Д-р тех. наук Гажур А.А.
РЭУ им. Г.В.Плеханова
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КАРТА МИРА КАК ОДНА ИЗ ОСНОВ МАКРОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ
В статье предлагается ввести безразмерную характеристику любой точки земной поверхности с точки зрения энергообеспеченности для поддержания человеческой жизни. Эту характеристику (критерий) предлагается сделать основой единой сертификации всей земной поверхности для последующего эффективного макроэкономического планирования.
In the article it is proposed to introduce the dimensionless the characteristic of any point of the earth's surface from the point of view of energy supply for sustain human life. This characteristic (criterion) it is proposed to make the basis of the unified certification of the whole of the earth's surface to subsequent effective macroeconomic planning.
Земля, как место, где развивается человеческая цивилизация, представляет собой космический объект с конечными характеристиками. Кроме того, эти характеристики достаточно дифференцированы. От раскаленного ядра ( по современным представлениям) до практически абсолютного нуля относительно недалеко от поверхности. Тем не менее, как космическое тело Земля вполне ординарна. Но как место, в котором человек, чрезвычайно ограниченный по параметрам своего существования, должен находиться, Земля является достаточно экстремальным объектом.
Практически на подавляющей по величине площади поверхности планеты, человек без технических приспособлений существовать не способен. Не касаясь биохимических и других особенностей поддержания жизни, хотелось бы остановиться на достаточно узкой, но существенной области. А именно, что требуется человеку для поддержания в произвольный момент времени в течение года температурного поля, обеспечивающего выживание, в любой точке поверхности планеты?
Для такой оценки энергетической эффективности поверхности планеты с точки зрения нахождения в этой точке человека, необходимо выбрать некую идеальную модель или существующие условия, нахождение в которых на Земле для человека комфортно с современной точки зрения. Говорить об оптимальности невозможно, учитывая крайне ограниченные знания о человеке вообще.
Поверхность Земли представляет собой совокупность поверхности почвы и выделенных элементов поверхности, снабженных ограждениями, то что называется домами, зданиями и т.п.. В этих огражденных элементах в течение различного, в зависимости от местности, промежутка времени поддерживается пригодное для существования человеческого организма температурное поле.
Рассмотрим минимально возможное ограждение, позволяющее создавать и поддерживать требуемое температурное поле. Таким ограждением будет являться минимальный дом, который, как известно, носит название одежды.
Представим идеальную модель такого минимального дома. Это теплоизолирующий слой толщиной х1 и воздушная прослойка между теплоизолирующим слоем и телом х2. Такая двуслойная конструкция должна покрывать все тело. Напомним, что вопросы метаболизма, для которых полное ограждение неприемлемо, не рассматриваются.
Для введения относительных характеристик сведем данную модель к предельным значениям. Это значит, что и толщину прослойки и толщину теплоизолирующего слоя представим стремящимися к нулю, а величину коэффициента теплопроводности теплоизолирующего ограждения будем считать некоторой константой. Такая модель пригодна для сравнительного описания нахождения человека в любой точке на поверхности Земли. Она позволяет определить мгновенные, максимальные, минимальные и годовые средневзвешенные потоки теплоты через такое минимизированное ограждение.
Возьмем за комфортную некоторую температуру воздушной прослойки между теплоизолирующим ограждением и поверхностью тела человека То.
Для получения, например, годовой оценки энергетической эффективности данной точки поверхности Земли возьмем средневзвешенную за год температуру окружающей среды над этим местом Тx. Для удельной оценки используем максимальную по модулю средневзвешенную температуру на поверхности земли, так как человеку равно некомфортны и пронизывающий холод и испепеляющее тепло. Отношение удельного количества теплоты из уравнения теплопередачи для единицы оцениваемой поверхности к удельному количеству теплоты из уравнения теплопередачи для единицы земной поверхности с экстремально плохими условиями и даст нам величину критерия энергетической эффективности единицы площади земной поверхности:
L = kx  ( Tx – To ) / kex ( Tex – To ) (1),
здесь
L – величина критерия энергетической эффективности;
kx – коэффициент теплопередачи от воздушной прослойки между телом и ограждением к окружающей среде в исследуемом месте земной поверхности, Вт/( м2К);
kех – коэффициент теплопередачи от воздушной прослойки между телом и ограждением к окружающей среде в экстремальном месте земной поверхности, Вт/( м2К);
Tx - средневзвешенная за год температура окружающей среды над исследуемым элементом земной поверхности, К ;
Tx = ( Тi  i ) / (i ) (2),
i – принятый элементарный временной диапазон;
To - комфортная температура воздушной прослойки между теплоизолирующим ограждением и поверхностью тела человека, К;
Tex - средневзвешенная за год температура окружающей среды над экстремально холодным или жарким элементом земной поверхности, К.
Анализ уравнения (1) показывает, что энергетически наихудшим местом на Земле будет, естественно, выбранное экстремальное место с величиной критерия энергетической эффективности L = 1. Наилучшим – место с постоянной комфортной температурой, не требующей, вообще говоря, никакого ограждения L = 0.
Таким образом, каждому элементу поверхности Земли может быть сопоставлено число в диапазоне от нуля до единицы, отражающее энергетическую эффективность элемента земной поверхности с точки зрения энергетических затрат для создания температурной среды, пригодной для существования в этом месте человека – энергоэффективная карта Земли.
Разумеется, общую картину температурного поля Земли дает карта, на которой указаны среднегодовые температуры. Однако, такая карта не позволяет провести оценочные расчеты, позволяющие получить величины энергозатрат, требуемых для поддержания жизни в данной местности, относительно таких затрат для других других мест. А, например, для нашей страны, такая оценка чрезвычайно существенна, так как до производства какой-либо продукции, возникает необходимость произвести достаточно крупные затраты просто для того, чтобы что-либо, произведенное в данной местности имело изначально равные условия при организации любого производства.
В этом случае необходимо произвести сравнительную оценку, скажем, двух территорий. Введем характеристики двух территорий.
Первая территория: L1, k1, T1 – критерий энергоэффективности, коэффициент теплопередачи, средневзвешенная годовая температура.
Вторая территория: L2, k2, T2 – критерий энергоэффективности, коэффициент теплопередачи, средневзвешенная годовая температура.
В случае разных значений критерия их можно уравнять, увеличив в большем критерии величину теплоизолирующего слоя (в общем случае считающейся бесконечно малой). Другими словами, в холодной местности – увеличить толщину стен дома.
Приравняем величины критериев, для определения корректирующей величины:
L1 = f (L2) (3)
Более подробно, это будет выглядеть так:
k1( T1 – To )/ kex( Tex – To )=k2( T2 – To )/ kex( Tex – To ) (4)
При этом k1 = f1 (  /  ).
Раскроем величины коэффициентов теплопередачи:
( T1 – To )/(  11 -1 + 1/ 1 + 12 -1 )= ( T2 – To )/( 21 -1 + 22 -1 ) (5),
здесь
11 – эквивалентный коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности ограждения к окружающей среде в первой местности, Вт/(м2К);
12 – эквивалентный коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности ограждения к воздушной прослойке между ограждением и телом в первой местности, Вт/(м2К);
21 – эквивалентный коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности ограждения к окружающей среде во второй местности, Вт/(м2К);
22 – эквивалентный коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности ограждения к воздушной прослойке между ограждением и телом во второй местности, Вт/(м2К);
1 – толщина слоя теплоизоляции в первом случае, м;
1 – коэффициент теплопроводности теплоизоляции в первом случае, Вт/(мК).
Окончательное выражение для величины дополнительного уравнивающего территории теплоизолирующего слоя ограждения будет следующим:
1 = 1 [( 21 -1 + 22 -1 ) ( T1 – To ) ( T2 – To )-1 - 11-1 - 12 -1] (6)
Проиллюстрируем вышесказанное на примере. Допустим, мы рассматриваем две территории. Одна находится на широте Москвы, другая – в Риме. Возьмем следующие значения:
Т0 = 298 оК ( +25 о С) – комфортная температура ( в непосредственной близости от тела); T1 = 278,8 оК ( +5,8 о С) – среднегодовая температура в Москве; T2 = 293 оК ( +20 о С) – среднегодовая температура в Риме.
Для упрощения вычислений возьмем все величины коэффициентов теплоотдачи одинаковыми, например. ii = 10 Вт/(м2К), а в качестве материала ограждения рассмотрим кирпич: 1 = 0,7 Вт/(мК). Подставим численные значения в уравнение (6) и получим 1 = 0, 4 м.
Таким образом, даже такая, достаточно грубая оценка, не учитывающая, например, экстремальные зимние температуры, требующие дополнительных мер, показывает, что при прочих равных условиях , предварительные затраты на начало какой-либо аналогичной деятельности в Москве требуют предварительно ограждения всех помещений, где могут находиться люди, сорокасантиметровой кирпичной стеной.
Оценка земной поверхности в качестве данного человечеству единственного общего места проживания требует, разумеется, комплексного подхода, одним из элементов которого может быть предложенная система единой всемирной энергетической сертификации.
Список использованных источников
М.А. Михеев, И.М. Михеева. Основы теплопередачи. –М.: «Энергия». 1977.
С.Н. Шорин. Теплопередача.-М.: Высшая школа, 1964.
Гажур А.А. Минимальная экономика. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №4, 2009.
Гажур А.А. Система единой сертификации оборудования и зданий при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции. Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук, М., №1, 2009.
|
