Анализ препятствий на пути повышения энергоэффективности жилого фонда Москвы

Г. П. Васильев, руководитель Центра энергосбережения и эффективного использования нетрадиционных источников энергии в строительном комплексе ГУП «НИИМосстрой», научный руководитель инновационной группы компаний «Инсолар»

Cамым значительным событием в государственной политике энергосбережения последних лет стал подписанный Президентом РФ 23.11.2009 года Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», который, безусловно, является существенным шагом на пути энергосбережения и содержит важные и даже «революционные» для нашей экономики нормы, и что очень важно, некоторые из них прямого действия. Однако серьезную угрозу его исполнению представляют устанавливаемые этим законом чрезмерные полномочия органов государственной власти федерального уровня в области энергосбережения.

Так, например, разработка и установление нормативов энергопотребления зданий и их инженерных систем должны быть в компетенции субъектов РФ, поскольку эти нормативы прежде всего связаны с климатическими условиями региона, действующими схемами генерации тепловой и электрической энергии, экологической ситуацией в регионе, местными обычаями и т. д. Не может быть одних и тех же нормативов энергопотребления зданий в Якутии и Краснодарском крае. Если пойдем по этому пути, то можем получить второй закон «О техническом регулировании…» и фактически остановить всю работу по энергосбережению в России. Потому что регионы будут вынуждены ждать, пока федеральный центр разработает всю нормативную базу энергосбережения. Быстро этого не сделать, использовать без переработки зарубежную нормативную базу тоже нельзя (климатические условия разные). В итоге работа по энергосбережению в регионах может быть остановлена.

Нормативы энергопотребления должны быть прежде всего инструментом энергетической стратегии региона и должны быть нацелены на широкое внедрение технологий, обеспечивающих сокращение затрат первичной энергии в регионе. Для установления, например, разумных нормативов энергоэффективности (энергопотребления) зданий необходим детальный учет всех особенностей региона: от местных обычаев и укладов до прогноза технического состояния оборудования централизованных систем энергоснабжения. Это вряд ли возможно сделать на уровне федерального центра.

Рассмотрим подробнее проблемы и препятствия на пути энергосбережения на примере Москвы. Проанализируем состояние региона по трем направлениям:

1. Тарифная политика как стимул к экономии энергии.

2. Комплексный подход к энергосбережению.

3. Эффективность использования первичной энергии.

Тарифная политика как стимул к экономии энергии

Исследования, проведенные в Центре энергосбережения ГУП «НИИМосстрой»¹, показали, что внедрение энергосберегающих технологий теплохладоснабжения зданий позволяет обеспечить теплоснабжение жилого фонда на перспективу до 2020 года без существенного прироста теплогенерирующих мощностей и потребления первичного топлива (ожидаемый прирост жилого фонда к 2020 году – 50–60 млн м²). Однако сегодня их внедрение в столице в значительной степени сдерживается существующей неэффективной тарифной политикой в области энергоснабжения.

Основным недостатком существующей тарифной политики является тот факт, что тарифы не отражают технологическую суть производства энергии как по качеству, так и по количеству. Предметом рыночных отношений должно являться не просто количество потребленной энергии, а предоставление энергетической мощности в определенное время. Причем нет никакой принципиальной разницы, какая энергия предоставляется – тепловая или электрическая. Так, если для котельной нет принципиальной разницы, когда производится тепло – летом или зимой, то для ТЭЦ это совершенно различные технологии. Если летом для горячего водоснабжения можно использовать бросовое тепло, поступающее на градирни ТЭЦ, то зимой для отопления жилья отработанного тепла уже не хватает и необходимо тратить дополнительную первичную энергию. Если тепло у ТЭЦ не купят (например, все дома с повышенной теплозащитой или с нулевым энергопотреблением), то ТЭЦ в этом случае все равно это тепло выбросит в окружающую среду или же просто остановится в вынужденный резерв из-за отсутствия теплового потребления. Эта ситуация еще усугубляется тем фактом, что ТЭЦ, расположенные на территории Москвы, обеспечивают электроэнергией Московскую область (более 40 % электрической нагрузки на энергосистему), а тепло отдают в систему теплоснабжения города.

Как показывает опыт развития энергосбережения в развитых странах, тарифная политика является одним из самых мощных инструментов стимулирования как потребителей, так и производителей энергии (см. справку). Применение рациональных тарифов на электрическую и тепловую энергию позволит не только стимулировать потребителей к экономии энергии, но и самым кардинальным образом может повлиять на графики нагрузок на энергосистему города, срезать пики нагрузок, сократить выбросы в окружающую среду, а также уменьшить капитальные вложения городского бюджета в развитие инженерной инфраструктуры города.

Важной особенностью тарифной политики в области энергоресурсов должна стать стабильность соотношений тарифов на электрическую и тепловую энергию как между собой, так и по времени суток. Соотношения тарифов на энергоресурсы (пик, полупик, ночные тарифы и пр.), использованные при проектировании здания, должны быть неизменны на протяжении всего срока эксплуатации здания, объекта. Их изменение возможно только по желанию собственника квартиры, дома, объекта.

Региональная энергетическая комиссия должна гарантировать населению неизменность тарифных соотношений на весь срок службы жилья. При этом количественные значения тарифов на энергоресурсы, безусловно, будут меняться в зависимости от мировых цен на энергоносители, инфляции и пр. При отсутствии подобных гарантий населению нет смысла тратить деньги на приобретение энергосберегающих приборов и оборудования (стиральные машины с таймером, аккумуляционные водонагреватели и пр.), поскольку при изменении тарифных соотношений (день-ночь, пик-полупик) эти приборы могут оказаться бесполезными. Более того, энергоэффективные проектные решения, заложенные в здание при структуре тарифов на энергоресурсы, действующей на момент проектирования, могут оказаться энергорасточительными при изменении структурного соотношения тарифов, что в конечном счете может привести (при сроке службы зданий около 50 лет) к значительным убыткам как для населения, так и для города.

Эффективная тарифная политика значительно расширит объемы привлечения внебюджетных финансовых ресурсов в энергосбережение, а также явится серьезным стимулом для широкого внедрения новых технологий, таких как аккумулирование тепловой и электрической энергии, использование нетрадиционных и вторичных энергетических ресурсов и т. д.

Комплексный подход к проблеме энергосбережения

Очевидно, что сегодня уже некорректно формулировать какие-либо требования к оболочке здания без учета его (здания) взаимосвязей с климатом и городской инфраструктурой: городской системой энергоснабжения, инженерными коммуникациями и т. д.

Долгие годы система энергоснабжения города развивалась практически автономно от потребителя. В последние годы в связи с изменением цен на энергетические ресурсы проблема их рационального расходования становится все более актуальной. Оказывается, что как для энергосистемы города, так и для ее потребителя (зданий и сооружений) решение этой проблемы сегодня возможно только на основе нового подхода к рассмотрению комплекса: теплоэлектростанция + тепловые и электрические сети + потребитель (здания и сооружения) + окружающая среда – как единой теплоэнергетической системы. Даже несмотря на очевидную противоречивость интересов потребителя и энергопроизводящих компаний.

Первое и основное противоречие состоит в том, что стратегические интересы энергопроизводящих компаний заключаются в максимальном увеличении объема продаж энергетических ресурсов, а стратегические интересы потребителя – в их минимальном потреблении. Рассмотрим проблему энергосбережения отдельно у производителя энергии и отдельно у потребителя (существующее состояние в действующих нормативных документах). Для этого представим район с тепловой нагрузкой 100 МВт. Потери тепловой энергии в сетях составляют, например, 15 % (или 15 МВт). Значит, тепловая нагрузка непосредственно потребителя будет равна 85 МВт. Предположим, что за счет различных мероприятий по энергосбережению потребитель сэкономил 77,5 МВт (или 91 %), тогда его тепловая нагрузка будет равна 7,5 МВт, а потери в сетях – 15 МВт, т. е. 200 % от тепловой нагрузки потребителя.

В итоге все это приведет к тому, что себестоимость энергии у производителя повысится, поскольку уменьшится объем ее продаж. Так или иначе в конечном счете эти издержки оплатит потребитель, который и так уже инвестировал немалые средства в энергосбережение и, как выясняется, часть этих инвестиций, возможно, была напрасной. С этими проблемами уже сталкиваются некоторые развитые европейские страны. Так, например, Дания уже сегодня вынуждена снижать температуру теплоносителя в магистральных тепловых сетях, поскольку при очень высоком качестве теплозащиты тепловых сетей теряет в них до 25 % транспортируемой тепловой энергии.

Вторым противоречием является различие экологических и потребительских интересов москвичей. С одной стороны, как жители города москвичи заинтересованы в экологической чистоте городской среды, а с другой – как потребители энергетических ресурсов в их увеличении, а значит, косвенно в ее загрязнении.  Разрешение этого противоречия стоит сегодня на повестке дня у администраций многих крупных городов планеты и фактически является мировой проблемой. Решение ее, по-видимому, будет индивидуальным для каждого города, в зависимости от климатических условий, уровня жизни, условий топливоснабжения и т. д.

Таким образом, очевидно, что существует некий рациональный (возможно оптимальный) уровень энергосбережения у потребителя, который, с одной стороны, удовлетворяет потребителя как с точки зрения единовременных капитальных вложений в энергосберегающие и экологические мероприятия, так и с точки зрения эксплуатационных затрат; а с другой стороны, обеспечивает достаточные объемы производства энергии и приемлемую структуру ее себестоимости у энергопроизводящей компании. Другими словами, существует целесообразный уровень теплозащиты оболочки зданий, который устраивает потребителя, энергопроизводящие компании и город с точки зрения экологических последствий сжигания органического топлива для окружающей среды и климата.

Действительно, климатические особенности Москвы таковы, что соотношение необходимых городу энергоресурсов (энергетических нагрузок города) составляет: электрическая нагрузка – 12–14 %, тепловая нагрузка – 86–88 %. При этом технологические возможности энергогенерирующего оборудования на ТЭЦ таковы, что в комбинированном цикле вырабатывается до 40 % электрической энергии и до 60 % – тепловой. В перспективе, с внедрением парогазовых станций (за рубежом они уже давно работают) это соотношение будет приближаться к 50:50, т. е. ТЭЦ сможет вырабатывать 50 % электрической энергии и 50 % тепловой.

В итоге город вынужден часть вырабатываемой электрической энергии (разницу между технологическими возможностями комбинированного цикла и фактической электрической нагрузкой города) отдавать в Московскую область и в ЕЭС (единую энергосистему), что приводит к тому, что экологически не очень чистая технология сжигания органического топлива осуществляется на территории города, а экологически чистый продукт – электроэнергия – поставляется за пределы города.

Понятно, что эту ситуацию нужно исправлять, и одним из путей ее решения должна стать гармонизация энергетических нагрузок города (как по величине, так и по суточным и сезонным графикам) с технологическими возможностями энергогенерирующего оборудования городской системы централизованного энергоснабжения. Основным критерием гармонизации должна стать эффективность использования первичной энергии.

Эффективность использования первичной энергии

Одним из серьезных недостатков действующей сегодня нормативно-технической базы энергосбережения является оценка энергетической эффективности зданий и оборудования по расходу конечной энергии у потребителя. Такой подход не позволяет оценить действительную энергетическую эффективность зданий и оборудования, поскольку не дает информации о влиянии экономии энергии в здании на количество первичной энергии, потребляемой энергосистемой города.

Гипотетически можно представить ситуацию, при которой за счет энергосберегающих мероприятий существенно сократится или даже снизится до нуля потребление зданием тепловой энергии. Однако в этом случае будет необходимо сбрасывать в градирни тепловую энергию, сопровождающую выработку электрической энергии, необходимой для бытовых нужд, освещения города, транспорта, промышленности и пр. В итоге, несмотря на значительное сокращение потребления тепловой энергии зданиями, расход первичной энергии в энергосистеме города (в Москве в основном это природный газ) может практически не изменится, и значительные капвложения будут фактически выброшены на ветер.

Сегодня при оценке энергетической эффективности зданий и их инженерного оборудования не учитывается то обстоятельство, что КПД энергетических установок всегда меньше 100 %, т. е. при преобразовании топлива в тепловую и электрическую энергию теряется существенная часть получаемой при его сжигании теплоты. Кроме того, при добыче топлива, его транспортировке потребителю, подготовке или переработке необходимо также расходовать энергию.

Учесть эти обстоятельства при анализе энергопотребления зданием позволяет понятие расхода первичной энергии и введение единицы – тонны первичного условного топлива (т. п. у. т.).

Что дает эта единица измерения? Рассмотрим энергопотребление конкретного здания или микрорайона. Нам известно количество использованной электрической энергии, тепловой энергии в виде пара или горячей воды, поступающих в микрорайон от внешних источников тепло- и электроснабжения, а также количество различных видов топлива, сжигаемых в газовых или дизельных котельных (например, крышных) непосредственно в зданиях. Путем перевода всех составляющих энергопотребления микрорайона в первичное условное топливо можно определить фактические затраты топлива для обеспечения жизнедеятельности микрорайона. Кроме этого, можно сопоставить фактические энергетические затраты зданий и объектов инфраструктуры, имеющих различные источники энергоснабжения и различную структуру потребления энергии.

По данным [1], для полезного использования 1 т. у. т. мазута необходимо добыть 1,107 т. у. т., или в расчете на 1 т мазута – 1,46 т. у. т. Для полезного использования 1 т. у. т. газа необходимо добыть 1,167 т. у. т., или в расчете на 1 тыс. м³ природного газа – 1,35 т. у. т. В итоге коэффициенты пересчета потребленного топлива в первичное топливо составляют для 1 т. у. т.: мазута – 1,107; газа – 1,167 и энергетического угля – 1,065 т. у. т.

Усредненный коэффициент полезного действия системы централизованного теплоснабжения, учитывающий сложившуюся структуру генераторов тепла (ТЭЦ, котельных и т. д.), может быть равен 0,7. С учетом усредненного КПД систем теплоснабжения, а также с учетом расхода топлива на его добычу, переработку и транспортирование коэффициент пересчета гигакалории тепловой энергии в условное топливо может быть принят равным 0,230 т. п. у. т. Другими словами, для того чтобы можно было использовать у потребителя гигакалорию тепловой энергии, необходимо добыть 230 кг. п. у. т.

В табл. 1 представлены данные по эффективности использования первичной энергии в системе Мосэнерго. Информация получена из доступных открытых публикаций и содержит фактические данные только за период 2005–2006 годов и прогноз на 2007–2020 годы. Тем не менее, этого достаточно для оценки эффективности использования первичной энергии в московской энергосистеме.

Как видно из табл. 1, среднюю эффективность использования первичной энергии в системе энергоснабжения Москвы можно оценить на уровне 0,65, при этом средний коэффициент перевода конечной энергии в первичную для Москвы может быть принят равным 1,5.

Здесь необходимо отметить, что рекомендуемый коэффициент перевода может быть использован для пересчета как электрической, так и тепловой энергии. Для условий Москвы нет разницы, какие киловатт-часы пересчитываются, поскольку генерация энергии осуществляется в основном в когенерационном режиме и не важно, на что расходуется первичная энергия: на выработку электричества или тепла. Для электростанций, работающих в конденсационном режиме, ситуация будет отличаться кардинально.

Для иллюстрации необходимости учета первичной энергии в показателях энергетической эффективности зданий Центром энергосбережения ГУП «НИИМосстрой» совместно с ОАО «Инсолар-Инвест» была разработана математическая макромодель энергосистемы Москвы. В табл. 2 приведены основные исходные данные, использованные при проведении технико-экономических расчетов по этой модели. Расчеты проводились для двух технологий комбинированной выработки тепла и электроэнергии: первая – существующая сегодня с КПД по электричеству 0,3, вторая – парогазовая, с КПД = 0,5.

Результаты технико-экономических расчетов приведены на рис. 1–3.

Рисунок 1 (подробнее)   Зависимость энергобаланса жилого фонда Москвы от экономии энергии на горячее водоснабжение

Рисунок 2 (подробнее)   Зависимость энергобаланса жилого фонда Москвы от экономии энергии на отопление и вентиляцию

Рисунок 3 (подробнее)   Сводный график зависимостей энергобаланса жилого фонда Москвы от экономии энергии на горячее водоснабжение (ГВС), отопление и вентиляцию (ОВ)

Результаты расчета приведены на рис. 1а для варианта системы энергоснабжения с электрическим КПД ТЭЦ = 0,5 (парогазовые станции), при этом на экономию тепловой энергии на ГВС затрачивается электрическая энергия в размере 30 % от экономии (вариант с применением в системах ГВС тепловых насосов) – линии красного цвета. Как видно из графиков, в балансе первичной энергии города, кроме потребителей тепловой и электрической энергии, участвуют теплогенераторы (районные тепловые станции и котельные, сжигающие первичное топливо) и градирни, обеспечивающие согласование графиков тепловой и электрической нагрузок с возможностями энергогенерирующего оборудования. Экономия энергии на ГВС при использовании для этих целей тепловых насосов (рис. 1а, красные линии) приводит к сокращению дополнительного прямого сжигания органического топлива на территории города, а соответственно, к определенному экологическому эффекту, но увеличивает сброс тепловой энергии через градирни.

В случае применения для экономии энергии в ГВС теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) с аккумулированием тепловой энергии за счет работы ТСТ в ночное время, когда город вынужден вырабатывать электроэнергию фактически при отсутствии нагрузки (рис. 1а, синие линии), получаем снижение затрат первичной энергии, незначительное повышение сброса тепловой энергии через градирни ТЭЦ и практически не влияем на объем дополнительно сжигаемого топлива на РТС и котельных.

Похожая картина наблюдается при экономии тепловой энергии на отопление и вентиляцию, на которую затрачивается электричес-кая энергия в размере 30 % от экономии (рис. 2а, красные линии). Здесь уже наблюдаются более значительные сокращения затрат первичной энергии и объемов дополнительного сжигания первичного топлива на РТС и в котельных. Еще более наглядным является вариант, представленный синими линиями (рис. 2а). Данный вариант соответствует применению тепловых насосов с аккумулированием тепла в ночное время или простой рекуперации тепла вентвыбросов, но, к сожалению, применимой только в общественных зданиях, оснащенных приточной вентиляцией с механическим побуждением.

Как видно из сравнения данных, обозначенных синими линиями, на рис 1а и 1б и на рис. 2а и 2б существенное влияние на количественные показатели энергобаланса первичной энергии города оказывает эффективность выработки электроэнергии на ТЭЦ. Представленные на рисунках графики соответствуют сегодняшней эффективности ТЭЦ с электрическим КПД, равным 0,32, и перспективной эффективности с электрическим КПД, равным 0,5. Описанные графики наглядно иллюстрируют существенное количественное влияние эффективности выработки электроэнергии на затраты первичной энергии в энергосистеме города.

На рис. 3 представлен сводный график зависимостей энергобаланса жилого фонда Москвы от экономии энергии на горячее водоснабжение, а также отопление и вентиляцию. Зависимости на рисунке подтверждают тезис о необходимости использования теплонасосных систем ТСТ с аккумулированием тепловой энергии в ночное время, когда город вынужден вырабатывать электроэнергию фактически при отсутствии нагрузки.

Представленные результаты показывают, что снижение затрат первичной энергии в системе энергоснабжения города от экономии энергии в зданиях, будучи весьма серьезной задачей, не является очевидным и требует обязательного учета при разработке политики энергосбережения в городе.

Здесь необходимо отметить, что в расчетах не учитывались потери первичной энергии, связанные с работой электрогенерирующего оборудования на холостом ходу в период ночных провалов электрической нагрузки города, а также сброс избытков тепловой энергии через градирни в переходные и летний периоды года.

Расчеты показывают, что темпы снижения затрат первичной энергии в энергосистеме города существенно отстают от темпов экономии энергии в зданиях. Так, например, 40 %-я экономия энергии в зданиях без коренной модернизации системы энергоснабжения города (генерации и транспорта энергии) приведет к экономии первичной энергии в энергосистеме слолицы в размере не более 15 %.

Как уже отмечалось, существенных успехов в энергосбережении можно достичь только при комплексном подходе к этой проблеме: экономя энергию в зданиях, необходимо кардинально повысить эффективность генерации и транспорта энергии в городе. В связи с этим серьезные преимущества получают новые энергоэффективные технологии, обеспечивающие экономию первичной энергии за счет вовлечения в энергобаланс города нетрадиционных источников энергии (грунт) и вторичных энергетических ресурсов (вентвыбросы) и т. д.

Литература

1. Исакович Г. А. Экономия топливно-энергетических ресурсов в строительстве [Текст] / Г. А. Исакович, Ю. Б. Слуцкий. – М.: Стройиздат, 1988.

2. Васильев Г. П. Экономически целесообразный уровень теплозащиты зданий [Текст] / Г. П. Васильев // Энергосбережение. – 2002. – № 5. – С. 48–51. Zx

Г. П. Васильев, руководитель Центра энергосбережения  и эффективного использования нетрадиционных источников энергии в строительном комплексе ГУП «НИИМосстрой», научный руководитель инновационной группы компаний «Инсолар»

¹ Постановление правительства Москвы от 9.06.2009 года № 536-ПП «О Городской программе "Энергосберегающее домостроение в г. Москве на 2010–2014 годы и на перспективу до 2020 года"».