имущества для предприятия. Но бизнес-план – это серьезная и кропотливая работа, требующая дополнительного времени и многих дополнительных сведений, и поэтому выполняется за пределами энергетического обследования. Содержание бизнес-плана в каждом конкретном случае будет в значительной мере отличаться, но глубина его проработки должна быть достаточной, чтобы судить об основных технологических и экономических показателях.

9.4. 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

246

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, завися-

247

щие 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,

248

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.

249

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 зда-

ний 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,

250

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

251

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 оборудова-

252

ния 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 сис-

253

темы 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

254

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

255

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-

256

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.

257