Снижение расхода электроэнергии в электроустановках зданий - Эффективность применения электроэнергии

За годы Советской власти в нашей стране создана мощная энергетическая база, которая явилась основой интенсивного развития всех отраслей народного хозяйства и электрификации быта. Сегодня на нужды жилищно-коммунального хозяйства расходуется примерно 12 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Потребление электроэнергии на 1 чел. в 1983 г. составило 1216 кВт-ч, в том числе: на внутри квартирные нужды — 462 кВт-ч, на освещение и технологические процессы общественных зданий — 492 кВт-ч, коммунальными предприятиями (банями, прачечными, химчистками и т. п.) — 60 кВт-ч, установками наружного освещения — 33 кВт-ч, установками водопровода и канализации— 112 кВт-ч., городским электротранспортом (без метрополитена) — 47 кВт-ч.
Потребление электроэнергии жилыми и общественными зданиями имеет ряд особенностей, обусловленных как составом электроприемников, так и режимами работы общественных зданий и укладом жизни населения. Это прежде всего неравномерность потребления электроэнергии по часам суток и по сезонам. В жилых зданиях примерно 60 % всей электроэнергии расходуется в период между 18 и 22 ч; летом электроэнергии расходуется на 15—25 % меньше, чем зимой. Нагрузки общественных зданий также имеют суточную и сезонную неравномерность, обусловленную работой технологического оборудования. В общем случае это приводит к тому, что суточный график нагрузки жилых и общественных зданий и зон селитебной застройки имеет ярко выраженный неравномерный характер с существенным ростом нагрузки вечером и часто утром и резким спадом в ночные часы. На рис. 1.1—1.4 приведены характерные графики нагрузки некоторых зданий. За 100 % во всех случаях принята максимальная вечерняя нагрузка.
Резкопеременный график нагрузки предъявляет особые требования и к системе производства и распределения электроэнергии. Энергосистемы должны обеспечивать выработку и распределение электроэнергии с учетом роста и спада коммунально-бытовой нагрузки.
Одной из особенностей выработки электроэнергии является ее соответствие уровню потребления в каждый момент времени. Создание аккумулирующих систем (аккумулирующие гидроэлектростанции или отдельные потребители) только начинается, поэтому сегодня энергосистемы должны иметь возможность управлять выработкой электроэнергии в точном соответствии с графиком ее потребления, что требует наличия соответствующих мобильных мощностей. В качестве источников таких мощностей в современных системах используют гидростанции, специальные пиковые паротурбинные и газотурбинные агрегаты и другие установки. Энергоблоки тепловых электростанций, особенно большой единичной мощности, допускают разгрузку не более чем на 10—15 %. Частая разгрузка этих блоков до более низкой мощности не только является технически сложной задачей, но и вызывает дополнительные затраты топлива и снижение срока службы агрегатов. Существующая практика дальних передач электроэнергии по сетям энергосистем хотя и позволяет решать вопросы регулирования, но связана со значительными потерями электроэнергии.
Переход на режим номинальной мощности пли повторный пуск агрегатов после останова занимает определенное время и связан с перерасходом топлива. Содержание энергоблоков в горячем резерве с целью сокращения времени вывода их в режим номинальной мощности также вызывает бесполезный расход топлива. Еще сложнее обстоит дело с атомными электростанциями, которые в настоящее время не имеют возможности гибкого регулирования мощности. Поэтому с развитием атомной энергетики повышается актуальность проблемы выравнивания графика нагрузки потребителей, в том числе коммунально-бытовых, и заполнения ночных провалов.
Тепловые электростанции энергосистем вырабатывают до 80 % всей электроэнергии, остальную производят атомные и гидростанции. Структура генерирующих мощностей в СССР характеризуется очень большим процентом базовых станций и сравнительно небольшим пиковых. При дефиците в системе пиковых мощностей на переменный режим работы приходится переводить энергоблоки базовых тепловых электростанций, что неэкономично.
Рис. 1.1. Суточный зимний график нагрузки жилого дома:
1 — с газовыми плитами; 2 —с электроплитами
Рис. 1.2. Суточный график нагрузки водопроводной станции:
1 — летний: 2 — зимний

Таким образом, существует определенное противоречие между структурой генерирующих мощностей и суточным графиком потребления электроэнергии некоторыми отраслями народного хозяйства, в частности коммунально-бытовым сектором.
Рис. 1.3. Суточный зимний график нагрузки двухсменной школы:
1 — с электрифицированным пищеблоком; 2 — с газифицированным пищеблоком
Рис. 1.4. Суточный зимний график нагрузки электрифицированной столовой (кафе)

Это вызывает трудности бесперебойного электроснабжения, особенно в период прохождения системами зимнего максимума нагрузки. Поэтому вопрос экономии электроэнергии в жилых и общественных зданиях должен рассматриваться и решаться в неразрывной связи с вопросами снижения вечернего максимума нагрузки каждой группы потребителей.
Работа энергосистем с переменным графиком выработки электроэнергии приводит к перерасходу первичного топлива. В общем случае, если при выработке электроэнергии с постоянной нагрузкой в течение года (число часов использования максимума Тм = 8760 ч) удельный расход условного топлива на тепловых электростанциях может быть оценен в 300—310 г/(кВт-ч), то при переменном графике нагрузки (Тм=4000 ч) он повышается до 330—340 г/(кВт-ч), а в отдельных случаях и еще больше. Поэтому задача снижения расхода топлива требует максимально возможного выравнивания графика нагрузки коммунально-бытового сектора в течение суток и года в целом.
Значительные технические трудности регулирования мощности тепловых электростанций и указанные перерасходы топлива определили и зависимость себестоимости производства электроэнергии от Тм.
Все затраты энергосистемы делятся на постоянные, определяемые капитальными затратами на строительство, амортизационными отчислениями, заработной платой обслуживающего персонала, расходом вспомогательных материалов, которые не зависят от объема выработки электроэнергии, и переменные. Переменные затраты определяются затратами топлива на производство данного количества электроэнергии. С уменьшением числа часов использования максимума себестоимость производства электроэнергии возрастает, что объясняется недоиспользованием установленного оборудования (основных фондов).
Удельные затраты зуд на выработку 1 кВт-ч при неравномерном графике нагрузки при Тм часов использования максимума по отношению к затратам при равномерном графике нагрузки зуд.о при Тм= 8760 ч определяются по формуле
(1-1)
где затраты на топливо при равномерном графике зто равны

зто=b0х( 1 — α1, 1 — α2)(1.2)
'
В формулах обозначены; b0 — топливная составляющая затрат на выработку 1 кВт-ч;  α1— расход электроэнергии на собственные нужды, отн. ед.; —потери в электрических сетях всех напряжений, отн. ед.; ∆зуд— увеличение удельных затрат при неравномерном графике электропотребления; γ>1 — коэффициент, учитывающий изменение топливной составляющей затрат; ΔТ1= 8760—С — дополнительные затраты, связанные с регулированием мощности агрегатов электростанций.
Изменение топливной составляющей затрат в зависимости ст степени разгрузки агрегатов определяется характеристиками энергетического оборудования и для одних и тех же агрегатов является постоянным. Тогда значение γ можно определять по формуле
(1-3)
С учетом (1.3) выражение (1.1) принимает вид
(1.4)
В общем случае без учета дополнительных затрат, обусловленных регулированием режима работы агрегатов, их остановов и содержания в горячем резерве (С = = 0) выражению (1.4) соответствует семейство кривых, приведенных на рис. 1.5.
В качестве первичного топлива на тепловых электростанциях используют уголь, газ, мазут, сланцы и другие виды топлива. В общих затратах на производство и распределение электроэнергии по электрическим сетям системного значения затраты на топливо составляют 35—50 %. В условиях роста цен на топливо, особенно качественное, что связано с удорожанием его добычи и транспорта, это означает, что себестоимость электроэнергии растет медленнее цен на топливо.

Рис. 1.5. Увеличение удельных затрат на выработку электроэнергии в зависимости от числа часов использования максимума Т и доля топливной составляющей Зт.о в общих затратах

Данное положение в ряде случаев оказывается решающим при выборе энергоносителей для жилых и общественных зданий.
Для учета всех составляющих затрат, которые могут возникнуть в сфере производства электроэнергии, включая добычу и транспорт топлива, а также в смежных отраслях при изменении масштабов производства и потребления электроэнергии, введены понятия замыкаЮщИХ  затрат на ТОПЛИВО Зт И электроэнергию Зэл· Значения замыкающих затрат относительно постоянны (в пределах пятилеток), так как они вычислены с учетом реализации длительной программы развития топливно- энергетического комплекса. Применение замыкающих затрат в технико-экономических расчетах дает возможность обеспечить оптимальное решение конкретно для данной отрасли и для всего топливно-энергетического хозяйства в целом [1].
Себестоимость добычи угля, например, в Кузнецком и Экибастузском месторождениях составляет на 1 т условного топлива 20 руб/т, а замыкающие затраты на уголь для районов Центра — 50 руб/т, для районов Урала—43 руб/т, что отражает народнохозяйственные затраты на весь топливный комплекс без учета затрат на внутриобластные перевозки и складирование.
Замыкающие затраты на электроэнергию, определенные в централизованном порядке для всех энергосистем для выбранного уровня электрификации всех отраслей народного хозяйства, являются приведенными затратами, в которых учтены структура и стоимость установленного оборудования и электрических сетей, удельные расходы и замыкающие затраты на сжигаемое топливо (табл. 1.1). Эти затраты определены для опорных пунктов энергосистем и не включают затраты на городские и сельские распределительные сети среднего и низкого напряжения, а в ряде районов и на сети 110 и 220 кВ. Затраты на городские электрические сети рассчитаны институтом «Гипрокоммунэнерго» на основе анализа схем электроснабжения городов при различной степени электрификации жилищно-коммунального хозяйства и быта.
Замыкающие затраты определены для двух значений Тм: 7000 ч, что соответствует наиболее экономичной работе энергосистем в базовом режиме, и 1000 ч — в пиковом режиме. Для других значений Тт, замыкающие затраты рассчитывают по формуле
(1.5)
где— замыкающие затраты на базовую и пиковую электроэнергию соответственно.
Число часов использования максимума нагрузки потребителем, тыс. ч, определяется следующим образом: где Агод—годовое потребление электроэнергии данным потребителем или группой потребителей, кВт-ч; Ртах—максимальная расчетная нагрузка данных потребителей, кВт.
Замыкающие затраты на электроэнергию, вырабатываемую в ночные часы провала графика нагрузки, определяемые только топливной составляющей, равны на уровне 1985 г. 0,6—0,7 коп/(кВт-ч) с тенденцией к снижению, что является отражением важности проблемы выравнивания графика нагрузки энергосистем и заполнения ночных провалов, особенно для районов Центра, где ведется интенсивное строительство атомных электростанций [23].
Таблица 1.1. Значения замыкающих затрат иа электроэнергию (округленно), коп/(кВт-ч)
* Значения без учета (в скобках с учетом) городской электрической сети.
Примечание. В числителе приведены значения на уровне 1985 г., в знаменателе — 1990 г. [23].

В практике расчета вариантов электроустановок принято вместо замыкающих затрат пользоваться тарифными ставками на электроэнергию. В этом случае технико-экономические показатели вариантов будут отличаться от народнохозяйственных, а подсчитанные таким способом экономические параметры будут определять экономию применительно к данному предприятию. Правомочность такого подхода связана с тем, что при выборе вариантов осветительных установок не производят выбора энергоносителя: энергоноситель (электроэнергия) задан однозначно.
В жилых и общественных зданиях энергия расходуется на освещение, отопление, вентиляцию и в ряде случаев на кондиционирование помещений, на нагрев воды, приготовление пищи, на работу технологического оборудования. В табл. 1.2 дано соотношение различных энергоносителей для основных процессов энергопотребления в жилых и общественных зданиях (по К). М. Когану).
Таблица 1.2 составлена по расходам основных энергоносителей на основные процессы (структура по энергоносителям) и по расходам на отдельные процессы потребления.
Таблица 1.2. Структура потребления энергоносителей

В последней строке первые три числа оценивают общий расход электрической, тепловой энергии (вырабатываемой централизованно) и топлива в общем балансе энергоносителей. Для освещения и приводных механизмов в жилых и общественных зданиях используют исключительно электроэнергию, хотя доля электроэнергии в полном полезном потреблении энергии составляет всего 7 %, что почти в 3 раза ниже, чем в промышленности. На низкотемпературные процессы (отопление, водонагрев, вентиляцию, кондиционирование) расходуется около 90 % полезной энергии, второе место занимают высокотемпературные процессы, значительно меньше энергии расходуется на приводные механизмы и освещение.
Тепловая энергия (73%), затрачиваемая на низкотемпературные процессы отопления и водонагрев, подается в здания в виде пара и горячей воды от централизованных источников, остальная часть покрывается за счет прямого сжигания топлива, прежде всего в квартирных генераторах тепла. Работа квартирных генераторов тепла (печей, колонок и т. п.) может осуществляться на различных видах топлива (газ, дистиллятное топливо, "Твердое топливо) и на электроэнергии. Использование электроэнергии в установках прямого превращения электрической энергии в тепловую по закону Джоуля—Ленца всегда связано с перерасходом первичного топлива, обусловленным низким коэффициентом полезного действия тепловых электростанций (примерно 0,38) и потерями при передаче электроэнергии по электрическим сетям (9—13 %). Этот перерасход не может быть полностью компенсирован преимуществом транспорта электроэнергии по сравнению с транспортом первичного топлива. Использованием отдельных видов электроотопления и электроводонагрева (аккумуляционное, аккумуляционное с доводчиком, см. гл. 2) и внедрением систем гибкого регулирования температуры в ряде случаев можно достигнуть снижения удельных расходов топлива и повышения экономических показателей систем электроснабжения до показателей котельных малой теплопроизводительности.
Перерасход первичного топлива при электроотоплении индивидуальных сельских жилых домов характеризуют следующие цифры (по данным АКХ) на один индивидуальный дом в год: при отоплении от угольных котельных теплопроизводительностью до 850 кВт — примерно 7 т условного топлива; от электрокотельных без аккумуляции тепла — около 13 т условного топлива, с аккумуляцией тепла — примерно 10,5 т условного топлива, при применении греющих кабелей — 9,4 т условного топлива, теплоаккумуляционных электропечей — 8,4 т условного топлива.
Электрификация быта в нашей стране имеет ряд особенностей, обусловленных прежде всего широким развитием систем централизованного теплоснабжения, а также преобладающим строительством домов за счет государственных и обобществленных средств. Население при этом не несет никаких затрат, связанных с развитием систем электро-, газо- и теплоснабжения, а только покрывает часть эксплуатационных расходов. Это определило и два направления электрификации быта: централизованное, когда установка бытовых электроприборов осуществляется за счет государственных или обобществленных средств, и децентрализованное, когда бытовые электроприборы население приобретает за счет личных средств через торговую сеть, самостоятельно их обслуживает и ремонтирует.
В настоящее время в централизованном порядке устанавливают только кухонные стационарные электроплиты, а в отдельных районах при наличии разрешения Госплана СССР по мере увеличения выпуска — и аккумуляционные электроводонагреватели. Масштабы применения приборов второй группы определяются возможностями промышленности по их выпуску, степенью благоустройства жилища, материальным и культурным уровнем населения.
Электроэнергия сегодня является одним из самых дорогих энергоносителей, что определяется как большим расходом топлива, так и значительными капитальными вложениями на строительство электростанций и линий электропередачи. Поэтому вопросы электрификации быта находятся в неразрывной связи с вопросами экономного и рационального использования электроэнергии. Это обеспечивается за счет совершенствования параметров бытовых электроприборов и выбора оптимальных районов и масштабов электрификации энергоемких процессов: отопления, водонагрева, приготовления пищи и кондиционирования.
Выбор энергоносителя для отдельных процессов определяется технико-экономическими и социальными факторами. В жилых и общественных зданиях электроэнергия в настоящее время используется в тех случаях, когда она дает неоспоримый экономический эффект или когда применение других энергоносителей технологически невозможно: в электродвигателях, радио- и телевизионном оборудовании, в осветительных приборах, холодильниках и т. д.
При выборе оптимального энергоносителя для быта важную роль играют и социальные факторы, хотя в методике технико-экономических сравнений они пока не нашли полного отражения. Например, при выборе энергоносителя для приготовления пищи установка плит на твердом топливе рассматривается как социально неравноценный вариант, связанный с затратой тяжелого физического труда, загрязнением воздушной среды и другими факторами. В то же самое время применение твердого топлива для отопления жилищ, прежде всего индивидуальных жилых домов в сельской местности и малых городах, может считаться альтернативным вариантом, так как существующее технологическое оборудование обеспечивает возможность снижения затрат времени на обслуживание и удовлетворительное состояние воздушной среды при установке общего котла с разводкой системы водяного отопления по дому.
Для низко- и высокотемпературных процессов целесообразность использования электроэнергии или другого вида топлива определяется технико-экономическими расчетами с учетом всех капитальных затрат и годовых расходов. В соответствии с [2] оптимальным считается вариант, обеспечивающий минимум приведенных затрат Зп. Приведенные затраты учитывают капитальные вложения, отнесенные к одному году нормативного срока окупаемости (эффективности), и годовые эксплуатационные расходы [2].
Приведенные затраты подсчитываются по формуле
Зп = ЕнК + И,                               (1.6)
где К—капитальные затраты; Ен— нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, для энергетических расчетов Ен=0,12; И — годовые эксплуатационные расходы.

В общем случае капитальные затраты помимо стоимости технологического оборудования и приборов должны учитывать все затраты, связанные с увеличением мощности генерирующих электростанций и усилением электрических сетей всех напряжений. В топливном варианте в значение капитальных затрат и годовых расходов входят затраты на разведку, увеличение добычи, транспорт и хранение топлива, а также амортизационные отчисления и затраты на обслуживание.
При выборе энергоносителя для определенного процесса в быту необходимо учитывать составляющие, обусловленные применением именно этого процесса. Например, при расчете вариантов пищеприготовления следует учитывать дополнительные затраты на электрические сети, обусловленные ростом электрических нагрузок от электроплит. Вариант с полной электрификацией быта, т. е. использованием электроэнергии для высоко-  и для низкотемпературных процессов, должен сравниваться с вариантом подвода к зданию нескольких энергоносителей, например: электроэнергии — для освещения и мелких бытовых приборов, газа — для приготовления пищи, горячей воды — для отопления и санитарно-гигиенических и хозяйственных нужд — от ТЭЦ, или котельных, или индивидуальных генераторов тепла. При расчетах различных вариантов теплоснабжения следует обеспечивать одинаковый полезный эффект у потребителя, однако значения расчетных теплопотерь в электрическом и топливном вариантах могут несколько различаться, так как им соответствует различный оптимум тепловой защиты зданий. Учет других факторов, повышающих эффективность систем электротеплоснабжения, рассмотрен в гл. 2.
Выбор оптимального энергоносителя для потребителей, которые не могут вызвать существенного изменения энергетического баланса или объемы потребления электроэнергии которыми уже учтены при определении замыкающих затрат па электроэнергию, может производиться в соответствии с формулой
(1.7)
где Кдоп— дополнительные капитальные вложения в систему электроснабжения от опорных пунктов энергосистемы или топливоснабжения от пунктов, для которых определены замыкающие затраты, до потребителя, включая стоимость технологического оборудования; Кдоп— годовые расходы, связанные с эксплуатацией оборудования, вошедшего в значение Кдоп; зэн — удельные замыкающие затраты на энергоноситель; W— годовой расход энергоносителя.

Затраты на внутридомовые электрические сети в расчет замыкающих затрат не вошли. Однако они достаточно высоки и, как правило, превышают затраты на городские электросети. В современных 9—12-этажных домах без электроплит стоимость электрооборудования составляет 3,5—4,3 руб/м2 общей жилой площади, или 110—160 руб. на квартиру, в домах с электроплитами — в 1,7—2 раза выше.
При определении замыкающих затрат на электроэнергию на уровне 1985 г. было учтено применение в быту стационарных электроплит и электроводонагревателей. Поэтому формулой (1.7) можно пользоваться при определении районов установки электроплит и электроводонагревателей, а также для решения отдельных локальных задач электрификации быта, не связанных с существенным изменением масштабов бытового электропотребления.
Расчеты, выполненные В. М. Михайловой, Ю. М. Коганом, П. Я. Пирхавкой и другими, показали, что сегодня установка электроплит практически во всех районах экономичнее плит на сжиженном газе и твердом топливе. Особую актуальность электроплиты приобретают из-за дефицита сжиженного газа и необходимости его использования в других отраслях промышленности.
Приведенные затраты для вариантов плит на сетевом газе в 5—9-этажных домах на 40—60 % ниже, чем для варианта электроплит, а начиная с 10-этажных и более они уже становятся выше.
Относительно водонагрева таких однозначных выводов пока не получено, что объясняется отсутствием опытных отечественных данных как по электропотреблению, так и по уровню электрических нагрузок.
За последнее время предприняты попытки сравнения вариантов на основе так называемых квалиметрических методов, с помощью которых можно вывести обобщающую характеристику эффективности в непроизводственной сфере. В основу положена методика сравнительной оценки эффективности в непроизводственной сфере, утвержденная Госпланом СССР [24]. При этом лучшим признается вариант с наименьшим значением отношения разности суммарных социальных расчетных и нормативных факторов к приведенным затратам:

которые определяются для каждого варианта.
В качестве таких факторов принимаются, например, освещенность и качественные характеристики: цилиндрическая освещенность, показатель дискомфорта, коэффициент пульсации освещенности, характеристика тенеобразования и т. д. Удельный вес каждого показателя выявляется на основании экспертных оценок группы специалистов, обработанных статистическими методами при достаточной доверительной вероятности. Приведенные затраты определяются обычными методами.
Таким образом, в ряде случаев наиболее эффективным оказывается вариант, создающий лучшие зрительные условия несмотря на повышенные капитальные вложения. Аналогичные расчеты могут быть выполнены для любой отрасли, не дающей непосредственно промышленной продукции.
Отметим, что в данном случае социальный эффект тоже имеет место, так как качественные характеристики улучшают зрительный эффект, что способствует в некоторых случаях повышению производительности труда, не говоря уже о гигиенических факторах.