Содержание к диссертации
Введение
1 Классификация служебных и жилых зданий, их систем электроснабжения и электроприемников. Постановка задачи исследования 10
1.1 Классификация государственных (муниципальных) учреждений 10
1.2 Классификация учреждений сферы услуг 12
1.3 Классификация электротехнических комплексов зданий и их электроприемников 14
1.4 Обзор работ по теме и постановка задачи исследования 20
1.5 Выводы по первой главе 25
2 Экспериментальное исследование энергетических характеристик электроприемников зданий и качества электрической энергии в точках передачи электроэнергии 26
2.1 Исследование режимов работы ЭП зданий, графиков их нагрузки и удельных расходов электрической энергии 26
2.2 Исследование показателей качества электроэнергии 30
2.2.1 Основные определения 30
2.2.2 Исследование отклонений напряжения 35
2.2.3 Исследование колебаний напряжения 53
2.2.4 Исследование несинусоидальности напряжения 56
2.2.5 Исследование несимметрии напряжения 76
2.3 Выводы по второй главе 88
3 Исследование влияния электроприемников зданий на качество электрической энергии и на эффективность функционирования электрических комплексов зданий 90
3.1 Исследование высших гармоник тока генерируемых элетроприемниками зданий 90
3.2 Разработка компьютерных и физических моделей узлов нагрузки зданий 103
3.3 Исследование соотношения токов в фазных и нулевых проводниках зданий при наличии нелинейных ЭП 125
3.4 Исследование влияния обрыва нулевого провода на эффективность функционирования систем электроснабжения зданий. 132
3.5 Исследование пиковых токов создаваемых новыми источниками света при их включении и отключении 135
3.6 Исследование влияния отклонений напряжения на эффективность функционирования электроприемников городских зданий 138
3.7 Выбор сечения электрических сетей и мощности трансформаторов при наличии высших гармоник тока 158 3.8 Определение суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения в точках передачи электроэнергии на компьютерных моделях сети 163
3.9 Выводы по третьей главе 168
4 Применение маркировки электрооборудования и зданий для повышения энергетической эффективности 172
4.1 Формулировка задачи 172
4.2 Российское и зарубежное законодательство в области стандартов и маркировки энергоэффективности электрооборудования зданий 175
4.3 Анализ состояния рынка энергоэффективного электрооборудования зданий в России 186
4.4 Методы определения класса энергоэффективности электрооборудования зданий 190
4.5 Применение стандартов и маркировки энергоэффективности электрооборудования при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий высокой энергетической эффективности 205
4.6 Технико-экономическое обоснование внедрения маркировки энергоэффективного электрооборудования в зданиях 220
4.7 Методы контроля энергоэффективности зданий 248
4.8 Выводы по четвертой главе 253
Заключение 255
Список использованных источников
- Классификация электротехнических комплексов зданий и их электроприемников
- Исследование колебаний напряжения
- Исследование соотношения токов в фазных и нулевых проводниках зданий при наличии нелинейных ЭП
- Анализ состояния рынка энергоэффективного электрооборудования зданий в России
Классификация электротехнических комплексов зданий и их электроприемников
В 2010 году вышла новая директива 2010/31/ЕС [64] по маркировке энергетической эффективности, которая расширяет сферу регулирования на промышленные и торговые приборы и оборудование. Введено 3 новых класса энергоэффективности А+, А++, А+++. Если продукция имеет высший класс энергоэффективности (А+++), то низшие классы (E-G) из этикетки для такой продукции исключаются.
В России работы по маркировке энергоэффективности оживились после принятия нового закона №261-Ф3 от 23.11.2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ» [40]. Постановлениями правительства РФ от 31.12.2009 и от 12.12.2011 №1708 и №1222 от 10.12.2010 №1009 [14-16] утверждены перечни товаров, в отношении которых устанавливаются требования энергоэффективности. Установлено 10 классов энергоэффективности товаров – А+++, А++, А+, А, B, C, D, E, F, G. Приказом №224 от 17.05.2011г. Министерство регионального развития РФ утвердило «Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений».
В настоящее время разработан и находится на межгосударственном согласовании проект технического регламента Таможенного союза «Об информировании потребителя об энергетической эффективности электрических энергопотребляющих устройств» [47].
В 2011 г. НП «АВОК» с привлечением ряда ведущих организаций по поручению Национального объединения строителей (НОСТРОЙ) разработало концепцию нормативного обеспечения энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий и сооружений. В основу концепции положены принципы гармонизации отечественно нормативной базы с основными положениями европейской директивы 2010/31/ЕС (ЕPBD) – 2010 к е базовыми стандартами. Уже разработаны первые редакции четырех базовых стандартов, которые являются модификациями стандартов Евросоюза:
Больше внимания в Евросоюзе придают влиянию энергопотребляющей продукции на экологию. В 2005 году была принята Директива 2005/32/ЕС, в соответствии с которой все производители такой продукции обязаны предпринимать меры для уменьшения негативного влияния этой продукции на окружающую среду на всех стадиях ее жизненного цикла. Этот подход получил название «экодизайн». Экодизайн – одно из самых перспективных направлений на пути реализации политики энергоэффективности. В связи с вступлением России в ВТО нам необходимо, как в Евросоюзе, разработать технические регламенты по экодизайну с тем, чтобы продукция могла выдерживать конкуренцию с продукцией других стран первые шаги в этом направлении уже сделаны.
В 2011 году НП «АПОК», ООО «НПО ТЕРМЕК» и ОАО «ЦЦНИИПромзданий» разработали первый базовый стандарт СТО НОСТРОЙ 2.35.4-2011 «Зеленое строительство. Здания жилые общественные. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания». В 2012 году был разработан стандарт СТО НОСТРОЙ 2.35.68-12-2012 «Здания жилые и общественные. Учет региональных особенностей в рейтинговой системе оценки устойчивости среды обитания» и национальный стандарт ГОСТ Р54.954-2012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости».
Однако анализ этих нормативных документов показывает, что они не в полной мере подготовлены к реализации задач, поставленных Федеральным законом №261-ФЗ. Понятие «энергоэффективность зданий» подменяется оценкой годового потребления только тепловой энергии, не предъявляются требования по экономии электрической энергии на привод насосов, вентиляторов, систем кондиционирования воздуха, освещения и другого электропотребляющего оборудования.
Исследования [48-52, 21, 37, 57, 59-71] показывают, что на энергоэффективность зданий оказывают большое влияние показатели качества электрической энергии.
Анализ нормативных документов по проектированию и эксплуатации систем электроснабжения различных типов городских зданий [1-11, 28-37] действующих до 2011 г. показывает, что в них не учитываются высшие гармоники тока и напряжения, генерируемые электроприемниками зданий. Это объяснялось тем, что количество таких электроприемников в зданиях было очень мало. В последние годы число электроприемников с нелинейными вольт-амперными характеристиками в зданиях резко возросло. Это компьютерная техника, газоразрядные и светодиодные источники света, телевизионная и медицинская аппаратура, СВЧ-печи, зарядные устройства сотовых телефонов и ряд других.
Исследование колебаний напряжения
Проанализировав полученные значения следует вывод, что отклонение в фазе А, В и С не выходит за пределы допустимых значений в течении 100% времени суток. Значение наибольшего отклонения напряжения в каждой фазе приблизительно одинаковое, но наибольшее приходится на фазу В: оно на 2,37 % меньше предельно допустимого.
Также было проанализировано отклонение междуфазного напряжения. Линейное напряжение UАВ, UВС, UСА не превышает допустимое значение в течение 100% времени. Наибольшее отклонение междуфазного напряжения приходится на напряжение UСА: оно на 2,29% меньше предельно допустимого.
На рисунке 2.17 и в Приложении Б (рис. Б.7), а также в таблице 2.13 приведены диаграммы и значения отклонения напряжения на вводе питания служебного здания СберБанка. Uab
Проанализировав полученные значения следует вывод, что отклонение напряжения в фазе В выходит за пределы допустимых значений в течении 22,92% времени суток (преимущественно это ночное время). В фазе А и С наибольшее отклонение напряжения близко к предельно допустимому (9,93 и 9,92 % соответственно). В фазе В максимальное значение отклонения превышает норму на 1,11%. Также было проанализировано отклонение междуфазного напряжения. Линейное напряжение UАВ превышает предельно допустимое значение в течение 7,29 времени суток, UВС превышает предельно допустимое значение в течение 5,21 % времени суток, UСА не превышает допустимое значение в течение 100% времени., но макисмальное отклонение близко к предельно допустимому (всего на 0,23 % меньше).
На рисунке 2.18 и в Приложении Б (рис. Б.8), а также в таблице 2.14 приведены диаграммы и значения отклонения напряжения на вводе питания служебного здания ПромСвязьБанка. 10 Uab
Проанализировав полученные значения следует вывод, что отклонение напряжения во всех трех фазах выходит за пределы допустимых значений: в фазе А максимальное отклонение напряжения превышает норму на 0,53%, в фазе В на 1.38 %, в фазе С на 0,43 %. В фазе В отклонение напряжения в течение 39,58 % времени суток (для сравнения в фазе А это значение равно 6,25%, в фазе С это значение равно 5,63%). Из этого можно сделать вывод о том, что в фазе В более всего необходима в регулировании отклонения напряжения. В фазе А и С наибольшее отклонение напряжения близко к предельно допустимому (10,53 и 10,42 % соответственно). В фазе В максимальное значение отклонения превышает норму на 1,38%.
Также было проанализировано отклонение междуфазного напряжения. Линейное напряжение UАВ превышает предельно допустимое значение в течение 33,96 времени суток, UВС превышает предельно допустимое значение в течение 27,36 % времени суток, UСА превышает допустимое значение в течение 1,67% времени суток.
Отклонение междуфазных напряжений на вводе питания торгово-развлекательного комплекса «Фантастика»
Проанализировав полученные значения следует вывод, что отклонение в фазе А, В и С не выходит за пределы допустимых значений в течении 100% времени суток. Но максимальное значение отклонения напряжения близко к предельно допустимому: для фазы А это значение на 0,69% меньше нормы, для фазы В на 0,65%, для фазы С на 0,02%.
Также было проанализировано отклонение междуфазного напряжения. Линейное напряжение UАВ, UВС, UСА не превышает допустимое значение в течение 100% времени. Максимальное значение линейного отклонения напряжения имеет практически одинаковое значение и оно также близко к предельно допустимому (как и отклонение фазных напряжений).
На рисунке 2.20 и в Приложении Б (рис. Б.10), а также в таблице 2.16 приведены диаграммы и значения отклонения напряжения на вводе питания торгово-развлекательного комплекса «РИО». Uab
Отклонение междуфазных напряжений на вводе питания торгово-развлекательного комплекса «РИО»
Проанализировав полученные значения следует вывод, что отклонение в фазе А и В не выходит за пределы допустимых значений в течении 100% времени суток, а в фазе С отклонение напряжения превышает норму в течение 1,38 % времени суток. Максимальное значение отклонения напряжения близко к предельно допустимому: для фазы А это значение на 0,54% меньше нормы, для фазы В на 0,48. Также было проанализировано отклонение междуфазного напряжения. Линейное напряжение UАВ, UВС, UСА не превышает допустимое значение в течение 100% времени. Максимальное значение линейного отклонения напряжения имеет практически одинаковое значение и оно также близко к предельно допустимому (как и отклонение фазных напряжений)
Проведя анализ совокупности данных исследования можно сделать следующие общие выводы: 1. Наибольшее значение отклонение фазного и междуфазного напряжения приходится на режим минимальных нагрузок, причем, всегда это значение смещается в сторону положительного предела (+10%). 2. В ряде зданий отклонения напряжения превышают допустимые значения Исследование колебаний напряжения Колебания напряжения электропитания (как правило, продолжительность менее 1 минуты), в том числе одиночные быстрые изменения напряжения, обусловливают возникновение фликера.
Показателями качества электрической энергии, относящимися к колебаниям напряжения, являются кратковременная доза фликера Pst, измеренная в интерале времени 10 мин., и длительная доза фликера Plt, измеренная в интеравле времени 2 часа, в точке передачи электрической энергии.
Для указанных показателей качества элекетричекой энергии установлены следующие нормы: кратковременная доза фликера Pst не должна превышать значения 1,38; длительная доза фликера Plt не должна превышать значения 1,0 в течение 100% времени интервала в одну неделю.
Исследование соотношения токов в фазных и нулевых проводниках зданий при наличии нелинейных ЭП
В фазе С наибольшее значение гармонических составляющих также приходится на 3, 5, 7, 11 и 13 гармоники. Наибольшее значение 3 гармоники – 0,69% от основной, 5 гармоники – 1,81%, 7 гармоники – 1,01%, 11 гармоники – 0,49% и 13 гармоники 0,49% Но все эти параметры находятся в пределах допустимых значений.
Из полученных значений (табл. 2.30) видно, что наибольшей несинусоидальностью по 3, 5, 7, 11 и 13 гармоникам обладает фаза А, но все эти гармонические составляющие находятся в пределах допустимых значений.
Проведя анализ высших гармонических составляющих можно сделать следующие выводы: 1. Все гармонические составляющие во всех рассмотренных объектах находятся в пределах допустимых значений.
2. В основном наблюдается преобладание третьей гармоники тока, хотя присутствуют объекты, в которых наибольшее значение принадлежит 5 гармонике.
3. Наибольшее значение третьей гармоники наблюдается в здании медицинской академии, пятой гармоники – в магазине OBI, седьмой – в пансионате, девятой – в медицинской академии.
Исследование несимметрии напряжения Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями: - коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности; - коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.
Влияние несимметрии напряжений на работу электрооборудования: возрастают потери электроэнергии в сетях от дополнительных потерь в нулевом проводе.
Общее влияние несимметрии напряжений на электрические машины, включая трансформаторы, приводит к значительному снижению срока их службы. Например, при длительной работе с коэффициентом несимметрии по обратной последовательности К2U=2…4%, срок службы электрической машины снижается на 10…15%, а если она работает при номинальной нагрузке, срок службы снижается вдвое.
Поэтому ГОСТ 32144-2013 устанавливает значения коэффициентов несимметрии напряжения по обратной К2U и нулевой К0U последовательностям – нормально допустимое 2% и предельно допустимое 4%.
Анализ несимметрии по обратной и нулевой последовательности был проведен в административном здании. На рисунке 2.39 и в таблице 2.31 приведены диаграммы и значения несимметрии напряжения обратной последовательности в административном здании.
Несимметрия напряжения обратной последовательности в административном здании Красной линией показано максимальное значение несимметрии на протяжении суток, зеленым цветом показано среднее значение и желтым цветом показано минимальное значение несимметрии обратной последовательности. Значения несимметрии напряжения обратной последовательности в административном здании Из полученных данных следует вывод, что значения K2U находятся в пределах допустимых норм в течении 100% времени суток.
На данном графике красным цветом изображена линия, которая показывает максимальное значение несимметрии нулевой последовательности, зеленым цветом показано среднее значение и желтым цветом показано минимальное значение.
В данной таблице Т1 показывает процентное значение времени суток, в течение которого несимметрия нулевой последовательности превышает нормально допустимое значение, а Т2 показывает процентное значение времени суток, в течение которого несимметрия нулевой последовательности превышает предельно допустимое значение.
Как видно из табл. 2.32 коэффициент несимметрии по нулевой последовательности в рабочее время превышает нормально допустимые пределы.
Есть промежутки времени, в течение которых наблюдается превышение не только нормально допустимых, но и предельно допустимых значений. Наибольший коэффициент несимметрии К0U=4,62%. Это превышает предельно допустимое значение на 0,62%.
На рисунке 2.41 и в таблицах 2.33 и 2.34 приведены диаграммы и значения несимметрии напряжения нулевой и обратной последовательности на примере университета.
В данной таблице К0 В и К2 В – средние значения несимметрии за сутки, К0 НБ и К2 НБ – максимальные значения несимметрии за сутки.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что значения К2U и K0U находятся в пределах допустимых норм в течение суток.
Значение коэффициента несимметрии нулевой последовательности выше нормально допустимого, которое равно 2%, в течение 55,95% времени суток (допустимое время равно 5%). Значение предельно допустимого значения К0U больше в течение 4,07% времени, вместо допустимого 0%. Максимальное значение несимметрии приходится на промежуток времени между 12:00 и 13:00. Это может быть обусловлено наибольшей нагрузкой в данный промежуток времени.
Анализ состояния рынка энергоэффективного электрооборудования зданий в России
Число и продолжительность периодов с относительно постоянными характеристиками электропотребления (отличающимися не более, чем на 10%) нагнетателей в инженерных системах с переменным расходом рабочей среды определяются по результатам расчета годового воздушно-теплового режима зданий.
Годовой расход электроэнергии на привод лифтов, эскалаторов и траволаторов Wв.т. (кВт ч) определяется по формуле: где Рл.пер - мощность электропривода лифта в режиме перемещения (кВт); л.пер - число часов работы лифта в году в режиме перемещения (ч); коэффициент, учитывающий применение устройств, обеспечивающих экономию электрической энергии при движении лифта вниз и при его неполной загрузке;
Рл.ож - мощность электропривода лифта в режиме ожидания; л.ож - число часов работы лифта в году в режиме ожидания (ч); Рэск - мощность электропривода эскалатора (кВт); эск - число часов работы в году эскалатора (ч); коэффициент, учитывающий применение устройств, обеспечивающих экономию электрической энергии при неполной загрузке эскалатора; Ртрав - мощность электропривода траволатора (кВт); трав - число часов работы в году траволатора (ч); коэффициент, учитывающий применение устройств, обеспечивающих экономию электрической энергии при неполной загрузке траволатораю.
Технико-экономическое обоснование внедрения маркировки энергоэффективного электрооборудования в зданиях Цель оценки экономической эффективности использования энергетического оборудования с учетом маркировки состоит в выборе типа оборудования, максимально подходящего под цели программы энергосбережения (т.е. обеспечивающего определнную экономию энергоресурсов), но, тем не менее, применение которого не снижает финансовую эффективность внедряемой программы энергосбережения ввиду высокой затратности оборудования классов «А+», «А++», «А+++».
Таким образом, в задачи определения финансовой эффективности входят следующие аспекты:
1) Выбор нескольких вариантов энергосберегающего оборудования (В рамках сопоставимых технических характеристик, одной ценовой группы и различных маркировок инженерного оборудования).
2) Выбор из нескольких альтернативных вариантов используемого оборудования (различных типов маркировки) оптимально подходящего для данной программы энергосбережения. Выбор рекомендуется производить по результатам анализа критериев финансовой эффективности.
Критериями финансовой эффективности использования энергетического оборудования с учетом маркировки могут являться: минимальный срок окупаемости, максимальный индекс прибыльности проекта и ряд других.
Различают несколько подходов оценки энергоэффективности оборудования: 1. Упрощенный – на основании стоимости сэкономленной энергии; 2. Общие подходы оценки инвестиционной эффективности (статический подход, динамический подход). 220 Формирование системы маркировки энергоэффективности инженерного оборудования.
Прежде чем говорить об оценке эффективности использования иженерного оборудования, используя выше перечисленные методы, необходимо прежде сформировать систему маркировки его энергоэффективности.
В мировой практике сложились две основные системы маркировки энергоэффективности. Первая система, принятая в США, Канаде, Мексике, получила название «Епегду Guide». Американская модель предполагает анализ энергопотребления однотипных изделий и выделение из них примерно 25 % с наименьшим энергопотреблением, которым и присваивается почетная марка Energy Guide.
Количественные характеристики энергоэффективности, выражаемые, как правило, в относительных единицах, для каждого вида изделий регламентируются государственными стандартами. Стандарты вводятся на период 2-3 года и по мере совершенствования энергосберегающих технологий обновляются.
Вторая модель маркировки, принятая в странах ЕС, предполагает разделение всех изделий однотипной группы на 7 классов, от А до G.
В мировой практике сложилось несколько схем сертификации оборудования на соответствие показателям энергоэффективности: сертификация изделий в государственных сертификационных центрах или центрах, аккредитованных государственными органами; сертификация в независимых испытательных лабораториях, в том числе международных (распространенных в европейской практике); декларативная идентификация изделий по классам энргоэффективности самими предприятиями-изготовителями оборудования с периодическим выборочным контролем государственных или независимых лабораторий. Последняя схема - наименее затратная, получила наибольше распространение.
Практика показала, что маркировка энергоэффективности стала основным и наиболее действенным инструментом энергосбережения, движущей силой снижения энергоемкости валового национального продукта.
На Западе была предпринята попытка внедрения финансовой мотивации в систему маркировки энергоэффективности, и с 2005 года было введено понятие «цена жизненного цикла» энергопотребляющего изделия - LCC (Life Cycle Cost).
Показатель LCC интегрирует стоимость изделия (Си) и стоимость энергии (Се), израсходованной за период эксплуатации, т.е. LCC=Си+Се. Этот показатель на Западе был предложен для формирования системы маркировки энергоэффективности еще в 2005г.
По своей экономической сущности этот показатель напоминает показатель - приведенные затраты, который использовался в СССР, в годы стабильной экономики, с той лишь разницей, что обе составляющие в формуле LCC рассчитываются за срок службы оборудования. Самая привлекательная цена у холодильника класса энергоэффективности G - 520 евро, но он самый энергорасточительный (720 кВт-ч/год), из-за этого его показатель LCC самый большой - 964 евро. Минимальная цена LCC у холодильника класса энергоэффективности В - 884 евро. Самый энергоэффективный холодильник оказывается не самый энергоэкономичный, его показатель LCC - 912 евро. Этот пример условный, но он дает представление о возможности информирования потребителей не только об энергетических характеристиках изделий, но и об их экономичности (табл. 4.14).
