также очень многообразны: это сжигание топлива, плавление, термическая обработка металлов, различ­ные способы обогрева зданий, выпаривание, сушка, перегонка, ректификация и многие другие. Очевидно, что для описания всего этого многообразия процессов придется использовать не один, а много различных критериев.

Отметим, что если рассматривать деятельность человека в целом, то наибольшие нерациональ­ные потери энергии наблюдаются при ее потреблении. При выработке и транспортировке потери энергии меньше. Именно потребление энергии, в промышленности, сельском хозяйстве, в быту и в общественной деятельности представляет главный резерв энергосбережения. Из этого следует, что наибольший интерес представляют критерии энергетической эффективности, связанные с по­треблением энергоресурсов.

Определение показателя энергоэффективности дано в Федеральном Законе «Об энергосбере­жении».

Показатель энергоэффективности — абсолютная или удельная величина потребления или потери энергетических ресурсов любого назначения, установленная государственными стандартами.

Цель показателей эффективности использования энергии — установка ориентиров, к которым нужно стремиться, выявление слабых мест в расходовании энергии, определение резервов.

Один из таких ориентиров — теоретически необходимое количество энергетических ресурсов для проведения того или иного процесса. Теоретически необходимые затраты тепловой энергии для получения механической энергии можно определить через термический КПД цикла Карно. Затра­ты тепла на нагрев детали перед термической обработкой вычисляются как произведение разно­сти начальной и конечной температур на теплоемкость и массу материала детали. Затраты на плавление металла — как произведение удельной теплоты плавления на его массу и т. д.

Однако использовать этот ориентир на практике не всегда представляется возможным поскольку теоретические затраты энергии по разным причинам бывает трудно определить.

Пример: В сушильной установке затраты тепла на сушку материала не могут быть всегда выра­жены только через теплоту парообразования. Известно, что существует энергия связей влаги и материала, которые может иметь различную физическую природу. Влага может удерживаться ка­пиллярными силами, силами сорбции, могут возникать химические связи, как в кристаллогидратах и т. д. Тогда для удаления влаги до конечного состояния могут потребоваться дополнительные затраты энергии, количество которых зависит от вида материала, его первоначальной влажности и

Т. д. То же касается разделения в ректификационной установке многокомпонентной смеси, с неиз­вестными свойствами.

Тем не менее, поскольку теоретические затраты тепла на испарение влаги близки теоретическим затратам тепла на сушку их часто используют для характеристики эффективности процесса.

Критерий часто не полностью отражает эффективность процесса использования энергии, а лишь дает информацию для его анализа.

Пример. Годовое потребление тепловой энергии на отопление населенного пункта, отнесенное к единице отапливаемой площади, не говорит об эффективности использования энергии, посколь­ку неизвестна средняя температура воздуха и длительность отопительного периода.

Основные типы используемых критериев и показателей.

На практике используются большое количество различных критериев критериев, которые приме­няются в различных случаях. Основные типы критериев — термодинамические, натуральные, эко­номические. Некоторые из них приведены в таблице 1.

Термодинамические критерии.

В качестве такого критерия можно использовать:

♦ термический КПД циклов тепловых двигателей (циклы паротурбинных, газотурбинных, па­рогазовых установок, двигателей внутреннего сгорания) и холодильных машин.

♦ Натуральные критерии оценки эффективности использования энергии на промышленных предприятиях.

♦ Удельный и совокупный удельный приведенный расход условного топлива.

♦ Индикаторы (частные критерии) эффективности использования энергии на объектах жи­лищно-коммунального хозяйства.

♦ Экономические критерии оценки эффективности использования энергии

Формы используемых критериев эффективности использования энергии на промышленных пред­приятиях очень многоообразны. Часто это поределяется видом получаемой продукции, ее но­менклатурой, степенью использования собственных и внешних источников энергии, потребления вторичных энергетических ресурсов, выделения внутреннего тепла в технологических процессах (например, теплоты экзотермических реакций) и т. д.

Следует иметь в виду, что процесс с наилучшими энергетическими характеристиками не всегда является выгодным экономически.

Пример: Трубопровод, по которому передается вода можно покрыть слоем дорогостоящей изоля­ции и свести к минимуму тепловые потери, однако стоимость такой изоляции может не окупиться за весь срок ее службы.

В этом случае в качестве критерия, характеризующего меры по энергосбережению используются экономические критерии. Эти критерии имеют первостепенное значение поскольку эффективное использование энергетических ресурсов (согласно ГОСТ) — это достижение экономически оправ­данной эффективности использования энергетических ресурсов при существующем уровне разви­тия техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды.

Наиболее распространенным из них является срок окупаемости энергосберегающего мероприя­тия.

В расчете срока окупаемости учитываются капитальные затраты — стоимость используемых мате­риалов и оборудования, проектных работ, монтажа, пуска в эксплуатацию и эксплуатационные за­траты: например, затраты на обслуживание установленного энергосберегающего оборудования, его ремонта, расходных материалов, топлива и энергии на его работу и т. д. Через определенное время стоимость экономии энергетических ресурсов станет равна стоимости капитальных и экс­плуатационных затрат. Тогда говорят, что достигнут срок окупаемости.

Пример: В системе теплоснабжения установлен тепловой насос, позволяющий получать горячую воду за счет повышения потенциала тепла сточных вод промышленного предприятия. Капиталь­ные затраты включают работы по проектированию теплонасосной установки, стоимость монта­жа, наладочные работы, пусковые испытания. Эксплуатационные затраты включают — стоимость обслуживания теплонасосной установки, стоимость электрической энергии на привод компрессо­ра, стоимость теплоносителя, теряемого в процессе ремонтов и эксплуатации, стоимость допол­нительной электроэнергии, необходимой для прокачивания теплоносителя через испаритель и конденсатор теплового насоса.

При расчете капитальных и эксплуатационных затрат необходим учет инфляции, а также измене­ния стоимости энергетических ресурсов (а также стоимости обслуживания) за время эксплуата­ции. Поскольку уровень инфляции и будущую стоимость энергетических ресурсов не всегда мож­но предсказать заранее, на практике используются прогнозы развития ситуации — например, пес­симистичный, реалистичный, оптимистичный, каждому из которых соответствуют свои значения тарифов. Далее срок окупаемости рассчитывается по каждому из этих прогнозов.

Современная приведенная стоимость (net present value) — другой не менее важный экономический критерий. Он представляет собой разность полученной экономии и суммарных затрат на прове­дение того или иного энергосберегающего мероприятия на рассматриваемый момент времени. При этом стоимость затрат и экономии берутся в дисконтированном виде, то есть с учетом инфля­ции. До наступления срока окупаемости чистая приведенная стоимость отрицательна, после — по­ложительна.

В отличие от срока окупаемости современная приведенная стоимость зависит от момента време­ни в который мы ее рассматриваем и может быть представлена в виде табличной или графиче­ской зависимости. Характер этой зависимости зависит от уровня инфляции и от будущей цены на энергоресурсы, поэтому для ее построения используются прогнозы развития ситуации на рынке энергоресурсов.

Как срок окупаемости, так и современная приведенная стоимость обычно зависят от большого количества технических, стоимостных и других показателей, в частности от режима работы уста­новки, ее конструкционных параметров.

Пример: Срок окупаемости сушильной установки зависит от уровня температур и расхода су­шильного агента, определяющего режим сушки. Срок окупаемости теплообменника для утилиза­ции тепла вытяжного вентиляционного воздуха зависит от площади поверхности теплообмена, степени оребрения поверхности и других конструктивных параметров.

Экономические критерии могут быть оптимизированы за счет подбора оптимальных значений ре­жимных и конструкционных параметров процесса с использованием соответствующих математи­ческих методов. При этом можно получить значительный экономический эффект.

Подробнее эти и другие экономические критерии будут рассмотрены в главе, касающейся эконо­мической оценки эффективности энергосберегающих мероприятий.