Умягчение воды: энергоэффективность + энергосбережение

В последнее время термины «энергоэффективность» и «энергосбережение» часто звучат и на международных съездах, и за кухонным столом. Эти столь популярные и волнующие всех слова не являются синонимами. Хотя и энергоэффективность, и энергосбережение в результате предполагают уменьшение количества используемой энергии, инструменты достижения цели разные.

Энергосбережение — это комплекс правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на экономное расходование энергетических ресурсов. Примерами успешного энергосбережения являются и использование возобновляемых источников энергии, и сезонный перевод часов.

Энергоэффективность или «пятый вид топлива» - это термин, подразумевающий более эффективное и полноценное использование энергии путем привлечения наиболее современных технологических и научных достижений. Одной из основных задач энергоэффективности является обеспечение потребителя привычными благами (комфортабельными домами, быстрыми и удобными транспортными средствами) при рациональном расходе энергии. Примерами энергоэффективных решений может быть внедрение всевозможных датчиков: движения, уровня CO₂, освещенности, влажности или тепла, использование которых в домашних, офисных и промышленных помещениях позволяет рационально расходовать энергоресурсы для освещения, обогрева и вентиляции помещений.

Особую ценность представляют технологии, которые одновременно являются и энергоэффективными, и энергосберегающими. Именно к таким относится технология умягчения воды. Рассмотрим, за счет чего это происходит на примере использования умягченной воды в быту.

Вода в быту, помимо питья, используется для стирки и мытья посуды, уборки, принятия душа, обогрева домов. Согласно требованиям к питьевой воде (СанПиН 2.2.4-171-10. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ САНИТАРНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА "Гигиеническиетребования к воде питьевой, предназначенной для потребления человеком"), ее жесткость не должна превышать 7 мг-экв/л. Такая вода, действительно, не представляет угрозы здоровью человека, однако, так ли она хороша для других бытовых нужд? Ответ известен: «Нет». Все знают что воду нужно умягчать, но не все знают почему.

Проведенный организацией WQA опрос, показал, что основными причинами приобретения потребителями умягчителей воды являются предотвращение образования ржавых пятен на сантехнике, карбонатных отложений в трубах и на нагревательных приборах, уменьшение расхода чистящих и моющих средств. И лишь тридцать процентов потребителей устанавливают умягчители воды с целью энергосбережения (рис. 1).

Рис. 1. Основные причины, по которым потребители устанавливают умягчители воды

Независимые исследования, проведенные водной ассоциацией WaterQualityAssociation (WQA) и компанией Scientific Service, США, достоверно показали, что использование умягченной воды позволяет потребителям существенно сократить многие свои расходы, в первую очередь, за счет энергосбережения при нагреве воды.

Какую воду греть

Как известно, жесткость воды вызывают растворённые в ней соли кальция и магния. При нагревании данные соли частично выпадают в осадок, тем самым вызывая образование накипи на теплопередающих поверхностях. Образующиеся накипные отложения ухудшают теплоотдачу нагревательных поверхностей, что приводит к перегреву стенок котла и уменьшению срока его службы. Кроме того, накипные отложения вызывают дополнительные потери тепла. Принято считать, что больше всего энергии расходуется на обогрев жилья с помощью водогрейных котлов. Как же повысить энергоэффективность этого процесса?

Рис. 2. Влияние жесткости на эффективность работы водогрейного котла при использовании 170 л горячей воды в сутки

Установлено, что повышение общей жесткости воды на каждые 2 мг-экв/л приводит к образованию в бытовых водогрейных котлах до 200 г накипи в год, а работа на жесткой воде (>10 мг-экв/л) – к снижению их эффективности в среднем на 20 % (рис. 2, таблица 1).

Образовавшиеся накипные отложения приводят к забиванию труб, подающих потребителю горячую воду и, соответственно, являются одной из основных причин выхода из строя водогрейных котлов (рис. 3).

На рис. 4 представлены данные о расходах на электроэнергию и обслуживание для газовых накопительных и проточных котлов за все время их эксплуатации (15 лет) при использовании умягченной и жесткой воды (жесткость варьировалась от 2 до 10 мг-экв/л).

Очевидно, что энергопотребление (характеризуемое затратами на электроэнергию, USD) водогрейных котлов, работающих на умягченной воде, ниже, чем работающих на жесткой воде, даже, если эта жесткость составляет всего 2 мг-экв/л. Рост потребления электроэнергии с увеличением жесткости воды более заметен для проточных водогрейных, чем накопительных котлов, что, в первую очередь, связано с необходимость регулярных очисток последних от осадкообразования. Эта процедура стоит недешево и может, в зависимости от жесткости воды, достигать 200 USD.

Рис. 4. Затраты на электроэнергию за время эксплуатации (15 лет) для прямоточных (а) и накопительных (б) котлов при использовании умягченной и жесткой воды

Повышение общей жесткости воды на каждые 4 мг-экв/л приводит к 8% снижению теплоотдачи котла и увеличению расходов на электроэнергию. Использование при эксплуатации котлов умягченной воды (0,0 мг-экв/л) позволяет за год сэкономить 34 % электроэнергии по сравнению с водой с жесткостью 6 мг-экв/л и 47% по сравнению с 10мг-экв/л (таблица 2).

Таблица 2. Зависимость энергоэффективности водогрейных котлов от жесткости воды

Таблица 3. Описание исследования влияния жесткости воды на эффективность удаления пятен

Приведенные данные показывают, что использование умягченной воды не только позволяет сократить расход электроэнергии на нагрев воды, но также продлить срок службы водогрейных котлов и уменьшить стоимость их обслуживания.

В какой воде стирать и мыть

Ионы, определяющие жесткость воды, вызывают во время стирки множество разнообразных проблем. Одна из них заключается в том, что частицы грязи взаимодействуют с солями кальция и магния и образуют малорастворимые и трудноудаляемые соединения. Именно они при стирке в жесткой воде делают одежду шероховатой и неприятной на ощупь. Другая - связана с тем, что поверхностно-активные вещества, вводимые в средства для стирки специально для растворения и удаления грязи и пятен, также взаимодействуют с солями кальция и магния с образованием труднорастворимых соединений, что снижает эффективность их действия. Хорошо известно, что результативность стирки зависит от температуры воды – чем горячее, тем лучше. Это взаимосвязано именно с вышеописанными процессами – растворимость образующихся соединений повышается с ростом температуры. Следовательно, при стирке в жесткой воде необходимо увеличивать количество используемого порошка и температуру воды. А если умягчать воду?

Рис. 5. Зависимость белизны белья от условий стирки

В таблице 3 и на рис. 5 представлены результаты исследования влияния жесткости воды на эффективность стирки.

Из представленныхданныхочевидно, что применение умягченной воды в процессе стирки позволяет в два раза сократить расход стирального порошка и уменьшить температуру воды.При этом эффективность отстирывания белья оказывается выше, чем при стирке в жесткой воде при более высокой температуре и расходовании в два раза большего количества стирального порошка.

На рис. 6 представлена зависимость эффективности удаления пятен различной природы от условий стирки. Использование умягченной воды позволяет увеличить эффективность удаления пятен в большинстве случаев в полтора - два раза, при этом вдвое уменьшается расход стирального порошка и затраты на электроэнергию, поскольку стирать следует при более низкой температуре воды.

Рис. 6. Зависимость эффективности удаления пятен различной природы от условий стирки

Однако, как видно из рисунка, эффективность удаления пятен зависит не только от условий проведения процесса стирки, но и от природы самих пятен. Так, например, пятна от крови или шоколада отстирываются в два – три раза лучше умягченной водой, даже при более низких температурах, чем жесткой. В тоже время жесткость воды менее существенно влияет на эффективность удаления пятен от свежей травы или красного вина (обусловлено природой красителя и наличием дубильных веществ).

Кроме уменьшения расхода моющих средств и энергоносителей, использование умягченной воды позволяет продлить срок службы бытовых приборов. На рис. 7 представлены фотографии стиральной машины после эксплуатации на умягченной воде (а) и воде с жесткостью 10 мг-экв/л (б).

Рис. 7. Внешний вид барабана стиральной машины после тридцати дней эксплуатации на умягченной (а) и жесткой (б) воде

Стиральные машины, работающие с использованием умягченной воды, прослужили 3 года, сохранив все рабочие функции на момент прекращения эксперимента. Стиральные машины, работающие с использованием жесткой (10 мг-экв/л) воды, вышли из строя через 11 месяцев эксплуатации, т.е. даже раньше окончания гарантийного срока эксплуатации (в среднем на крупную бытовую технику составляет 12 месяцев).

Стоит отметить, что пагубному влиянию воды с высокой жёсткостью подвержены не только стиральные машины. Не менее губительна она и для посудомоечных машин (рис 8).

а – жесткость 0 мг-экв/л, б – жесткость 10 мг-экв/л

Рис. 8. Влияние жесткой воды (10 мг-экв/л) на эффективность мытья посуды и состояние бытовых приборов

Приведенные данные дают возможность заключить, что использование умягченной воды для стирки и мытья посуды позволяет снизить расходы не только на моющие средства и электроэнергию, но и на приобретение новой, взамен вышедшей из строя, бытовой техники.

Подводя итоги, хотелось бы особенно подчеркнуть, что умягчение воды - технология, одновременно гарантирующаяэнергоэффективность и энергосбережение. С одной стороны, использование в быту умягченной воды позволяет уменьшить как расход электроэнергии, потребляемой бытовыми приборами, так и детергентов на стирку и уборку - энергосберегающая составляющая. С другой стороны, она позволяет минимизировать затраты на все столь привычные и делающие нашу жизнь комфортной блага (стиральные и посудомоечные машины, водогрейные котлы и т.д.) – энергоэффективная составляющая.

В статье использованы материалы исследований, проведенных водной ассоциацией WQA и компанией Scientific Service.

"Материалы для публикации предоставлены журналом "Вода и водоочистные технологии"