Энергосбережение

КОНЦЕПЦІЯ ТА МЕТОДИ ЕНЕРГОЗАОЩАДЖЕННЯ

КОНЦЕПЦІЯ ТА МЕТОДИ ЕНЕРГОЗАОЩАДЖЕННЯ

У БУДІВНИЦТВІ

(цемент, бетон, залізобетон)

Файнер, доктор технічних наук (НВФ "Композит", м.Чернівці)

Вступ

Україна сьогодні стоїть перед вирішенням однієї з найважливіших проблем - снергозаощадження у промисловості і будівництві. Постійний ріст цін на енергоносії ставить суспільство у складне економічне становище, коли треба вже фундаментально і остаточно розв'язувати дійсно найскладнішу господарську і науково-технічну задачу - економії енрергоресурсів. Споживаючи одні з найенергоємніших компонентів, цемент і метал, галузь витрачає тільки у матеріалізованій формі близько 12 млрд м³ газу. Очікуване підвищення цін на газ у 3-4 рази при сучасних методах господарювання і стані науково-технічних розробок може призвести до серйозної кризи у будівництві. Адже це у кінцевому результаті додаткове навантаження на собівартість продукції приблизно в 15 млрд гривень. Такий тягар не витримає ані гаманець наших громадян, ані бюджет країни.

За період після проведення нами в 1996 році у Чернівцях першої науково- технічної конференції [1] в галузі зроблені певні кроки щодо економнішого використання енергоресурсів, зокрема більш широке застосування інтенсифікаторів помелу, впровадження сепараторних млинів у цементній промисловості, хімізація бетону, тобто широке застосування енергозберігаючих модифікаторів [2, 3], удосконалення режимів і методів теплової обробки залізобетонних конструкцій, поліпшення обліку, зменшення господарських втрат енергоносіїв. І хоча запровадження деяких методів, наприклад, хімізації, супроводжувалось в окремих випадках застосуванням шкідливих для цементу і бетону речовин та багаточисельними авантюрними прожектами, а також помилками і прорахунками у нормативних документах, користь від новацій все ж таки була, а реальна економія від енергозаощаджувальних заходів сягала 10-15 млн гривень на рік. Багато це чи мало для масштабів країни - судити важко, але те, що напрям вибраний правильно, свідчать і суттєве підвищення рівня економічного мислення працівників галузі та ефективно діючі технологічні рішення, які пропонувались у доповідях конференції 1996 року та наукових працях [4, 5, 6].

Але рівень науково-дослідних і впроваджувальних робіт з енергозаощадження не задовольняє вимоги часу. І головним недоліком гут є відсутність чіткої й цілеспрямованої концепції снергозаощадження у галузі.

Методологічні принципи

Проблема енергозаощадження потребує, у першу чергу, системного підходу, який враховував би всі рівні енерговитрат у галузі та специфічні методи вирішення задач кожного рівня.

Нами запропонований полісистемниП, підхід до вирішення проблеми, який передбачає дослідження будівель і споруд як ієрархії системно-структурних рівней та їх взаємозв'язків, що трансформуються та розвиваються за принципом "система в систему" [7, 8]. Провідними принципами у розглянутому підході є уявлення про активні центри та енергетичні процеси кожного рівня, їх організацію та взаємодію. З розглянутих позицій і мети роботи у процесі будівництва можна виділити такі рівні:

- будівелыю-експлуатаційний;

- будівельно-технологічний;

- конструкційний;

- композитний;

- в'яжучий.

Активним центром будівельно-експлуатаційного рівня є будівля чи споруда, яка інтегрує матеріалізовані та поточні енерговитрати у процесі її будівництва та експлуатації, будівельно-технологічного - енергоємність процесу зведення об'єкта, конструкційного - арматури, бетону та технологічних етапів переробки матеріалів у конструкційний елемент. Активним центром композитного рівня є в'яжуче, а сам композит (наприклад, бетон) концентрує у своєму показнику матеріалізовані енерговитрати на в'яжуче, заповнювачі та добавки. Найнижчим системиоструктурним рівнем тут є в'яжуче, енергоємність якого становить від 50 до 100 кг умовного палива на І м³ бетону.

Для аналізу будівлі чи споруди як енергетичної системи треба виробити критерії, що відповідають поставленій меті. Звичайно, узагальнюючим критерієм тут є показник інтегральної енергоємності об'єкта (Е), який узагальнює всі (у т.ч. матеріалізовані) витрати енергоресурсів (2Еі) на одиницю споживчої якості (V):

її

E=EEi/V (1)

і=1

Одиницею споживчої якості може виступати об'єм, площа, довжина й т.п. Тобто, вимір цього показника у МДж (або в іншому фізичному вимірі) на 1 м³, І м² чи 1 км (наприклад, дороги). Але цей показник був би неповний, якби не враховував енерговитрати у процесі експлуатації будівель і споруд. Наприклад, можна витратити мінімум енергоресурсів на саму будівлю чи споруду, але втратити набагато більше у процесі її експлуатації. Тому інтегральним показником будівельно-експлуатаційного рівня є сумарні (приведені у часі) витрати на будівництво та експлуатацію будівель і споруд на одиницю корисної якості.

Слід ще раз підкреслити, що у державницькому підході до проблеми головним є не тільки прямі, а й матеріалізовані енерговитрати. Нагадаю сумнозвісний приклад з так званої "безпропарювальної" технології бетону, "завдяки" якій перевитрати енергоресурсів збільшились у кінцевому підсумку майже у 1,5-2 рази, а економіці були завдані збитки у мільйони гривень. Суть цієї авантюри полягала у тому, щоб завдяки перевитраті цементу на 80-120 кг/м³ (20-22 кг у.п.) та застосуванні супсрпластифікатора (4-6 кг у.п.) зменшити витрати пари на теплову обробку залізобетону на 60-80% (16-18) кг к.п. Це стосується і технології бетонних робіт у зимовий період. Наприклад, слід зважити, що вигідніші витрати 80-120 квт-год електроенергії на прогрів бетону, ніж відомі прогиморозні добавки, матеріалізована енергоємність яких становить 10-15 кгу.п.

Розглянемо детальніше основні критерії оцінки системно-структурних рівнів [7, 9], які наведені у табл. 1.

Аналогічно визначається і критерій композитного рівня. Наприклад, для бетону він визначається відношенням інтегральної енергоємності, який включає енергоємність цементу, заповнювачів, добавки та переробки до міцності або іншого показника якості.

Для оцінки конструкційного рівня критерієм є показник конструкційно- технологічної енергоємності, тобто відношення інтегральної енергоємності (суми енерговитрат на бетон, арматуру, форми чи опалубку та технологічний процес їх виготовлення) до показника якості, наприклад, несучої здатності, міцності, морозостійкості та т.п.

Пктс = Эк/R, (2)

де Пктс- показник конструкційно-технологічної енергоємності;

Эк - інтегральна енергоємність;

R - показник якості. З розглянутих позицій визначимо і узагальнюючі критерії ефективності системно-структурних рівнів.

Тобто, на підставі аналізу та узагальнення методів оцінки енергоємності будівництва прийнята полісистемна концепція, яка являє собою ієрархію системно- структурних рівнів об'єкта дослідження і формує специфічну системно-структурну організацію критеріїв ефективності від в'яжучого^будівельно-сксплуатаційного рівня, що переходять один в друге за принципом "система у систему".

Структурно-логічна схема запису досліджуваного об'єкта може бути здійснена розробкою багатоярусної ієрархії системи математичних моделей і реалізована за допомогою ЕОМ. Основними вимогами до отриманих кількісних залежностей є: відповідність меті і задачам дослідження, можливість розширення, поглиблення і надбудови без зміни основних принципів, гнучкість, можливість співвідношення різних рівнів та відносна їх самостійність, простота та адекватність. Саме за допомогою цих принципів нами на підставі багаторівневого

аналізу впливу основних факторів на властивості об'єкта дослідження проаналізовано енергетичну структуру виробництва та споживання цементів, енергоємність бетонів та залізобетонних конструкцій.

Структура виробництва та споживання цементів

Найближчим часом у країні очікується виробництво 15 млн т цементу на рік. Але при одній умові, якщо терміново будуть вжиті заходи щодо суттєвого зменшення енерговитрат на його виробництво і споживання. Інакше... Песимістичний прогноз такий, що при подорожчанні газу обсяги будівництва і виробництво цементу можуть знизитись на 15-20%. Але перед тим як давати такі прогнози, давайте запитаємо на цементних заводах і у будівельних корпораціях (а може, у Міністерстві будівництва), чи знають вони достеменно скільки ж цементу, якого виду та якої марки треба сьогодні або у перспективі. Гарантую, що такої обґрунтованої відповіді ви не отримаєте. Не знають вони, та й при сучасному стані науки знати не можуть. Але ж окремі види цементу різняться по своїй енергоємності у 1,5-2 рази, а класи та марки бетону у 2-2,5 рази. Скільки треба цементу марки 600, 500, 400 або 300, шлакопортландцементу чи сульфатостійкого, бездобавочного чи пластифікованого портландцементу - достеменно не знає ніхто, хоча, безумовно, у високих кабінетах міністерств і відомств та галузевих НДІ керівники з розумним виглядом доручать своїм співробітникам за тиждень відповісти на це запитання і отримають відповідь "зі стелі".

А може, на звичайне невігластво відповідь дасть ринок. Було б добре, але тільки якби він був науково обгрунтований і освічений. Але це далеко не так, бо у наших будівельних стандартах і нормах існують принципові неузгодження, помилки та прорахунки, а проектувальники, підстраховуючи себе і будівельників, завищують витрати та вимоги до бетону та арматури, виконавці або не знають, або свідомо йдуть на заниження чи завищення надійності і довговічності конструкцій, а якість будівництва, за великим рахунком, мало хто серйозно контролює. Візьміть, до прикладу, хоча б таке відоме масове явище, що для виробництва бетонів класів В7,5-В10 та розчинів марок 25-75 використовується до 20% цементів марок 400 і 500, з яких до третини бездобавочного чисто клінкерного марки 500, хоча для цього з успіхом можуть застосовувати пуцоланові та шлакові цементи марки 300, енергоємність яких у 2 рази нижча. А хто у нас в будівництві контролює обґрунтованість норм витрати цементу, складів бетонів та розчинів, чи як контролюється морозостійкість та водонепроникність виробів і за якими критеріями визначаються ці показники для цементів тощо?

Тож скільки і якого цементу нам треба на найближчі роки? Без чіткої відповіді на це запитання ми не тільки не зможемо планувати виробництво, а й постійно будемо перевитрачати 10-15% енергоресурів. Почнемо з потреби у цементах в залежності від структури споживання бетону. На перспективу, з урахуванням тенденцій до підвищення класів і марок, структура споживання має таку орієнтовну картину:

- будівельні розчини марок 25-75 та бетони класів до В10 включно - 24%

- бетони класів В15-В20 - 43%

- бетони класів В25- В30 - 22%

- бетони класів В40, F200 та вище - 2%

- дорожні бетони В 30 - В 40, F150-F300 - 9%.

Відповідно до цього прогнозу з урахуванням пори року та регіону мало б

плануватись і виробництво цементів. Так, наприклад, центральні та східні райони, де найвищі темпи будівництва, потребують більш високих класів бетону та, відповідно, більш високих марок цементу, південь, де більш агресивне середовище, - сульфатостійких портландцементів для мостів, доріг та гідротехнічних споруд

•змінного рівня води. Але ті ж центральні, східні та південні регіони споживають і найбільше будівельних розчинів марок 25-75, використання яких може на 90% задовольнити виробництво цементів марки 300, в якому економиться 50-70% клінкеру, тобто 40-60% енергоресурсів. Спробуємо проаналізувати інтегральну газоємність цементів і бетонів на підставі кількісних залежностей впливу основних факторів на показники їх фізико-механічних властивостей (табл. 2). Враховуючи те, що при виробництві портландцементу підвищення марки досягається, в основному, за рахунок більш інтенсивного помелу, слід додати до наведених енерговитрат для цементу М500 різницю у витраті електроенергії.

Наведений аналіз показує, що для найбільш масових будівельних розчинів та бетонів у літній період майже половину виробництва, особливо у центральних та південних регіонах, може становити шлакопортландцемент марок 300-400, що дозволить у масштабах галузі зекономити до 20% матеріалізованих енергоресурсів. Але враховуючи більш низькі темпи росту міцності при понижених температурах та недостатню морозостійкість, ці цементи не рекомендуються до застосування без прогріву у зимовий період, для гідротехнічних споруд у зоні змінного рівня води і, звичайно, для доріг і мостів. Тобто, оптимальна структура виробництва цементу має змінюватись у залежності не тільки від марок бетону, для яких він використовується, але й пори року.

Таким чином, знаючи питому енергоємність цементів різних видів і марок та маючи кількісні залежності впливу основних факторів на проектні вимоги до бетону, можна, в залежності від прогнозу обсягу будівельно-монтажних робіт і споживання бетонів та будівельних розчинів, планувати енергозберігаючу структуру виробництва цементів у різних регіонах країни. Науково-дослідна та моніторингова робота у цьому напрямку дозволить без додаткових капіталовкладень зменшити витрати у галузі на 400-600 млн м³ газу на рік.

Основні напрямки енергозаощадження

Думаю, не треба агітувати читача за енергозаощадження у будівництві, так само гадаю, що і керівники підприємств краще знають свої втрати енергоресурсів від безгосподарності. Не є секретом і довгострокові капіталоємні перспективи енергозаощадження за рахунок переходу на сухий спосіб виробництва цементів та заміни діючих на сепараторні млини, знаємо ми і про альтернативне паливо. Але тут треба застерегти, що сухий спосіб виробництва не завжди забезпечує високі показники однорідності сировини та корозійності і морозостійкості цементів. Аналогічні проблеми можуть виникнути і при переході на тверде паливо, не враховуючи те, що кожний цей захід вимірюється у десятки, а то й сотні мільйонів гривень.

Тож розглянемо наші актуальні проблеми з позицій відомих та нових положень у теорії цементів і бетонознавстві. Здавалось би, добре відоме забуте старе: 1% зниження вологості сировинних шламів економить 1,5% палива. Але вологість шламів на наших цементних заводах досягає інколи 42-44%. Зменшення вологості шламів хоча б до 36-38% дозволяє зекономити на 1 т цементу щонайменше 10-12 кг умовного палива, а в галузі до 120 млн м³ газу. Та не все гак просто, адже відомий розріджувач шламу JICT треба діставати аж з Півночі Росії, або Норвегії, і вся економія на газі виллється на іншому виді - дизельному паливі для транспортних послуг, та й сам розріджувач обійдеться дорожче, ніж отримана економія, адже витрати його сягають 0,2% від маси в'яжучого.

А чи немає в Україні розріджувачів шламів? Виявляється, є, і давно запатентовані, і багато років успішно використовуються, і дешевші, і не гірші, ніж імпортні [10]. А от використовуються мало, бо дешевий газ не стимулює їх широкого застосування. Тож - дочекались? І хочемо ми чи не хочемо, а доведеться використовувати УПСБ. Економія невелика - 11-14 м³ газу на І т цементу, та й, до того ж, половину енерговитрат забирає транспорт, але 50-60 тис. т умовного палива на рік - цс теж суттєва знижка.

Є в нас і інтенсифікатори помелу цементу, наприклад, та ж УПСБ, і нехай її витрати у 4-5 разів вищі від традиційного іноземного тріетаноламіну, проте дозволяє при рівній якості цементу зменшити витрати у 10-12 разів. Про цс свідчить багаторічний досвід ВАТ "Подільський цемент", "Миколаївцемент" та інших підприємств. То що ж заважає більш масовому застосуванню цього модифікатора, адже підвищення продуктивності млинів на 7-14%, міцності цементу на 10-15% і, відповідно, зменшення енерговитрат у процесі помелу та застосуванні в'яжучого - цс сутгєво?

Але, дійсно, нове - це добре забуте старе. Чому ми забули про пластифіковані та гідрофобні цементи? Чи не тому, що цемент сьогодні не дефіцит, проте енергоресурси стають дедалі дорожчими. Та й навіщо на невеликих підприємствах робити спеціальні установки і вводити в бетонну суміш пластифікатори (хоча на більшості таких підприємств вони зовсім не застосовуються), якщо можна заплатити цементному заводу на грившо-дві дорожче і отримати реальну економію 6-12% цементу, а цс 8-Ю м³ газу на 1 м³ бетону, або 20-25 м³ на 1 т цементу.

Поза увагою, на жаль, залишається така енергоємна ділянка, як випал клінкеру; розробка нових мінералізаторів випалу та застосування більш вогнетривких матеріалів дозволило б суттєво знизити енергоємність цементів.

Думаю, що треба повернутись і до більш широкого застосування золошлакових відходів, пилу електрофільтрів [11].

Суттєві резерви є і у виробництві бетонної суміші. Не будемо ще раз повторювати про факти безгосподарності, брудні заповнювачі тощо. Не будемо згадувати і про кандидатські та докторські дисертації, відповідно до змісту яких вже "наекономили" стільки цементу, що немає від нього куди тікати. Але нагадаємо, що цемент - це ті ж енергоносії, тільки у матеріалізованій формі. І нехай вас не дивує цифра (яку, звичайно, ми обгрунтуємо), що перевитрата цементу у будівництві становить 16-18%, - саме так!

Почнемо з обгрунтування складів бетону. Був би дуже здивований, якби хоча б на 1% підприємств з виробництва бетону побачив науково обгрунтовані склади бетону. Тож вибір складів бетону виконується, у кращому випадку, на рівні 60-80-х років. Цифра витрати цементу, яку ви побачите у дозувальних листах (якщо вона взагалі є?), взята з типових норм 1985 року (до речі, і у багатьох наших довідниках) СНиП 5.01.23-85, хоча у п. 1.2 вказано, що вони не можуть застосовуватись для призначення місцевих норм і робочих складів бетону. Нерідко для страховки додасться ще 5-10%. Майже на кожному підприємстві стоїть комп'ютер, але експериментально-розрахункові роботи на них не виконуються, скоріше, ЕОМ тут для меблів або як друкуючий засіб чи арифмометр. Звичайно, у такому режимі роботи лабораторія фізично не встигає змінювати дозувальні листи в залежності від коливань властивостей цементу, гранулометричного складу та вологості заповнювачів. Та й коригування складу бетону виконується часто "на око". Тільки на цій операції навіть при досвідченому керівникові лабораторії втрачається до 4% матеріалізованих енергоресурсів. Сучасними ж математичними методами та можливостями комп'ютеризації технологічних процесів абсолютна більшість спеціалістів на підприємствах не володіє, та й вчитись не хоче. Чи є сучасне вирішення цього завдання? Звичайно, є. Залежність властивостей бетонної суміші і бетону від основних факторів визначається простими адекватними математичними моделями [12, 13]. Вводячи в комп'ютер оперативні характеристики властивостей компонентів, можна навіть кожну годину отримувати дозувальні листи, техніко- економічний аналіз, матеріальний звіт та рух матеріалів по складу.

Слід відзначити, що за останні роки дещо вдосконалені режими теплової обробки. І тут доцільне було б запровадження режимів з попередньою витримкою

о о

при 20 С до 16 год, плавним підйомом температури до 45-60 С та ізотермічною витримкою за рахунок екзотермії цементу ' [6]. Та й ще старі будівельні

норми СНиП 3.09.01-85 (п. 1.5), якими ми до цього часу успішно користуємося, передбачають і безпрогрівне виробництво збірного залізобетону, застосування, окрім пари, альтернативних джерел енергії. Хоча тут треба застерегти щодо можливого пересушування важких цементних бетонів та несумісності температурних деформацій твердіючого бетону і металу форм чи опалубки.

Окреме питання - більш широке застосування добавок. На жаль, більшість електролітів, які сьогодні використовуються під різними торговими марками, мають побічні негативні наслідки, зокрема хлориди, сульфати і сульфіди. Масове руйнування дорожніх та тротуарних покриттів, опор ЛЕГІ, каналізаційних і гідротехнічних споруд за останні роки - це все, у більшості випадків, є результатом застосування хлоридів та відходів сіркоочистки коксового газу. На жаль, жодна з добавок не може замінити підвищення тонкості помелу цементу, хоча, безумовно, добавки ефективних пластифікаторів і суперпластифікагорів, зменшуючи водовміст бетонної суміші, є одночасно і прискорювачами твердіння бетону. Це перевірені часом С-3, JTCT, УПСБ, "Дофен", які дозволяють знизити матеріалізовані енерговитрати на 10-20%. Перспективними, на наш погляд, але такими, що вимагають додаткової перевірки, є вітчизняні розробки "Біопласт", "Амкероз", ПФС та інші. Цікавий принцип поєднання пластифікаторів, прискорювачів твердіння та протиморознйх компонентів втілений у розробці модифікатора "Антилід" [14]. Але не можна не прогнозувати, що при суттєвому подорожчанні енергоносіїв не з'явиться спокуса у використанні заборонених прийомів прискорення тверднення бетонів, зокрема хлоридів та сульфат- і сульфідпродуктів, бо така масова спроба вже була у 1992-1996 pp., що призвело до широкомасштабних руйнувань будівельних виробів і конструкцій [15].

Принципово нові можливості в енергозаощадженні відкриває розрядно- імпульсна технологія бетону [16], зміст якої полягає в активації цементно-водних суспензій високовольтним електричним розрядом. На відміну від відомих методів електромагнітної та ультразвукової обробки, тут використовуються мікровибухи з енергією на кілька порядків вище, що дозволяє активувати золи, шлаки та навіть нерозчинні у воді продукти. Новий метод може бути застосований і у приготуванні сінтонів, тобто структурних заготовок стовбурних кристалів, які не тільки прискорюють твердіння, а і підвищують міцність бетону на розтяг. Така технологія при її доопрацюванні не тільки знизить витрату цементу на 15-25%, а й дозволить повністю відмовитись від теплової обробки залізобетонних конструкцій.

Якщо з цементом і бетоном все ясно і зрозуміло й немає сумніву у реальних можливостях зниження їх енергоємності на 25-35%, то з арматурою все набагато складніше. При відсутності державних норм розрахунку конструкцій ніяка агітація до ресурсозаощадження не переконає проектувальників і виробничників у безпідставності перестраховки. Без вирішення цього завдання залишається під сумнівом і питання більш широкого застосування високоміцних бетонів у стиснутих елементах конструкцій. Адже перехід від бетону класів В20-В25 до В40- В60 дозволяє знизити металоємність конструкцій на 15-25%, а їх матеріалізовану енергоємність на 12-18%.