централизация и
Коммунальность энергетических
инфраструктур как проявление
самоорганизации
в преодолении сопротивления
среды
Е.Г. Гашо
Коммунальность означает такое устройство
материально-технологической среды, при котором все её части представляют единую
нерасчленимую систему (инфраструктуру) и не могут быть обособлены без угрозы её
распада. Функции по поддержанию и развитию коммунальной инфраструктуры в ней выполняет
не совокупность частных субъектов, реализующих свои собственные интересы, а
государство, выражающее общественный интерес: оно создаёт соответствующую
систему управления и через центральные органы определяет общие правила
пользования коммунальной инфраструктурой для всех хозяйствующих субъектов. Коммунальный
характер материально-технологической среды определяют следующие признаки [1]:
·
она
является фактором выживания и условием общественного благополучия;
·
упорядочены коллективные действия;
объём ресурсов на её поддержание превышает индивидуальные и групповые
возможности;
·
технологическая целостность, т.е. ухудшение
положения в одной части приводит к ухудшению в системе в целом;
·
достаточная
инвариантность к платёжеспособности населения.
В ходе исторического
развития коммунальность материально-технологической
среды в нашей стране постоянно возрастала. При этом центр тяжести всё больше смещался
с природной среды (земельных ресурсов, лесов, недр и др.) на
материально-техническую инфраструктуру [2]. В настоящее время коммунальность характерна для всех
отраслей российского государственного хозяйства, обслуживаемых единой
энергетической системой, централизованными коммуникациями тепло- и
водоснабжения, системой железнодорожного транспорта и др.
Фундаментальной причиной
того, что институт частной собственности в российском ЖКХ не имеет радужных
перспектив, является особый централизованный характер организации отопления,
тепло- и водоснабжения, отвода канализации в жилищном фонде, создающий
предпосылки для существования только одного хозяина-собственника всего жилищно-коммунального
хозяйства. В условиях коммунальной инфраструктуры обособленное управление энергокомплексом отдельного дома затруднено, поскольку
элементы управления находятся вне его и вплетены в общую систему управления энергокомплексом жилищного хозяйства города.
Такая коммунальная
система обеспечила в своё время выживание наших городов в тяжелых
природно-климатических условиях [3]. В настоящее время она превратилась в материальный
тормоз на рыночные преобразования в жилищном секторе России. Причем теплоснабжение,
которое попало под яростный огонь критики экономического либерализма,
предлагающего его срочную децентрализацию, в этом смысле не является
доминирующей инфраструктурой, хотя и сáмой
затратной по энергообеспечению. Кроме теплоснабжения, здания оборудуют
системами горячего и холодного водоснабжения, канализации, газопроводами и
вентиляционными системами. Перевод их всех на децентрализованный принцип
функционирования фантастически дóрог
и в ряде случаев просто не имеет смысла.
Коммунальность в жилищном хозяйстве
выражалась в наличии единых систем жизнеобеспечения для основной части
жилищного фонда, поддержании на каждом участке установленных стандартов
обслуживания и единых условий пользования. Можно сказать, что и вся экономика функционировала как большой
"завод", единая гигантская корпорация. В этом была понятная логика: сокращение
транзакционных затрат, необходимость мобилизации ресурсов [4].
Коммунальность инфраструктур жизнеобеспечения на
территории СССР, по мнению ряда исследователей, была обусловлена несколькими
причинами: пространственной распределённостью (свыше
17 млн. кв. км); суровостью климата практически на всей территории; сильными
территориальными различиями регионов; высоким уровнем хозяйственных рисков.
Индустриализация новых регионов и
территорий, масштабное строительство жилья, развитие централизованного
теплоснабжения привели к существенному росту тепловых нагрузок
как в промышленности, так и в коммунальном комплексе. Рост и развитие систем
теплоснабжения и теплофикации городов происходили в СССР по "самобытному"
пути (как составная часть общего плана электрификации страны).
Полученный от
теплофикации эксплутационный эффект оказался весьма значительным. Так, если до
реконструкции электростанция с турбиной фирмы "Браун-Бовери"
мощностью 680 кВт имела удельный расход топлива на выработку электроэнергии
1046 гут/кВтч, то после реконструкции расход топлива на теплофикационном режиме
составил 238 гут/кВтч. К 1941 г. в Москве было шесть ТЭЦ суммарной
теплофикационной мощностью около 30 МВт, 63 км водяных и 13 км паровых тепловых
сетей, к которым были присоединены 445 жилых зданий и несколько десятков
предприятий. Всего перед Великой Отечественной войной в СССР мощность
действующих ТЭЦ составляла 2000 МВт, протяженность магистральных теплосетей - 650 км,
годовой отпуск тепла - около 100 млн ГДж.
Во время войны на восток
было эвакуировано более 60 электростанций [5] суммарной мощностью 5800 МВт, из
них ТЭЦ – 1000 МВт (17 %). После освобождения территории началось
восстановление энергетического хозяйства; к 1950 г. установленная мощность ТЭЦ
составила 5000 МВт при годовом отпуске тепла 293,3 млн ГДж. С этого времени начался рост эффективности
ТЭЦ, обусловленный повышением параметров пара турбин: с 1950 по 1960 гг. на ТЭЦ
было установлено более 500 турбин с давлением 9,0 МПа суммарной мощностью около
9 млн кВт.
Интенсивное жилищное
строительство в больших городах потребовало создания крупных отопительных ТЭЦ
мощностью 300–400 МВт. Для этих целей были разработаны турбины Е-100-130,
Т-175-130 и, впоследствии, турбина на сверхкритические параметры пара
Т-250-240; получили развитие турбины с промышленным отбором пара для технологических
нужд ПТ-60-130, ПТ-135-130, противодавленческие
турбины Р-50-130, Р-100-130. Данные табл. 1 характеризуют стремительный рост как мощностей ТЭЦ, так и протяжённость тепловых сетей [6].
При этом удельные показатели практически не меняются, что свидетельствует об
определённой сбалансированности развития источников и потребителей (элементах
самоорганизации комплексов "ТЭЦ-потребители").
1. Динамика основных показателей
теплоснабжения в СССР
|
Показатели |
1940 |
1950 |
1960 |
1965 |
1970 |
1975 |
|
Установленная мощность, МВт |
2000 |
5000 |
11922 |
23743 |
47000 |
58500 |
|
Протяженность теплосетей, км |
650 |
763 |
3456 |
7198 |
15189 |
Нет данных |
|
Годовая выработка тепла, млн ГДж |
100 |
293,3 |
607 |
1289 |
2800 |
3820 |
|
Удельная протяженность сетей, км/МВт |
0,33 |
0,15 |
0,29 |
0,30 |
0,32 |
Нет данных |
|
Удельная выработка тепла, ГДж/МВт |
0,05 |
0,06 |
0,05 |
0,05 |
0,06 |
3820 |
Централизованные системы
теплоснабжения начинают развиваться в городах с населением 150-200 тыс.
чел. Как видно из данных табл. 2, всего 63 города (~ 6 % от общего числа) можно
считать имеющими развитые системы централизованного теплоснабжения, остальные
1054 (~ 94 %) имеют разнородные автономные системы теплоснабжения. Эти 6 %
городов потребляют на отопление около 46 % всей тепловой энергии, 10 % городов (среднего
размера) - ещё 16 %, небольшие города (85 %) – оставшиеся 37,6
%. Доля централизованного сектора теплоснабжения достигает 68-69 %,
что соответствует доле городов с населением свыше 100-150 тыс.
чел. Вместе с тем в городах с населением 50–150 тыс. чел.
развиты так называемые "кустовые" схемы,
когда городские отопительные (промышленно-отопительные) котельные обслуживают
свой ареал потребителей, при этом нет перемычек между этими "кустами".
2. Характеристики городов и их тепловых нагрузок.
|
Характеристики |
Значения характеристик по группам городов с численностью населения, тыс. чел. |
||||
|
До 100 |
100-300 |
300–490 |
500–1000 |
Свыше 1000 |
|
|
Число городов в группе |
948 |
106 |
29 |
21 |
13 |
|
Доля в общем числе городов, % |
84,9 |
9,5 |
2,6 |
1,9 |
1,1 |
|
Общая численность населения, млн чел |
40,5 |
17,5 |
11,0 |
12,4 |
27,4 |
|
Расчетная тепловая нагрузка, Гкал/ч |
до 150 |
150-500 |
500-1000 |
1000-3500 |
Более 3500 |
|
Годовое количество тепла, тыс. Гкал/год |
До 500 |
500-1500 |
1500-2000 |
2500–4000 |
Более 4000 |
|
Доля в суммарной тепловой нагрузке, % |
37,6 |
16 |
9,6 |
11,4 |
24,7 |
Можно выделить три порога
эффективности систем населённых мест (городов):
·
первый
(с уровня 130-150 тыс. чел.) связан с концентрацией проживания (снижение
удельных отопительных затрат);
·
второй
(с уровня 250-300 тыс. чел.) – с повышением компактности проживания
(снижение транспортных издержек);
·
третий
(с уровня 350-400 тыс. чел.) – применением теплофикации (комбинированная
выработка тепла и электроэнергии).
Такая структурная есть наиболее оптимальная стратегия
преодоления сопротивления среды, а эволюция инфраструктур жизнеобеспечения –перестройка систем в соответствии с наиболее рациональным
способом обеспечения жизненно необходимых потребностей социума. Сопротивление
среды здесь выступает как многокомпонентная характеристика климата (градусо-сутки[1]
отопительного периода), интенсивности солнечной радиации, особенностей рельефа и
др. Важнейшим необходимым условием повышения эффективности энергоиспользования
является пространственно-геометрическая компактность системы.
Промышленные энергопотребители образуют производственно-территориальные
структуры, требующие обоснованных приёмов совместной энерготехнологической организации
за счёт централизованного теплоснабжения и кооперирования энергомощностей
с учётом взаимной компенсации различий в уровнях (типах) энергопотребления. По
ориентировочным оценкам, учёт энерготехнологической взаимозаменяемости способен
дать существенную экономию (25–75 кг∙ут/чел.),
а по городу в целом – до 50 тут/га [2]. Параметры функционирования
энергетической инфраструктуры промузла, как правило,
оптимизируют относительно их собственных энергоэкономических
критериев, но не относительно территориально-производственного образования как
некоторой энергетической целостности.
Для оценки предлагаемых мер повышения эффективности работы систем теплоэнергоснабжения населённых пунктов необходимо свести
всё их разнообразие к нескольким типологическим группам, поэтапно используя типологические
диаграммы (рис. 1–4). Можно выделить некоторую типовую конфигурацию графика тепловой
нагрузки для регионов с целью отработки базовой конфигурации системы
энергообеспечения.
По диапазонам изменения градусо-суток можно выделить три основные группы регионов:
с относительно благоприятными климатическими условиями (до 3500 градусо-суток) – 14-15 % населения; со "средними"
условиями (4000-5900 градусо-суток)
– около 70 % населения; с экстремальными условиями (свыше 6900 градусо-суток) – около 15 % населения. Наиболее многочисленная
группа регионов (около 70 % населения) располагается
в достаточно неблагоприятных климатических условиях с продолжительностью отопительного
периода свыше полугода (185–240 сут.). Большинство
территории РФ приходится на зоны с более холодным климатом (рис. 1,а), а большинство населения – на более тёплые
территории (рис. 1,б). В совокупности три "северных" округа (Северо-Запад,
Сибирь, Дальний Восток) составляют 76 % территории (29 % населения), а три "южных"
округа (Центр, Южный, Поволжье) охватывают 62 % населения и 13,4 % территории.
Плотность расселения (см. рис. 2) также свидетельствует о предпочтении
населением регионов с более тёплым климатом. Освоение остальных регионов
потребовало, как мы знаем, существенных затрат различных ресурсов в рамках
государственных программ и планов.
Структура используемого
населением жилого фонда также является климатически и
экологически обусловленной. Разным уровням комфортности природных условий соответствуют
определённые показатели численности населения, проживающего в индивидуальном жилом фонде, не связанном централизованной инфраструктурой. Фактически
это отражает сочетание климатических условий, при котором становится возможным
поддержание приемлемых показателей комфорта и безопасности жизни без централизованного
отопления, водоснабжения, канализации. Соответственно, показатель доли
населения, проживающего в индивидуальном жилом фонде,
может выступать индикатором перехода климатического комфорта из одного
качественного состояния в другое. Подобный качественный переход происходит на
уровне, когда около 30 % населения проживает в собственных домах. Регионы с
таким показателем образуют практически монолитную группу, включающую Черноземье
и Южный округ РФ [7].
Разные климатические
условия определяют соответствующие модели самоорганизации. На рис. 3 показаны
зависимости плотности расселения и централизации (плотности городов на 10000 кв.
км) от интенсивности холодов, т. е. дефицита тепла. После величины дефицита
тепла в 4000 градусо-суток отчётливо наблюдается тенденция
коммунальности (централизации) расселения,
обусловленная климатическими условиями и необходимостью устраивать централизованные
системы жизнеобеспечения. Некоторое "превышение" средних показателей
в Центральном регионе связано с выполнением этим регионом столичных функций и
обусловленной этим высокой плотностью населения (степенью урбанизации) в
Московской области. Чернозёмный регион выделен из Центрального федерального
округа как "граничный", где происходит изменение тенденции коммунальности систем энергообеспечения.
Теперь обратимся к
распределению городов в пространстве "Градусо-сутки
отопительного периода – численность населения" (см. рис. 4). Очевидно, что
местоположение города на диаграмме детерминирует базовые характеристики систем
энергообеспечения, т.е. определяет её устойчивые типологические параметры. Видно,
что предельной численностью населения основной группы (ядра) городов (максимально-оптимальным
размером) является 550-600 тыс. чел. Развитие городов сверх
этого размера уже не даёт выигрыша по транспортной или энергетической
эффективности (что отмечалось выше) и вместе с тем требует существенного
структурного развития "каркаса" города, включая системы жизнеобеспечения.
Для сравнения
климатических условий ряда российских городов и некоторых европейских столиц
произведён расчет удельных энергоклиматических нагрузок
(необходимого количества теплоты для отопления единицы объёма зданий) по
среднемесячным температурам 1990–2000 гг. (рис. 5). Невзирая на процессы глобального
потепления, только Хельсинки по своим климатическим параметрам близки к Москве.
Практически во всех перечисленных столицах Европы отопительный сезон
существенно ровнее по амплитуде и короче по длительности. Меньшая длительность
отопительного периода означает существенную экономию энергии по времени, а
меньший разброс температур, кроме экономии, определяет меньшие диапазоны
регулирования тепловой нагрузки. Кстати, зарубежные города с нагрузкой свыше 70
% от московских значений активно развивают централизованное теплоснабжение и теплофикацию,
а ведь Москва – далеко не самый северный регион нашей страны.
Если принять, что
необходимость специальных (коммунальных) систем жизнеобеспечения возникает, начиная
с дефицита тепла в 1500–2500 градусо-суток, то
климатические требования для большинства регионов России безоговорочно
указывают на предпочтительность концентрации потребителей (и тепловой
нагрузки), что в значительной степени предопределяет экономические преимущества
и функциональную необходимость централизованных систем теплоэнергообеспечения
[8]. Очевидно, что уже для ГСОП=3000 рост энергозатрат
при децентрализации становится весьма существенным – именно эти значения
соответствуют параметрам отопительного периода Копенгагена и Стокгольма.
В данном контексте,
заметим, редко учитывают, что количество выбросов в атмосферу прямо
пропорционально расходам топлива, а приземную концентрацию оксидов азота в
большой мере определяет высота дымовых труб, которые у децентрализованных
источников существенно ниже стационарных труб ТЭЦ. Кстати, в Германии владельцы
комбинированных источников теплоснабжения получают некоторую субсидию от
государства именно за эти экологические преимущества совместной выработки
теплоты и электроэнергии.
Итак, системы
жизнеобеспечения населённых пунктов формируются вместе с жилым
фондом в определённых пропорциях, что характеризует процессы территориальной
самоорганизации. Поскольку разнокачественность объектов-потребителей и условий
окружающей среды приводит к наличию дисбалансов ресурсопотребления,
распределённого произвольным образом по территории,
постольку наличие дисбалансов обуславливает эффекты их самоорганизации
(структурные, режимные). Таким образом, территориальная
самоорганизация есть наиболее оптимальная стратегия преодоления сопротивления
среды (климатического, экологического, пространственного), а эволюция инфраструктур
жизнеобеспечения – есть структурная перестройка систем в соответствии с
наиболее рациональным способом обеспечения жизненно необходимых потребностей
социума [9]. Оптимальное сочетание концентрации и деконцентрации, централизации и децентрализации систем жизнеобеспечения
есть результат взаимодействия совокупности внешних факторов (окружающей среды)
и территориальных особенностей.
Дисбалансы
энергопотребления в рамках мегаполиса вполне можно прогнозировать и
нейтрализовать при комплексном территориальном подходе к городскому хозяйству
как единому механизму жизнеобеспечения (если не видеть в нём только отраслевые
структуры и интересы, не выделять и не приватизировать
обособленные участки для извлечения прибыли, без поддержания состояния полной
работоспособности и надлежащей технологической модернизации). Очевидно, что
никакие частные решения автономного энергообеспечения не спасут
ситуацию – необходимо повышение устойчивости энергетических инфраструктур
с помощью разнообразных энерготехнологических агрегатов и систем. Взаимоувязка и согласование режимов выработки и потребления
энергоресурсов никак не подразумевают отказ от единых городских систем жизнеобеспечения,
наоборот, они стыкуются с возможными автономными агрегатами таким образом,
чтобы обеспечить максимальную эффективность энергоиспользования,
надёжность и экологическую безопасность [10].
Для этого теплотехнологические комплексы (техноценозы) систем жизнеобеспечения
в населённых пунктах неизбежно должны включать в себя разнородные дублирующие (резервирующие)
системы топливо-, тепло-, водо-,
электрообеспечения, канализации, с применением
разноплановых устройств взаимозаменяемости энергоносителей [11]. Концентрация
потребителей, повышение степени централизации систем теплоэнергоснабжения
при этом повысят степень надёжности как за счёт развития общей сети (и её закольцовывания), так и путём применения распределённых
утилизационных и пиковых устройств, в том числе на возобновляемых источниках
энергии.
Список литературы
1. Баранский
Н.Н. Избранные труды. Становление советской экономической географии. М.: Мысль,
1980.
2. Бочаров Ю.Л., Фильваров Г.И. Производство и пространственная организация
городов. М.: Стройиздат, 1987. 256 с.
3. Кирдина
С.Г. Институциональные матрицы и развитие России. Новосибирск: ИЭиОПП СО РАН, 2001. 308 с.
4. Гашо
Е.Г., Ковылов В.К., Парщиков
В.П. Методологический подход к решению проблемы рационализации регионального энергопромышленно-го комплекса.//
Промышленная энергетика. 2002. 10. С. 2-7.
5. Мастепанов
А.М., Саенко В.В., Шафраник Ю.К. Экономика и
энергетика регионов. М.: Экономика, 2001. 476 с.
6. 11. Некрасов А.С., Воронина
С.А. Состояние и перспективы теплоснабжения в России// Электрические станции.
2004. 5. С. 2-8.
7. Россия как система. Web-атлас/ В.Артюхов., А.Мартынов. Practical science. http://www.sci.aha.ru
8. Гашо
Е.Г. Степень централизации, распределенность и пути
рационализации теплоэнергетической нагрузки территориальных
промышленных уз-лов в России // Вестник МЭИ. 2003. 4.
С. 34-39.
9. Козлов А.Т., Гашо Е.Г., Зайцев А.Ф. Эколого-экономические проблемы
региона. Монография. Воронеж: "Квадрат", 1995.
10. Дегтев Г.В. Территориальные аспекты энергосбережения в
жилищно-коммунальном комплексе крупного города// Энергосбережение. 2002. 2.
11. Логовский К.В. Энергетическая инфраструктура региона.
Планирование и организация управления. Минск, 1990. 103 с.
а)
б)
Рис. 1. Типологические диаграммы регионов по территории (а) и плотности населения (б)
Рис.2. Типологическое распределение регионов РФ и плотности населения
Рис. 3. Соотношение плотности населения и числа городов в различных
климатических условиях
Рис. 4. Типологическое распределение столиц регионов РФ по Зависимость
плотности населения от градусо-суток отопительного
периода и плотности населения
Рис. 5. Типологическое характеристики столиц
Северной Европы