Энергопотребление мегаполиса

О некоторых результатах комплексного подхода к рационализации энергопотребления коммунального хозяйства мегаполиса

Н. Д. Рогалев, доктор техн. наук, профессор, проректор МЭИ,

Е. Г. Гашо, канд. техн. наук, доцент

Данная статья посвящена обсуждению некоторых итогов проекта по рационализации энергопотребления коммунального комплекса Центрального округа Москвы. Представлены результаты работ, свидетельствующие о необходимости и плодотворности системного подхода к энергосбережению: частные решения энергосбережения не дадут масштабного эффекта без сочетания их с общими инфраструктурными мероприятиями на всех уровнях единого коммунального комплекса. Комплексный территориальный подход, как минимум, должен включать в себя согласованные технологические, информационно-методические, организационно-экономические и правовые решения.

Актуальность системного подхода к энергосбережению в коммунальном комплексе [1, 2] уже не вызывает сомнений, тем более в рамках территориальных образований, крупных городов и мегаполисов. Интеграция знаний смежных наук в энерго- и ресурсосбережении требует единых методических подходов и предпосылок, согласованных технических, организационных, информационных решений, а разнообразие территориальных условий и параметров коммунальных потребителей затрудняет создание типологических моделей. Для поэтапной реализации такой задачи руководством ЦАО Москвы в содружестве с инновационным комплексом научного парка МЭИ сформулированы общие принципы территориального подхода, реализация которых потребовала достаточно длительной работы в разных направлениях. Проведение таких комплексных работ по энергосбережению в существующем коммунальном фонде ЦАО в течение 2001–2004 годов позволило накопить разнообразный фактологический материал [3]. Такие обобщения, наряду с результатами других системных работ, активно публикуемых в профессиональных изданиях НП «АВОК», позволяют продвинуться в прояснении некоторых нерешенных вопросов и проблем коммунального хозяйства крупных городов.

В ходе комплекса работ по энергосбережению на территории ЦАО создано 17 зон энергетической эффективности, установлены приборы учета тепловой энергии, горячего и холодного водоснабжения, системы регулирования тепловой нагрузки. В целом за 2001–2004 годы системами учета и регулирования оснащены свыше 200 зданий (и 10 крупных ЦТП) с суммарным объемом свыше 1,3 млн м³, в которых проживают свыше 35 тыс. жителей [4]. Продолжается активная работа по созданию системы автоматизированного учета ресурсов САУР округа и установке узлов учета в рамках выполнения постановления Правительства Москвы № 77-ПП. Основные результаты работ можно разделить на 3 группы (табл. 2). В процессе работ определены существенные расхождения договорных и фактических значений энергопотребления коммунального фонда города [5]. Комплекс экспериментальных данных по измерению тепловых режимов зданий не дает нам веских оснований утверждать, что главными источниками необоснованных потерь тепловой энергии в зданиях являются трансмиссионные потери через ограждающие конструкции. В гораздо большей степени выявлены многочисленные перетопы зданий с приемлемыми теплотехническими характеристиками ограждений [6]. Комплексные исследования большого числа коммунальных потребителей свидетельствуют, что годовые затраты тепловой энергии на отопление зданий определяются в первую очередь не столько теплотехническими характеристиками ограждений, сколько теплогидравлическими режимами систем отопления, при этом величины дисбалансов («перетопов») зданий достигают существенных значений. Тепловое поведение распределенных потребителей, зданий жилого фонда – результат многофакторного взаимодействия типологических (архитектурно-строительных, инженерных характеристик) параметров зданий, неравномерности колебаний температур окружающей среды, параметров теплоносителя, действий населения. Взаимовлияние потребителей ресурсов обусловлено их расположением, способом подключения к теплосети, функционированием систем регулирования на зданиях и на ЦТП, состоянием трубопроводной сети, вышеперечисленными особенностями зданий и территории.

Разнокачественность потребителей (зданий) приводит к тому, что здания по-разному реагируют на изменения температур окружающей среды, при том, что система теплоснабжения в целом настроена на некоторые средние параметры зданий. Это создает дисбалансы энергопотребления, распределенные самым произвольным образом по территории, что подтверждается показаниями приборов учета и систем регулирования в зданиях муниципального жилого фонда. Массовые тепловизорные обследования зданий с разными теплотехническими характеристиками в целом свидетельствуют о достаточно приемлемом состоянии ограждающих конструкций. Вместе с тем, состояние воздушно-теплового режима в зданиях нельзя назвать оптимальным. При недостаточных термических сопротивлениях ограждений население перерасходует электроэнергию для обеспечения теплового комфорта, а в случае «перетопов» – наоборот, избавляется от избыточного тепла активным и постоянным проветриванием помещений. В обоих случаях налицо существенные перерасходы тепловой энергии, что подтверждается сопоставлением приходных и расходных характеристик теплового баланса зданий [6, 9].

Рисунок 1. (подробнее) Зависимость удельных годовых расходов тепла на отопление

Рисунок 2. (подробнее) Дисбалансы между требуемым количеством тепла для отопления и подведенным по реестрам теплоснабжающих организаций

Рисунок 3. (подробнее) Удельное теплопотребление условных групп зданий при разных температурах наружного воздуха в диаграмме «генерация-диссипация»

Расхождения между расчетнодоговорными значениями удельного теплопотребления выбранных объектов в районах округа и фактическими затратами на отопление, полученные с помощью измерительных устройств, были обнаружены во всех районах ЦАО.Установка различных систем регулирования теплопотребления¹ на зданиях приводит к экономии до 15–19 % тепловой энергии на отопление. Установка частотного привода насосов на ЦТП дает до 35 % экономии электроэнергии, 20,4 % – воды, 29 % – теплоты [6]. В числе методов снижения «перетопов» и согласования режимов теплопотребления, наряду с установкой регулирующих устройств, целесообразно использовать технологии промывки отопительных систем зданий. В частности, опыт проведения промывки систем отопления на основе использования поверхностно-активных ингибиторов коррозии для оборудования и трубопроводов показал [7], что за счет удаления отложений с поверхностей оборудования и трубопроводов отопительных систем ЦТП и жилых зданий происходит нормализация режимов теплопотребления, что обеспечивает определенное снижение теплопотребления здания в течение отопительного периода.

На рис. 2 показана реальная точка потребления тепла зданиями одной из зон энергоэффективности после проведения работ по промывке системы отопления зданий. Нижняя линия графика на рис. 2 – теоретическое теплопотребление зданий, рассчитанное по фактическим значениям градусо-суток отопительного периода для Москвы [8], верхняя пунктирная линия – тренд фактических данных по энергопотреблению зданий в разных зонах энергоэффективности в зависимости от приведенного сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций. Расхождения между этими линиями наглядно свидетельствуют о перепоставках тепловой энергии на отопление («перетопах»). Очевидно, что требуемое увеличение Rогр до 2,7–2,9 К*м²/Вт не всегда приводит к существенному снижению энергопотребления зданиями. В частности, повышение Rогр свыше 0,9–1,1 К*м²/Вт (на теоретической кривой) уже не приводит к существенному сокращению удельного энергопотребления. Масштаб возможных избытков в целом по территориальному комплексу иллюстрируют как диаграммы на рис. 1, так и графики на рис. 3. Реестры теплоснабжающих организаций показывают, что коммунальным потребителям ЦАО Москвы поставлено как минимум на треть тепла больше, чем это требуется по санитарным нормам и нормативам потерь для условий Московского региона [5,6]. Вышеупомянутую разнокачественность зданий по отношению к условной границе приведенного сопротивления теплопередаче² можно условно типологизировать на диаграмме «генерация-диссипация» (рис. 4).

Такая функционально-балансовая диаграмма способствует наглядному представлению особенностей зданий для выбора адекватных мер энергоресурсосбережения.

Дисбалансы энергопотребления возникают, поскольку городские системы отопления настроены на некоторые средние параметры, иодинаковые меры принесут для разных объектов самые разные результаты. Комплекс мероприятий по энергосбережению для этих трех групп зданий может существенно различаться. Поскольку, как показала практика, на территории одного микрорайона (в контуре ЦТП) находятся здания самых разных параметров, то каждое из них требует собственной системы регулирования теплопотребления. Зачастую в этом случае требуется и согласование теплогидравлических режимов в рамках единой системы ЦТП, при этом схемы подключения потребителей также различны [9].

Построение эффективных систем распределенного регулирования и управления коммунальным теплопотреблением – важнейшая задача, как раз требующая органичной интеграции разнородных и разноплановых знаний специалистов по теплоснабжению, строительной теплофизике, инженеров и архитекторов, проектировщиков и эксплуатационников [10]. Кроме того, как видно из графика на рис. 5, динамика отопительного периода в Москве, даже в течение последних 5 лет, отличается существенной неравномерностью, причем максимум этой неравномерности приходится на наиболее холодные месяцы (декабрь, февраль). Это лишний раз свидетельствует о невозможности прогнозирования теплопотребления по средним температурам СНиП 2301-99. Разнокачественность теплотехнических характеристик зданий, произвольным образом распределенных по территории, накладывается на разнородность климатических характеристик и параметров и приводит к разноплановой картине потребления ресурсов коммунальным комплексом. В этой связи для адекватного мониторинга энергопотребления требуется создание современных информационных систем анализа эффективности и прогнозирования потребления ресурсов в коммунальном комплексе [11].

Адекватные обобщенные аналитические данные по районам и округу в целом невозможно получить без наличия точной исходной информации о потреблении ресурсов по зданиям и ЦТП. Комплекс исходных данных для анализа различается для объектов разного уровня, при этом наиболее точной должна быть информация с низовых объектов: зданий, ЦТП, или, говоря точнее, с приборов учета, установленных на этих потребителях ресурсов. Помимо установки первичных датчиков и узлов учета ресурсопотребления в округе поэтапно создается единая система автоматизированного учета ресурсов (САУР). Информация с первичных узлов передается для мониторинга в диспетчерские эксплуатационного персонала, поставщикам ресурсов, руководителям районов (табл. 2). На следующем уровне обработки результаты работы приборов учета передаются в аналитическую базу (хранилище) данных. Универсальная база данных коммунального хозяйства ЦАО включает в себя параметры потребления ресурсов 1 750 ЦТП, 150 зданий по зонам энергоэффективности и в перспективе – по всем 4 900 зданиям округа. Разработанная архитектура и функциональные блоки универсального хранилища (базы) данных распределенных объектов коммунального комплекса территории позволяют выполнять поставленные ранее задачи мониторинга теплопотребления, анализа эффективности энергоиспользования коммунальным хозяйством территории, расчета высвобождающейся бюджетной дотации на теплоснабжение. Применение современных инновационных технологий учета и мониторинга в рамках комплексного проекта территориального энергосбережения позволила создать уникальный инструментарий системного анализа и прогноза динамики энергопотребления и энергоэффективности коммунального хозяйства, который, в свою очередь, абсолютно необходим для дальнейших работ в рамках комплексной территориальной целевой программы энергоресурсосбережения. Таким образом, уже на этой стадии реализации информационно-аналитической системы можно предварительно резюмировать важные принципиальные отличия комплексного хранилища данных с OLAP³ приложением от теоретических моделей:

• отображение реального состава объектов;

• встроенные индикаторы и возможности коррекции данных при ошибке ввода;

• наличие достоверной информации по энергопотреблению объектами;

• возможность экспресс-анализа расходных характеристик и показателей энергопотребления;

• возможность получения аналитических результатов любой степени генерализации (обобщения) по необходимым уровням (район, округ);

• возможность получения прогнозных результатов при изменении второстепенных факторов (тарифы, численность населения, климатические параметры);

• возможность визуализации моделирования и представления оценочных характеристик в доступной форме.

Отметим в заключение, что создание современных системных моделей сложных объектов и комплексов возможно только с применением современных информационных инструментов и программно-аналитических систем, позволяющих проводить оперативный (и прогнозно-стратегический) анализ большого количества данных по всему распределенному комплексу объектов.

Успешная реализация масштабных программ экономии ресурсов потребовала принятия соответствующих организационно-экономических и правовых решений, позволяющих реинвестировать высвобождающиеся бюджетные средства на дальнейшие цели энергосбережения. В их числе – распоряжение Правительства Москвы «О передаче бюджетных ассигнований на возмещение разницы в тарифах на тепловую энергию» № 1258-рп, распоряжение префекта ЦАО № 4467-р «Об организации работ по финансированию расходов на возмещение разницы в тарифах на тепловую энергию на территории ЦАО г. Москвы». Подготовлены и утверждены: «Порядок организации работ по передаче бюджетных ассигнований на возмещение разницы в тарифах на тепловую энергию», типовой договор и дополнительное соглашение к действующим договорам на поставку тепла на возмещение разницы в тарифах на тепловую энергию для заключения ГУП ДЕЗ районов с поставщиками услуг.

Положение о порядке стимулирования энергосбережения в системе жилищного хозяйства Москвы утверждено постановлением Правительства Москвы от 10.02.04 г. № 71ПП. Важнейшее отличие этих документов: выверка количества поступающих энергоресурсов поставщиками, Дирекциями единого заказчика районов и энергосервисными компаниями, а на ее основании – оптимизация расходования бюджетных средств на базе взаимодействия районов, единого расчетного центра и казначейского управления территории. Совместно с поставщиками теплоэнергии в рамках этих совместных работ производится выверка количеств поставленной районам тепловой энергии, выявление непроизводительных потерь, анализ эффективности энергоиспользования. В настоящее время высвобождение бюджетных средств по статье «возмещение разницы в тарифах на тепловую энергию» составляет десятки миллионов рублей. Масштабное тиражирование пилотных работ на всей территории округа требует дополнительных организационно-правовых документов как регионального, так и федерального масштаба. Дальнейшая реализация этих работ в округе в настоящее время увязывается с выполнением известного постановления Правительства Москвы «О мерах по улучшению системы учета водопотребления и совершенствованию расчетов за холодную, горячую воду и тепловую энергию в жилых зданиях и объектах социальной сферы г. Москвы» № 77-ПП.

Рисунок 4. (подробнее) Динамика градусо-суток отопительного периода для Москвы

Выводы

Радикальное сокращение энергозатрат в коммунальном комплексе городов требует рассмотрения в качестве объекта уже не зданий, сооружений или сетей энергоснабжения, а территориально целостного комплекса. При этом частные решения энергосбережения не дадут масштабного эффекта без сочетания их с общими инфраструктурными мероприятиями на всех уровнях единого коммунального комплекса. Таким образом, системный подход должен, как минимум, включать в себя технологические и информационные инструменты, организационно-экономические и правовые решения. Комплексный территориальный подход к повышению эффективности и надежности комплекса жизнеобеспечения, во-первых, предполагает наличие отработанных методик оценки эффективности коммунального хозяйства, соответствующих информационно-аналитических систем, а во-вторых, неизбежно требует согласованности технических инноваций, организационно-экономических, политико-правовых мероприятий и сопутствующих информационных технологий.

Разнокачественность зданий и сооружений требует создания продуманного методического инструментария оценки эффективности энергопотребления и набора адекватных мероприятий для каждого типа зданий. При этом нет достаточных доказательств того, что основным источником потерь тепловой энергии являются необоснованные теплопотери через ограждения. Напротив, значительное количество зданий в отсутствии распределенного регулирования подвергаются «перетопам», что приводит к существенным перерасходам тепловой энергии на уровне всех районов и округа в целом.

Существенные колебания температурно-климатических условий отопительного периода также обостряют проблему создания адекватного распределенного регулирования и управления энергопотреблением коммунальными объектами. Создание системы автоматизированного учета ресурсопотребления САУР в масштабах округа – один из важнейших шагов на этом пути. Информационно-аналитические системы на их основе являются ядром построения систем поддержки принятия решений (СППР) в коммунальном комплексе.

Дальнейшая комплексная работа по повышению эффективности территориального коммунального хозяйства, наряду с уже осуществленными организационно-экономическими решениями, требует реализации целого комплекса мер: согласованных поправок в федеральное и местное законодательство, создания институциональных структур, способных при диалоге с поставщиками ресурсов отстаивать интересы как населения, так и территории в целом, отработки единых методических принципов компромиссной тарифной политики в энергоснабжении населения с учетом новых функций местного самоуправления.

¹ В ходе работ на объектах энергоэффективности в районах ЦАО установлены водорегулируемые элеваторные узлы, устройства насосного смешения, КЗР, системы частотного привода насосов холодного и горячего водоснабжения.

² Условная граница требуемого приведенного сопротивления теплопередаче выбрана на основании проведенных исследований тепловых режимов зданий [4, 5, 9] и с учетом работ других авторов [8, 10].

³ OLAP (On-Line Analytical Processing) – технология многомерного анализа данных.

Литература

1. Табунщиков Ю. А. Энергосбережение: дефицит знаний и мотиваций // АВОК. 2004. № 6.

2. Лапир М. А. Целевая программа: комплекс первоочередных мер по энергосбережению в Москве // Энергосбережение. 2001. № 5.

3. Байдаков С. Л., Рогалев Н. Д. О комплексном территориальном подходе к повышению энергетической эффективности коммунального хозяйства города // Энергосбережение. 2002. № 2.

4. Гашо Е. Г., Коваль А. В., Козырь А. В., Кузькина Е. В., Строганов С. А. Реализация комплексной программы энергосбережения на территории ЦАО г. Москвы и направления дальнейших работ // Энергосбережение и энергоэффективность. 2003. № 2.

5. Рогалев Н. Д., Гашо Е. Г., Коваль А. В. Об итогах создания демонстрационной зоны энергетической эффективности «Скатертный» и перспективах энергосбережения в коммунальном комплексе города // Энергосбережение. 2003. № 1.

6. Клименко А. В., Гашо Е. Г. Проблемы повышения эффективности коммунальной энергетики на примере объектов ЖКХ ЦАО г. Москвы // Теплоэнергетика. 2004. № 6.

7. Рыженков В. А., Погорелов С. А., Гашо Е. Г. К вопросу о повышении эффективности энергоиспользования в жилищно-коммунальном хозяйстве // Энергосбережение и энергоэффективность. 2004. № 1.

8.Гагарин В. Г. Экономические аспекты повышения теплозащиты ограждающих конструкций зданий в условиях «рыночной экономики» // Новости теплоснабжения. 2002. № 1.

9.Гашо Е. Г., Козырь А. В. Согласование теплогидравлических режимов теплосетей, предпосылка повышения энергетической эффективности городского коммунального хозяйства // Энергосбережение и водоподготовка. 2004. № 1.

10. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК, 2002.

11. Дегтев Г. В. Организационно-экономические аспекты реализации программы энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве Центрального административного округа // Энергосбережение. 2002. № 6.

Тел. (095) 362-72-33