Интеллектуальные системы управления водопользованием

1/2П11 ВЕСТНИК

j/2012_мгсу

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЕМ

INTELLECTUAL SYSTEMS OF WATER USE CONTROL

A.A. Волков

A.A. Volkov

ГОУ ВПО МГСУ

В работе изучена современная экологическая и экономическая ситуация, способствующая более широкому внедрению и использованию интеллектуальных систем энергоэффективного управления водопользованием

In the paper the modern ecological and economic situation promoting wider introduction and use of intellectual systems of power efficient control by water use is studied

Создание и эффективное функционирование объектов и инженерно-технологических систем водоснабжения и водоотведения является основой благоустройства и развития современных городов и территорий. Жилищно-коммунальному и сельскому хозяйству, промышленным предприятиям и объектам энергоснабжения необходимо огромное количество воды, строго отвечающей необходимым требованиям и нормативам качества. Решение проблем водоснабжения имеет важнейшее социально-экономическое значение, определяя качество жизнеобеспечения в целом. По многим параметрам вода может стать основным природно-сырьевым ресурсом XXI века.

Запасы воды на Земле огромны, но возможность их использования ограничена многими факторами. В прошлом веке рост экономики и населения Земли привел к возникновению в ряде регионов дефицита водных ресурсов.

Вместе с тем, анализ фактического состояния отечественных инженерных объектов водоподготовки и водопользования, их соответствия современным и перспективным технологиям мирового уровня, практики проектирования, создания и эксплуатации подобных систем, включая системы управления расходом воды, показывает, что большинство из них остро нуждаются не в реконструкции, но в качественной высокотехнологичной модернизации, основа которой сегодня - интеллектуальные системы автоматического управления инфраструктурой ресурсных сетей зданий, комплексов и территорий.

Оптимизация водопользования возможна сегодня на основе создания экологически чистых производственных и бытовых циклов и построения интеллектуальных систем управления процессами кругооборота и регенерации воды.

На рис.1 приведен график динамики глобального потребления воды и объема ее экономически доступных ресурсов [2]. Из графика видно, что к началу 2000-х годов обеспеченность водой по сравнению с 1970-ми годами сократилась почти в 2 раза. Прогнозируемая динамика также направлена в сторону сокращения экономически доступных запасов воды. Таким образом, по оценкам экспертов [2], к 2045г. экономи-

чески доступная, но еще не вовлеченная в экономическую деятельность пресная вода останется только в Канаде, России и Бразилии.

Рис.1. Потребление воды и сокращение ее ресурсов вследствие антропогенных

причин

Таким образом, мировые ресурсы пресной воды, которые с приемлемыми затратами могли бы быть вовлечены в экономику, близки к исчерпанию.

Вместе с тем, потребление воды можно было бы значительно сократить, преобразовав водопользование в городском хозяйстве. В табл. 1 приведены данные по сбросу сточных вод в некоторых городах Российской Федерации [2]. Отсюда видно, что преобразование системы очистки сточных вод, переориентирование ее в большей степени на оборотное водоснабжение привело бы к существенной экономии водных ресурсов.

Табл. 1. Сброс сточных вод в поверхностные водные объекты

Сброс сточных вод в поверхностные водные объекты

Из них загрязненных сточных вод

В % к В том числе без какой-

общему либо очистки, млн м3

Город Всего, млн м3 Всего, млн м3 объему сброса сточных вод города Всего, млн м3 В % к общему объему загрязненных стоков города

Российская 54712 19767 36 4058 21

Федерация -

всего

в том числе

Сброс сточных вод в поверхностные водные объекты

Из них загрязненных сточных вод

В % к В том числе без какой-

общему либо очистки, млн м3

Город Всего, млн м3 Всего, млн м3 объему сброса сточных вод города Всего, млн м3 В % к общему объему загрязненных стоков города

Москва 3326 2661 80 66 2,5

Санкт- 1263 1183 94 424 36

Петербург

Нижний Нов- 689 256 37 19 7

город

Краснодар 650 94 14 4 4

Новосибирск 649 38 6 33 87

Самара 389 279 72 15 5

Красноярск 354 304 86 55 18

Братск 347 241 70 17 7

Владивосток 327 320 98 313 98

Чита 310 33 11 0,0 =0,0

Тюмень 289 56 19 5 9

Челябинск 283 283 99,8 4 1,4

Кемерово 281 170 61 69 41

Пенза 269 113 42 11 10

Дзержинск 263 51 20 3 15

Казань 261 226 87 10 4

Екатеринбург 235 233 99 17 7

Омск 224 223 99,5 18 8

Воронеж 223 159 71 - -

Новокузнецк 214 214 100,0 103 48

Ярославль 213 213 100,0 79 37

Концепция "Умного города" (англ. Smart City) предполагает создание энергоэффективных экологически устойчивых городских комплексов, обеспечивающих максимально комфортные для человека условия труда и проживания с максимально эффективным использованием энергоресурсов. Инфраструктура таких комплексов основана на интеллектуальных системах управления, задача которых - поддерживать устойчивое состояние городской системы жизнеобеспечения и при возникновении угроз отклонения от него предлагать оптимальные решения. Интеллект системы состоит в ее способности адаптировать управление к меняющимся условиям внешней среды, руководствуясь основополагающими принципами - экологичностью, энергоэффективностью, комфортом и безопасностью человека.

В сфере городского водопользования важнейший шаг к "Умному городу" - снижение нагрузки на окружающую среду путем сокращения, или, по крайней мере, удержания на современном уровне забора чистой воды, и сокращение выбросов неочищенных стоков. При этом крайне важно сохранение существующего уровня быто-

вого комфорта для населения и удовлетворение нужд промышленного производства. На решение этих задач направлен ряд инженерных решений в области интеллектуального управления, к числу которых относятся:

— интеллектуальное управление оборудованием для сбора и использования дождевой воды;

— интеллектуальное управление насосами систем водоснабжения и водоотведе-

— интеллектуальное управление системами оборотного водоснабжения.

Если принять во внимание, что более 50 % средней ежедневной потребности воды - а это 130 л на человека - составляет непитьевая часть, которую можно заменить дождевой водой, легко представить, что технические системы сбора атмосферных осадков обеспечивают существенную экономию средств. При этом первоначальные вложения с учетом имеющихся на рынке предложений представляются весьма умеренными.

При планировании использования дождевой воды необходимо проанализировать вопрос очистки от загрязнений.

Природные воды классифицируются:

— на атмосферные (дождевая вода);

— поверхностные проточные (большие и малые реки);

— поверхностные бассейновые (озера и моря);

— родниковые (ключи, бьющие из недр);

— пластовые (залегающие на небольшой глубине).

В зависимости от источника вода содержит те или иные нежелательные вещества.

Дождевая вода содержит меньше веществ по сравнению с водами из всех других источников в силу того, что она не соприкасается с почвой, горными породами, не растворяет соли и минералы и не подвержена воздействию различных загрязняющих веществ, зачастую присутствующих в породе или почве. При условии осуществления минимальной корригирующей обработки такую воду вполне можно использовать для удовлетворения большей части потребностей жилого сектора. Такую воду разумно использовать для смыва туалетов, уборки, полива и подобных нужд.

Системы интеллектуального управления контролируют процессы очистки, согласно назначению очищаемой воды, запасы очищенной дождевой воды и перераспределение их между потребителями в централизованных системах наиболее эффективным образом.

Другой способ повышения энергоэффективности водопользования - интеллектуальное управление насосами систем водоснабжения и водоотведения - позволяет, зачастую, без изменения технического состава систем, но лишь оптимизируя алгоритмы управления достигать существенных экономических результатов. Насосы являются основным элементом систем водоснабжения и водоотведения. От их правильного подбора и эффективного регулирования в течение суток зависит как экономия потребляемой электрической энергии, так и перерасход воды через неплотности системы и потребителем (вследствие превышения давления перед водоразборными кранами).

В случае работы нескольких водозаборных узлов, работающих на закольцованную систему водоснабжения, следует рассматривать возможность перевода отдельных водозаборов в дежурный режим, повысив этим загрузку и экономичность остальных водозаборов.

Несмотря на высокую эффективность описанных выше методов, приоритетным способом повышения эффективности водопользования, особенно на промышленных

предприятиях, является оборотное водоснабжение. Оборотным водоснабжением называется комплекс технических и организационных мероприятий направленный на повторное использование воды. Так, например, очищенные стоки могут использоваться для удовлетворения непитьевых нужд. В разнообразных технологических процессах и системах производства давно используется рециклирование воды. Например, в США в промышленном секторе каждый кубический метр воды используется в среднем не менее 20 раз, в России почти половина систем водоснабжения в промышленном секторе построена на основе оборотного водоснабжения. В целом, в мире рециклирование вод лежит в пределах 10% от ежегодно отбираемой из природных источников водной мас-

Интеллектуальное управление оборотным водоснабжением в несколько раз повышает экономический и экологический эффект. Так, например, интеллектуальная система управления позволяет выбирать наиболее экономичный режим распределения вторичной воды между производствами. В рамках таких решений, рациональному использованию воды крайне способствует объединение мелких предприятий в крупные производственные комплексы, где отходы одних могут служить сырьем для других. В таком случае не только сводится до минимума химическое загрязнение, но и повышается эффективность использования природных ресурсов.

По экспертным оценкам, мировым лидерам в области эффективного водопотреб-ления является Австралия [3]. Поэтому, представляется наиболее интересным рассмотреть действия описанных систем на ее примере.

Жилым сектором в Большом Сиднее потребляется около 73% воды системы водоснабжения [5]. Использование оборотной воды на такие нужды как смыв туалетов, полив садов и мойка автомобилей, может реально способствовать сокращению спроса на питьевую воду.

Каждый житель Сиднея может сыграть свою роль в обеспечении эффективности водоснабжения, используя "серые" воды. "Серые" воды - это стоки из душевых, ванн, раковин и стиральных машин. Такая вода может быть без дополнительной обработки использована для полива, если это позволяет состав применяемых моющих средств, либо обработана и использована повторно. На рис. 2 представлен график прогнозируемой динамики оборотного водоснабжения в Сиднее до 2015 г.

I

I

= с

% ё Е 5 5 з

I >Им<вдн о»и1

Пр^лцч ¡ГЩин+ш.'КОъЫЩгтСЕми »«ЮС

Рис. 2. Прогнозируемая динамика оборотного водоснабжения в Сиднее до 2015 г.

Развитию оборотного водоснабжения уделяется достаточное внимание на правительственном уровне. Так, правительство Нового Южного Уэльса (Австралия) предприняло меры к стимулированию использования "серых" вод в частных домах путем упрощения согласования при установке и эксплуатации таких систем [5,6].

В настоящее время наибольшие перспективы у систем оборотного водоснабжения в новых пригородах, где они могут изначально реализовываться как системы параллельного водоснабжения. Такое решение носит название "двойная сеть", то есть существуют два набора труб - один для питьевой воды и один для оборотной воды.

Сегодня в Сиднее реализована крупнейшая в Австралии система оборотного водоснабжения жилого сектора на Рус-Хилл. Система начала функционировать в 2001 г. и в настоящее время обслуживает более 19 тыс. домов, т.е. до 1,7 млрд. литров переработанной воды каждый год используется для смыва в туалетах, полива садов, стиральных машины и других непитьевых нужд. В среднем, система используемая на Рус-Хилл обеспечивает снижения спроса на воду на 40%. По окончании реализации проекта система будет обслуживать более 36 тыс. домов [5,6].

Кроме этого, в разработке находятся две новые системы оборотного водоснабжения на Хокстон Парк и Ропес Кроссинг в Сант-Мэрис.

Несмотря на устойчивый прогресс во внедрении описанных систем для крупных жилых районов в Австралии, следует отметить, что наибольший экономический эффект возможно достигнуть применяя такие системы в районах с большим промышленным производством.

Из приведенных примеров видно насколько описанные выше решения могут повысить эффективность систем водопользования.

Разумеется, при внедрении систем в каждом конкретном случае необходимо инициировать оценку экономической и экологической эффективности. Такая оценка, как правило, проводится в рамках энергоаудита. Возможная экономия воды оценивается путем сравнения фактического удельного водопотребления (литров в сутки на одного человека) с нормативными значениями. Определяется также экономия затрат на ликвидацию аварий при уменьшении их числа.

При проектировании систем эффективного водопользования необходимо понимать важную интегрирующую роль систем интеллектуального управления соответ-свующей частью инженерной инфраструктуры. Интеграция многих подсистем позволяет в большей степени оптимизировать распределение ресурсов. Это, безусловно, дает больший экономический эффект.

Также, экономические перспективы описанных решений связаны с тем, что в ряде случаев, очистить сточные воды до нормативных показателей качества питьевой воды или воды, используемой на технологических операциях гораздо легче, чем до предельно допустимых коэффициентов сброса в водные объекты [4].

Таким образом, современная экологическая и экономическая ситуация способствует более широкому внедрению и использованию интеллектуальных систем эффективного управления водопользованием.

Литература

1. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

2. Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы мира и перспективы водохозяйственного комплекса России. - М.: "Типография ЛЕВКО", Институт устойчивого развития / Центр экологической политики России, 2009. - 88 с.

1/2011 ВЕСТНИК _у2011_мгсу

3. Бродач М.М. Зеленое водоснабжение и водоотведение // Сантехника. - №4. - 2009.

4. Павлов Д.В., Вараксин С.О., Колесников В.А. Оборотное водоснабжение промышленных предприятий // Сантехника. - №2. - 2010.

5. http://waterforlife.nsw.gov.au

6. http://www.recycledwater.com.au

The literature

1. SanPiN 2.1.4.1074-01. Potable water. Hygienic requirements to quality of water of the centralised systems of drinking water supply. Quality assurance.

2. Danilov-Danilyan V.I. Water resources of the world and prospect of a water economic complex of Russia. - M: "Printing house LEVKO", Institute of steady development / center of an ecological policy of Russia, 2009. - 88 S.

3. Brodach M.M. Green water supply and water removal // Sanitary Technique. - №4. - 2009.

4. Pavlov D.V., Varaksin S.O., Kolesnikov V.A. Turnaround water supply of the industrial enterprises // Sanitary Technique. - №2. - 2010.

5. http://waterforlife.nsw.gov.au

6. http://www.recycledwater.com.au

Ключевые слова: вода, энергоэффективностъ, интеллектуальная система, автоматизация, водоснабжение, управление, городское хозяйство, экология

Key words: water, power efficiency, intellectual system, automation, water supply, management, municipal economy, ecology

E-mail автора: volkov@mgsu.ru

Рецензент: Э.П. Григорьев профессор доктор технических наук, ВНИИТЭ