Полный текст книги хокен П., Ловинс э-, Ловинс X

Рис. 3

Имеются два главных способа достигнуть результата "больше за меньшую цену". Первый заключается в том, чтобы интегрировать в проекте целый комплекс мер. При этом каждая мера дает многократные выгоды, например и сбережение энергии, и снижение стоимости оборудования [361, 452]. Второй способ состоит в использовании усовершенствований, сделанных в других случаях и для других целей, например для реконструкции устаревшего оборудования, обновления фасадов старых зданий или устранения таких опасностей как фреоны. асбест и полихлорди-фснилы. Эти два подхода, которые могут также быть объединены, основываются не на каких-то таинственных новых технологиях, а на правильном использовании хороню известных технических решений. Хорошо обученный инженер будет руководствоваться следующими тремя заповедями:

• Оптимизировать нужно систему в целом.

• Всё измеримые выгоды должны быть учтены.

• Правильные шаги хороши в нужное время и в нужной последовательности.

Большинство инженеров согласилось бы с этими принципами в теории, но на практике их учили поступать иначе. Возможно, схема слишком проста. (Как однажды сказал журналист Эд-

нард Р. Мерроу. "незаметные вещи мы всегда рано или поздно замечаем; чтобы заметить очевидное, по-видимому, требуется несколько больше времени".) Туннслирование через финансовый барьер требует не изменения в том, что мы знаем, а переноса наших знаний в новые модели - модели, которые могут привести к таким богатым и разнообразным инновационным проектам как гиперавтомобиль, сверхэффективные пассивные здания, система добрососедства "Новый горожанин". Этот перенос может в конечном счете достигнут!' масштаба промышленности, города или общества, но он должен начаться немедленно, на более низком уровне: в здании или на фабрике, и даже ранее - в их учредительных системах и подсистемах. В данной главе обсуждается проектирование именно на таких низких уровнях, относящихся к оборудованию и инфраструктуре. Следующая глава посвящена более широким применениям этого подхода на производстве и для развития промышленности.

Интегральное проектирование дает многократные выгоды

Двигатели потребляют три пятых мировой электроэнергии. Более всего они используются для перекачки, здесь сосредоточена по крайней мере пятая часть их полной мощности. Почти каждая фабрика или крупное здание заполнены огромными насосами, часто работающими круглосуточно. В промышленных насосах основная часть энергии двигателя фактически затрачивается на борьбу с трением. Но трение можно уменьшить, более того -почти устранить, если рассматривать не индивидуальный насос, а откачивающую систему в целом, частью которой он является.

В 1997 г. ведущий американский производитель ковров -компания Интерфейс - строила фабрику в Шанхае. Один из производственных процессов требовал применения 14 насосов. При оптимизации проекта специалисты известной западной фирмы определили, что мощность всех насосов должна составлять 95 л.с. Но свежий взгляд инженера компании Интерфейс голландца Яна Шилхэма, применившего методы сингапурского эксперта по эффективности Ли Энглока¹, позволил сократить мощность насосной системы до всего лишь 7 л.с. - экономия составила 92%, или 12 раз, при этом капитальные затраты уменьшились, а характеристики проектл улучшились во всех отношениях.

¹ Ли Энглок - технический директор компании "Supersymmetry Service". 26 Aver Rajah Crescent #05/02, 139944 Singapore, 65/777-7755. fax 779-7608.

\163\

Во-вторых, Шилхэм сначала прокладывал трубы, а затем устанавливал оборудование, т.е. действовал в обратном порядке по сравнению с традиционным монтажом насосных систем. Обычно оборудование устанавливают в некоторых удобных произвольных местах, а затем рабочий по монтажу трубопровода получает указание соединить точку А с точкой В. Труба часто должна преодолеть всевозможные повороты и изгибы, чтобы соединить друг с другом узлы оборудования, которые располагаются слишком далеко друг от друга, неправильно сориентированы, установлены на неправильной высоте и разделены другими приборами. Избыточные изгибы и избыточная длина труб повышают трение в системе приблизительно в 3-6 раз по сравнению с тем, каким оно должно быть. Рабочие-монтажники трубопровода не возражают против дополнительной работы; они получают почасовую оплату, их дело установить и закрепить трубы, а стоимость насосов или производственные расходы их не волнуют.

Прокладывая трубы перед размещением оборудования, которое эти трубы должны соединять, Шилхэм смог сделать трубы короткими и прямыми, а не длинными и изогнутыми. Это позволило ему добиться минимального трения и выбрать даже еще меньшие и более дешевые насосы, двигатели, инверторы и детали электропроводки.

\164\

Шилхэм был поражен тем, как он и его коллеги в течение десятилетий могли игнорировать такие простые возможности. Его новый подход к конструированию требовал, как любил говорить изобретатель Эдвин Ланд, "не столько новых идей, сколько отказа от старых идей". Старая идея состояла в том, чтобы "оптимизировать" только часть системы — трубы — только по одному параметру - энергия, потребляемая насосами. Шилхэм, напротив, оптимизировал всю систему по множеству параметров — снижение энергии, потребляемой насосами, плюс экономия капитальных затрат. (Он не стал оценивать в явном виде упомянутые косвенные выгоды, но мог бы сделать это.)

Такая оценка стоимости всей систем в течение её жизненного цикла, в которой все выгоды за длительный период должным образом принимаются во внимание, является общепризнанной в принципе, но почти всегда игнорируется на практике. Вместо этого отдельные компоненты обычно рассматриваются в изоляции друг от друга. Проектирование окна без здания, освещения без комнаты или двигателя без механизма, который он приводит в движение, дает столь же плохие результаты, как проектирование пеликана без рыбы. Оптимизация компонентов в изоляции друг от друга ведет к плачевным результатам для системы в целом и, следовательно, должна быть отброшена. Вы можете фактически сделать систему менее эффективной при повышении эффективности каждой из её частей, просто неправильно соединив эти компоненты. Если они не разработаны так, чтобы работать совместно друг с другом, они будут иметь тенденцию работать друг против друга.

При улучшении проекта химического завода обратили внимание на большой насос, функция которого заключалась в подаче жидкости в трубу. Поскольку эта задача была очень важной, требовался смежный идентичный запасной насос. Проектировщик изобразил рядом два идентичных прямоугольника, обозначающих два насоса. От каждого прямоугольника вверх шла линия, обозначающая трубу. Две линии, согнутые под пря-

\165\

мыми углами, шли навстречу друг другу, соединялись и вновь поворачивали вверх в виде общей выходной трубы, причем каждое из трех плеч Т-образного сочленения содержало вентиль. На чертеже это было изображено достаточно ясно. Неприятность состояла в том, что установка была построена в точном соответствии с чертежом.

Эта новая схема трубопровода, как и переосмысление Шил-хэмом его насосной системы, требует изменения менталитета при проектировании. Если такое изменение происходит, оно обычно становится необратимым. Инженер, осознавший столь простую и притягательную идею, едва ли когда-либо станет снова использовать традиционные прямоугольные изгибы и тонкие, скрученные трубы - по крайней мере не станет к этому стремиться. И это преобразование в менталитете проектировщика открывает путь к другим нововведениям: расположение оборудования - только первый шаг к уменьшению трения а трубопроводной системе, а трение - только одна из сил, которую должны преодолевать насосы.

Традиционно некачественные проекты часто передаются от поколения к поколению, иногда в течение столетий, потому что известно, как они работают, они всегда под рукой, легко копируются и редко подвергаются сомнению. История стандарта на ширину рельсовой колеи в США, составляющую 56,5 дюймов

\166\

Экономить значительную энергию или любой другой ресурс с низкими затратами - всё равно что кушать омара. Чтобы сделать это успешно, нужны знания анатомии омара в целом и внимание к деталям. У него есть большие, заметные куски мяса в хвостовой части и передних клешнях. Имеется также примерно столько же вкусных кусочков, скрытых в сочленениях. Чтобы их извлечь, требуются квалификация и настойчивость, но игра стоит свеч. Подход, описанный в главе 5 и позволивший отказаться от обогрева и систем охлаждения как в доме Дэвиса, так и в штаб-квартире Института Рокки Маунтин, напоминает "целого омара". Обе постройки располагаются в экстремальных климатических условиях, отличающихся друг от друга на 70° С, но их характеристики не хуже, чем у обычных зданий, а строительство обходится дешевле². Их успех обусловлен объединением отдельных деталей с важным основным принципом, который состоит в отказе от рекомендаций, содержащихся практически в каждом учебнике, о том, как выбирать основные модули для зданий с низким энергопотреблением. Эти учебники советуют вам усилить изоляцию, купить окна с меньшими утечками тепла и более эффективные электроприборы, но все оценки сводятся к тому, сколько энергии каждый из этих индивидуальных компонентов сэкономит за какое-то время. Но это - рекомендации по проектированию отдельной стены или отдельного окна, а не дома в целом. Для дома в целом такой подход дает неправильный ответ. Америка построила здания стоимостью 6 трлн долл., тепловая эффективность которых спроектирована на основе ошибочных методов.

Ошибка аналогична той, которую Шилхэм обнаружил при выборе диаметра трубы: подсчет стоимости сэкономленной энергии как единственной прибыли игнорирует дополнительную

² Точнее гоноря, строительство дома Дэниса стоило бы дешевле, если бы это был рядовой проект, а не уникальный научный эксперимент. Стронтсльсттю дома Ловинсов в 1983 г. действительно стоило дешенлс с учетом экономии 99% энергии на отопление, не говоря уже о других видах экономии.

\167\

Полностью застекленная офисная башня недалеко от Чикаго площадью 18 600 кв. м нуждалась в замене окон, которые прослужили 20 лет и начали протекать, так как изоляция отслужила свой срок. Мощная система кондиционирования воздуха также требовала реконструкции, т.е. замены движущихся частей и применения нового хладагента вместо фреона, разрушающего озон. Анализ показал, что применение системного подхода к реконструкции может резко улучшить комфорт и повысить в 4 раза энергетическую эффективность при таких же затратах, как в случае обычной реконструкции. Суперокна, широкое использование дневного света и эффективное осветительное и конторское оборудование могли уменьшить нагрузку на систему охлаждения (за исключением тепла, выделяемого персоналом) на 85%. Это в свою очередь позволяло установить оборудование для охлаждения, размеры которого были в 4 раза меньше первоначальной системы, эффективность в 4 раза выше, а стоимость - на 200 000 долл. ниже. Этой суммы было достаточно, чтобы оплатить другие усовершенствования. Ежегодный счет на оплату энергии при этом уменьшился бы на 75% или на 12 долл. на 1 кв. м в год, конкурентоспособность на местном рынке с точки зрения арендной платы повысилась бы по крайней мере в 10 раз. Четырехкратное повышение энергетическо-

\168\

го КПД при значительном повышении комфорта, эстетических характеристик и снижении арендной платы стоило бы, по существу, столько же, сколько и стандартная реконструкция, которую, тем не менее, собирались осуществить. (Добавочная стоимость нового подхода окупилась бы за минус пять - плюс девять месяцев) [344, 495]. Ко времени, когда около 100 000 американских стеклянных офисных зданий, требовавших такой реконструкции, будут модернизированы, новое поколение подобных сооружений примерно такой же численности достигнет возраста реконструкции. Если вышеупомянутое здание было типично во всех отношениях (не слишком плохая аппроксимация,), то переход от обычной реконструкции всех крупных офисных башен США к реконструкции нового типа мог бы экономить приблизительно 45 млрд долл. в год.

Решение состоит в анализе системы в целом при пристальном внимании к деталям. Тщательное рассмотрение часто обеспечивает более двух выгод на каждую технологию. Не удивительно, что суперокна отличаются десятью техническими и экономическими выгодами. Они включают комфортные тепло-пые условия, отказ от батарей отопления под окнами, уменьшение трубопроводов, лучшую защиту от шума и ультрафиолетовых лучей, отсутствие конденсации влаги, лучшее дневное освещение и более простые.регуляторы. Некоторые общепринятые технологии дают даже больше выгод: например, для высокоэффективных электромоторов и электронных балластных нагрузок таких выгод восемнадцать. Эти многократные выгоды были продемонстрированы в самых разных приложениях [37, 342, 360, 361]. Они играют решающую роль в чрезвычайно экономичных проектах: часто делают суперокна наиболее важной технологией для сооружения высокоэффективных, удобных и

\169\

более дешевых зданий, дают возможность всесторонней модернизации электромоторов и систем освещения, что при использовании в общенациональных масштабах могло бы при минимальных затратах сохранить до половины всей потребляемой в США электроэнергии [360, 361].

Инженерное искусство, направленное на повышение эффективности ресурсов, в значительной мере основано на использовании полезных взаимодействий между определенными узлами конструкции, так, чтобы земные блага продолжали умножаться, как в Библии. Наилучший способ добиться этого - мысленно вернуться назад, вверх по течению в системе. Например, в типичной промышленной перекачивающей системе, показанной на рис. 4, происходит такое накопление потерь, что около сотни единиц органического топлива в типичной силовой установке затрачивается на производство электроэнергии для питания регуляторов и электромотора, который сообщает крутящий момент насосу, а в результате только десять единиц топлива, вытекает из трубы -коэффициент потерь достигает 10.

Но достаточно изменить направление процесса накопления десятикратных потерь, как это сделано в приводе гиперавтомобиля, и вместо потерь происходит накопление десятикратной экономии. Иными словами, экономия одной единицы энергии в нижнем течении (например, благодаря уменьшению потока или

Рис. 4. Типичная промышленная перекачивающая система

Рисунок взят из- Dtivepower Technology Alias. С разрешения Е SOURCE, www.esoutce.com.

\170\

Это накопление сбережений дает значительный экономический и экологический выигрыш без увеличения капиталовложений: действует тот же самый принцип, который используется в гиперавтомобиле, чтобы превратить уменьшение сопротивления воздуха и трения качения в большую экономию топлива. Эффект накопления также позволяет уменьшить, упростить и удешевить каждый последующий компонент по мере движения против течения. Это в свою очередь означает, что экономия я нижнем течении дает максимальный выигрыш. Причина проста. В цепи последовательных усовершенствований все сбережения умножаются, поэтому кажется, что они арифметически равнозначны. Однако экономическое значение энергосберегающей меры будет зависеть от её положения в цепи. Чем ниже по течению имеет место экономия, тем больше выигрыш, так как это позшляет уменьшить размеры оборудования в верхнем течении, т.е. сэкономить не только энергию, но также и капитальные затраты. Следовательно, нужно начинать с экономии в нижнем течении, чтобы сберечь больше денег.

Продумывание системы, начиная от нижнего течения к верхнему, — это частный случай более общего правила: делайте правильные вещи в правильном порядке. Например, если вы собираетесь реконструировать ваши осветительные приборы и ваш кондиционер, начните с освещения, тогда вы сможете использовать менее мощный кондиционер. Если вы будете действовать в обратном порядке, вы оплатите более мощный кондиционер, чем вам понадобится после модернизации освещения, к тому же он окажется менее эффективным, потому что будет работать с неполной нагрузкой или слишком часто включаться и выключаться. Подобная логическая последовательность характерна для таких обычных проектов повышения эффективности, как улучшение офисного освещения [3611 или обеспечение комфорта в жаркую погоду [106. 262]. Если вы будете делать правильные вещи в правильном порядке, чтобы максимизировать их благоприятные взаимодействия, ваше потребление энергии сведется к минимуму: каждый следующий шаг будет делать свой вклад и каждое усовершенствование позволит сэкономить часть того, что осталось после предыдущего шага. Арифметика этих сомножителей дает замечательные результаты.

Эффективное распределение воздуха, поступающего из системы вентиляции от пола к потолку, - это еще один пример сис-

\171\

темы, обеспечивающей многократную выгоду благодаря продумыванию начиная от нижнего течения к верхнему. Действительно, правильно спроектированная система подачи воздуха дает много дополнительных преимуществ:

более эффективно направляет свежий воздух к телам людей и особенно к их носам;

сводит к минимуму трение, от нижнего течения (вентиляционные решетки) до верхнего течения (трубы, фильтры, глушители, вентиляторы):

позволяет уменьшить размеры вентиляторов, их регуляторов и источников питания, сделать их более эффективными, оптимизировать их с учетом новых эксплуатационных условий.

Система вентиляции воздуха в свою очередь взаимодействует с другими системами в здании: суперокнами, осветительными приборами, системами охлаждения и множеством элементов конструкции. Например, меньшие вентиляторы нагревают воздух меньше, поэтому можно уменьшить производительность системы охлаждения, а значит, и размеры вентиляторов.

Специалист мирового класса в области новых подходов к проектированию систем перекачки жидкости и кондиционирования воздуха сингапурский инженер Ли Энглок обучался тем же самым техническим принципам, как и другие инженеры. Он покупает оборудование в тех же компаниях и ищет данные в тех же справочниках. Однако его проекты обычно приблизительно в 3-10 раз более эффективны, обеспечивают лучший комфорт, а их реализация стоит меньше. Ключ - в том, как он думает. Он вылавливает и устраняет трение и потери любых видов, от нижнего течения до верхнего, из конца в конец. Чтобы сберечь землю {которая очень дорого стоит в Сингапуре), он упрощает и уплотняет планировку завода, так чтобы он занимал меньше места, но был проще в эксплуатации. Место, деньги, металл, энергия, время, слова - он использует ровно столько каждого ресурса, сколько нужно, где надо, когда надо и как надо. Каждая затрата и каждый результат измеряются, а не определяются на глазок. Энергия расходуется бережливо, затем вновь улавливается и многократно используется, пока почти ничего не остается. Когда Ли однажды поздравили в связи с изобретением особенно остроумного способа использовать отработанный воздух из здания

\172\

для предварительной сушки поступающего свежего воздуха, без чатрат энергии и применения каких-либо движущихся частей, он ответил: "Я руководствуюсь правилом китайской кухни. Используй всё. Снимай пенки".

\173\