Реферат: Особенности энергосбережения в водопроводном хозяйстве городов

ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ВОДОПРОВОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ ГОРОДОВ

Василенко С.Л., Колотило В.Д., Адельянов В.К.

Коммунальное предприятие «ПТП "Вода"», Харьков, Украина
Введение
Коммунальное водное хозяйство (КВХ) является системой жизнеобеспечения общества, самым крупным сектором экономики по количеству перерабатываемого и перемещаемого продукта [1] и одним из основных потребителей электроэнергии. В городской инфраструктуре больших мегаполисов его энергоемкость сравнима с железнодорожным транспортом и метрополитеном, а иногда и превышает их.

Так, годовое потребление электроэнергии предприятиями водопроводно-канализационного хозяйства Украины составляет около 8 млрд кВтчас, что равнозначно производству электроэнергии почти всем каскадом Днепровских гидроэлектростанций [2]. Поэтому экономия энергоресурсов является важнейшим элементом по обеспечению условий для бесперебойного функционирования систем водоснабжения.

Использование энергоресурсов сфере КВХ в настоящее время не может считаться рациональным. И главная причина высоких издержек, как и в целом в сфере жилищно-коммунального хозяйства, заключается в низкой энергетической эффективности. Основные средства производства (трубопроводы, насосы и др.) в большинстве своем прослужили значительный срок, морально устарели и технически изношены.

Четвертая часть водопроводных сооружений и сетей Украины (в денежном выражении) отработала срок амортизации и почти 40 % находящегося в эксплуатации насосного оборудования физически изношено, вследствие чего теряется не менее 10 % расходуемой электроэнергии. Кроме того, дополнительно до 12 % электроэнергии затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления сетей из-за снижения их пропускной способности [2].

Включение в тарифы необходимой инвестиционной составляющей для модернизации систем водоснабжения сдерживается ростом социальной напряженности.

Принятые и реализуемые в последние годы различные программы по энергосбережению чрезвычайно важны. Однако для систем водоснабжения, которым присущи свои отличительные черты, они должны быть наполнены качественно новым содержанием под общим тезисом: от энергосбережения к энергоэффективности [3]. Такой подход в современных экономических условиях следует рассматривать не просто составной частью, а основополагающим компонентом реформирования КВХ и фундаментом финансового оздоровления муниципальных водохозяйственных предприятий.
Особенности энергосбережения в КВХ
Энергосбережение предусматривает деятельность, которая направлена на рациональное использование и экономное расходование первичной и превращенной энергии и естественных энергетических ресурсов в национальном хозяйстве и реализуется с использованием организационных, научных, производственно-технических, экономико-правовых и информационных мер. Термин «энергосбережение» в основном подразумевает снижение абсолютного потребления энергоресурсов. В принципе беречь можно по-разному, вероятно, даже любыми способами и как ни парадоксально с любыми затратами – особенно когда контрольные показатели жестко регламентируются.

Как это ни странно на первый взгляд, но в силу специфики и социальной значимости централизованного водоснабжения обособленное уменьшение используемой электроэнергии в таких системах не является первостепенной задачей. В концептуальном отношении на первом плане стоит экономия финансовых средств на покупку энергоносителей и внедрение энергосберегающих технологий при одновременном выполнении главной общественно важной функции по обеспечению водой населения и отраслей экономики. А это далеко не одно и то же, что обуславливает разные концептуальные подходы к политике энергосбережения в сфере коммунальной индустрии питьевого водообеспечения.

Использование электроэнергии допустимо идентифицировать как эффективное тогда и только тогда, когда получена ее реальная экономия, а для абонентов выдержаны основные требования:

вода как материальный продукт и товар отвечает государственным стандартам и санитарному законодательству по нормируемым показателям качества;

население обеспечено питьевой водой в границах научно обоснованных нормативов питьевого водоснабжения – для удовлетворения физиологических и санитарно-гигиенических нужд;

обеспечена подача воды на противопожарные нужды, а снабжение водой других потребителей осуществлено согласно условиям договоров;

сохранена устойчивость системы водоснабжения по установленным режимам подачи воды.

При нарушении этих условий энергосбережение не может быть признано ни рациональным, ни эффективным. Идеальным результатом водоснабжения следует считать полное (без потерь) использование первичной энергии на подачу воды нормативного качества в зоны хозяйственной и промышленной деятельности человека. Иначе говоря, экономя воду, мы фактически экономим электроэнергию. Главным здесь является сам ресурс и изготавливаемый из него продукт (питьевая вода), когда в отличие от других товаров мы не в состоянии изменить ни его объемные, ни весовые характеристики, но можем влиять на расходные параметры самого потребления. Это очень важная исходная предпосылка.

^ Специфические признаки КВХ

К характерным особенностям КВХ, отличающих от предприятий других профилей специализации, можно отнести следующие:

Относительная неизменность количественных параметров продукции (воды), за исключением общих тенденций по уменьшению или увеличению удельных расходов использования воды.

Неразрывность выпуска продукции по стадиям энергетического потока с добычей, переработкой, транспортировкой, перераспределением, доставкой и отпуском воды. Могут изменяться операторы и формы управления процессами на разных этапах водоснабжения, но общая суть и последовательность операций остается неизменной. Стадия накопления в централизованном водоснабжении не требуется, как и склады готовой продукции, кроме резервуаров чистой воды, предназначенных для компенсации суточной неравномерности водопотребления.

Слабое влияние изменения качества продукции на вариабельность расходования энергоресурсов. Основной доминантой при этом остается переброска объемов водных ресурсов в хозяйственном звене круговорота воды.

Соблюдение необходимых условий принципиальной жизнеспособности водоснабжения [4]: наличие и минимальная работоспособность основных частей системы, сквозной проход энергии (воды) по всем ее элементам и согласование периодичности работы для всех компонентов системы.

Искусственное уменьшение подачи воды, например, путем введения ограничивающих графиков, можно легко принимать за энергосбережение. Однако соответствующие показатели эффективности для организаций водоснабжения при этом ухудшаются. И не только это. Нарушается комфортность проживания и качество жизни человека, что в свою очередь уже через другие критерии и оценки усугубляет экономику предприятий водоснабжения: дополнительные неплатежи, судебные разбирательства, штрафные санкции и т.п.

Основными измерителями энергосбережения являются абсолютные единицы (кВтчас), то есть наилучший идеализированный вариант и показатель наиболее действенного решения – это полное прекращение потребления электроэнергии с отключением всего насосного и другого технологического оборудования.

Энергоэффективность водоснабжения

Под энергоэффективностью (ЭФ) понимается эффективность использования энергетических ресурсов или характеристика достигаемого эффекта от использования единицы энергии [5]. Эффективность (лат. effectivus) как производительность (действенность) показывает, насколько результативным является потребление электроэнергии и реализация мероприятий по энергосбережению.

Определение. Энергоэффективность централизованного водоснабжения – социально и экономически оправданная эффективность энергосбережения в сфере питьевого водоснабжения (при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды).

В социальном разрезе – гарантированное удовлетворение населения и других потребителей водой нормативного качества по приемлемым для общества ценам (тарифам). В экономическом аспекте – снижение общих затрат на покупку электроэнергии. Достигается за счет уменьшения использования населением воды как материального ресурса (с доведением его до уровня развитых европейских стран, а также внедрения энергосберегающих технологий и оборудования на объектах водоснабжения.

Повышение эффективности использования электроэнергии можно рассматривать как выявление и реализацию мер и инструментов с целью наиболее полного представления услуг водоснабжения при наименьших затратах на необходимую энергию. Однако это не исключает одновременной реализации стратегического направления – уменьшения потребления воды населением [6] во взаимосвязанных различных комбинациях прямой экономии воды и электроэнергии. А выражать достигаемый эффект следует в относительных единицах. Сэкономленные киловатты здесь менее представительны, хотя и существенны для численной оценки снижения энергетической составляющей в себестоимости воды.

^ Оценочные показатели энергоэффективности систем водоснабжения

Согласно ГОСТ Р 51387-99 показатель энергетической эффективности – это абсолютная, удельная или относительная величина потребления или потерь энергетических ресурсов для продукции любого назначения или технологического процесса.

Общепринятые показатели ЭФ для систем водоснабжения отсутствуют. Неявно они характеризуются долей потерь товарной воды, количеством расходуемой воды среднестатистическим жителем по нормативам или приборам учета, расходом электроэнергии на подъем или перекачку воды. Кроме того, в региональных программах энергосбережения присутствуют вполне определенные косвенные критерии: экономия электрической энергии (% в год), стоимость сэкономленной электроэнергии, общие затраты на энергосбережение и т.п. Такие оценочные характеристики важны сами по себе, например, при анализе и контроле внедрения ресурсосберегающих технологий. Тем не менее, этого недостаточно, – необходимо вводить параметры ЭФ для оценки динамики использования электроэнергии во всей системе водоснабжения в комплексе и на ее различных уровнях (рис.1).


Рис 1

Так, повышение коэффициента полезного действия насосного оборудования может не привести к ожидаемому росту ЭФ из-за больших потерь воды в распределительных сетях, а запланированную экономию электрической энергии легко достичь искусственным снижением подачи воды.

Основным производимым товарным продуктом в КВХ является питьевая вода. Поэтому подобно энергоемкости валового внутреннего продукта для оценки рационального использования электроэнергии в водоснабжении целесообразно использовать такой технико-экономический показатель, как удельный расход электроэнергии (УРЭ) на один метр кубической воды (произведенной, поданной, перекаченной), кВтчас/м3. Данный параметр на настоящий момент времени служит основным и единственным показателем, характеризующим энергетическую эффективность хозяйствования КВХ в целом и его структурных подразделений или состояния оборудования в частности.

Однако на практике сам по себе этот параметр мало информативен и не представителен для сравнения систем водоснабжения различных городов, да и в одном городе тоже – при наличии нескольких источников водоснабжения. И хотя он измеряется в относительных единицах расхода воды, по нему трудно сопоставлять между собой степень технического совершенствования отдельных элементов системы – тех же насосных станций. Следовательно, вполне естественным представляется переход от УРЭ к оценке его относительного изменения в безразмерных величинах или процентах, что отвечает общим правилам определения эффективности производственных процессов.

Главный показатель энергетической эффективности водоснабжения – это относительный удельный расход потребляемой электроэнергии на 1 м3 воды.

Пусть , – удельные расходы электроэнергии на некотором объекте водоснабжения или во всей системе в моменты времени 0 и t , кВтчас/м3; соответственно W0, Wt – потребление электроэнергии; Q0, Qt – расходы воды. Момент времени t может предшествовать нулевой точке отсчета (ретроспективный расчет). Тогда показатель ЭФ определим как относительный УРЭ, равный отношению изменения фактического УРЭ за интервал времени t к его некоторой базовой норме. Поскольку при неэффективном использовании электроэнергии посчитанный таким образом показатель может принимать отрицательные значения, минимальную его величину ограничим на уровне нуля.

В качестве отправного значения зафиксируем фактическую величину УРЭ в предшествующий период времени, тогда показатель ЭФ nf вычисляется по формулам:



Базисной величиной 0 в приведенных формулах может быть выбран и некоторый отраслевой показатель [7]. Тогда соотношение относительных УРЭ разных систем водоснабжения будет служить критерием при сопоставлении их развития и эффективности использования электроэнергии.

^ Параметры расхода воды для оценки энергоэффективности

Забор воды из источника водоснабжения здесь недостаточно информативен, поскольку можно забрать воду из водного объекта и полностью израсходовать ее на собственные нужды. Кроме того, на очистных сооружениях, как правило, используются безнапорные гравитационные схемы с незначительной долей потребления электроэнергии.

Основными расходными характеристиками централизованного водоснабжения являются:

Qп —подача воды, исчисляемая от насосных станций второго подъема (после забора воды из водных объектов и ее очистки на сооружениях кондиционирования);

^ Qр — реализация или полезный отпуск воды потребителям;

Qпот — потери воды, технологические и неучтенные расходы в системе подачи и распределения воды с учетом ее использования на хозяйственно-бытовые нужды и вспомогательных объектах КВХ, начиная с выходов подающих насосных станций 2-го подъема.

Реализация или полезный отпуск воды – относительно субъективная величина. Она зависит, в частности, от нормативов водопотребления – некоторых расчетных значений, утверждаемых местными органами власти. Кроме того, при массовой установке приборов учета воды реализация имеет общую тенденцию к снижению, как за счет уменьшения реального водопотребления, так и всевозможных способов манипуляции с приборами и фактического хищения воды [8]. К сожалению, ресурсы фальсификации существуют, поскольку счетчик достаточно сложен по устройству, алгоритмам работы, монтажу и эксплуатации. На практике одновременно с внедрением индивидуальных измерительных средств растет небаланс между результатами учета отпуска и потребления, и подобные ухищрения с приборами вынужденно списываются на потери воды в распределительных сетях.

^ Потери воды

Следует различать физические потери воды (утечки, технологические расходы на промывку водопроводных сетей, утечки через смоченную поверхность резервуаров чистой воды и т.п.) и потери, как некий собирательный образ. На физическом уровне потери зависят от законов движения жидкости (гидравлики, гидродинамики), законов систем массового обслуживания, закономерностей «старения» сложных многокомпонентных систем. С другой стороны, в неучтенные расходы входит хищение воды, недоучет. Определить общую величину потерь и соотношение ее составных на основе отчетных данных практически невозможно, поскольку пока учитывается лишь незначительная часть используемой воды.

Иными словами все, что нереализовывается и недосчитывается, также перекладывается на суммарные потери Qпот, величина которых в КВХ и так непомерно высока. При этом сама вода не вытекает через повреждения на сетях и может разумно использоваться, но для Водоканалов считается утраченной. Потери воды при транспортировке также возрастают за счет старения трубопроводов и закладываются в отраслевые нормативы использования питьевой воды, равно как и неучтенные расходы воды на приборах учета.

Таким образом, для системы водоснабжения главными расходными характеристиками при исчислении ЭФ следует считать подачу воды, контролируемую счетчиками, и реализацию воды, которая хотя отчасти приближенно, но характеризует уровень реального расходования воды. Оптимальным результатом в этих условиях становится полное (без потерь) использование электрической энергии на подготовку питьевой воды нормативного качества и ее «доведение до крана» потребителя (тоже без потерь) в необходимом количестве по установленному режиму ее подачи.

В качестве примера посчитаны оценки ЭФ для централизованного водоснабжения г. Харькова: отдельно на подачу воды по двум поверхностным удаленным источникам и в целом по системе группового водоснабжения – на реализацию или полезный отпуск воды (рис. 2).


Рис 2 Энергоэффективность по годам в системе группового водоснабжения г. Харькова: на реализацию и подачу питьевой воды от удаленных источников

Исходной точкой отсчета для сравнения расхода электроэнергии принят 2002 год как «неудачный» с точки зрения рационального использования энергоресурсов в относительных расходных единицах воды. Характерно, что после проведения в 2003 году комплекса мероприятий, в том числе по оптимизации работы 3-х подъемов, показатели ЭФ сразу улучшились. В 2004 году, несмотря на некоторое уменьшение ЭФ по головным подающим сооружениям, возросла ЭФ на реализацию воды, в чем прослеживается результативность административных мер и работы абонентской службы.

В 2007 году энергоэффективность nf по головным подающим сооружениям и на реализацию воды (с учетом несбалансированности по теплоснабжающим организациям) несколько снизилась. В определенной мере это объясняется установкой квартирных счетчиков воды, особенно в период повышения коммунальных тарифов, но в целом является предостерегающим симптомом для экономической безопасности коммунального предприятия по водоснабжению.

В этой связи нельзя не отметить распространенное мнение, что рыночные механизмы автоматически обеспечивают повышение эффективности использования энергии. В реальной жизни это не совсем так, поскольку рынок ориентируется главным образом на текущую ситуацию и слабо учитывает перспективы развития и общенациональные интересы, что находится в сфере управления государства. Роль органов исполнительной власти состоит в обеспечении заинтересованности в повышении ЭФ всех субъектов городского коммунального рынка, включая водное хозяйство. И речь главным образом идет о коренной модернизации КВХ на общенациональном системном уровне, так как мероприятия по внедрению современных управленческих и производственных технологий носят комплексный характер.
Выводы
Специфика энергосбережения в централизованном водоснабжении состоит в разных комбинациях экономии собственно воды и электроэнергии на ее подачу потребителям. Это создает предпосылки, чтобы в основу расчета показателей энергетической эффективности положить относительное изменение удельного расхода электроэнергии на 1 м3 воды – по сравнению с некоторой базовой оценочной величиной. Такой подход позволяет дифференцировать структуру потребления электроэнергии, оценивать эффективность ее использования по отдельным элементам и в целом по системе, отслеживая динамику, для формирования и реализации управленческих задач. Экономия ресурсов возможна как на стадии производства и транспортирования воды, так и в процессе ее потребления, когда одновременно сберегается вода, электроэнергия и денежные средства на их покупку [9].

Стоимостный ресурс воды постоянно повышается, поэтому решение задач энергосбережения в КВХ имеет долгосрочную экономическую базу и является идеальным полем для вложения и возврата инвестиций на компенсационной основе.

В основе не решаемых годами проблем энергосбережения в сфере водоснабжения лежат искусственные ложные предпосылки кажущейся дешевизны воды, субъективно выдаваемые как объективные. В случае их аутентичного осмысления социумом, со временем они будут довольно быстро разрешены, исходя из высокой рентабельности и быстрой оборачиваемости финансов в питьевой индустрии.
^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исаев В.Н. (2004). К вопросу об управлении системами водоснабжения // Сантехника, с. 2–5.

2. Семчук Г.М. (2005). Сучасний стан і проблеми реформування підприємств водопровідно-каналізаційного господарства України // Экология и здоровье человека / Сб. науч. тр. ХІІІ междунар. науч.-практич. конф. – Харьков: УкрВОДГЕО, с. 469–479.

3. Капустин О.С. (2004). От энергосбережения к энергоэффективности ЖКХ // ЭСКО, № 1.

4. Альтшуллер Г.С. (2004). Творчество как точная наука / 2-е изд. – Петрозаводск: Скандинавия, 208 с.

5. ГОСТ Р 51541-99. Энергосбережение.

6. Хомко В.Є., Царинник О.Ю. (2003). Скорочення водоспоживання населенням – пріоритетний шлях до зменшення втрат води // Сб. докл. междунар. конгресса «ЭТЕВК-2003». – Ялта, с. 98–102.

7. Василенко С.Л. (2005). Оценочные показатели энергоэффективности систем централизованного водоснабжения // Інтегровані технології та енергозбереження, № 3, с. 89–94.

8. Каргапольцев В.П., Лупей А.Г. (2003). О некоторых методах "экономии" при ведении коммерческого учета воды и тепла // Энергосбережение, № 6, с. 46–51.

9. Джон МакГоуэн. (2004). Комбинированные проекты водо- и энергоэффективности // ЭСКО, № 10.