Системный подход к разработке энергоэффективных схем теплоснабжения городов и населённых пунктов



 




Никитин Е.Е.<?xml:namespace prefix = o />


Институт газа НАН Украины, г. Киев


 


Перечислены факторы и тенденции, которые диктуют необходимость модернизации систем теплоснабжения городов и населенных пунктов. Рассмотрен системный подход к разработке перспективной схемы теплоснабжения, который включает в себя следующие этапы: сбор и анализ общих данных о поселении, анализ перспективного плана застройки поселения, паспортизация существующей системы теплоснабжения, анализ показателей энергетической эффективности и надежности существующей системы теплоснабжения, анализ динамики изменения услуг централизованного теплоснабжения за последние пять лет, инвентаризация доступных для системы теплоснабжения источников топлива и энергии, формирование перечня потенциальных проектов по повышению надежности и энергетической эффективности системы теплоснабжения, выполнение предварительных технико-экономических расчетов по каждому из проектов, их ранжирование по технико-экономической эффективности и анализ взаимного влияния проектов, формирование предлагаемого варианта схемы теплоснабжения в условиях финансовых ограничений, расчет показателей технико-экономической эффективности предлагаемого варианта, детальная проработка предлагаемого варианта. Рассмотрено содержание работ на каждом из этих этапов. Уделено внимание анализу показателей энергетической эффективности и методологии выбора проектов по энергоэффективности.


Ключевые слова: энергоэффективные схемы теплоснабжения городов и населенных пунктов.


 


Перераховані фактори та тенденції, які диктують необхідність модернізації систем теплопостачання міст та населених пунктів. Розглянуто системний підхід до розробки перспективної схеми теплопостачання, який містить наступні етапи: збір та аналіз загальних даних про поселення, аналіз перспективного плану забудови поселення, паспортизація існуючої системи теплопостачання, аналіз показників енергетичної ефективності та надійності існуючої системи теплопостачання, аналіз динаміки змінення послуг централізованого теплопостачання за останні п’ять років, інвентаризація доступних для системи теплопостачання джерел палива та енергії, формування переліку потенційних проектів з підвищення надійності та енергетичної ефективності системи теплопостачання, виконання попередніх техніко-економічних розрахунків по кожному з проектів, їх ранжування по техніко-економічної ефективності та аналіз взаємного впливу проектів, формування запропонованого варіанту схеми теплопостачання в умовах фінансових обмежень, розрахунок показників техніко-економічної ефективності запропонованого варіанту, детальне пророблення запропонованого варіанту. Розглянуто зміст робіт на кожному з цих етапів. Приділено увагу аналізу показників енергетичної ефективності та методології вибору проектів з енергоефективності.


Ключові слова: енергоефективні схеми теплопостачання міст та населених пунктів.


 


Актуальность разработки энергоэффективных схем теплоснабжения городов и населенных пунктов (далее поселений) обусловлена целым рядом факторов и тенденций:


·                    Большинство систем теплоснабжения (СТ) было создано в прошлом веке в эпоху «дешевых энергоресурсов», когда значимость критерия энергоэффективности была не столь высокой как теперь, что влечет за собой целесообразность пересмотра многих технических решений.


·                    Оборудование СТ в значительной мере изношено и неизбежно возникает проблема его замены.


·                    Доминирующим видом топлива в рассматриваемых системах был и остается природный газ, который в настоящее время становится не только дорогим, но и дефицитным видом топлива. Украина и другие страны все ближе подходят к пониманию неизбежности отказа от природного газа как доминирующего вида топлива и увеличения доли биотоплива, местных видов топлива, нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Кроме того, для Украины, как для страны с развитой угольной и ядерной электроэнергетикой, просматривается перспектива роста использования электрической энергии для нужд теплоснабжения на основе современных технологий.


·                    Значительно расширился ассортимент оборудования и технологий для систем теплоснабжения, что увеличивает количество альтернативных вариантов схем теплоснабжения.


·                    Наблюдается четко выраженная тенденция на децентрализацию систем теплоснабжения, особенно в коммунальном секторе. Эта тенденция обусловлена в значительной мере субъективными, а не объективными факторами, тем не менее, ее необходимо принимать во внимание при решении проблемы модернизации СТ.


·                    Перечисленные факторы и тенденции диктуют необходимость выработки системного подхода к вопросам создания, эксплуатации и модернизации СТ в условиях доминирующей роли энергоэффективности во всех отраслях экономики. При этом во внимание должны приниматься также требования надежности и экологической безопасности рассматриваемых объектов.


В Украине имеются директивные материалы, направленные на разработку перспективных схем теплоснабжения [1]. Аналогичные директивные материалы имеются и в других странах [2, 3]. Большая научно-методическая работа в этом направлении ведется в Институте технической теплофизики Украины [4]. Используя подходы, изложенные в вышеперечисленных работах, собственные научно-методические разработки [7, 8], а также практический опыт разработки схем теплоснабжения ряда городов Украины, в настоящей работе развивается системный поход к разработке схем теплоснабжения поселений.


Разработка перспективной схемы теплоснабжения поселения включает следующие этапы:


·           сбор и анализ общих данных о поселении;


·           анализ перспективного плана застройки поселения;


·           паспортизация существующей системы теплоснабжения;


·           анализ показателей энергетической эффективности и надежности существующей системы теплоснабжения;


·           анализ динамики изменения услуг централизованного теплоснабжения за последние пять лет;


·           инвентаризация доступных для системы теплоснабжения источников топлива и энергии;


·           формирование перечня потенциальных проектов по повышению надежности и энергетической эффективности системы теплоснабжения;


·           выполнение предварительных технико-экономических расчетов по каждому из проектов, их ранжирование по технико-экономической эффективности и анализ взаимного влияния проектов;


·           формирование предлагаемого варианта схемы теплоснабжения в условиях финансовых ограничений. Расчет показателей технико-экономической эффективности предлагаемого варианта;


·           детальная проработка предлагаемого варианта.


Ниже рассматривается каждый из этих этапов.


Общие данные о поселении должны включать в себя природно-климатические характеристики, численность населения, перечень основных промышленных предприятий, а также описание городской инфраструктуры, включая системы канализации, газо- и электроснабжения, свалки и зеленое хозяйство поселения.


В результате анализа перспективного плана застройки поселения должны быть определены зоны застройки и необходимые тепловые мощности. В настоящее время во многих городах и населенных пунктах Украины перспективные планы застройки устарели и не соответствуют реальной финансово-экономической ситуации. Это затрудняет разработку перспективных схем теплоснабжения. Поэтому на практике перспективные схемы теплоснабжения разрабатываются для существующих тепловых потребителей и задача сводится не к разработке новых, а к модернизации существующих систем теплоснабжения.


Паспортизация, а также анализ показателей энергетической эффективности и надежности существующей системы теплоснабжения осуществляется на основании данных, предоставляемых теплоснабжающими организациями. В некоторых городах услуги теплоснабжения предоставляются несколькими теплоснабжающими организациями, поэтому систематизация данных и представление их в единообразной форме позволяет лучше сформулировать задачи модернизации системы теплоснабжения.




 



Анализ показателей энергетической эффективности осуществляется для источников тепловой энергии, тепловых сетей и тепловых потребителей.


Показателем энергетической эффективности котельной является коэффициент эффективности использования топлива:


η = [(Qгод·10-3)/(ВгодQнр)100%,                   (1)


 


где:


Qгод- годовое количество тепловой энергии, отпущенное котельной, Гкал;


Вгод - годовое количество топлива, потребленное котельной, тыс. м3 (тонн);


Qнр- теплотворная способность топлива, ккал/м3 (кг).


Величина (1) может служить объективным показателем энергетической эффективности котельной только в том случае, если величины Qгод и  Вгод определяются по показаниям теплосчетчика и счетчика газа. К сожалению, на многих отопительных котельных отсутствуют приборы учета отпуска тепловой энергии, поэтому эта величина носит расчетно-фактический характер.


Пример оценки эффективности использования природного газа котельными крупного города представлен на рис. 1.




Для современных котлов уровень эффективности использования природного газа составляет около 90%. Данные, приведенные на рис. 1, позволяют выявить котельные, на которых эффективность использования природного газа не отвечает современным требованиям.


Показателем энергетической эффективности использования электроэнергии на транспортировку теплоносителя является расход электроэнергии на единицу отпущенной тепловой энергии.


              е = Егод/Qгод                                                 (2)


где:


Егод - годовое количество электроэнергии, затраченное на привод циркуляционных насосов, кВт×ч.


Величина (2) характеризует энергетическую эффективность циркуляционных насосов, а также удаленность и компактность расположения тепловых потребителей, подключенных к котельной. Пример оценки эффективности использования электроэнергии для транспортировки теплоносителя котельными крупного города представлен на рис. 2. Приведенные данные показывают, что удельное потребление электрической энергии на транспортировку теплоносителя изменяется для различных котельных в широком диапазоне от 10 до 170 кВт×ч/Гкал. Среднестатистический удельный расход электроэнергии на транспортировку теплоносителя в централизованных системах теплоснабжения Украины составляют 30 кВт×ч/Гкал.


 


Важным показателем эффективности работы котельной является коэффициент корреляции между месячным потреблением природного газа и соответствующим количеством градусо-дней (рис. 3). При удовлетворительном качестве погодного регулирования все точки, характеризующие количество градусо-дней и количество потребленного природного газа в данном месяце, расположены на одной прямой и коэффициент корреляции близок к единице. О неудовлетворительном качестве погодного регулирования свидетельствует большой разброс точек относительно прямой, характеризующей среднеквадратическую зависимость и низкое значение коэффициента корреляции.


Содержание информации по паспортизации систем теплоснабжения представлено в таблице 1.




 


Показателем энергетической эффективности тепловых сетей являются удельные тепловые потери


q = [(Qгод - Qгод.потр.ф)/ Qгод] ·100%,                                                              (3)


 


где:


Qгод.потр.ф - годовое количество тепловой энергии, которое фактически поставлено потребителям, подключенным к данной котельной, Гкал.


Величина (3) может быть определена на основании показаний теплосчетчиков, которые установлены в котельных и у потребителей тепловой энергии. Однако большинство систем теплоснабжения поселений не оснащено теплосчетчиками в полном объеме. Поэтому для определения величины (3) необходимо проведение специальных испытаний по методике [5]. Как показывают результаты этих испытаний, тепловые потери в сетях могут достигать 30%, при этом нормативная величина тепловых потерь составляет 13%.


Анализ эффективности использования тепловой энергии у потребителей может быть выполнен путем сопоставления фактического и нормативного годового потребления тепловой энергии


 


β = (Qгод.потр.ф - Qгод.потр.н)·100%,                                                                  (4)


 


Qгод.потр.н - нормативное годовое потребление тепловой энергии, Гкал, которое определяется по методике [6].


Если величина Qгод.потр.ф не может быть определена из-за отсутствия теплосчетчиков у потребителей, то величина (4) может быть определена по формуле (5)


 


β = (100 – q) · Qгод /100·Qгод.потр.н) ·100%,                                                   (5)


 


Результаты сравнения фактического и нормативного потребления тепловой энергии потребителями, которые подключены к различным котельным г. Светловодска, представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что тепловое потребление, как правило, на 10 - 50% выше нормативного, за исключением потребителей котельной № 6 в 2003 году. Это может быть объяснено тем, что фактические тепловые характеристики зданий ниже расчетных, поэтому для поддержания расчетной температуры в зданиях необходимо было подавать большее количество тепловой энергии.


Показателями надежности системы теплоснабжения поселения является годовое количество отказов на тепловых источниках и в тепловых сетях. Наибольшее количество отказов наблюдается в тепловых сетях. Так за последние шесть лет в Украине показатель удельной повреждаемости тепловых сетей возрос с 0,9 до 1,25 повреждений на 1 км в год, в то время как в странах ЕС этот показатель не превышает 0,1. Косвенными показателями надежности являются годы постройки котлов и тепловых сетей.


Кроме показателей надежности и экономичности существующей системы централизованного теплоснабжения рассматриваемого поселения необходимо проанализировать динамику изменения услуг централизованного теплоснабжения за последние пять лет. Во многих поселениях Украины наблюдается тенденция децентрализации систем теплоснабжения с установкой поквартирных систем отопления.


 


        



 


 


Данные по отключению потребителей от централизованной системы теплоснабжения и переходу на поквартирное отопление в г. Светловодске представлены в таблице 2.


           


Приведенные данные свидетельствуют о нарастании вышеупомянутой тенденции, несмотря на то, что качество услуг централизованного теплоснабжения в г. Светловодске достаточно высокое. По состоянию на 01.01.07 г. от централизованного теплоснабжения отключилось 8,3% данной категории потребителей. Причины и последствия развития этой тенденции являются предметом специального исследования. Отметим только, что данный процесс является слабо управляемым как со стороны теплоснабжающей организации, так и со стороны городских властей, что вносит неопределенность при разработке схемы теплоснабжения.


Инвентаризация доступных для системы теплоснабжения источников топлива и энергии осуществляется с целью оценки возможности замещения природного газа, который является доминирующим видом топлива, другими видами топлива и энергии. С этой точки зрения индивидуальные возможности каждого поселения существенно различны. Обобщенный перечень этих источников, а также параметры, характеризующие целесообразность их использования для замещения природного газа представлен в таблице 3.


 



 


 


Доступный потенциал топлива и энергии целесообразно сопоставить с объемами потребления природного газа котельными рассматриваемого поселения. Так потенциал биомассы в Кировоградской области составляет около 1,2 млн. т у.т., а годовое потребления топлива централизованными источниками теплоснабжения г. Кировограда составляет около 100 тыс. т у.т., откуда следует, что одним из направлений модернизации существующей системы теплоснабжения этого города может быть частичное замещение природного газа биотопливом.


Известно большое число мероприятий по повышению энергоэффективности тепловых источников, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии (таблица 4).


 


 


 


 


 


Формирование списка мероприятий по энергоэффективности, которые необходимо рассмотреть при разработке схемы теплоснабжения поселения, представляет собой неформальную задачу, при решении которой необходимо принять во внимание ряд факторов, включая:


·                     перспективы нового строительства;


·                     показатели надежности существующей системы теплоснабжения, в особенности тепловых сетей;


·                     показатели энергетической эффективности источников тепловой энергии, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии;


·                     динамику изменения объема услуг централизованного теплоснабжения;


·                     протяженность тепловых сетей в расчете на единицу присоединенной мощности по каждой котельной;


·                     параметры, характеризующие альтернативные источники топлива и энергии (таблица 4).


После формирования списка мероприятий для каждого из них должны быть рассчитаны технико-экономические показатели, включая капитальные затраты, годовые эксплуатационные затраты (включая затраты на топливо и электроэнергию, ремонтно-техническое обслуживание и заработную плату), годовую экономию эксплуатационных затрат по сравнению с базовым вариантом и простой срок окупаемости капитальных затрат. В качестве базового варианта для сравнения выбирается вариант дальнейшей эксплуатации рассматриваемого элемента системы (например, котла, трубопровода или здания) без какой-либо модернизации с нулевыми капитальными затратами.


Как правило, сумма капитальных затрат, необходимая для реализации всех возможных мероприятий, существенно меньше той суммы, которая практически может быть выделена для их реализации. Поэтому возникает задача выбора наиболее приоритетных энергоэффективных мероприятий (проектов). Проекты ранжируются по мере убывания годовой экономии эксплуатационных затрат (таблица 5).


Э1> Э2 >… >Эр >…Эn


Поскольку располагаемая сумма финансирования К существенно меньше, чем сумма всех проектов


К >> К1+ К2 +…+ Кр +…+Кn,


то к дальнейшему рассмотрению принимается р первых проектов с максимальной годовой экономией эксплуатационных затрат, что обеспечивает соответствие располагаемой и требуемой суммы финансирования


К = К1+ К2 +…+ Кр


 


 


Если проекты П1, П2, … Пр являются независимыми, то задачу выбора совокупности приоритетных проектов можно считать решенной. Однако многие энергоэффективные проекты, которые следует рассмотреть при модернизации систем теплоснабжения, не являются независимыми, то есть реализация одного проекта оказывает влияние на технико-экономические показатели других проектов. Поэтому необходимо выполнить анализ взаимного влияния проектов.


Можно привести примеры как положительного, так и отрицательного влияния проектов друг на друга. Положительным будем называть такое влияние, когда реализация одного проекта будет улучшать технико-экономические показатели другого проекта. Примером положительного влияния проектов является совместное внедрение теплового насоса и когенерационной установки, так как использование когенерационной установки позволяет получать дешевую электрическую энергию, что, в свою очередь, повышает технико-экономическую эффективность применения теплового насоса. Примером отрицательного влияния проектов является термомодернизация зданий и проведение любых мероприятий по энергоэффективности на источниках тепловой энергии. После термомодернизации зданий нагрузка на тепловых источниках и выработка тепловой энергии будет существенно сокращена, при этом капитальные затраты на реализацию мероприятий на тепловых источниках будет оставаться неизменной, что приведет к снижению технико-экономических показателей этих мероприятий. Как положительное, так и отрицательное влияние проектов необходимо учитывать при оценке их совместной технико-экономической эффективности. Методический подход к выбору энергоэффективных проектов в условиях финансовых ограничений при наличии взаимного влияния изложен в [7].


Необходимо отметить, что проекты по термомодернизации зданий, подключенных к централизованным системам теплоснабжения, имеют синергетический эффект, который заключается в том, что снижаются тепловые потери не только в термомодернизированном здании, где реализованы те или иные энергосберегающие мероприятия, но и в тепловых сетях и котельных, где никаких мероприятий не проводилось (рис. 5). Изоляция тепловых сетей также имеет синергетический эффект, который реализуется в котельных. Мероприятия по повышению энергоэффективности котельных не обладают синергетическим эффектом, поскольку этот элемент системы является первым в цикле преобразования топлива в тепловую энергию. Синергетический эффект объясняется тем, что при снижении теплопотребления зданий уменьшается тепловая нагрузка в котельных и тепловых сетях, поэтому при неизменном уровне относительных тепловых потерь в этих элементах системы абсолютные тепловые потери в них уменьшаются.


 


 


 


 


 


 


 


Для количественной оценки величины синергетического эффекта в системе теплоснабжения необходимо рассмотреть ее тепловой баланс (рис. 5). Если допустить, что в котельной теряется 14% (10% - нормативных и 4% - сверхнормативных) первичной энергии топлива, то в тепловую сеть поступает 86% этой энергии. Далее, если предположить, что в тепловой сети теряется 26% первичной энергии топлива, то к потребителю поступает только 60% первичной энергии топлива. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что теплопотребление здания после термомодернизации может сократиться в два раза, что позволяет уменьшить потребление первичной энергии в котельной на 30%, то есть котельная будет потреблять не 100, а 70% первичной энергии. Поэтому уровень тепловых потерь в котельной сократится и станет не 14%, а 14% × 0,7 = 9,8% от первоначальной величины потребления первичной энергии. Таким образом, синергетический эффект термомодернизации зданий в котельной составит 14 - 9,8 = 4,2%. Аналогичным образом несложно вычислить и другие составляющие синергетического эффекта (рис. 5).


Рекомендуемый вариант схемы теплоснабжения поселения базируется на существующей схеме и включает в себя энергоэффективные проекты, которые выбраны и проанализированы на основе вышеизложенного методического подхода. Необходимо выполнить сравнительный анализ технико-экономических показателей рекомендуемого и других альтернативных вариантов.


В общем случае вариантов для сравнения может быть несколько. В каждом конкретном случае они определяются особенностями системы теплоснабжения рассматриваемого поселения. Одной из особенностей является наличие теплоэлектроцентрали, которая может быть использована для теплоснабжения поселения в большей или меньшей степени. Другой особенностью, которая может диктовать необходимость рассмотрения альтернативных вариантов, является оптимальная степень децентрализации системы теплоснабжения поселения.


Однако в любом случае в качестве базового варианта для сравнения целесообразно рассмотреть так называемый «нулевой вариант», когда капитальные затраты отсутствуют и ни один из энергоэффективных проектов не будет реализован. При этом необходимо спрогнозировать уровень роста годовых эксплуатационных затрат с учетом роста цен на энергоносители и затрат на ликвидацию повреждений тепловых сетей.


В работе [8] в качестве критерия для сравнения различных вариантов схем теплоснабжения предлагается использовать величину суммарных удельных затрат на производство энергии за весь жизненный цикл системы теплоснабжения. Предлагаемый вариант должен обеспечивать минимальное значение этой величины:


З/Е→min


где:


З - сумма капитальных и эксплуатационных затрат на систему теплоснабжения за весь жизненный цикл ее существования;


Е - количество тепловой и электрической энергии, которое выработано системой за весь жизненный цикл ее существования.


Детальная проработка рекомендуемого варианта включает в себя создание принципиальных тепловых схем, выполнение тепловых и гидравлических расчетов, подбор оборудования, уточнение его технических характеристик, а также выполнение других предпроектных разработок.


На основе применения вышеизложенного методического подхода разработаны рекомендации по энергоэффективной модернизации систем теплоснабжения нескольких поселений Украины. В частности, энергоэффективная схема теплоснабжения г. Кировограда предполагает реализацию комплекса энергоэффективных проектов, включая термомодернизацию административных и общественных зданий, реконструкцию тепловых сетей с использованием предварительно изолированных труб, возобновление централизованного горячего водоснабжения, строительство теплонасосной установки мощностью 6,5 МВт, использующей теплоту городских канализационных стоков, модернизацию турбин ТЭЦ с целью увеличения доли выработки электрической энергии, строительство когенерационной установки на одной из крупных городских котельных, частичное замещение природного газа биотопливом, замену устаревших водогрейных и паровых котлов общей мощностью 42 МВт современными блочно-модульными котельными. Общая сумма капиталовложений должна составить около 200 млн. грн., усредненный срок окупаемости предложенных энергоэффективных проектов составляет около 5 лет.


 


 


Systems approach to the development of energy efficient schemes of heat supply of the population centers of Ukraine.


 


Nikitin E.E.


The Gas Institute of NASU


 


Factors and trends dictating necessity to modernize heat supply systems of cities and population centers are specified. The system approach to the development of prospective heat supply scheme has been considered. It included the following stages: collection and analysis of general data on a population center, analysis of prospective development plan of the population center, passport of existing heat supply system record, analysis of energy efficiency indices and existing heat supply system reliability, analysis of time history of district heating services for last five years, inventory of available for the heat supply system fuel sources, compilation of the list of potential projects on enhancement of reliability and energy efficiency of the heat supply system, preliminary feasibility estimation for each project, their ranking by technical and economic efficiency, and the analysis of mutual influence of the projects, elaboration of proposed version of heat supply scheme under the conditions of financial constraints, estimation of technical and economic efficiency indices for proposed version. Job content for each of these stages has been considered. The analysis of energy efficiency indices and methodology for the choice of projects on energy efficiency have been attended.


Key words: energy efficient schemes of heat supply of cities and population centers.


 


 


Список литературы


1.                 Методичні рекомендації з розроблення енерго- та екологоефективних схем теплопостачання населених пунктів України. Затверджено наказом Мінбуду України від 26 квітня 2006 р. № 147.


2.                 Методические основы разработки схем теплоснабжения поселений и промышленных узлов Российской Федерации. РД-10-ВЭП. РАО «ЕЭС России», ОАО «Объединение ВНИПИЭНЕРГОПРОМ». Введен в действие с 22.05.2006. Москва 2006 г.


3.                 Об утверждении правил подготовки специальных планов теплового хозяйства. Приказ Министерства хозяйства Литовской Республики и Министерства окружающей среды Литовской Республики. 16.01.04 № 4-13/D 1-28. Вильнюс.


4.                 ИТТФ.


5.                 МУ 34-70-080-84 «Методические указания по определению тепловых потерь в водяных и парових тепловых сетях» М. Союзтехэнерго 1985 г.


6.                 Міжгалузеві норми споживання електричної та теплової енергії для установ і організацій бюджетної сфери України. УкрНДІінжпроект, Київ


7.                 Никитин Е.Е. Системный подход к выбору мероприятий по энергоэффективности при модернизации систем теплоснабжения поселений в условиях финансовых ограничений//Энерготехнологии и ресурсосбережение.- 2009.- №1-С.18-26.


8.                 Никитин Е.Е. Концепция управления энергоэффективностью систем теплоснабжения поселений// Энерготехнологии и ресурсосбережение.- 2009.- №2-С.25-33.