CC BY
118
АСПЕКТЫ СЕРВИСА
УДК 330.43:628.1
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ РОССИИ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;
2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
236000, г. Калининград, Советский пр., 1
Представлены результаты анализа данных по энергоэффективности в области водоснабжения, содержащихся в стандартах раскрытия информации за 2011-17 годы по 6 крупным городам России. Приведены изменения удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть по годам, выполнена аппроксимация данных из отчетов с помощью полинома 2-го порядка. Проведено осреднение всех аппроксимационных зависимостей и построение доверительных интервалов. Установлено, что удельный расход электроэнергии на подачу воды в сеть падает. Это соответствует федеральным программам, направленным на повышение энергоэффективности.
Ключевые слова: подача воды в сеть, стандарты раскрытия информации, энергоэффективность систем водоснабжения, удельный расход электроэнергии
THE ENERGY EFFICIENCY OF WATER SUPPLY SYSTEMS OF LARGE CITIES OF
RUSSIA
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave., 1
The results of the analysis of data on energy efficiency in the field of water supply contained in the disclosure standards for 2011-17 years for 6 major cities of Russia are presented. The changes in the specific power consumption for water supply to the network over the years are presented, the approximation of data from reports using a polynomial of the 2nd order is performed. Averaging of all approximation dependences and construction of confidence intervals are carried out. It is established that the specific power consumption for water supply to the network falls. This is in line with Federal programmes aimed at improving energy efficiency.
Keywords: water supply to the network, information disclosure standards, energy efficiency of water supply systems, specific energy consumption
ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
Проблема эффективного использования энергии актуальна во всем мире для различных видов водоснабжения. В работе [1] использована модель для исследования надежности системы подачи воды в пустынных районах или изолированных местах, где отсутствует электроснабжение. Система срабатывает при наличии спроса на воду. Представлен упрощенный метод с использованием нелинейного перевода рабочих точек для вывода энергии фотоэлектрических модулей и суточной откачки воды
для прогнозирования производительности автономной фотоэлектрической насосной системы.
Прогноз автономных фотоэлектрических насосных характеристик является ключевым вопросом для проектировщиков и монтажников. Предыдущие исследования показали, что характеристики скважины оказывают большое влияние на производительность насосной системы.
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии транспортных процессов и сервиса, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: [email protected];
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: [email protected];
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно-технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: [email protected]
В работе [1] предложена новая практическая модель, позволяющая прогнозировать суточное количество перекачиваемой воды и КПД мотопомпы для заданного суточного выхода энергии фотоэлектрической решетки и любого напора. Эта модель, основанная на линейном переводе работы пунктов для выхода энергии блока и ежедневного нагнетенного количества воды [1].
Это значительно упрощает практическую процедуру перевода. В качестве эталонных рабочих точек могут использоваться только четыре рабочие точки (давление - расход), измеренные при любых напорах. Для валида-ции модели использованы экспериментальные данные, полученные на юге Алжира. Расчет расхода и давления в широком диапазоне напоров хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Указано [1], что перевод рабочих точек на основе этого метода эффективен для оценки производительности в любой точке в любом регионе.
Растущий интерес к концепции природных решений (КПР) ставит вопрос о ее применимости в качестве широко понимаемого подхода к управлению ресурсами и пространственному планированию [2]. Хотя, как Европейская комиссия, так и Организация Объединенных Наций рассматривают использование КПР в качестве средства достижения многочисленных целей в области устойчивого развития, сама концепция остается недостаточно определенной. В работе [2] анализируется концепция КПР на фоне классических теорий водных экосистем. Также рассматривается ряд потенциальных вкладов КПР в различные аспекты городского управления, устойчивости и адаптации. Наконец, вводится концепция континуума передачи экосистемных услуг через зоны управления городом, при этом КПР выступает в качестве среды, минимизируя чистые потери регулирующих услуг и оптимизируя экономическую эффективность решений. Подводятся итоги с анализом существующих лучших практик в городском управлении водными ресурсами с точки зрения использования природных процессов в соответствии с предложением и спросом на услуги и с тройной целью: создание условий, восстановление, сохранение природы [2].
Количество и качество водных ресурсов имеют большое значение в поддержании социально-экономического развития городов [3]. Соответственно, были проведены значительные исследования по концепции пропускной способности водных ресурсов (ВКРЦ). В исследовании [3] аналитические модели иерархическо-
го процесса и системной динамики были объединены для построения многокритериальной системы оценки ВКРЦ и социально-экономической водной модели для одного из городов Китая. Тенденции развития общества, экономики, спроса-предложения воды и сброса сточных вод были получены в период с 2015 по 2020 год с использованием пяти сценариев, разработанных для различных целей. Эти сценарии и тенденции были всесторонне оценены с использованием сочетания качественного и количественного анализа. Результаты показали, что пропускная способность водных ресурсов в городе перейдет от нормального к плохому состоянию, если будет сохранена текущая модель социального развития, поэтому развитие города является неустойчивым [3]. Однако при комплексной схеме индекс пропускной способности увеличится на 48% по сравнению с обычным сценарием. Кроме того, были представлены некоторые практические предложения, в том числе по содействию промышленным реформам и повышению эффективности водопользования и политики рециркуляции для совершенствования региональной водной системы [3].
Масштабы потенциальных последствий изменения климата являются неопределенными, однако наряду с другими демографическими, землепользовательскими и социально-экономическими изменениями они влияют на наличие и спрос на воду и усиливают конкуренцию за воду [4]. С повышением температуры испарение увеличивается, что приводит к засухам и разрушительным последствиям для запасов пресной воды. Вода будет одним из ключевых ресурсов для устойчивого городского развития. Обеспечение чистой водой в ближайшие сорок или около того лет потребует расширения услуг еще на 3,7 миллиарда жителей городских районов. Поэтому необходимо способствовать инженерному перераспределению пресной воды в пространстве и времени. Эта проблема должна быть решена устойчивым образом с использованием инновационной зеленой инфраструктуры (ИЗИ), способной увеличить водообеспечение в городских системах, реализующих рекуперацию дождевой и бытовой воды и повторно использующих ее для орошения и непитьевых целей [4]. Поэтому целью исследования [4] является разработка проектной идеи ИЗИ, ориентированной на повторное использование водных ресурсов в кондоминиуме из 40 жилых единиц, расположенных в Южной Италии. В частности, в рамках проекта будут эксплуатироваться свободные площади на крыше здания, общая площадь которых
составит около 900 м2. Проект включает строительство зеленой крыши для развития экологических функций, связанных с очисткой сточных вод, как в построенном водно-болотном угодье, которое представляет собой недорогую альтернативу обычной вторичной или третичной обработке сточных вод. Эта зеленая крыша позволяет повторно использовать отработанную воду на месте для санитарных нужд, полива сада и других нужд в здании, уменьшая расходование уже дефицитных региональных пресноводных ресурсов. Идея проекта также включает в себя возможность использования ароматических и лекарственных видов растений с потенциальным применением в косметике. Производятся экосистемные услуги, подобные тем, которые предоставляются водно-болотными угодьями, и поэтому действуют как поглотители СО2. Кроме того, широко признано, что зеленая крыша уменьшает нагрев зданий, вызванный солнечным облучением, тем самым уменьшая потребление энергии, необходимой для охлаждения квартир. Таким образом, зеленая крыша превращается из неиспользуемой цементированной крыши в источник эко-системных услуг, связанных как с повторным использованием водных ресурсов, так и с развитием потенциальной экономической деятельности. Стоимость работ может быть снижена за счет государственных стимулов для развития садов в кондоминиумах или для увеличения энергоэффективности здания. На муниципальном уровне тиражирование этого проекта на многих зданиях может снизить потребность в воде для жилых районов, а также может смягчить тепловой эффект, который поражает го-
родскую территорию в течение лета и улучшить качество жизни в городе. Такой подход открывает широкие возможности для интеграции вопросов сохранения водных ресурсов, экономического развития и укрепления здоровья населения [4].
Постановлением Правительства Российской Федерации в 2013 году были утверждены Стандарты раскрытия информации в сфере водоснабжения и водоотведения [5,6]. По статистическим данным за 2017 год были отобраны крупные города России с населением от 180 до 650 тысяч человек. Таковых оказалось 86. Практически на всех просмотренных сайтах организаций, осуществляющих холодное водоснабжение в крупных городах России, имеется раздел (или страница) «Раскрытие информации». На 6 из них удалось отыскать отчеты по водоснабжению за 2011 - 2017 год (табл. 1).
В таблице 1: N - численность населения; V - объем поднятой + объем покупной воды; Уо - объем отпущенной потребителям воды; VI - объем воды, пропущенной через очистные сооружения; Ь - протяженность водопроводных сетей в однотрубном исчислении.
Проблемам экономии энергоресурсов в системах водоснабжения уделяется большое внимание исследователей [7 - 12]. Абсолютные показатели затрат электроэнергии системами водоснабжения, в первую очередь, определяются объемами перекачиваемой воды. В частности, характеристиками и состоянием трубопровода.
В данной статье рассмотрим изменение удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть за семь лет (табл. 2).
Таблица 1 - Данные по водоснабжению некоторых крупных городов России в 2017 году
Город N чел. V, млн. м3 У0, млн. м3 VI, млн. м3 Ь, км
Барнаул 632372 57,84 47,33 54,87 1161
Белгород 391554 45,79 29,42 19,82 1120
Волжский 325224 36,04 29,04 36,04 529,4
Вологда 312420 33,98 21,06 33,87 669,2
Калининград 475056 49,71 35,53 48,87 931,8
Оренбург 564773 53,65 49,04 14,54 2259
Таблица 2 - Удельный расход электроэнергии на подачу воды в сеть (2011-2017), кВт^час/м3
Город Год
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Барнаул 0,771 0,765 0,750 0,730 0,700 0,690 0,680
Белгород 1,240 1,150 1,140 1,090 0,950 0,840 0,820
Волжский 0,500 0,506 0,506 0,590 0,430 0,400 0,400
Вологда 0,662 0,620 0,590 0,616 0,551 0,600 0,550
Калининград 0,676 0,656 0,660 0,630 0,594 0,530 0,560
Оренбург 0,850 0,790 1,050 0,700 0,720 0,680 0,680
На рис. 1 - 3 за базовые приняты значения удельного расхода электроэнергии Е в 2011 году. Видно, что во всех рассмотренных городах произошло снижение показателя Е. Однако его характер в разных городах не одинаков. В городах Барнауле и Белгороде происходило ежегодное снижение величины Е (рис. 1). В городах Калининграде и Вологде в отдельные годы было зафиксировано небольшое повышение указанного показателя (рис. 2). Одна из причин такого повышения в Калининграде в 2017 году связана с вводом в действие современной технологической схемы водоподготов-ки [5]. При этом было достигнуто улучшение качества воды, подаваемой потребителям.
Наконец, в городах Волжском и Оренбурге было отмечено значительное превышение удельного расхода электроэнергии 2011 года (18 % в 2014 году и 24 % в 2013, соответственно). Причины необходимо анализировать в каждом конкретном случае. В дальнейшем анализе указанные данные не учитываем.
Рисунок 1 - Изменение удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть (20112017): а - в городе Барнауле, Ь - в городе Белгороде
Рисунок 2 - Изменение удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть (20112017): а - в городе Калининграде, Ь - в городе Вологде
Рисунок 3 - Изменение удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть (20112017): а - в городе Волжском, Ь - в городе Оренбурге
На рис. 4 видно, что при общей тенденции снижения имеется довольно большой разброс данных по удельному расходу электроэнергии.
100 %
90
70
"с - =4 ~ • N Н - =-- ■—.
-Ч V" V X К— __ ч ч
\ \ к X X
4
2011 2012
2013
2014 2015 2016 2017 годы
Рисунок 4 - Удельный расход электроэнергии на подачу воды в сеть в городах: 1 - Барнаул, 2 - Вологда, 3 - Калининград, 4 - Белгород
Для обработки информации используем известную методику: на первом этапе выполняем аппроксимацию данных из отчетов с помощью полинома. Анализ показал, что достаточно использовать полиномы 2-го порядка (^ - год): Е(Ь) = 100 + %•(£ — 2011) +... ... + а2 • (Ь — 2011)2. (1)
На рис. 5, для примера, показана аппроксимация данных для двух городов. Коэффициенты в (1), полученные методом наименьших квадратов: Барнаул (а1 = 1,911; Й2 = 0,043), Белгород (а1 = 4,06; а2 = 0,317). В первом случае индекс детерминации, исправленный с учетом конечности выборки, составил Я2 = 0,915; во втором - Я2 = 0,918.
1UU % 90 SO 70 6П н_1
\l
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 тщ
Рисунок 5 - Аппроксимация данных для двух городов: 1 - Барнаул, 2 - Белгород. Точки - данные из отчетов.
Линии - результаты расчета по формуле (1)
Второй этап включает осреднение всех аппроксимационных зависимостей (1) и построение доверительных интервалов. Уровень значимости на рис. 6 принят 0,05.
* * i -Л
// 2 --__1 Ш * * щ t
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 год
Рисунок 6 - Результаты обработки данных по изменению удельного расхода электроэнергии:
1 - результат осреднения, 2 и 3 - нижняя и верхняя границы доверительных интервалов
Из рисунка 6 видно, что удельного расхода электроэнергии на подачу воды в сеть падает. Это соответствует федеральному закону 261 об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, постановлениям правительства и федеральным программам, направленным на реализацию этого закона.
Литература
1. Yaichi M., Fellah M.K., Tayebi A., Boutadara A. A fast and simplified method using non-linear translation of operating points for PV modules energyoutput and daily pumped water to predict the performance of a
stand-alone photovoltaic pumping system at different heads. - Renewable energy. 2019. V. 133. Pp. 248-260.
2. Krauze K., Wagner I. From classical water-ecosystem theories to nature-based solutions - Contextualizing nature-based solutions for sustainable city. - Science of the total enviromnent. - 2019. V. 655. Pp. 697-706.
3. Yang Z.Y., Song J.X., Cheng D.D., Xia J., Li Q., Ahamad M.I. Comprehensive evaluation and scenario simulation for the water resources carrying capacity in Xi'an city, China. - Journal of enviromnental management. - 2019. V. 230. Pp. 221-233.
4. Semeraro Т., Aretano R., Pomes A. Green Roof Technology as a Sustainable Strategy to Improve Water Urban Availability. - IOP Conference Series-Materials Science and Engineering. - 2018. V. 471. Article number 092065.
5. О стандартах раскрытия информации в сфере водоснабжения и водоотведения. Постановление Правительства Российской Федерации от 17 января 2013 г. № 6. Дата подписания 17 января 2013 г. Опубликовано 23 января 2013 г. Вступило в силу 31 января 2013 г.
6. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Корягин С.И. Анализ показателей стандартов раскрытия информации по водоснабжению крупных городов России в 2017 году. - Технико-технологические проблемы сервиса. - Выпуск№ 2 (48), 2019. - с. 38-44.
7. Великанов H.JL, Корягин С.И. Энергоэффективность жилищного фонда региона. - Технико-технологические проблемы сервиса.-Выпуск№ 3 (29), 2014.-е. 96-100.
8. Великанов H.JL, Корягин С.И. Энергоэффективность городских сетей водоснабжения и водоотведения. - Технико-технологические проблемы сервиса.-Выпуск№ 4 (30), 2014.-с. 84-88.
9. Великанов H.JL, Карягин С.И. Энергоэффективность систем транспортировки горячей воды. -Транспорт и сервис: сборник научных трудов. — Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2017. Вып. 5: Развитие транспортной системы города. —с. 6875.
10. Маркова Л.В., Наумов В.А. Качество воды, поступающей из реки Преголи на Южную водопроводную станцию Калининграда. - Водохозяйственные проблемы региона: сборник научных трудов. -Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2016. -С. 60-67.
11. Бояринова Н.А., Кикот А.В., Наумов В.А. Особенности статистической обработки результатов экспериментальных исследований случайной функции, полученных разными авторами. - Известия КГТУ. - 2015. - № 37. - С. 199-206.
12. Лепеш Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооруженийСПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2014. - 437 с.
