Основные тенденции развития исследований в области энергоснабжения зданий

УДК 628.9:338.911

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ В.Е. Добромиров, С.В. Лавров, А.Н. Рязанов, Ю.Н. Смолко, О.А. Ткачев, В.В. Шитов

В статье рассматривается сложившаяся структура сектора исследований в области повышения энергоэффективности электроснабжения зданий, определяются тенденции и основные направления ее развития, а также политика государства в данной области. Предложены направления и пути развития исследовательского сектора энергоэффективности. Построен прогноз развития энергоэффективности электроснабжения зданий

Ключевые слова: энергоэффективность, энергосбережение, электроснабжение

Современные здания и сооружения буквально заполнены различными инженерными системами, обеспечивающими создание необходимого условия комфорта. И в последние годы особенно актуально стоит вопрос об энергосбережении и качестве микроклимата зданий и сооружений. Не случайно Президент Российской Федерации Дмитрий Анатольевич Медведев поставил энегоэффективность на первое место в числе пяти основных направлений модернизации и технологического развития российской экономики. В связи с этим президент поставил задачу снизить энергоемкости ВВП на 40% к 2020 году. С точки зрения потребителя важен комфорт и стабильность, а все остальные экономические проблемы отходят на второй план.[1]

Поэтому энергосбережение у потребителей должно всячески стимулироваться. В частности, необходима реализация федеральных программ повышения эффективности использования энергетических ресурсов в зданиях и сооружениях (прежде всего - бюджетной сферы). Путем организации непрерывного процесса «исследования - разработка -технологии - оборудование - коммерциализация» с использованием механизмов федеральных целевых программ, отраслевых и региональных программ повышения эффективности использования энергетических ресурсов, частно-государственного партнерства при участии научных организаций, ВУЗов страны, предприятий малого бизнеса и фирм, работающих в данной области. [2]

Энергосбережение у потребителей может быть достигнуто только в том случае, если они получают достаточно качественную электроэнергию, однако в ряде случаев это качество снижается самими потребителями. Вследствие значительного удельного веса

Добромиров Владимир Евгеньевич - ВГТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 51-22-76, e-mail: dve@vgta.vm.ru Лавров Сергей Вячеславович - ВГТА, канд. техн. наук, доцент, тел. 8 (910) 241-11-22, e-mail: 133serg@rambler.ru Рязанов Андрей Николаевич - ВГТА, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 55-37-16, e-mail: ryzanovan@mail.ru Смолко Юрий Николаевич - ВГТА, аспирант, тел. 8 (920) 427-04-40, e-mail: smola_86@mail.ru Ткачев Олег Александрович - ВГТА, аспирант, тел.

8 (920) 421-03-41, e-mail: tkachinyan@bk.ru

Шитов Виктор Васильевич - ВГТА, д-р техн. наук,

профессор, тел. 8 (903) 653-71-99, e-mail: svw@list.ru

однофазных нагрузок в реальных условиях эксплуатации электрооборудования несимметрия токов и напряжений является обычным режимом низковольтных распределительных сетей. Однофазные потребители чаще всего включаются между одной из фаз и нулевым проводом и создают в них токи и напряжения нулевой последовательности, которые определенным образом трансформируются на сторону высокого напряжения, где нулевой провод отсутствует. Однако в ряде случаев возможно и подключение их к междуфазным напряжениям. В этом случае возникают только токи и напряжения обратной последовательности. Особенности таких преобразований заключаются в изменении фазового угла симметричных составляющих на стороне высокого напряжения. Наиболее энергоемкими однофазными потребителями являются нагревательные и сварочные установки. Потребляемая ими мощность часто соизмерима с мощностью трехфазной нагрузки. При этом ухудшаются технико-экономические характеристики элементов сети, происходит снижение эксплуатационной надежности, сокращение срока службы электрооборудования, имеют место другие отрицательные явления. Добавочные потери в линиях электропередачи и силовых трансформаторах из-за неравномерной нагрузки фаз достигают 4% от всей потребленной электроэнергии. Даже при нормируемой ГОСТ 13109-97 несимметрии напряжений потери в электрических машинах могут возрасти на 25%.

Таким образом, для выбора энергосберегающих мероприятий первым направлением энергосбережения является повышение качества электроэнергии.

Следующим направлением энергосберегающих мероприятий является оптимизация режимов работы и энергетических характеристик самого электрооборудования.

В некоторых случаях, например, в установках нагрева сопротивлением и лампах накаливания, электрический к. п. д. и коэффициент мощности близки к единице. Резервы энергосбережения в них связаны с повышением термического к.п.д. нагрева, увеличением световой отдачи ламп, равномерным распределением нагрузки по фазам и включением энергоемких нагревательных установок в период минимальных нагрузок.

Наиболее сложные проблемы возникают там, где электроэнергия потребляется в преобразованном виде. Процессы преобразования энергии весьма разнообразны: от электромагнитных и электромеханических преобразований в трансформаторах и электрических машинах до изменения ее параметров в вентильных преобразователях. Эти процессы наиболее сложны, но именно здесь кроются наибольшие резервы энергосбережения.

Огромная часть потребляемой электроэнергии в промышленных зданиях и сооружениях приходится на долю асинхронного электропривода технологического оборудования. Достижение оптимальных режимов работы различных технологических машин напрямую связано с его техническим уровнем и приводит не только к экономии электроэнергии, но и к совершенствованию самих технологических процессов.

Современные тенденции в развитии электропривода технологических машин и механизмов обусловлены:

1) усложнением технологических операций и возрастанием требований к качеству их выполнения, что объективно определяет увеличение доли регулируемых электроприводов в общем балансе;

2) интенсивным развитием производства недорогих, достаточно надежных и энергетически экономичных технических средств регулирования;

3) появлением доступных вычислительных средств, позволяющим на качественно новом уровне решать задачи проектирования, рационального выбора и эксплуатации электропривода;

4) необходимостью снижения доли затрат на энергоресурсы в себестоимости сельскохозяйственной продукции.

Известные достоинства асинхронных электродвигателей - дешевизна, простота и надежность, малые массогабаритные и высокие энергетические показатели определяют его исключительно важную роль в электрификации технологических процессов производства. Следует отметить и еще одно, часто забываемое свойство -трехфазные асинхронные двигатели в известных пределах уменьшают несим-метрию токов и напряжений в сетях при неравномерной нагрузке отдельных фаз.

В реализации энергосберегающих мероприятий в области электропривода можно выделить ряд основных направлений.

1) Повышение энергетических характеристик электродвигателей за счет снижения их электромагнитных нагрузок и совершенствования конструкции. Недостатки такого подхода заключаются в том, что небольшое увеличение к.п.д. достигается за счет существенного (до 20-25%) увеличения расхода активных материалов, или применения дорогих материалов с пониженными потерями. Кроме того, достижение высокой энергетической эффективности возможно лишь при определенной, относительно стабильной нагрузке и высоком качестве питающих напряжений, что далеко не всегда возможно в сфере сельскохозяйственного производства.

2) Использование наиболее распространенных электродвигателей и тщательный выбор их для работы в конкретных условиях. Такой путь малоэффективен в тех случаях, когда нагрузка изменяется в широких пределах или заранее достаточно точно не определена. Вторая сложность связана с необходимостью учета качества электроэнергии.

3) Создание специальных технических средств, обеспечивающих оптимальные энергетические показатели при изменениях нагрузки и режимов работы двигателей.

4) Массовый переход к регулируемому электроприводу в сочетании со всесторонним приспособлением его характеристик к требованиям рабочих машин и технологических процессов производства. Это направление является наиболее перспективным.

Вопросам энергосбережения в электроприводе посвящены многочисленные публикации российских и зарубежных ученых.

Однако обобщенные методы анализа энергетических преобразований и характеристик в регулируемом электроприводе еще не представлены в достаточно удобном для практического использования виде. При анализе несимметричных режимов работы асинхронных электродвигателей не учитывается различие потерь мощности в отдельных фазах. Отсутствуют критерии оценки энергетически целесообразных режимов нагрузки.

Проведенный анализ показал, что удельная энергоемкость валового национального продукта в России в три раза превышает аналогичный показатель стран западной Европы и 1,8 раза - США. Эффективность инвестиций на энергосбережение оценивается в 4 раза выше, чем на выработку альтернативных энергоресурсов. [1]

Одним из важных факторов экономии электроэнергии является электронизация всех изделий электротехники и переход на преимущественное использование преобразованной электроэнергии. Доведение уровня потребления преобразованной электроэнергии до 55-65% от общего объема может обеспечить экономию электроэнергии до 40 млрд кВт ч/год.

Другим важным направлением экономии электроэнергии является реализация мероприятий в производстве наиболее массовых изделий электротехники, обеспечивающих переход на выпуск новых энергосберегающих поколений техники: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов, низковольтной, высоковольтной аппаратуры и др.

Реализация мероприятий этого направления позволит обновить свыше 60% выпускаемой электротехнической продукции, снизить ее материалоемкость не менее чем на 15%, повысит надежность и ресурсоемкость электрооборудования в 1,3 раза, повысит КПД основных видов электрооборудования на 3%.

Таким образом, энергетическая политика XXI века будит основываться на применении техноло-

гий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Приоритет при выборе энергосберегающих технологий имеют технические решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений.

Электрическая энергия - это товар, который поставляется, продается, покупается и который должен иметь все признаки товарно-денежных отношений.

Первый принцип подтверждает, например, программа по борьбе с глобальными изменениями климата, одобренная комиссией Европейского Сообщества в 2008 году, предусматривающая увеличение доли использования возобновляемых источников энергии с 8,5 до 20 %.

Второй принцип не получил должного признания в настоящее время и находит свою реализацию только в отдельных уникальных образцах искусства проектирования.

Третий принцип проявляет в полной мере свою привлекательность при энерго- и ресурсоснабжении зданий и сооружений в следующем факте: сэкономленная энергия и ресурсы являются сэкономленными расходами. Этот факт является понятным стимулом для инвесторов, которые инициируют строительство энергоэффективных зданий во многих странах мира.

В конце XX и в начале XXI века широкое распространение в мировой строительной практике получили следующие концепции строительства энергосберегающих зданий и сооружений: энергоэффективные здания, здания с низким энергопотреблением, здания с ультранизким энергопотреблением, здания с нулевым энергопотреблением, пассивные здания, здания высоких технологий, «Умные» (интеллектуальные) здания, здания биоархитектуры и

др.

В мировой практике в развитых странах строительство энергоэфективых заданий и сооружения является обязательным требованием, предъявляемым к каждому проектируемому объекту. Более того, в последние годы широкое распространение получает практика оценки (сертификация) проектов по эффективности использования энергии, снижению негативного влияния в окружающую среду и повышению качества среды обитания человека.

В связи с этим, Правительством Российской Федерации в 2003 году была утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Государственной Думой Российской Федерации, в свою очередь, были предложены базовые принципы государственной политики в области энергосбережения (Федеральный закон от 03.04.96 № 28-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности») и конкретные механизмы реализации этих принципов, основными из которых являются:

- законодательная поддержка энергосбережения;

- формирование современной системы стандартов и нормативов энергосбережения;

- сертификация энергопотребляющих приборов и оборудования массового применения на соответствие нормам расхода электроэнергии;

- развитие системы стимулов энергосбережения, в том числе установление санкций за превышение норм потребления тепло-энергоресурсов;

- энергоаудит и энергонадзор, как основа реального определения уровня энергоиспользования и юридического применения системы стимулов и санкций в данной сфере;

- развитие системы государственной статистики в сфере энергопотребления и энергоемкости;

- государственная поддержка научноисследовательских энергоэффективных проектов и энергосберегающих технологий;

- распределение полномочий между федеральными органами государственной власти, органами государственной власти субъектов Российской Федерации и местным самоуправлением в области энергосбережения.

Современная нормативная база должна чутко реагировать на новые тенденции времени и реагировать на вновь сложившуюся ситуацию в секторе энергопотребления и сбережения.

В настоящий момент сертификация энергопотребляющих приборов и оборудования массового применения на соответствие нормам расхода электроэнергии осуществляется на основе следующих основных нормативных документах - государственных, отраслевых стандартах, технических регламентах, стандартах научно-технических обществ и ассоциаций, стандартах предприятий.

Приведенный перечень нормативных документов далеко не полный и имеет некоторые несоответствия к современным условиям работы, но можно с уверенностью сказать, что при анализе полного перечня проявятся еще более серьезные противоречия, так как процедура их генерирования и переработки на наш взгляд довольно громоздка и не поворотлива.

Повышение эффективности использования энергоресурсов достигается на основе внедрения энергоэффективных технологий и энергетического менеджмента.

Энергетический менеджмент включает в себя последовательные стадии:

- измерение объема потребления энергоресурсов;

- проведение энергетических обследований с целью выявления резервов снижения потребления энергоресурсов;

- выбор энергосберегающих мероприятий, снижающих объем потребления энергоресурсов;

- реализация энергосберегающих мероприятий;

- мониторинг энергетической эффективности реализованных мероприятий.

Исходным пунктом внедрения энергетического менеджмента является организация приборного учета потребления энергетических ресурсов.

Важное место среди энергосберегающих мероприятий занимают мероприятия по проведению энергетических обследований и как следствие по-

вышение эффективности использования тепловой энергии. После проведения энергетических обследований были выявлены перспективные направления рационального использования электрической энергии. Этими направлениями является применение современных энергетически эффективных двигателей и частотно-регулируемых приводов в разнообразных технологических установках: насосах, компрессорах, электрифицированном транспорте, подъемных установках и др. Эффект от применения энергетически эффективного привода составляет существенную часть экономии электрической энергии предприятий, так как до двух третей потребления электрической энергии приходится на двигательную нагрузку. В связи с этим наряду с модернизацией приводов в промышленности необходимо внедрять автоматизированные системы управления технологическими операциями с целью минимизации потребляемой мощности и выравнивания графика нагрузки. В простых случаях эффект экономии энергии достигается при использовании автоматизированного привода с микропроцессорным управлением. Для решения задачи экономии электрической энергии в промышленности является использование устройств компенсации реактивной мощности и нормализации качественных показателей электроэнергии для предприятий с нелинейной и резко переменной нагрузками. Значительная часть потребления электрической энергии приходится на освещение. Энергосберегающий эффект на объектах уличного освещения, в жилищно-коммунальном секторе, общественных зданиях, организациях всех форм собственности достигается на основе применения компактных флуоресцентных ламп.

Согласно предложенной Государственной Думой в рамках программы энергосбережения государственной политике, направленной на поддержку научно-исследовательских энергоэффективных проектов и энергосберегающих технологий в нашей стране, время создаются федеральные программы энергосбережения в последствии переходящие на региональные или муниципальные программы энергосбережения, разыгрываются гранты на разработку тех или иных энергосберегающих технологий. Существуют различного рода инвестиции в программы энергосбережения, в рамках которых, также выделяются средства на научно-исследовательскую деятельность. Так же существует ряд коммерческих и не коммерческих организаций работающих в данной сфере.

Следует отметить, что новым ярким кластером в области повышения эффективности электроснабжения зданий являются инновационно - технологические центры и центры коллективного пользования соответствующего профиля: Зеленоградский инновационно-технологический центр, ЦКП ЮжноУральского государственного университета, Воронежский инновационно-технологический центр, Ярославский инновационно-технологический центр и др.

На их базе уже реализованы ряд успешных тем по данной тематике, хотя они и не так давно рабо-

тают в сфере создания энерогоэффективных проектов.

Основные направления, в которых работают выше описанные организации - это повышения эффективности электроснабжения, а именно:

- исключение субъективных причин, как фактора возможности возникновения техногенных катастроф в энергосистеме страны;

- ликвидация факторов, определяющих негативное развитие энергосистем зданий и сооружений;

- развитие и укрепление положительных тенденций развития электрических сетей зданий и сооружений и энергосистемы в целом;

- достижение финансовой стабилизации энергетического комплекса;

- отсутствие социальных потрясений, связанных с переводом энергосистемы в режим безубыточной работы и прекращением его бюджетного дотирования.

Новый качественный уровень исследований и разработок возможен только на современной экспериментальной базе, в основе которой - исследовательские многофункциональные комплексы, позволяющие существенно расширить возможности экспериментов и интенсифицировать процесс их проведения.

Повышение эффективности использования исследовательских комплексов должно обеспечиваться за счет их высокой загрузки в Центрах коллективного пользования и Инновационно- технологических центрах.

Подводя итог сказанному, подчеркнем, что экономическая эффективность исследований и разработок в области повышения эффективности электроснабжения зданий может быть заметно повышена благодаря грамотному перераспределению бюджета и взаимосвязанной работе всех заинтересованных структур работающих в данной системе.

Одним из путей совершенствования исследований в области энергосбережения является создание и развитие центров коллективного пользования, что позволяет повысить качество энергоаудита, стимулировать поставщиков и потребителей электроэнергии к применению наиболее рациональных методов производства, преобразования, распределения и использования электроэнергии. В свою очередь центры коллективного пользования будут стимулировать совершенствование нормативной и законодательной базы в области исследовании электроэнергетики.

Воронежской государственной технологической академии был выигран конкурс на выполнение государственного контракта по теме «Развитие Центра коллективного пользования научным оборудованием для обеспечения исследований в области метрологии систем централизованного контроля и управления оборудованием электрических сетей зданий и сооружений» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по

приоритетным направлениям развития научнотехнического комплекса России на 2007-2012 годы». Данная работа выполняется при поддержке Федерального агентства по науки и инновациям Российской федерации.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» по гос. контракту № 02.552.11.7053 от 25.09.09 г.

Воронежская государственная технологическая академия

THE BASIC TENDENCIES OF DEVELOPMENT OF RESEARCHES IN THE FIELD OF POWER SUPPLY OF BUILDINGS V.E. Dobromirov, A.N. Ryazanov, S.V. Lavrov, J.N. Smolko, O.A. Tkachev, V.V. Shitov

The developed structure of the research sector in the field of power efficiency increase of buildings power supply of is considered. The tendencies and the basic directions of its development, and the policy of the state in the given are stated. The directions and ways of development of research the given sector of power efficiency are suggested. The prediction of developments are stated of power supply efficiency of building is constructed

Key words: power efficiency, power savings, electric supply

Литература

1. Кобозев В.А. Энергосбережение в силовом электрооборудовании Ставрополь 2004.298с.

2. «Conpendium on Sciece & Research Cooperation between the European Union snd the Russisn Federation» European Communitties, 2009. 136 с.

3. Научно-технический журнал И.С.Суровцев Инженерные системы и сооружения ВГАСУ 2009. 167с.