сколько стоит в нефтерублях отопление нашего дома взгляд

Сколько стоит в нефтерублях отопление нашего дома: взгляд геофизика
Опубликовано в сокращенном виде в газете: «Строительство и бизнес», № 10 (50),
октябрь 2004 г., стр. 14 под заглавием: «Сколько стоит отопление (взгляд геофизика)»
Земцов А.Н.,
Институт истории естествознания и техники им. С.И.Вавилова
Российской академии наук
Чем измеряют тепловую энергию?
Мы платим за то, что можно измерить. Как измеряют количество тепловой энергии для отопления жилого помещения и чем
оно отличается от, например, расхода бензина или калорийности пищи?
Первые попытки измерения количества теплоты начались в конце 18 века и в середине 19 в. завенчались успехом: в
работах англичанина Дж.Джоуля было установлено (поначалу с невысокой точностью) количественное соотношение между
теплотой и механической работой.
Кто такой Джоуль? Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), английский физик, с 1850 г. – член Лондонского Королевского
общества, владелец пивоваренного завода близ Манчестера. В 1843 г. он впервые показал, что теплота может быть
получена за счет механической работы, и к 1850 г. определил (тоже впервые) так называемый «механический эквивалент
теплоты», то есть, говоря современным языком, соотношение между калорией тепла и киловатт-часом.
До конца 19 в. для измерения количества тепла пользовались калориями, величина которой определялась как количество
теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. В СССР с 1934 по 1957 г. применялась так
называемая 20-градусная калория, основанная на измерениях в диапазоне 19,5 – 20,5 градуса Цельсия. На 1-й
Международной конференции по свойствам воды и пара в 1929 г. в Лондоне была впервые введена международная
килокалория, как 1/861,1 часть киловатт-часа. На международной конференции по свойствам водяного пара 1956 г. было
окончательно принято решение об отказе от калории и переходе к новой единице – абсолютному джоулю, который позднее
вошел в Международную систему единиц СИ.
Метрическая система мер была введена во время Великой Французской революции в 1795 г., основана она была на единице
длины - метре (его эталон изготовили из платины в 1799). В 1875 г. в Париже 17 странами (включая Россию) была
подписана Метрическая конвенция, которая Постановлением СНК в 1918 г. была признана имеющей силу (то есть
обязательной) для России, а позднее - для СССР.
В 1889 г. на 2-й Международной конференции электриков был введен джоуль в качестве единицы работы и энергии
электрического тока. С 1960 г. мировая цивилизация перешла на Международную систему единиц СИ – состоялась этакая
«глобализация» мер, весов и систем измерений. Единственной единицей (производной) для измерения работы, энергии и
количества теплоты в этой системе является джоуль. В нашей стране вскоре был введен ГОСТ «Единицы физических
величин». Сегодня 1 калория (внесистемная единица) точно равна 4,1868 джоуля.
Для нашей темы важное значение имеет киловатт-час. Ватт – единица мощности, названная по имени изобретателя первой
эффективной паровой машины Джеймса Уатта (1736-1819, патент 1769 года), «кило» означает тысяча. Слово мощность
происходит от слова «мощь», что значит «могущество, сила» – это способность генерировать энергию, в том числе
тепловую. Мощность имеет размерность (энергия/время) – по смыслу это скорость (интенсивность) генерации энергии или
работы. С учетом того, что час содержит 3600 секунд, нетрудно подсчитать, что 1 квт-час равен 3,6 миллиарда джоулей.
Добавим для автомобилистов, что 1 лошадиная сила (способность «средней лошади» генерировать мощность) считается
равной в нашей стране 736 ваттам, а, например, в США и Англии – 746 ваттам. Так что наш отечественный 100-сильный
двигатель вырабатывает 73,6 кВт мощности, а американский – 74,6 кВт.
Несколько десятилетий назад развитые страны мира перешли на учет работы и энергии в киловатт-часах. Сегодня в нашей
стране в документах быв. Госстроя также фигурирует эта единица. В среднем на жителя Земли приходится 1,5 – 2 кВт
доступной потребляемой мощности. В нашей стране энерговооруженность жителя примерно вдвое выше среднемировой.
Известна и средняя цена киловатт-часа на мировом рынке: 4-5 центов США. То есть источник энергии мощностью 1 кВт
производит ее на сумму 4-5 центов в час или (учитывая, что 1 год = 8766 часов) 351-438 долларов в год.
Масштаб расхода тепловой энергии на отопление
В журнале «Энергосбережение», №5, 2001 опубликована статья вице-президента АВОК В.И.Ливчака, в которой говорится:
«Здания, сооружаемые, например, в Москве начиная с 2000 года, имеют показатель удельного расхода тепла на отопление
110–130 кВт•ч/м2 для этажности в 9–5 этажей и 95–80 кВт•ч/м2 для большей этажности. Это соответствует германским
требованиям о тепловой защите 1995 года – 59–85 кВт•ч/м2, что в пересчете с числа градусосуток Германии (3 500) на
российские условия составит 85–120 кВт•ч/м2». Учтите: в приведенном отрывке надо принимать «кВт-час на кв.м в год».
На жителя нашей страны приходится в среднем 20 кв.м жилой площади (с учетом мест общего пользования). Отопление ее
при умеренном расходе тепловой энергии (100 кВт-час на кв.м в год или 4-5 долларов США на кв.м в год) - составит расход
в 80-100 долларов США на каждого жителя (или на всю страну до 15 млрд.долл. США в год). (учтите, что считаем мы в
ценах электроэнергии). И это при очень эффективном расходе тепла или при хорошем энергосбережении. В реальности
расходуется в два-три раза больше тепла! Среднему жителю страны требуется для отопления своих 20 кв.метров 2000 кВтчасов в год или 2000/8766 = 230 ватт тепловой мощности только на отопление.
Действующими документами предусмотрен учет среднего тепловыделения тела самого жителя – около 10 Вт/м2,
тепловыделений бытовой и оргтехники – также 10 Вт/м2 (см. СНиП 23-02-2003). При нашем расчете эти величины
требуется прибавлять к реальным затратам тепла на отопление, что примерно удвоит цифру расхода тепла.
Масштаб расхода энергии на вентиляцию
Жилое помещение необходимо вентилировать. Основные требования к интенсивности воздухообмена рассмотрены в статье
Е. Г. Малявиной, С. В. Бирюкова, С. Н. Дианова «Воздушный режим жилых зданий» (журнал «АВОК», № 6, 2003).
Правильная вентиляция требует или подачи (притока) 3 м3/час воздуха на 1 м2 площади помещения или, в других
единицах, – коэффициент воздухообмена (или норма притока), должен равняться 1 в час, что означает, что за один час все
количество воздуха в объеме помещения (площадь, умноженная на высоту помещения) должно обновляться.
Насколько надо нагревать воздух при подаче для вентиляции? Для Москвы число градусоток равно примерно 5000, при 200
сутках отопительного сезона типичная (средняя в течение суток) разность температур наружного и внутреннего воздуха (до
+8 °С) равна 5000/365 = 13,7 °С. Мы определили число градусов , на которые надо нагревать воздух при подаче в здание
или помещение.
Сколько «стоит» нагреть 1 м3 воздуха (теплоемкость воздуха 1,0045 • 103 Дж/кг • Кельвин, масса 1 м3 воздуха равна 1,2928
кг)?
Напомним, что так как в среднем по России приходится 20 м2 на жителя, для обеспечения воздухообмена (правильной
вентиляции) требуется прогонять в час 60 м3 воздуха на каждого жителя, нагревая его на 13,7 °С, что обойдется в
60 • 1,0045 • 103 • 1,2928 • 13,7 Дж в час или
1067,5 • 103/3600 Вт = 296,5 Вт.
На самом деле, воздух требуется нагревать до комфортной температуры среды помещения, равной 18 °С, то есть не на 13,7
°С, а на 23,7 °С, что значительно увеличит оценку расхода тепла на вентиляцию. Но в СССР отопительный период
определялся температурой наружного воздуха, равной +8 °С.
Сравним количество воздуха, вентилирующего жилое помещение с тем, что требуется для дыхания человека.
Количество воздуха, вентилирующее легкие в 1 мин, называется минутным объемом дыхания (МОД) и составляет у
взрослого человека в покое 5-8 л/мин (см. БСЭ-3, т. 8 (1972), статья «Дыхание»). Приняв за типичное значение 6 л/мин,
получим 0,36 м3 воздуха в час, что означает, что для обеспечения дыхания человека требуется воздуха в 167 раз меньше
(60 м3 /0,36 м3 = 167), чем по требованиям воздухообмена для целей вентиляции типичного помещения. На самом деле, это
- кажущееся соотношение, так как без вентиляции воздух, пригодный для дыхания, быстро исчерпается.
Оценим энергию движения воздуха. Требования комфортности ограничивают скорость движения воздуха величиной 0,2
м/сек (БСЭ-3, т. 13 (1973), статья «Кондиционирование воздуха»). Для движения (на каждого жителя) 60 м3 воздуха в час
со скоростью 0,2 м/сек понадобится mv2/2 = ½ • 1,29 • 60 • (0,2)2/3600 сек = 0,00086 Вт или около 10-3 Вт мощности,
величина очень малая по сравнению с затратами энергии на нагрев этого же количества воздуха.
Что такое расход мощности в 296,5 Вт в течение года на помещение площадью 20 кв.м? Пересчитав, получим, что это
составляет 130,1 кВт-час на м2 в год.
Учет влажности воздуха увеличит оценки расхода энергии.
Сравним полученные цифры
В итоге получаем, что на тепловое обеспечение 20 кв.м.жилой площади среднего жителя требуется в единицах мощности
(как минимум):
230 ватт – на отопление,
более 296,5 ватт – на вентиляцию.
Исходя из того очевидного факта, что вентиляция и отопление элементов конструкции здания совместно работают на
создание комфортных температурных условий в жилом помещении, получаем, что заведомо более 500 ватт на среднего
жителя составляют необходимый энергоминимум.
Интересно сравнить площадь жилого помещения среднего жителя России (20 кв.м., включая места общего пользования) с
площадью земли, которую подобный средний житель занимает в городской аггломерации. В районах плотной городской
застройки можно принять среднюю этажность равной 5, что означает, что на уровне поверхности земли 20 кв.м жилой
площади приходится на пятерых, или один житель занимает 4 кв.м площади земли. В Москве плотность населения (исходя
из площади города в пределах кольцевой автодороги около 900 кв.км и населении 10 млн человек) составляет 11 тыс.
человек на кв.километр, или на жителя приходится 91 кв.м площади городской агломерации (с учетом офисных и
промышленных зданий, парков, магистралей и пр.). Величины площадей (20 и 91 кв.м) сравнимы по порядку величины, а в
районах города с наиболее высокой плотностью населения, возможно, равны или даже первая цифра выше второй, то есть
возникает «заселение вертикальных уровней». Видно, что можно говорить о создании единой искусственной среды в
пределах городской агломерации: замкнутых объемов с контролируемыми параметрами среды (температурой, составом и
влажностью воздуха). Слияние подобных отдельных объемов в единый объем – вопрос времени.
Как считать в нефтерублях?
Перейдем к подсчетам в нефтерублях (или нефтедолларах).
Нефтяной баррель равен 159 литрам и стоит от 20 до более 40 долларов США. При плотности нефти 900 кг/м 3 баррель
весит около 143 кг. Килограмм условного топлива составляет 7000 ккал/кг = 29,3 МДж/кг, тепловой (калорийный)
эквивалент для отечественной нефти равен 1,4 , то есть 1 баррель отечественной нефти эквивалентен почти 200 кг
условного топлива.
Для устойчивой выработки 1 кВт мощности требуется в секунду сжигать условного топлива на 1000 джоулей или 1/29300
долю килограмма условного топлива, то есть 1/29,3 грамма условного топлива. Вроде немного, но в год (в году 31,6
миллиона секунд) понадобится 1077 кг условного топлива, или округленно 1 тонна условного топлива или 5 баррелей
отечественной нефти.
Дальше читатель сможет вести расчеты самостоятельно, исходя из цен на нефть на мировых рынках.
Выводы:
1. Отопление и вентиляция 20 кв.м жилого помещения (включая места общего пользования), приходящихся на «среднего
жителя» России требуют, как минимум, затрат 0,5-1,0 кВт мощности, что эквивалентно расходованию до 1 тонны (5
баррелей) отечественной нефти на каждого жителя страны в год;
2. Вентиляция жилого помещения обходится энергетически дороже отопления элементов конструкции здания, хотя затраты
энергии на вентиляцию неявно учитываются в оценке общих затрат энергии на отопление;
3. Средний поток тепла из недр планеты через ее поверхность оценивается приблизительно величиной 0,05 ватт/м 2
(«Физические величины», Энергоатомиздат, 1991). При плотности населения в Москве 11 тыс. человек на кв.км (что
эквивалентно 11•10-3 чел/м2) и расходе мощности 1 кВт на человека только на цели отопления и вентиляцию, плотность
генерации тепловой энергии в пределах территории Москвы составит 11 Вт/м2, что в 220 раз выше естественного потока
тепла из недр Земли. Следуя идеям великого русского ученого В.И.Вернадского (1863-1945), в таких проявлениях
энергетического потенциала следует видеть значение цивилизации уже как «геологической силы».
Дополнение один:
Полезно проиллюстрировать величину расхода энергии 100 квт-час на кв. м в год. Учитывая, что 1 час содержит 3600 сек,
следовательно 1 кВт-час равен 3,6 миллиона джоулей, а год содержит 31,56 миллиона секунд, получим 100 кВт-час/(м2 •
год) = 11,3 Вт/м2. Интересно, что по порядку величины полученное значение совпадает с величиной энергозатрат на
освещение помещения лампой накаливания. Отметим, что затраты энергии при использовании люминесцентного источника
света примерно в 5 раз ниже, что оправдывает переход на подобные источники в развитых странах (у нас такие лампы
стоят непривычно дорого и окупают себя за длительный срок, по опыту автора – около 1000 часов свечения требуется для
окупаемости энергосберегающей лампы) .
Вывод: намечается следующая последовательность энергозатрат - освещение (видимый свет), отопление (инфракрасный
нагрев или отопление теплоносителем), вентиляция (тепло газа или воздушное отопление).
Дополнение два:
О расходах топлива для выработки энергии двигателя. Одни из лучших показателей были достигнуты в СССР на
тепловозных и судовых двигателях: около 200 г.усл.т. на кВт-час (БСЭ-3, т. 25 (1976), с. 51, 446). 200 г. у.т. соответствуют
5,86 МДж или КПД = 3,6/5,86=61,4%. Однако, требует отдельного анализа метод измерения мощности двигателя.
Современный автомобиль мощностью 74 л.с. (или 100 кВт) при расходе 8 л топлива на 100 км, что соответствует (с учетом
плотности бензина и теплового эквивалента) примерно 10 кг условного топлива, расходует за час движения 293 МДж на
100 кВт-часов или 2,93 МДж на кВт-час или 100 г усл.топлива на 1 кВт-час. Интересно, что кажущийся КПД оказывается
выше 1 (2,93 МДж энергии условного топлива дают 3,6 МДж кажущейся энергии двигателя), что говорит об условности
подхода: при устойчивом движении «по трассе» двигатель не развивает максимальной паспортной мощности. Однако, как
способ оценки потребительских качеств товара (автомобиля) подобный подход абсолютно верен!