Повышение энергоэффективности систем теплоснабжения является важной задачей для снижения энергопотребления и минимизации воздействия на окружающую среду. Комплексный подход к повышению энергоэффективности систем теплоснабжения может значительно снизить эксплуатационные расходы и улучшить экологическую ситуацию [1–2]. Техническое состояние систем теплоснабжения требует особого внимания и быстрого решения накопившихся проблем. Возможные направления для улучшения ситуации приведены в [3–5].

Оценка эффективности систем теплоснабжения включает в себя множество критериев [1, 6–8], которые можно разделить на несколько групп. К основным критериям относят следующие.

1. Технические критерии:

  • коэффициент полезного действия (КПД) показывает, насколько эффективно данная конкретная система преобразует топливо в тепло;
  • надёжность — частота и продолжительность аварий и отключений;
  • скорость реакции — время, необходимое для достижения заданной температуры после изменения нагрузки;
  • гибкость — возможность адаптации к изменяющимся условиям внешней среды и требованиям потребителей.

2. Экономические критерии:

  • себестоимость тепловой энергии — анализ затрат на производство, транспортировку и распределение тепла;
  • инвестиционные затраты — первоначальные затраты на строительство и модернизацию системы;
  • операционные затраты — текущие расходы на эксплуатацию и обслуживание системы;
  • экономическая эффективность — соотношение затрат и получаемых экономических выгод.

Помимо основных, выделяют ещё и сопутствующие критерии, такие как:

  • экологические критерии, включающие в себя уровень выбросов твёрдых частиц, углекислого газа и других загрязняющих веществ в атмосферу, а также использование возобновляемых источников энергии, а именно долю тепла, вырабатываемого возобновляемыми источниками;
  • социальные критерии, то есть удовлетворённость потребителей температурным режимом и качеством теплоснабжения, обеспечение доступа к услугам теплоснабжения для всех категорий населения, включая социально незащищённые группы, уровень рисков, связанных с эксплуатацией системы, включая возможность аварий и их последствия;
  • организационные критерии, включающие эффективность управления системой теплоснабжения, уровень внедрения современных технологий и автоматизированных систем управления, доступность информации о функционировании системы для пользователей.

Только в результате комплексного анализа данных критериев можно получить полное представление об эффективности систем теплоснабжения, а также выявить возможные пути для их повышения.

1. Оценка эффективности мероприятий

В качестве критерия оценки эффективности мероприятий по реконструкции систем теплоснабжения можно принять удельные финансовые затраты на единицу сэкономленной теплоты.

В годовом разрезе:

где Зi — затраты, руб.; ∆Qвыр.i — сэкономленная тепловая энергия, Гкал.

За весь период реализации мероприятий по реконструкции систем теплоснабжения:

где n — количество лет реализации мероприятий до срока окупаемости; m — количество лет финансирования реализации мероприятий.

Очевидно, что n > m.

Если затраты отнесены к годовой экономии теплоты, то критерий К будет выражаться следующим образом:

Величина Qвыр.i-1 представляет собой выработку теплоты в котельной установке до проведения мероприятий по реконструкции системы теплоснабжения, а величина Qвыр.i — после реконструкции.

На выработку этого количества теплоты потребуется расход топлива:

Bi-1 = bi-1Qвыр.i-1;

Bi = biQвыр.i,

где bi-1 и bi — удельный расход топлива на выработку до и после реконструкции, кг у.т/Гкал.

В зависимостях выше вместо величины Qвыр может фигурировать величина доставленной потребителям теплоты Qдост или величина расхода топлива на котельную установку B. Выбор данного показателя зависит от конкретного случая, однако результирующим итогом этого выбора будет снижение (увеличение) расхода топлива на источник теплоснабжения (на всю систему):

Рассмотрим баланс системы «Источник (ист) — Тепловая сеть (ТС) — Потребитель теплоты (потр)».

Величины Qполпотр и Qпотпотр являются нормированной величиной и величиной, определяемой состоянием сооружения и его эксплуатацией, соответственно.

То есть эти величины не определяются состоянием системы, но требуют своего обеспечения тем больше, чем старее сооружение и ниже уровень его эксплуатации, что определяет тепловую нагрузку системы «Источник (ист) — Тепловая сеть (ТС)».

Учитывая изложенное выше, запишем тепловой баланс как:

BQнр = Qосевш + Qугист + Qпотист + QпотТС,

где Qосевш = Qполпотр + Qпотпотр = Qдост — теплота, осевшая у потребителя (доставленная потребителю).

Очевидно, что величина Qосевш практически соответствует величине Qдост и меньше её только на величину потерь теплоты в ЦТП, которые можно отнести к потерям теплоты у потребителя.

Очевидно также, что величина выработанной на источнике теплоты равна:

Qвыр = Qдост + QпотТС.

Принимая постоянным количество осевшей (доставленной) теплоты:

∆Qвыр.i = Qвыр.i-1 — Qвыр.i = Qвыр.i-1ТС — Qвыр.iТС.

Таким образом, в рассмотренном случае экономия тепловой энергии будет определяться только потерями теплоты тепловой сетью, а соответствующие коэффициенты будут равны:

2. Технические критерии эффективности

Расчётная формула для определения критериев эффективности Кi в последовательности от потребителя до источника:

Отношение Зi/Qi-1 показывает удельные затраты на единицу теплоты до проведения мероприятий по реализации энергосбережения, а всё соотношение — на единицу сэкономленной теплоты.

Величины Q могут быть представлены следующим образом:

Qдост = Gдостiдост; Qвыр = Gвырiвыр,

и, следовательно, определяются как расходом теплоносителя G, так и его теплосодержанием i, соответствующие величины Qдост и Qвыр — потерями (экономией) как теплоносителя, так и теплоты. Поэтому для всестороннего анализа эффективности системы «Источник — Тепловая сеть — Потребитель теплоты» необходим полный учёт расходов теплоносителя, его температуры и количества теплоты.

Экономия (перерасход) доставленной теплоты может быть представлена как:

∆Qдост.i = (Gi)i — (Gi)i-1 = [(Gi — Gi-1)ii]дост + [(ii — ii-1)Gi-1]дост;

∆Qвыр.i = [(Gi — Gi-1)ii]выр + [(ii — ii-1)Gi-1]выр.

В данной зависимости первый член суммы показывает экономию (перерасход) теплоты в результате снижения (увеличения) утечек теплоносителя, второй член — экономию (перерасход) теплоты в результате тепловых потерь.

Вопрос, связанный с системой регулирования теплоснабжения — «количественной», «качественной» или «смешанной» — специально не рассматривается. Подчеркнём лишь, что централизованное «количественное» регулирование теплоснабжения целесообразно при малых длинах теплотрасс, а «качественное» — при качественной теплоизоляции теплопроводов. При низкой гидравлической плотности теплопроводов «количественное» регулирование практически невозможно. При низкой тепловой герметичности теплотрасс «качественное» регулирование также невозможно. С точки зрения затрат на транспорт теплоносителя «качественное» регулирование предпочтительнее.

Приведённые зависимости для критериев эффективности определяют удельные затраты на единицу сэкономленной теплоты. Максимальные удельные затраты будут при минимальных объёмах экономии тепла (топлива), а обратная величина (Ki — 1)/Ki показывает объём экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на рубль затрат.

При отсутствии энергосбережения удельные затраты (независимо от объёма) бесконечно велики, а обратная величина объёма экономии на рубль затрат равна нулю — это, как правило, затраты на обеспечение техники безопасности, приборной техники, автоматики, организационных мероприятий, условий эксплуатации.

При отсутствии экономии энергии у потребителя Qдост.i = Qдост.i-1 коэффициент эффективности равен:

то есть определяется только экономией энергии на теплотрассе.

При отсутствии экономии энергии у потребителя имеет место Qдост.i = Qдост.i-1 и Qвыр.i = Qвыр.i-1, поэтому коэффициент эффективности равен:

то есть определяется только экономией энергии в источнике.

3. Экономические критерии эффективности

Коэффициенты Кi, как показатели затрат на единицу сэкономленной энергии (топлива), могут быть трансформированы в коэффициенты чисто экономических показателей реализации энергосберегающих мероприятий, если экономию энергии (топлива) представить в денежном выражении. Для этого достаточно представить в денежном выражении через цену тепловой энергии Цq [руб/руб.] или цену условного топлива Цут [руб/т.у.т.]:

в условном топливе:

Данные зависимости представляют собой, по существу, расчёт экономической эффективности мероприятий в текущем году. Так, если затраты меньше стоимости сэкономленных энергоресурсов (Kiэ < 1), очевидно, что мероприятия экономически эффективны.

Поскольку цены на энергоносители растут более динамично, нежели затраты на реконструкцию (стоимость оборудования, монтаж, наладка), эффективность мероприятий по экономии ТЭР имеет тенденцию расти, во всяком случае в краткои среднесрочной перспективе.

Если мероприятия по экономии ТЭР осуществляются за некоторый период, то соответствующие критерии в общем виде можно представить как:

где ΣЭi — суммарная экономия энергии (топлива) в денежном выражении; Эi — величина годовой экономии энергии (топлива), руб/год.

На рис. 1 показана условная ситуация по реализации энергосберегающего мероприятия за некоторый период.

Очевидно, что в точке пересечения ΣЭi и ΣЗi критерий Кэ = 1, то есть стоимость сэкономленных энергоресурсов покроет затраты на реализацию энергосберегающего мероприятия. Ордината точки пересечения соответствует сроку окупаемости мероприятия. Если он, например, меньше нормативного 0,15 (6,7 лет), то мероприятие, безусловно, экономически выгодно. Такая ситуация характерна, например, при замене котельной установки с низким коэффициентом полезного действия на новую, с более высоким КПД, когда затраты по крайней мере равны стоимости источника, монтажа и наладки объекта.

Таким образом, экономические критерии не противоречат действующей системе оценки эффективности капиталовложений. Выявление взаимосвязей между этими критериями может помочь не только определить текущие проблемы, но и найти возможные пути улучшения. Системный подход к анализу этих данных позволяет более эффективно управлять системами теплоснабжения и повышать их общую эффективность.

Выявление взаимосвязей между этими критериями может помочь не только определить текущие проблемы, но и найти возможные пути улучшения. Системный подход к анализу этих данных позволяет более эффективно управлять системами теплоснабжения и повышать их общую эффективность.