18 ДЕКАБРЯ / 2020
ПЕРСОНА

Энергетический аудит. АВААК-эффект

Бурцев Сергей Иванович : «Люди приходят слушать музыку, а не вентилятор»


В Санкт-Петербурге в Зоологическом переулке располагается бизнес-центр «Энергия» площадью 22 тысячи квадратных метров. Его построила для себя компания «Газпромнефть». Здание современное, проект отличный, но в процессе эксплуатации выяснилось, что его автономная котельная расходует слишком много газа, из-за чего «Газпромнефть» регулярно платит штрафы.

Что обычно делают, когда хотят добиться экономии энергопотребления? Меняют лампочки на светодиодные. Однако расчеты по созданной энергетической модели здания показали, что если на внутреннее освещение тратится 150 мегаватт/часов в год, то на увлажнение воздуха паром, которое происходит только зимой в течении полутора месяцев, — 175 мегаватт/часов в год. Еще больше, 250 мегаватт/часов в год, потребляют работающие в здании вентиляторы.

Составивший модель «энергетический» аудитор «вычислил» критические точки инженерной системы здания и нашел малозатратные технические способы экономии газа. Так, у вентиляторов максимальный КПД по аэродинамической схеме достигается, когда лопатки повернуты назад относительно воздуховода. В таком положении они потребляют минимум электроэнергии при максимальном эффекте. Но не все компании, видимо, знают об этом и предпочитают менять лампочки на светодиодные.

В создании таких энергетических моделей и последующей разработке и внедрении комплекса решений и заключается работа компании из Санкт-Петербурга «Бюро техники». Ее управляющий партнер, доктор технических наук и профессор Сергей Бурцев на рынке высокотехнологичных услуг уже 30 лет. «Любой владелец здания старается решить две задачи: снизить затраты и повысить качество внутренней среды, —
поясняет Сергей Бурцев. — Особенно это актуально для помещений, которые строились еще в советское время. Цеха судостроительных заводов, например, строили в 70-е годы, когда киловатт электроэнергии стоил 2 копейки, а не 5 рублей, как сейчас. Поэтому тратить большие деньги на тепловую устойчивость здания тогда не считали нужным. Сегодня же ресурсы стоят дорого. Энергетические модели, которые мы создаем, позволяют выявить 'узкие' места всей инженерной системы здания и оптимизировать их работу с небольшими затратами».

— Сергей Иванович, о каких цифрах экономии идет речь?

— Минимум 25% энергоэффективности, максимум — 50%. Если за энергопотребление вы платите, допустим, миллиард рублей в год, то экономия составит не менее 250 миллионов в год. При этом улучшается качество внутренней среды. Президентский указ 2008 года требует снижения энергоемкости на 40%. Не все знают, как это сделать. Мы же можем смоделировать, рассчитать и предложить варианты. Например, в аэропорту постоянно работают вентиляторы. Если в вытяжном воздуховоде поставить датчик углекислого газа, он будет регулировать подачу воздуха в помещения в зависимости от потока людей. Когда залы пустые, система упадет до 20% производительности и постепенно будет увеличивать ее по мере заполнения залов людьми. Подобную систему можно наладить в производственных помещениях, торговых центрах и кинотеатрах. А то ведь вентиляция работает на 100% и в полном кинозале, и когда в нем сидит всего пять зрителей. Единственный человек, кто в этом кровно заинтересован, — финансовый директор. Он платит за электричество 12 млн рублей в год, а может платить на 3 млн рублей меньше. Наша компания спроектировала и построила все системы вентиляции, кондиционирования, отопления, холодоснабжения, водоснабжения и водоотведения в «Экспофоруме» на Пулковской горе, работаем во дворце Нарышкиных на Фонтанке, где сейчас старый фонд музея Фаберже. Ставили систему кондиционирования в концертном зале Мариинского театра. Вместе с одним придирчивым японцем, который считается одним из лучших акустиков в мире, долго добивались, чтобы система не шумела. Ведь люди приходят слушать музыку, а не вентилятор.

— Какие современные инженерные инструменты, помимо тех простых решений, о которых вы говорили, используются сегодня для создания нужного микроклимата в производственных помещениях?

— У нашей компании 17 патентов на разные технологические решения, но наибольшим потенциалом для промышленного применения, на мой взгляд, обладает АВААК-эффект. Это явление аномально высокой амплитуды автоколебательного процесса при истечении жидкости через отверстие, перекрытое арочным элементом. Этот эффект обнаружили еще в 1972 году, а в 2015 году мы окончательно объяснили физику этого гидродинамического процесса. У АВААК-эффекта есть существенные преимущества перед другими технологиями диспергирования (распыления) жидкостей и много применений в разных отраслях. Имеющиеся на рынке установки создают водный спрей со средним диаметром капель 11 микрон при рабочем давлении 140 атмосфер. Диаметр канала распылительного сопла у таких устройств очень мал — 0,1-0,15 микрон, и под таким огромным давлением все минеральные соли в воде выпадают в осадок внутри канала и перекрывают его. Даже если проводить глубокую водоподготовку, деминерализацию воды, сопло все-равно рано или поздно зарастет. В устройстве на основе АВААК-эффекта перепад давлений не велик и проблем с выпадением осадка нет. Даже если вода имеет минерализациею 1000 мг на литр (уровень, максимально допустимый для воды питьевого качества), отверстия зарастать не будут.

ВРЕЗ

Как работает АВААК-эффект

Истечение жидкости через прямоугольное отверстие с аркой в плоскости, разделяющей зоны высокого и низкого давления, происходит в режиме мощного автоколебательного процесса. Его создают, поджимая друг друга, два встречных потока перед отверстием. Частота автоколебаний очень высокая — от 500 до 5000 Гц. В этом режиме число Вебера может быть намного больше значения 360 (от 1000 до 3000), при котором наступает катастрофическое разрушение объема жидкости. Она превращаются в облако микрокапель со средним диаметром 13-15 микрон при давлении всего 5-10 атмосфер.

Без использования АВААК-эффекта микрокапли такого диаметра получаются в высоконапорных системах распыления воды с рабочим давлением 70-140 атмосфер.

— Какие применения могут быть у устройств на основе АВААК-эффекта?

— Возьмем газовую турбину мощностью 300 мегаватт (турбину Siemens, например), в которой круглосуточно и круглогодично распыляется 12 кубометров (12 тонн) воды в час. В теплый период, с апреля по сентябрь, еще больше. Иначе потери мощности могут составить 20-30%. За такую заметную величину надо бороться, это известная в мире проблема. Есть много исследований на эту тему. Самым эффективным методом борьбы считается диспергирование воды в районе третьей ступени осевого компрессора газотурбинной установки. Главный недостаток метода в том, что такое вмешательство в работу дорогой установки может сократить ее плановый ресурс. Мы же считаем, что испарять воду нужно вне турбины — в окружающей среде, воспроизводя природный дождь. В теплый период года такая система охлаждает турбину на 5-15 градусов и повышает за счет этого ее мощность. Помимо мощности возрастает также КПД турбины, что удешевляет выработку одного киловатта электрической мощности. Учтем еще, что распылительную установку на АВААК-эффекте не нужно постоянно обслуживать — чистить форсунки, заниматься водоподготовкой.

Вторая точка применения испарительного охлаждения — различные химические, нефтехимические и газохимические производства. На них широко применяются аппараты воздушного охлаждения с использованием вентиляторов. Мы же предлагаем распылять воду, но не на поверхность аппарата, а в зону всасывающего факела. По пути вода испаряется, и в аппарат воздух приходит охлажденным. Так, на газокомпрессорных станциях газопроводов природный газ можно охлаждать минимум на 20 градусов.

Еще одно полезное свойство АВААК-эффекта — мощная интенсификация массообмена в области автоколебаний. Эффект можно использовать, например, для очистки бензина и дизельного топлива от серы. Сейчас для этого используют сложные технологические процессы с высокими температурами и давлением, тысячекратным циркулированием водородсодержащих жидкостей в поле катализаторов. Если же топливо пропустить через арочный элемент в присутствии водорода, под аркой установится автоколебательный процесс (с частотой около 2000 Гц) и водородсодержащая жидкость будет активно взаимодействовать с продуктами серы. Это значительно удешевляет и упрощает процесс.

— В последнее время мощной индустрией стало строительство и эксплуатация центров обработки данных (ЦОД). Внутри таких центров поддерживается микроклимат со строгими требованиями по температуре и влажности. Могут ли использоваться установки на АВААК-эффекте для охлаждения ЦОДов?

— Да, мы много работаем в этом направлении. Ведь к 2025 году емкость хранения цифровых данных достигнет одного йотабайта (1024 байт). В 47 раз больше, чем сегодня! В серверных необходимо поддерживать определенные параметры внутренней среды. Сегодня для охлаждения воздуха массово используются электропотребляющие парокомпрессионные холодильные машины. По сути, обычный холодильник, но мощностью 200-300 ватт. На долю холодильников приходится 40-50% общей электрической мощности серверов. Вот, например, Facebook построил в 2011 году в Огайо ЦОД на 27 тыс. киловатт, в котором используется испарительное охлаждение. С высоким давлением на 140 атмосфер и тщательной водоподготовкой. Но в установке на АВААК-эффекте будет достаточно всего 5-8 атмосфер, а воду можно использовать обычного питьевого качества — и мощность потребления охлаждающей инфраструктуры снизится с 40-50% до 5%. В Южной Корее сейчас разрабатывают ЦОД на 200 мегаватт (200 тысяч киловатт). Мы обсуждаем с ними возможность применения наших решений на основе АВААК-эффекта.

Интервью записала и подготовила Александра Морозова

Энциклопедия промышленности России