У травні в науково-технічному виробничо-практичному інформаційному збірнику “Промелектро” опублікована стаття С. П. Кареліна, технічного консультанта з водопостачання програми DOBRE USAID, експерта Громадського об’єднання “Експертна платформа з енергоефективності” та директора групи компаній “Гідроавтоматизація”.

Особиста практика виконання досліджень систем водопостачання України в більше ніж 500 населених пунктів — міст, селищ та сіл; досвід реалізації більше 200 проєктів реконструкцій об’єктів систем водопостачання із значними економіями енерговитрат дозволили зібрати велику статистичну базу питомих витрат електро­енергії, факторів впливу на енерговитрати, в тому числі — питомого споживання води населенням та нерівномірності споживання в різні пори року та часи доби.
Саме від характеристик споживання води населенням та їх відображення на характеристиках підібраних насосних агрегатів, якими укомплектовані насосні станції (далі — НС) різних рівнів підняття, в переважній мірі залежить ефективність роботи насосних станцій та споживання електроенергії.
В даній статті пропонується розглянути вплив на енергоефективність невідпо­відності характеристик насосних агрегатів характеристикам системи.
Пряма вимога щодо ефективності роботи систем водопостачання від ДБН В.2.5-74:2013 “Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди” п.16.3.7 вигля­дає наступним чином: “… система повинна забезпечувати подачу води з мінімально можливими енергетичними витратами на одиницю поданого об’єму води, не допус­каючи перенавантаження окремих агрегатів, роботи їх в зоні низьких ККД… ”.
Робота в зонах низьких коефіцієнтів корисної дії (далі — ККД) повальної більшості насосних станцій водоканалів України і призводить до надзвичайно великих пере­витрат електроенергії, які за власною практикою досліджень та реалізацій проєктів можуть становити від 25 до 70%. До речі, наявність відділів енергоменеджменту на комунальних підприємствах фактично ніяким чином не вплинули на ефективність роботи насосних станцій. На власну думку, скоріше всього це пов’язано із наступ­ними основними факторами:
1. Низький рівень досвідченості фахівців комунальних підприємств в питаннях енергоефективності їх систем.
2. Незацікавленість комунальних підприємств в підвищенні енергоефективності через українську законодавчу базу і вимогу НКРЕКП в зменшенні тарифу за досяг­нення зменшення енерговитрат.
3. Прийнята в “Законі про Енергоефективність” стратегія, яка полягає в змен­шенні абсолютних значень витрат енергії, а не питомих.

• Аксіома № 1. Використання перетворювачів частоти (пристрій для регулювання обертів двигунів насосів) для керування насосними агрегатами дійсно зменшує енерговитрати, особливо — в порівнянні із керу­ванням для підтримання заданого тиску води в напірній мережі шляхом регулювання засувкою (дроселювання).
• Аксіома № 2. Використання перетворювачів частоти для керування насосними агрегатами, характеристики яких не відповідають характерис­тикам системи, може призвести або до незначного зменшення енерговитрат, або до відсутності економії як такої.
• Аксіома № 3. Нормативи споживання води, які базово розроблялися в 1930-ті роки (в часи відсутності питань з енергоефективності) не можуть розглядатися як Аксіома, застаріли та потребують кардинального оновлення.

Чому так відбувається?
На рис. 1 відображена умовна напірно­витратна характеристика насосного агрегату — залежність напору, який створює насос (Н, вимірюється в метрах) від подачі насосу (Q, вимірюється в м3/год). Основною особливістю характеристики є досягнення найвищого ККД насосного агрегату за умов співпадіння робочої точки насосу із номінальною.

Розташування фактичної робочої точки на напірно­витратній характеристиці визначається перетином напірно­витратної характе­ристики із характеристикою системи і залежить від режимів споживання (приклад на рис. 1 — точка 1 або точка 2).
На практиці відповідність характеристик насо­сних агрегатів до характеристик системи водороз­подільної мережі (читаємо — характеристик водо­споживання) зустрічаються дуже рідко.
Через це насоси більшість часу доби працюють в зонах низького ККД, а фактичні питомі витрати електроенергії перевищують ті, що можуть бути отримані за умов фахового дослідження та підбору обладнання. В тому числі негативний вплив має зручне постійне використання насосного обладнання улюблених виробників без огляду на особливості їх характеристик та відповідність режимам експлу­атації.
На рис. 2–4 наведено графічні зображення розра­хунків оптимальності енерговитрат через порівняння питомого споживання електроенергії на прикладах аналізу реально діючих насосних станцій водоканалів України.
На графіках надані приклади аудиту насосних станцій із обсягами подачі води, які вимірюються мільйонами кубічних метрів, відповідно і витрати — мільйонами кВт·год.
Факторів впливу на енерговитрати систем водо­постачання велика кількість, але в цій статті ми зупи­нимось саме на невідповідному дослідженні змін обсягів подачі води під час функціонування НС.

Наведемо графічний приклад аналізу діапазонів обсягів подачі води однією з насосних станцій як взі­рець різноманіття значень протягом різних сезонів, місяців, годин споживання (рис.5).
З огляду на вищенаведене та особливості від­хилень ККД при відхиленні робочої точки насосів від номінальної цілком зрозуміло — чому водоканали не отримують бажаної ефективності а мають достатньо суттєві зайві витрати електроенергії.
Про те, яким чином впливає ДБН на перевитра­ти, поговоримо в наступній частині статті.
Нижче наведений приклад розрахунку спожи­вання води однією із частин реального населеного пункту з кількістю населення (споживачів) — 25 000 осіб. Прийняті коефіцієнти, які позначені в таблиці нижче, відповідають вимогам та настановам ДБН В.2.5-74:2013 пп. 6.1. “Розрахункові витрати води” Табл. 1, Табл. 2.
В даному розрахунку була застосована норма водоспоживання 150 л/людину/добу, хоча відповідно ДБН для об’єкту дослідження мала б бути застосо­вана норма — 230–285 л/люд/добу.
На підтвердження норми наведу чималу кіль­кість статистичних даних різних населених пунк­ тів України, які отримані з лічильників води насос­них станцій, в тому числі — підвищувальних насо­сних станцій (ПНС), які подають обліковану воду безпосередньо групі багатоповерхових будинків (табл. 3).

Варто відзначити, що окрім населення до групи споживачів можуть потрапляти в тому числі спожи­вачі — юридичні особи.
З огляду на наведені дані можемо зробити висновок — в більшості випадків питоме споживання води значно відрізняється (найчастіше — в напрямку зменшення) від вимог діючого ДБН. Тенденція до загального зменшення питомого споживання води однією людиною пов’язана, в тому числі, із збіль­шенням частки населення, послуги для якої вимі­рюються приладами обліку. Найбільше ця тенденція відслідковується вже після затвердження чергової редакції ДБН. Разом з тим спостерігається значна відмінність між обсягами питомого споживання меш­канців міст та сільських територій, особливо в літній період.
Дослідимо наступні статистичні дані споживан­ня, які були отримані за допомогою системи дис­петчеризації SCADA в онлайн режимі на одному з водоканалів.

Для аналізу нерівномірностей водоспоживання використаний “Метод часток”, який запроваджений та багато років успішно використовується для ана­літичних досліджень і практичної діяльності автором статті.
Розглянемо частку добової подачі води однією з НС порівняно з показниками обсягу води за місяць (табл. 4).
У даному випадку частка доби максимальної водоподачі склала 1/27,9 від суми подачі води НС за місяць (рис. 6).

Наступним етапом розглянемо дослідження частки максимальної (пікової) годинної подачі (спо­живання) води відносно значення добового спожи­вання на одному із центральних теплових пунктів міста N (подача холодної та гарячої води) (рис. 7, табл. 5).

Треба зазначити, що годинна нерівномірність подачі води може коливатися в значних межах. Як приклад наведемо статистичні дані по декільком міськім водонапірним насосним станціям водока­налів України (табл. 6).
Наведені дані лише декількох населених пунк­тів свідчать про значні розбіжності нерівномірності споживання, які знаходяться в межах певної зако­номірності.
Частка максимального годинного споживан­ня, як правило, коливається в межах 1/12…1/20 від добового.
Частка добового споживання коливається, як правило, в межах 1/27…1/35 від місячного спожи­вання.
Порівняємо розрахунки обсягів водопостачан­ня, які використовуються прі підборі характеристик насосного обладнання, в двох варіантах — згідно з ДБН (приклад розрахунку об’єкту наведено вище) і згідно з “Методом часток”, який оснований на опра­цюванні статистичної інформації, зібраної протягом останніх 15 років в різних населених пунктах України на насосних станціях різного функціонального при­значення.

Для району міста з населенням в 25000 осіб:

• Qдоб. макс (згідно з ДБН) —
  4725 м3/добу;
• Qдоб. макс (згідно з “Методом часток”) — 4752 м3/добу;
• Qгод макс (згідно з ДБН) —
  276 м3/добу;
• Qгод макс (згідно з “Методом часток”) — 365 м3/добу.

Різниця в методі розрахунку пікового споживан­ня за добу є несуттєвою, за годину — є такою, що кардинально впливає на підбір характеристик насо­сного обладнання.
Наведений приклад є виключно індивідуальним. Розбіжності між фактичними обсягами подачі води та розрахованими відповідно до вимог ДБН, як прави ло, достатньо значимі для отримання відхилень робочих точок насосних агрегатів НС від номінальних.

ВИСНОВКИ:

Наявна потреба перегляду ДБН В.2.5-74:2013 “Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди” в розрізі розрахунків споживання із наданням пере­ваги дослідженням фактичних характеристик спо­живання води, які можуть різнитися не лише в межах населених пунктів, але і в межах насосних станцій одного населеного пункту на різних НС.

Велику увагу потрібно приділити прогнозам спо­живання води як фактору, який суттєво впливає на характеристики майбутніх проектів.
Будь який розрахунок споживання води та його нерівномірності безпосередньо впливає на ефектив­ність роботи насосних станцій та може призводити до значних перевитрат електроенергії через невід­повідність характеристик насосних агрегатів.