ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Управление спросом на энергию

Коммерческие интересы электрокомпаний и их потребителей, как правило, не совпадают. Это можно показать на примере электроснабжения, когда поставщику необходимо учитывать не только потребности потреби­телей энергии, но и формирующиеся пиковые нагрузки, которые требуют кратковременного включения в работу дополнительных мощностей. Ины­ми словами, поставщикам (энергосистемам) приходится постоянно про­гнозировать величину данного параметра [11].

Пиковая нагрузка важна в краткосрочном (недельном или месячном) прогнозе, который должен указывать, сколько станций должны быть гото­вы произвести энергию в следующие часы. Электрические системы в на­стоящее время работают в условиях строгих экономических и технических ограничений, поэтому управление ими должно быть нацелено на воспро­изведение всех вовлеченных переменных. Это возможно при применении больших компьютеров даже для краткосрочного (ежедневного или ежене­дельного) планирования производства энергии.

Важную роль играет краткосрочный прогноз нагрузки, который дис­петчер использует для планирования (распределения нагрузки, гидротер­мической координации и т. д.) и для проверки стабильности и безопасности системы; его необходимо учитывать и при решении вопросов обмена элек­троэнергией с другими системами. Любая ошибка в прогнозе нагрузки влечет большие затраты либо на ввод в работу нескольких пиковых гене­раторов, либо на поддержание избыточного горячего резерва.

Краткосрочный прогноз основан на суперпозиции основных и до­полнительных данных. Основные данные связаны главным образом с ка­лендарем, т. е. нагрузка - средневзвешенная величина нагрузок, измерен­ных в один и тот же час в течение 1-3 предыдущих дней (рабочие дни счи­таются отдельно от субботы и воскресенья); в некоторых случаях исполь­зуется база данных, охватывающая большое количество недель того же се­зона за несколько лет. Дополнительные данные обычно связаны с погод­ными условиями (температура, влажность, ветер и т. д.); конечно, влияние температуры зимой и летом имеет противоположные знаки. Опыт показы­вает, что должны рассматриваться как фактическая температура, так и от­личие её от температуры предыдущего дня и что необходимо принимать во внимание нелинейность функции и временные задержки.

Естественно, все это создает большие неудобства в работе электро­компаний. Причем электрокомпании стремятся снизить пиковые нагрузки, чтобы уменьшить необходимые добавочные мощности и снизить затраты на обеспечение этого пикового спроса. Они также хотели бы увеличить непиковый спрос, чтобы улучшить использование электростанций.

Есть несколько методов решения этой проблемы:

- прямое управление пиковым спросом может быть достигнуто пу­тем непосредственного отключения, переключения или изменения режима работы конечных потребляющих устройств (центральных кондиционеров, электрических обогревателей и т. д.); в промышленности могут быть уста­новлены ограничители спроса;

- косвенные методы управления основаны на подаче покупателям через цену сигналов, побуждающих их изменить характер использования электроэнергии. Наиболее общая форма этих сигналов - тарифы, завися­щие от сезона и времени суток, или специальные льготы при прерываю­щихся нагрузках.

С увеличением числа независимых промышленных производителей электроэнергии проблемы управления нагрузкой должны решаться и при местном производстве энергии, где часто задерживаются инвестиции, тре­буемые для обеспечения выгодных режимов работы.

Любой тип управления нагрузкой требует специфического энергети­ческого анализа расходов и доходов для двух сторон.

Приведем пример такого энергетического обследования по управле­нию спросом на электроэнергию из зарубежной практики [11]. Вызвано это тем, что в наш переходный период на рыночные отношения в энергетике зарубежный опыт будет представлять несомненный интерес.

Введение

Рассматривается небольшой многофункциональный региональный государственный университет, в котором обучаются примерно 12000 сту­дентов, находящийся в городе Коммерс, штат Техас.

К университету относится 100 зданий разных сроков постройки, на­чиная с 1894 г. Повышение цен на энергию вызвало необходимость разра­ботки программы энергосбережения. Здания оборудованы практически всеми видами систем освещения и высокого напряжения и во многих слу­чаях достаточно стары, что создает сложность в обслуживании.

Предложение

Первоначально предложено обследовать 24 здания, потребляющих более 85 % общего количества энергопотребления университета. Цель этой работы - исследование механических и электрических систем для выра­ботки рекомендаций по изменению использования энергии и требований по обслуживанию.

Планирование работы

Ведущий инженер проекта составил план, описывающий задачи,

проблемы и ожидаемые результаты. Этот план, приведенный ниже, может быть полезными для применения на других объектах.

Цель

1. Исследование и анализ использования энергии.

2. Определение возможности сбережения энергии.

3. Разработка мероприятий по энергосбережению и оценка их эф­фективности.

4. Определение приемлемых источников финансирования.

Трудности

1. Недоступность зданий и систем для использования счетчиков.

2. Недостаточная информация по счетам.

3. Недостаток документации на оборудование.

4. Недостаток планов зданий.

5. Недостаточная гибкость системы.

Первоначальные решения

1. Встречи и обследование для выработки общего подхода.

2. Разработка планов, направленных на достижение цели и преодо­ление трудностей:

а) сбор информации по счетам за прошедшее время;

б) подготовка бланков обследования и сбор данных;

в) проведение исследований на месте.

Последующие решения

1. Обзор данных о ресурсах и уточнение направления исследования.

2. Сбор необходимых дополнительных данных.

Математическая обработка данных

1. Расчет энергии и затрат по данным о ресурсах.

2. Подготовка сметы затрат.

3. Оценка периода возврата средств.

Решения

Рекомендация решений с указанием связанных с ними затрат и эко­номии средств.

Представление решений

1. Подготовка отчета.

2. Печатание отчета и изготовление копий.

Необходимая корректировка

Включение информации владельцев и связанная с этим корректировка.

Обследование зданий

Здания университета построены в разные годы. Для некоторых зда­ний имеются планы и спецификации или даже описания их механических и электрических систем.

Информация получалась от операторов систем и путем физического осмотра. Количество счетов было недостаточным для построения сезон­ных графиков. Измерительные устройства были подключены нецелесооб­разно. Было решено, что набор инвентарных форм будет заполнен персо­налом, что сократит время работы исследовательских бригад на объектах. Эти формы были переданы в отдел обслуживания оборудования универси­тета со следующими инструкциями:

1. Заполнить форму «Описание здания» для каждого здания.

2. Выбрать подходящий бланк описания оборудования для каждого типа оборудования, используемого в здании. Использовать столько блан­ков, сколько единиц оборудования находится в здании.

3. Внести необходимую дополнительную информацию в информа­ционные листы.

Обсуждение

Университет использует для систем зданий две формы первичной энергии - электричество и природный газ. Электроэнергия, поставляемая электрокомпанией Texas Power and Light Company, подводится на террито­рию университета линией напряжением 12470 В через семь подстанций, оборудованных измерительной аппаратурой, от которых распределяется по всем зданиям. От трех таких подстанций получали энергию 24 исследуе­мых здания. Природный газ, поставляемый The Lone Star Gas Co, также учитывался в семи контрольных пунктах, два из которых обслуживали ис­следуемые здания.

Поскольку электрические подстанции и газовые распределительные узлы, снабжающие исследуемые здания, обслуживали также и другие зда­ния, данные учета не позволяли точно определить затраты на энергию для каждого здания. Ввиду этого доля энергии, используемая каждым зданием, была определена индивидуальным анализом, основанным на описании оборудования и данных о его загрузке, представленных персоналом. Эти данные, собранные в бланках обследования, описывали каждый элемент осветительных систем здания, а также его механических систем с их элек­троприводами. Были проведены измерения с целью определить средний уровень энергии, используемой каждым элементом системы. Исходя из этого уровня и режимов работы оборудования было рассчитано энергопо­требление каждого здания. Это расчетное энергопотребление затем сопос­тавлялось со счетами для проверки реалистичности величин.

Бланки обследования включали специфические особенности элемен­тов системы, такие как возраст, наработка, данные о прошлой эксплуата­ции, состояние, оценка надежности, тип, мощность и другие данные. Каж­дое здание было затем осмотрено, был проведен опрос персонала, данные обработаны по определенной схеме (табл. 9.2). Вся информация использо­валась для определения зданий и систем, которые могли бы быть модерни­зированы без создания дополнительных трудностей для обслуживания и без ухудшения окружающей среды. Были рассмотрены возможности энер­госбережения и оценена их стоимость и эффективность.

По каждой исследованной категории было выявлено множество не­достатков. Обнаружены протекающие здания, пустующие, но по-прежнему освещаемые корпуса и т. д. Стало очевидно, что требуют наибольшего внимания, во-первых, элементы систем, нуждающиеся в лучшем управле­нии, чтобы их работа соответствовала назначению здания и, во-вторых, ус­таревшее оборудование, на эксплуатацию и обслуживание которых необ­ходимы чрезмерных затрат.

Таблица 9.2

Использование энергии в здании

Система управления энергией

Действие ряда внутренних и внешних факторов может быть запро­граммировано для оптимизации использования энергии. Величина энерго­сбережения зависит от того, удается ли точно управлять элементами сис­тем для удовлетворения различных нужд. Для обеспечения этого создают­ся компьютерные системы автоматизации, часто называемые системами управления и контроля энергии. Они имеют различные возможности и должны выбираться исходя из уровня требований. В данном случае было необходимо, чтобы система управления имела функции включения и вы­ключения, установки и контроля температуры, контроля потоков, сбора и записи данных. Кроме того, система должна была легко программировать­ся и быть в состоянии управлять разнообразными устройствами, чтобы к ней могли быть подключены все корпуса университета.

Были испытаны модульные системы, позволяющие комбинировать элементы для удовлетворения различных требований пользователя и спо­собных расширяться. Эти системы используются для контроля оборудова­ния как часть обслуживающей программы, которая способна регистриро­вать часы эксплуатации и выдавать печатные напоминания о необходимо­сти смазки, смены фильтров, о повышенной вибрации, экстремальных температурных условиях и т. д. Применение такой программы позволяет улучшить режим работы оборудования, обслуживать большее его количе­ство с повышенной эффективностью при меньшем количестве рабочей си­лы.

Была разработана технология, позволяющая использовать микро­процессорные блоки для обработки данных и управления оборудованием. Программа может быть написана на языке Фортран на компьютере и затем загружена в программируемый блок. Автоматизация рутинных операций дает пользователю значительную свободу после установки системы. Мик­ропроцессоры могут выполнять функции запуска и остановки, автоматиче­ского контроля и сигнализации, даже если центральный компьютер отклю­чен. Такая система надежна, гибка и удобна для управления энергопотреб­лением на различных установках.

Для определения оптимального уровня сложности системы необхо­димо рассчитать ожидаемое энергосбережение. Экономия за счет внедре­ния автоматизированной системы была оценена в 171700 дол. США. Ожи­даемые затраты на ее установку равны 1104000 дол. США, следовательно, период окупаемости составляет 6,5 лет.

Снижение затрат путем ограничения спроса

Анализ счетов показал, что в месяцы с низким потреблением энергии университет вносил повышенную плату за киловатт-час в соответствии с Договором об обслуживании Texas Power and Light Company. Счета осно­вывались на количестве использованной энергии и максимальном уровне спроса, но минимум спроса должен был быть не меньше 65 % от макси­мального зарегистрированного спроса.

Поскольку большую часть затрат составляли затраты на удовлетво­рение спроса, было решено установить системы его ограничения. Эти сис­темы постоянно контролируют спрос и могут отключать оборудование в соответствии с заданным списком приоритетов, обеспечивая максималь­ный приемлемый уровень спроса. Оборудование снова подключается, ко­гда это позволит уровень спроса. При этом каждое устройство имеет свой уровень приоритета, так что жизненно важное оборудование всегда оста­ется в работе. Цена такой системы составляет 80000 дол. США. По расче­там, она позволит экономить ежегодно 59500 дол. США по прошествии полуторагодового периода окупаемости.

Модернизация электроосвещения

Было проведено обследование систем освещения и замеры уровня освещенности. Сделаны расчеты для определения экономии, которую можно было бы получить, осуществив модернизацию систем освещения. Определено, что снижение затрат энергии на освещение на 13 % вполне возможно без потери его качества. Экономия достигается изменением ос­вещения лестниц и коридоров, а также снижением мощности декоратив­ных ламп. Значительное энергосбережение оказалось возможным в спорт­зале путем замены ламп накаливания, обладающих низким КПД, высоко­эффективными натриевыми лампами высокого давления. Примерная стои­мость этих мероприятий составляет 288400 дол. США. Ожидаемый эффект - 149500 дол. США в год после двухлетнего периода окупаемости.

Распределительные системы

Большинство зданий университета оборудовано собственными ме­ханическими системами. Однако механические установки двух корпусов можно вынести в центральную станцию. Индивидуальные системы разно­образны, от маленьких оконных установок с электрическими нагреватель­ными спиралями до больших центробежных охладителей и паровых кот­лов. Общая охлаждающая мощность таких систем более 2000 т (7040 кВт). Центральные установки с распределительными сетями и соединениями зданий обеспечивают существенное сбережение энергии. Более высокий КПД элементов системы, используемых на центральной станции, может сохранить до 50 % энергии, требуемой для индивидуальных систем. Более низкие начальные инвестиции благодаря меньшей потребности в машинах, меньшая стоимость обслуживания, повышенная надежность системы, стандартизация заменяемых деталей, дополнительная гибкость для пере­стройки в зданиях - все это преимущества центральных станций.

В ходе анализа зданий и расположения существующих центральных станций была разработана схема, по которой могут быть соединены боль­шинство независимых строений. План включал добавление к существую­щей распределительной системе новых трубопроводов для пара и охлаж­денной воды с подключениями к зданиям. Мощность станций также долж­на быть увеличена. Стоимость этих изменений составляет примерно 625000 дол. США. Экономический эффект был оценен в 50200 дол. США в год.

Снижение энергопотребления механических систем зданий

В университете использовалось множество различных вентиляцион­ных систем.

Системы, которые позволяли изменять поток воздуха, направляемый в помещения, имели сравнительно низкую энергоемкость. Системы, кото­рые подавали постоянный поток воздуха, но изменяли его температуру пу­тем управления нагревательными или охлаждающими радиаторами, имели среднее энергопотребление. Многозонные и двухканальные системы, ус­тановленные почти в половине зданий, были крупными потребителями. Эти системы обеспечивали комфортные условия с помощью холодного и горячего воздушных потоков, которые смешивались для получения желае­мой температуры. Для этого требовалось, чтобы и нагревающая, и охлаж­дающая установки работали одновременно.

Для улучшения работы этих систем могут быть добавлены управ­ляющие устройства, обеспечивающие оптимальную температуру горячего и холодного воздушных потоков, что позволит снизить потери энергии. Расчеты для десяти зданий, где используются такие системы, показали, что затраты на реконструкцию составят примерно 100000 дол. США. Годовая экономия 21800 дол. США при периоде окупаемости 4 года.

Системы с умеренным энергопотреблением будут преобразованы в системы с минимальным потреблением путем добавления терминальных управляющих устройств. Стоимость модернизации этих систем была оце­нена в 78000 дол. США, а экономия на затратах - в 13400 дол. США в год. Период окупаемости - 6 лет.

Настройка регуляторов вентиляции и баланс наружного воздуха

Многие здания были оборудованы циркуляционными системами с использованием для охлаждения наружного воздуха, когда это возможно. В некоторые здания подавалось фиксированное количество наружного воздуха для обеспечения вентиляции. Хотя при установке систем объемы подачи наружного воздуха были настроены правильно, первоначальная ре­гулировка многих из них оказалась нарушенной. Это увеличивало энерго­потребление, так как неправильная настройка требует усиленного нагрева или охлаждения воздуха. Необходимой стала перенастройка, стоимость которой была принята 72000 дол. США. Снижение необходимых объемов нагрева и охлаждения должно сэкономить 9300 дол. США в год. Срок оку­паемости - 8 лет.

Архитектурные рекомендации

Обследование определило улучшения, которые могли быть сделаны для снижения нагрузки некоторых систем кондиционирования и отопле­ния. Были рекомендованы добавление солнцезащитных устройств, улуч­шение теплоизоляции стен, реконструкция крыш для снижения энергопо­требления механических систем. Эти мероприятия, стоящие 300000 дол. США, должны обеспечить экономию 28700 дол. США в год с периодом окупаемости 10 лет.

Модернизация механических систем

Системы некоторых зданий было решено полностью переоборудо­вать, чтобы обеспечить надежную работу. Большинство таких систем пре­
высили свои срок службы, и их обслуживание стоило слишком дорого.

Рекомендации

В табл. 9.3 приведены и обобщены разработанные рекомендации. Годовые объемы экономии основаны на проектных показателях и являют­ся оценочными.

Примечание. Сроки окупаемости подобных мероприятий в нашей практике существенно ниже и обычно не превышают 2 - 3 лет.

Заключение

Университет штата Техас получил отчет об исследовании и решил обеспечить его финансирование. В следующем году часть средств была получена; первый этап работ включал выполнение рекомендаций 1 и 3. Ра­бота на этом этапе предусматривает установку контрольно-измерительной аппаратуры, необходимой для получения исходных данных. Далее на этом этапе планируется создание дополнительных распределительных трубо­проводов центральных станций. Следующие этапы будут включать модер­низацию систем зданий и подключение их к распределительным системам и компьютерной системе управления энергоснабжением.

Контрольные вопросы

1. Основные цели энергетических обследований?

2. Назовите наиболее важные, на ваш взгляд, причины нерационально­го расхода:

- электроэнергии,

- тепловой энергии.

3. Организационные условия проведения энергетических обследова­ний.

4. Необходимо ли проведение целевого энергетического обследования по управлению спросом на энергию для объектов вашего учебного уч­реждения?

Н. И. Данилов, Я. М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений