Об энергоэффективности и экологичности систем теплоснабжения урбанизированных территорий юга России

Об энергоэффективности и экологичности систем теплоснабжения урбанизированных территорий юга России

Российское городское население составляет около 74% и поэтому оптимизация функционирования систем жизнеобеспечения урбанизированных территорий является не только актуальной технической, экологической, но и социально-политической задачей. В последние десятилетия за счет резко возросшей антропогенной и техногенной нагрузки произошло глобальное изменение экологической ситуации, что привело к обострению континентального климата на юге европейской части России, деградации и разрушению ландшафтов, особенно в крупных промышленных центрах [1]. теплоснабжение урбанизированный экологический По мере развития городские территории теряют качества, необходимые для поддержания экологического равновесия. Искусственная среда требует больших энергетических затрат для поддержания собственной устойчивости. По оценкам специалистов в экономически развитых странах более 50% энергии потребляется зданиями и около 25% - транспортом. В этой связи даже, на первый взгляд, незначительные попытки изменения в энергетическом балансе городов могут иметь глобальные по своему масштабу последствия [2].

Согласно указу президента РФ Д. А. Медведева от 4 июля 2008 года «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» к 2020 г следует снизить на 40% энергоемкость ВВП. Снижение энергоемкости ВВП планируется главным образом за счет увеличения непроизводственной части ВВП, по образцу Западных стран. В то же время, по опубликованным данным, планируемое в новой энергетической стратегии ЕС «Energy 2020» уменьшение потребления первичной энергии не менее чем на 20% к 2020 году недостижимо и по различным оценкам может составлять не более 9−13% [5]. Очевидно, что подобные расхождения между планируемыми и достигаемыми результатами в энергосбережении будут отмечены и в нашей стране. Ситуация усугубляется проблемами, накопившимися в теплои электроэнергетике. Отмечается дефицит генерирующих мощностей в Москве, СевероЗападе, Нечерноземье, Сибири, на Урале и Дальнем Востоке. За время «реформ» допущено старение основных фондов. Ввод новых энергетических мощностей сократился в 10 раз с 6−12 до 0,4−03,6 ГВт в год. Половина генерирующих мощностей и до 60% теплосетей страны выработали свой ресурс и требуют замены. Таким образом, имеются основания считать, что страну ожидает энергетический кризис. В стране, живущей за счет экспорта энергоресурсов, при кризисе энергогенерирующей отрасли последует сокращение внутреннего энергопотребления при сохранении или увеличении экспорта углеводородного сырья. В условиях энергетического кризиса и недостаточного энергопотребления должна быть изменена вся парадигма развития страны [3].

Анализ жилых многоэтажных зданий в Москве показал, что при норме заселения 20 м² на человека основное потребление энергоносителей приходится на электроэнергию. Причем, большая часть потребляемой электроэнергии приходится на приготовление пищи и использование электробытовых приборов. Структуру затрат тепловой энергии можно представить следующим образом: ГВС — 50%, воздухообмен — 25%, теплопотери через окна — 12,5%, теплопотери через остальную теплозащитную оболочку здания — 12,5%.

C точки зрения методов регулирования, потребление энергии в здании делится на обусловленное:

• а) теплопотерями через теплозащитную оболочку здания, т. е. обусловленные ограждающими конструкциями, формой и объемом здания. Это теплопотребление регулируется строительными мерами и определяется климатическими условиями, а также мероприятиями, осуществляемыми на стадии проектирования теплозащиты и строительства зданий.
• б) теплопотерями на вентиляцию. Эти теплопотери хотя и зависят от проектных решений и строительных мероприятий, но определяются главным образом эксплуатацией здания, а также климатическими условиями.
• в) созданием необходимой комфортности: горячее водоснабжение (ГВС), освещение, электробытовая техника, лифты. Это потребление энергии практически не зависит от проектирования и строительства, слабо зависит от климата, в основном оно определяется условиями эксплуатации здания.

В зависимости от указанного вида потребления энергии применяются и меры по энергосбережению. Проще всего регулировать теплозащиту — на стадии проектирования и строительства. Сложнее — воздухообмен, эффективность энергосберегающих решений вентиляции зависит от коммунальных служб, поведения жителей и т. д. Энергосбережение при обеспечении комфортных условий: ГВС и потребление электроэнергии, вообще, можно регулировать только тем или иным воздействием на жителей.

Воздухообмен в здании является необходимым по санитарно-гигиеническим условиям. В подавляющем большинстве жилых зданий на территории России воздухообмен осуществляется путем естественной вентиляции, т. е. воздух попадает в квартиру с улицы через неплотности в окнах и через открытые форточки, а выходит через вытяжные отверстия на кухне и в санузлах. В течение отопительного периода путем естественного воздухообмена здание теряет примерно столько же энергии, сколько трансмиссией через оболочку. При установке современных энергосберегающих окон, которые обладают повышенным сопротивлением воздухопроницанию, естественный воздухообмен нарушается, что приводит к необходимости открывания окон, резко снижая тем самым их энергосберегающий эффект. Никаких эффективных энергосберегающих мероприятий при естественном воздухообмене практически не существует. Поэтому в зданиях с установленными энергосберегающими окнами необходимо организовывать принудительную вентиляцию. При такой вентиляции для получения энергосберегающего эффекта необходимо использовать рекуперацию теплоты отработанного воздуха. В новых строящихся домах в целях энергосбережения целесообразна централизованная рекуперация. Следует отметить, что для эффективной работы рекуператора необходима «герметизация» здания, т. е. максимально возможное снижение воздухопроницаемости ограждающих конструкций и узлов их сопряжения. Вследствие этой и некоторых других причин в существующем жилом фонде устройство рекуперации проблематично [4]. Внедрение рекуперации может быть эффективно при новом строительстве. Учитывая, что коэффициенты полезного действия современных рекуперативных подогревателей достигают 96%, применение рекуперации позволяет сократить теплопотребление здания более чем на 20%.

Обеспечение качества внутреннего воздуха зданий в летний период, решаемое, как правило, за счет использования кондиционеров или сплит-систем, также является энергоемким. За рубежом, особенно в Объединенных Арабских Эмиратах, где кондиционирование является более актуальным, чем теплоснабжение, широко применяется тригенерационная выработка энергоресурсов. Тригенерация обладает явными экологическими преимуществами, за счет возможности производства того же количества энергоресурсов со значительно меньшими расходами топлива, чем в случае раздельного производства. Гибкость системы тригенерации, которая способна использовать утилизируемую энергию для теплоснабжения во время холодного сезона (зимой) и холодоснабжения во время теплого сезона (летом), позволяет увеличить продолжительность времени, в течение которого система может работать с максимальной эффективностью, что отвечает как интересам собственника, так и соображениям охраны окружающей среды.

Базовым оборудованием для тригенерационных установок являются газовые турбины и поршневые двигатели. Согласно информации журнала Diesel&Gas Turbine Worldwide, отмечается рост заказов на выпуск поршневых двигателей на 30%, с 23 160 до 30 118 шт., а газовых турбин на 31% с 532 до 687 шт. Основными рынками являются: Западная Европа (22%), Северная Америка (16%), Центральная Азия (15%), Средний Восток (12%) и Дальний Восток (11%). При этом число заказов на двигатели мощностью 1−5 МВт увеличилось на 31%, что свидетельствует о заинтересованности заказчика в объектах распределенной генерации. То есть осуществляется замена котельных на мини-ТЭЦ и модернизация систем жизнеобеспечения урбанизированных территорий с учетом существующих экологических ограничений по выбросам углекислого газа в атмосферу.

Трансформация систем жизнеобеспечения урбанизированных территорий с минимальным экологическим воздействием в системы биосферосовместимые возможна на основе третьей аксиомы Ильичева, сформулированной следующим образом: «Только использовав патологию, как ресурс, можно вернуться к норме». Сделать это можно, создав параллельную промышленность, которая будет использовать в качестве сырья все виды отходов и, помимо выручки за товары, получать еще и «вторую плату» — плату за ликвидацию свалки, террикона, топляка, горельника, рудных отвалов, дымов, «нефтяных туманов», различных загрязнений вод, почв и т. п. 6]. Предпосылки для реализации подобных проектов имеются. Так, на заседании президиума Совета по модернизации экономики и инновационному развитию 20 мая 2013 г. премьер-министр Дмитрий Медведев отметил, что экология может стать системным драйвером модернизации и обеспечить двойной выигрыш — укрепить конкурентоспособность экономики и улучшить качество жизни людей.

Разрозненные проекты по утилизации бытовых отходов и отходов производства с целью получения генераторного газа и использования его для отопления помещений, как и отдельные проекты по внедрению малой распределенной когенерации, уже реализованы в нашей стране. Но для качественного скачка и перехода к биосферосовместимым системам жизнеобеспечения необходимо от индивидуальных целевых проектов перейти к формированию ансамбля многопроектных и многоцелевых программ. К тому же за счет объединения индивидуальных целевых проектов в единый ансамбль и общего управления проектами снижаются различного рода накладные, административные и иные расходы [6].

Проектные решения, создаваемые в рамках реализуемой программы «Умный город», помимо получения существенного экономического эффекта, позволяют сохранить природные ресурсы, обеспечив экологическую безопасность региона. Подобные проработки должны быть выполнены и реализованы для всех вновь вводимых объектов.

В качестве примера можно рассмотреть системы теплоснабжения городов Волгограда и Волжского (ЮФО).

В настоящее время в г. Волгограде функционируют три крупных энергоисточника ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» — ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ВолгоГРЭС, которые загружены в среднем на 40%, при этом для обеспечения теплопотребности жилищно-комунального сектора в городе эксплуатируется 146 котельных, загруженных менее чем на 65%.

Расположенный в непосредственной близости от Волгограда г. Волжский обеспечивается теплом от двух энергоисточников ООО «ЛУКОЙЛВолгоградэнерго» — ВТЭЦ и ВТЭЦ-2, которые также недогружены по теплу.

Для снижения расходов топлива, уменьшения затратной части в себестоимости производимой на электростанциях тепловой и электрической энергии, улучшения экологической ситуации необходимо повышение эффективности энергетической отрасли региона.

В 2010 г. ООО «ЛУКОЙ-Волгоградэнерго» предложило реализовать схему «Перспективного развития систем теплоснабжения до 2025 года», согласно которой происходило бы увеличение зон действия Волгоградской ТЭЦ-2, ВолгоГРЭС, ВТЭЦ-1 и при существующей тепловой нагрузке 2010 г. — 2153,7 Гкал/ч перевод в пиковый режим или в резерв отопительных котельных в Тракторозаводском, Красноармейском и Кировском районах.

Учитывая, что удельные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от котельных составляют — 1,09 кг/Гкал, а от ТЭС — 0,92 кг/Гкал и тариф на тепло от котельных выше, чем на тепловых станциях в 1,4−1,7 раз, данное предложение можно было бы отнести к биосферосовместимым при условии проведения модернизации оборудования ТЭС.

Реализация инвестиционных проектов развития систем теплоснабжения Волгограда необходима для получения синергетического эффекта развития города. Для увеличения эффективности выработки электрической и тепловой энергии, более эффективного использования топливных ресурсов, необходимо увеличение зон действия энергоисточников и крупных котельных, т. е. централизация теплоснабжения в технически возможных и экономически обоснованных случаях. Целесообразно закрытие мелких неэффективных котельных с переключением потребителей на крупные котельные и развитием на их базе когенерации — совместного производства тепла и электроэнергии [7].

Особенностью города Волжского является преобладание капитальной многоэтажной застройки над малоэтажными домами. По состоянию на 01.01.2012 г. обеспеченность жилого (многоквартирного) фонда инженерной инфраструктурой довольно высока. В частности, обеспеченность жилого фонда водопроводом составляет 96,5%, водоотведением (канализацией) — 96,1%, газом — 97,5%, центральным отоплением — 98,1%. Централизованное теплоснабжение города осуществляется от двух источников тепловой энергии: ВТЭЦ и ВТЭЦ-2 ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго», теплоснабжение жилого района Краснооктябрьский (пос. Краснооктябрьский) и о. Зеленый осуществляется от районных котельных малой производительности. Потребители тепловой энергии на нужды отопления, как правило, подключены при помощи элеваторов, схема подключения ГВС — открытая [8].

В 2012 г ЗАО «Институт Волгоградгражданпроект» в рамках Проекта генерального плана городского округа — город Волжский Волгоградской области были выполнены прогнозы приростов площади строительных фондов в г Волжский. Согласно материалам генерального плана, в течение расчетного срока жилищный фонд города планируется увеличить до 8830 тыс. м², что позволит увеличить среднюю жилищную обеспеченность с 17,1 м² в настоящее время до 25,2 м² общей площади на человека. Объем нового жилищного строительства с учетом убыли части существующего фонда в течение расчетного срока генерального плана составит порядка 3449,6 тыс. м². Прирост нагрузок ожидается в южной части города, вне зоны теплоснабжения от ВТЭЦ и ВТЭЦ-2 (по схеме теплоснабжения).

Проектные решения нового строительства, как жилищного, так и общественного, должны базироваться не на типовых решениях 70−90-х годов прошлого столетия, а соответствовать современным нормам энергоэффективности и экологической безопасности.

Данные нормы затрагивают часть общей задачи энергосбережения в зданиях. Одновременно с созданием эффективной тепловой защиты, в соответствии с другими нормативными документами принимаются меры по повышению эффективности инженерного оборудования зданий, снижению потерь энергии при ее выработке и транспортировке, а также по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путем автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.

Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран. Эти нормы, как и нормы на инженерное оборудование, содержат минимальные требования, и строительство многих зданий может быть выполнено на экономической основе с существенно более высокими показателями тепловой защиты, предусмотренными классификацией зданий по энергетической эффективности.

В настоящее время разрабатывается новый проект планировки жилого района № 14. Проект «Волжская жемчужина» предполагает увеличение площади застройки в границах рассматриваемого района с 746,72 тыс. м² до 1136,6 тыс. м². Проектом предусмотрено строительство жилых и общественных зданий повышенной этажности (12−16 эт.). Существующим на текущий момент проектом планировки теплоснабжение указанной застройки предусматривается децентрализованное — от собственных источников.

Согласно п. 15, с. 14, ФЗ № 190 «О теплоснабжении» от 27.07.2010 г., запрещается переход на отопление жилых помещений в многоквартирных домах с использованием индивидуальных квартирных источников тепловой энергии, перечень которых определяется правилами подключения к системам теплоснабжения, утвержденными Правительством Российской Федерации, при наличии осуществленного в надлежащем порядке подключения к системам теплоснабжения многоквартирных домов.

Планируемые к строительству жилые дома по условиям экологической безопасности не должны проектироваться с использованием поквартирного индивидуального отопления. Строительство новых котельных или крышных котельных в границах планируемой застройки для квартала 29 и района «Волжская жемчужина» в современных социо-экологических условиях не является целесообразным.

Необходимы проектные решения зданий и инженерных систем в целом на основе современных энергоэффективных технологий, обеспечивающих минимальное энергопотребление за счет эффективной тепловой защиты здания, рекуперации тепла и тригенерационных систем жизнеобеспечения.

Использование тригенерации позволит выровнять годовые графики электрических нагрузок эксплуатируемого генерирующего оборудования, повысить его технико-экономические и эксплуатационные характеристики и снизить сроки окупаемости вводимых мощностей.

Необходимо выполнить актуализацию тепловой схемы города с учетом вывода из эксплуатации оборудования ВТЭЦ с высоким физическим износом и выработанным парковым ресурсом. Замещение выбывающих мощностей необходимо осуществлять на базе когенерационной/тригенерационной распределенной генерации.

Учитывая имеющиеся экологические, экономические и социальные предпосылки для развития распределенной генерации, использующей в качестве топлива биомассу тростника, листового опада и ТБО, необходимо разрабатывать технические решения по замещению выработавших свой ресурс источников централизованного теплоснабжения с использованием этих топливных ресурсов. В этом плане небезынтересен опыт Швеции, которая сжигает ТБО и получает тепловую энергию для целей отопления и выработки электроэнергии. С недавних пор Швеция начала импортировать мусор из стран Европы, главным образом из Норвегии — около 800 тыс. т бытовых отходов в год, т.к. собственного мусора уже не хватает [9].

На основании вышеизложенного можно сделать выводы, что в целях создания качественной энергоэффективной и экологичной или, иначе говоря, биосферосовместимой жилой среды урбанизированных территорий юга России при проектировании необходимо учитывать следующее:

¦ проектные предложения по компоновке жилых образований должны формироваться на основе принципов «зеленой архитектуры»;

¦ проектные решения систем жизнеобеспечения урбанизированных территорий должны базироваться на централизованном когенерационном или тригенерационном энергоснабжении с учетом оптимальных радиусов энергоснабжения и балансов энергопотребления.

• 1. Антюфеев А. В., Таран А. С. Городские парки в формировании экологического качества городской среды//XI научная конференция «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», 23 марта — 3 апреля 2013 г., Ханой — Дананг, Вьетнам: — Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. — 388 с. (с. 134−137).
• 2. Птичникова Г. А. Урболандшафты современных городов и фактор глобализации // XI научная конференция «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», 23 марта — 3 апреля 2013 г., Ханой — Дананг, Вьетнам: — Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. — 388 с. (с. 128−133).
• 3. Гагарин В. Г. Потребление энергии в России и повышение энергоэффективности в строительстве // доклад, XI научная конференция «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», 23 марта — 3 апреля 2013 г., Ханой — Дананг, Вьетнам.
• 4. Гагарин В. Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы, март 2010, с. 8−13.
• 5. О роли ТЭЦ в новой энергетической стратегии Европейского Союза // Энергетика за рубежом, № 3, 2013, с. 16−19.
• 6. Ильичев В. А. Биосферная совместимость: Технологии внедрения инноваций. Города, развивающие человека. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. — 240 с.
• 4. «Концепция развития систем теплоснабжения г. Волгограда на период до 2025 г.» ОАО «ОБЪЕДИНЕНИЕ ВНИПИЭНЕРГОПРОМ», Москва, 2010 г.
• 8. «Схема теплоснабжения города Волжский» ООО «ТЭТРА электрик», Санкт-Петербург, 2013 г.