Пом'якшення води: енергоефективність + збереження електроенергії

Останнім часом терміни «енергоефективність» і «енергозбереження» часто звучать і на міжнародних з'їздах, і за кухонним столом. Ці настільки популярні та хвилюючі всіх слова не є синонімами. Хоча й енергоефективність, і енергозбереження в результаті припускають зменшення кількості використовуваної енергії, інструменти досягнення мети різні.

Енергозбереження — це комплекс правових, організаційних, наукових, виробничих, технічних і економічних заходів, спрямованих на економне витрачання енергетичних ресурсів. Прикладами успішного енергозбереження є і використання поновлюваних джерел енергії, і сезонне переведення годинників.

Енергоефективність або «п'ятий вид палива» — це термін, що має на увазі більш ефективне і повноцінне використання енергії шляхом залучення найбільш сучасних технологічних і наукових досягнень. Одним з основних завдань енергоефективності є забезпечення споживача звичними благами (комфортабельними будинками, швидкими та зручними транспортними засобами) при раціональній витраті енергії. Прикладами енергоефективних рішень може бути впровадження всіляких датчиків: руху, рівня CO ₂, освітленості, вологості або тепла, використання яких в домашніх, офісних і промислових приміщеннях дозволяє раціонально витрачати енергоресурси для освітлення, обігріву та вентиляції приміщень.

Особливу цінність представляють технології, які одночасно є й енергоефективними, і енергозберігаючими. Саме до таких належить технології пом'якшення води. Розглянемо, внаслідок чого це відбувається на прикладі використання пом'якшеної води в побуті.

Вода в побуті, крім пиття, використовується для прання і миття посуду, прибирання, прийняття душу, обігріву будинків. Згідно з вимогами до питної води (СанПиН 2.2.4-171-10. ДЕРЖАВНІ САНІТАРНІ НОРМИ І ПРАВИЛА "Гігієнічні вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною"), її твердість не повинна перевищувати 7 мг-екв/л. Така вода, дійсно, не становить загрози здоров'ю людини, проте, так вона хороша для інших побутових потреб? Відповідь відома: «Ні». Всі знають що воду потрібно пом'якшувати, але не всі знають чому.

Проведене організацією WQA опитування, показало, що основними причинами придбання споживачами пом'якшувачів води є запобігання утворенню іржавих плям на сантехніці, карбонатних відкладень в трубах і на нагрівальних приладах, зменшення витрат чистячих і миючих засобів. І лише тридцять відсотків споживачів встановлюють пом'якшувачі води з метою енергозбереження (рис. 1).

Рис. 1. Основні причини, за якими споживачі встановлюють пом'якшувачі води

Незалежні дослідження, проведені водною асоціацією WaterQualityAssociation (WQA) і компанією Scientific Service, США, достовірно показали, що використання пом'якшеної води дозволяє споживачам істотно скоротити багато свої витрати, в першу чергу, шляхом енергозбереження при нагріванні води.

Яку воду гріти

Як відомо, твердість води викликають розчинені в ній солі кальцію і магнію. При нагріванні дані солі частково випадають в осад, тим самим викликаючи утворення накипу на теплопровідних поверхнях. Утворені накипні відкладення погіршують тепловіддачу нагрівальних поверхонь, що призводить до перегріву стінок котла і зменшення терміну його служби. Крім того, накипні відкладення викликають додаткові втрати тепла. Заведено вважати, що найбільше енергії витрачається на обігрів житла за допомогою водогрійних котлів. Як же підвищити енергоефективність цього процесу?

Рис. 2. Вплив твердості на ефективність роботи водогрійного котла при використанні 170 л гарячої води на добу

Встановлено, що підвищення загальної твердості води на кожні 2 мг-екв/л призводить до утворення в побутових водогрійних котлах до 200 г накипу в рік, а робота на жорсткій воді (> 10 мг-екв/л) - до зниження їх ефективності в середньому на 20% (рис. 2, таблиця 1).

Утворені накипні відкладення призводять до забивання труб, які подають споживачеві гарячу воду і, відповідно, є однією з основних причин виходу з ладу водогрійних котлів (рис. 3)

На рис. 4 представлені дані про витрати на електроенергію та обслуговування для накопичувальних і проточних котлів за весь час їх експлуатації (15 років) при використанні пом'якшеної та твердої води (твердість варіювалася від 2 до 10 мг-екв/л).

Рис. 4. Витрати на електроенергію за час експлуатації (15 років) для газових прямоточних (а) і накопичувальних (б) котлів при використанні пом'якшеної та жорсткої води

Очевидно, що енергоспоживання (характеризується витратами на електроенергію, USD) водогрійних котлів, що працюють на пом'якшеній воді, нижче, ніж працюючих на твердій воді, навіть, якщо ця твердість становить всього 2 мг-екв/л. Зростання споживання електроенергії зі збільшенням твердості води більш помітне для проточних водогрійних, ніж накопичувальних котлів, що, в першу чергу, пов'язано з необхідністю регулярних очисток останніх від осадо утворення. Ця процедура коштує недешево і може, в залежності від твердості води, досягати 200 USD.

Підвищення загальної твердості води на кожні 4 мг-екв/л призводить до 8% зниження тепловіддачі котла і збільшення витрат на електроенергію. Використання при експлуатації котлів пом'якшеної води (0,01 мг-екв/л) дозволяє за рік заощадити 34% електроенергії в порівнянні з водою, що має твердість 6 мг-екв/л і 47% в порівнянні з 10 мг-екв/л (таблиця 2).

Таблиця 2. Залежність енергоефективності водогрійних котлів від твердості води

Таблиця 3. Опис дослідження впливу твердості води на ефективність видалення плям

Наведені дані показують, що використання пом'якшеної води не тільки дозволяє скоротити витрату електроенергії на нагрів води, але також продовжити термін служби водогрійних котлів і зменшити вартість їх обслуговування.

У якій воді прати та мити

Іони, що визначають твердість води, викликають під час прання безліч різноманітних проблем. Одна з них полягає в тому, що частинки бруду взаємодіють з солями кальцію і магнію та утворюють малорозчинні та важкорозчинні сполуки. Саме вони при пранні в твердій воді роблять одяг шорстким і неприємним на дотик. Інша — пов'язана з тим, що поверхнево-активні речовини, що вводяться в засоби для прання спеціально для розчинення і видалення бруду і плям, також взаємодіють з солями кальцію і магнію з утворенням важкорозчинних сполук, що знижує ефективність їх дії. Добре відомо, що результативність прання залежить від температури води — чим гарячіша, тим краще. Це взаємопов'язано саме з вищеописаними процесами — розчинність сполук, що утворюються підвищується з ростом температури. Отже, при пранні в твердій воді необхідно збільшувати кількість використовуваного порошку і температуру води. А якщо зм'якшувати воду?

Рис. 5. Залежність білизни одягу від умов прання

У таблиці 3 і на рис. 5 представлені результати дослідження впливу твердості води на ефективність прання.

З представлених даних очевидно, що застосування пом'якшеної води в процесі прання дозволяє в два рази скоротити витрату прального порошку і зменшити температуру води. Прі цьому ефективність відпирання білизни буде вищою, ніж при пранні в твердій воді при вищій температурі та витраті в два рази більшої кількості прального порошку.

На рис. 6 представлена залежність ефективності видалення плям різної природи від умов прання. Використання пом'якшеної води дозволяє збільшити ефективність видалення плям в більшості випадків в півтора — два рази, при цьому вдвічі зменшується витрата прального порошку і витрати на електроенергію, оскільки прати слід при нижчій температурі води.

Рис. 6. Залежність ефективності видалення плям різної природи від умов прання

Однак, як видно з малюнка, ефективність видалення плям залежить не тільки від умов проведення процесу прання, але і від природи самих плям. Так, наприклад, плями від крові або шоколаду відпираються в два — три рази краще пом'якшеною водою, навіть при нижчих температурах, ніж твердою. Водночас твердість води менш істотно впливає на ефективність видалення плям від свіжої трави або червоного вина (зумовлено природою барвника і наявністю дубильних речовин).

Крім зменшення витрати миючих засобів та енергоносіїв, використання пом'якшеної води дозволяє продовжити термін служби побутових приладів. На рис.7 представлені фотографії пральної машини після експлуатації на пом'якшеній воді (а) і воді з твердістю 10 мг-екв/л (б).

Рис. 7. Зовнішній вигляд барабана пральної машини після тридцяти днів експлуатації на пом'якшеній (а) і твердій (б) воді

Пральні машини, що працюють з використанням пом'якшеної води, прослужили 3 роки, зберігши всі робочі функції на момент припинення експерименту. Пральні машини, що працюють з використанням твердої (10 мг-екв/л) води, вийшли з ладу через 11 місяців експлуатації, тобто навіть раніше закінчення гарантійного терміну експлуатації (в середньому на велику побутову техніку становить 12 місяців).

Варто зазначити, що до згубного впливу води з високою твердістю схильні не тільки пральні машини. Не менш згубна вона і для посудомийних машин (рис 8).

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

Рис. 8. Вплив твердої води (10 мг-екв/л) на ефективність миття посуду і стан побутових приладів

Наведені дані дають можливість зробити висновок, що використання пом'якшеної води для прання і миття посуду дозволяє знизити витрати не тільки на миючі засоби та електроенергію, а й на придбання нової побутової техніки, замість тієї, що вийшла з ладу.

Підсумовуючи, хотілося б особливо підкреслити, що пом'якшення води — технологія, що одночасно гарантує енергоефективність і енергозбереження. З одного боку, використання в побуті пом'якшеної води дозволяє зменшити як витрати електроенергії, споживаної побутовими приладами, так і детергентів на прання і прибирання — енергозберігаюча складова. З іншого боку, вона дозволяє мінімізувати витрати на всі такі звичні блага, що та роблять наше життя комфортним (пральні та посудомийні машини, водогрійні котли й т.д.) — енергоефективна складова.

У статті використані матеріали досліджень, проведені водною асоціацією WQA і компанією Scientific Service.

"Матеріали для публікації надані журналом "Вода і водоочисні технології"