Характеристики городов и их тепловых нагрузок

Таким образом, около 950 городов численностью до 100 тыс. чел. (это ~ 85% всех городов) имеют разрозненные «кустовые» схемы теплоообеспечения, и потребляют до 40% тепла; чуть больше 100 городов численностью 100−300 тыс. чел. (~ 10%) развивают централизованные системы, потребляя около 16% тепла, 50 городов численностью до 1 млн.чел. (~ 4,5%) в разной степени используют теплофикацию, их потребление достигает 21% всей тепловой энергии. И, наконец, 13 мегаполисов, составляя всего 1,1% от общего числа городов, имеют разветвленные системы энергообеспечения, суммарное потребление тепла составляет около 25%. Города с численностью до 300−350 тыс. человек имеют, как правило, невысокую долю теплофикации, т. е. участия ТЭЦ в покрытии графика тепловой и электрической нагрузки.

В большей степени активное участие ТЭЦ проявляется в достаточно крупных городах с численностью 350−550 тыс. человек. Таких городов в стране 35, общая численность проживающего в них населения составляет 14,6 млн.чел. городов с численностью от 550 до 850 тыс.чел. всего 10, в них проживает 6,15 млн.чел. Безусловно, существенную роль играют отопительные и промышленные ТЭЦ в энергообеспечении мегаполисов (15 городов с численностью ~14,7 млн. чел) и двух «столиц» — Москвы и Санкт-Петербурга с суммарной численностью около 15 млн. жителей. Вместе с тем в расселении и, соответственно, в урбанизации существует серьёзная асимметрия. Почти ѕ населения РФ, как видно из рис. 7, живёт в условиях средне-умеренных зим, что характеризует базовые условия функционирования подавляющего большинства систем теплообеспечения городов.

Рис. 7 Распределение населения страны по климатическим зонам (ГСОП)

Распределение городов РФ в пространстве «ГСОП-размер» на рис. 9. более точно показывает положение городов на пересечении его климатических параметров (градусо-сутки отопительного периода) и численности населения. Очевидно, что нахождение города в той или иной зоне диаграммы детерминирует базовые характеристики систем энергообеспечения, то есть определяет ее устойчивые типологические параметры.

Кроме того, видно, что предельной численностью основной группы (ядра) городов, т. е. определённым максимально-оптимальным размером является величина в 550−600 тыс. чел. Развитие городов сверх этого размера уже не даёт выигрыша по транспортной или энергетической эффективности, требует вместе с тем, существенного структурного развития «каркаса» города (включая системы жизнеобеспечения).

Типологический анализ эффективности и рациональной конфигурации систем жизнеобеспечения городов, таким образом, в первую очередь должен опираться на климатические параметры (градусо-сутки отопительного периода), размер населенного пункта, что определяет соответствующие плотности тепловых нагрузок. Экологические особенности территории также являются важным детерминирующим фактором выбора рациональной конфигурации систем теплоэнергоснабжения, основного и резервного топлива, привлечения нетрадиционных источников ТЭР.

Если проанализировать распределение городов на диаграммах «ГСОП-численность населения» по переписи 2002 г. и в 1979 г., то очевидно, что картина изменилась весьма незначительно. Города-миллионники несколько выросли в численности, но тем не менее новых мегаполисов не появилось, и в целом рост крупных городов существенно замедлился. Одной из главных причин замедления роста больших городов, как видно из анализа, являются высокие затраты на инженерное обустройство, снижение эффективности городских инфраструктур при росте городов свыше ~500 тыс. чел. Износ инженерных сетей, неразбериха с применением различных автономных источников энергии, тяжелая экологическая обстановка, транспортные перегрузки — все вместе свидетельствует о тупиковости сложившейся ситуации, чреватой кроме всего прочего авариями и экологическими бедствиями.

Растущие города сталкиваются с ограничениями физического, технического и структурного характера — так называемыми порогами развития. Анализ этих ограничений делает возможным выявить их для каждого конкретного периода времени. Город первоначально возникал как специфический вид пространственного окружения, противопоставляя себя окружающей среде. Повышенная компактность, плотность освоения, коммуникационная насыщенность городских пространств продиктована экономией затрат и нуждами обороны, являющимися, по всей видимости, определяющими характеристиками городов.

Пространственная самоорганизация городских поселений проявляет как минимум две тенденции, два механизма экономии ресурсов — транспортный (табл. 17) и тепловой (топливный). Экономия тепловой энергии на отопление связана в первую очередь с пространственной концентрацией проживания, транспортная — с оптимальными коммуникациями в городе. Такие пороги повышения эффективности городских инфраструктур обусловлены в том числе и определенным типом самоорганизации сложного городского хозяйства.

Первый связан с концентрацией проживания (снижение удельных отопительных затрат) и значительным количеством зданий достаточно большого размера — с уровня 80−120 тыс. человек. Второй — с повышением компактности проживания (снижение транспортных издержек) — с уровня 250−300 тыс. человек. Третий — активное применение теплофикации (комбинированная выработка тепла и электроэнергии) в крупных городах с численностью 450−500 тыс. человек. Рост численности городского населения свыше 550−600 тыс. чел. и далее — к мегаполису, требует особых инфраструктурных решений, которые позволили бы выйти на новый качественный уровень городского «каркаса». Такое эволюционное развитие инфраструктуры предопределяет этапы, когда она более восприимчива к инновационному развитию. Города, расположенные в разных секторах типологической диаграммы, требуют, таким образом, дифференцированных подходов к построению эффективных систем жизнеобеспечения.

Системы жизнеобеспечения населенных пунктов, как было показано выше, формируются вместе с жилым фондом в определенных пропорциях, что характеризует процессы территориальной самоорганизации для населенных пунктов разного размера в разных климатических условиях. Поскольку разнокачественность объектов-потребителей и условий окружающей среды приводит к наличию дисбалансов ресурсопотребления, распределенных произвольным образом по территории, постольку наличие дисбалансов обуславливает эффекты самоорганизации. Взаимоувязка и согласование режимов выработки и потребления энергоресурсов никак не подразумевает отказа от единых городских систем жизнеобеспечения, наоборот, они стыкуются с возможными автономными агрегатами таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность энергоиспользования, надежность и экологическую безопасность.

Уже не вызывает сомнений тот факт, что каждой из используемых в настоящее время систем теплоснабжения соответствуют свои условия, при которой она является оптимальной. Эти условия в основном определяются концентрациями и плотностями тепловых нагрузок. Оба эти показателя, даже для существующих узлов теплопотребления, со временем значительно изменяются. Вследствие этого используемые в настоящее время системы теплоснабжения во многих случаях морально устаревают и не соответствуют вновь образованным условиям.

Условия функционирования СЦТ в разных городах и регионах страны различаются настолько значительно, что в ряде случаев картина меняется качественно (как по источникам, так и непосредственно по сетевым структурам). Территориальные различия в ряде случаев довольно сложно систематизировать по определенным статистическим показателям. Разветвлённость и существенная территориальная распределённость сетей, наличие и конфигурация разнородных потребителей, располагающихся в разных климатических условиях на разных структурно-территориальных уровнях, различные схемно-параметрические решения, предопределяет уникальность всей конфигурации в целом.

Рис. 9 Диаграмма распределения столиц регионов РФ по ГСОП и численности населения

Качественный скачок в развитии централизованных систем теплоснабжения произошёл в конце 50-х годов, в период наиболее массового строительства жилья. К середине 85-х г. только на ТЭЦ Минэнерго работало 166 турбин Т-100−130 и Т-110−130, 11 Т-175−130 (Т-185−130), 20 Т-250−240. Диаметр отводящих трубопроводов от блоков с турбиной Т-250−240 составляет 1000 мм, от двух блоков — 1600 мм. Отборы такой турбины снабжают тепловой энергией около 250 тыс.чел. Распределённость разводящих сетей от крупных ТЭЦ составляет 15−25 км. в Новосибирске, 35 км — в Свердловске, до 30 км, — в Москве. Увязка потребителей с общим режимом работы источника и сети — сложная задача, и тем более сложная, чем больше потребителей обслуживает система теплоснабжения.

Наращивание систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) происходило в последнее время практически только за счет присоединения новых зданий и микрорайонов с распределительными сетями. Инфраструктурная реконструкция тепловых магистралей проводилась крайне недостаточно: из этого вытекает необходимость рассматривать структуру источников тепла в динамическом развитии: то есть источники тепла должны в какой-то степени рассматриваться как временные, с постепенной заменой одних, реконструкцией других, изменением режимов функционирования.

Присоединение новых районных котельных также производилось по самым разным схемам, в зависимости от ситуации с водой в регионе и ряда других факторов. Есть города и регионы, где до сих пор работают безнадежно устаревшие ТЭЦ малой мощности с агрегатами полувековой давности. В связи с этим значительную часть тепловой нагрузки берут на себя муниципальные, ведомственные котельные, иногда промышленные ТЭЦ. В самое последнее время к этому добавился спад промышленного производства, который привел к резкому сокращению промышленной нагрузки ТЭЦ и котельных. Все это приводит к существенным отклонениям режимов эксплуатации от расчетных, что наблюдается во многих регионах страны.