Защита и восстановление энергопотребляющих природно-технических систем в строительном комплексе и ЖКХ на примере Приморского края

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Защита и восстановление энергопотребляющих природно-технических систем в строительном комплексе и ЖКХ на примере Приморского края

Специальность 25.00.36 - геоэкология

Гришан Алексей Алексеевич

Томск - 2007

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете (ДВГТУ), Дальневосточном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте по строительству Российской Академии архитектуры и строительных наук (ДальНИИС РААСН).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Минаев Александр Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Адам Александр Мартынович,

доктор технических наук, профессор Цветков Николай Александрович,

доктор технических наук, профессор Кузнецов Георгий Иванович.

Ведущая организация: Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет.

Защита состоится 14 ноября 2007 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.02 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 Томск, Соляная пл., д. 2, ауд. 305.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан "__" сентября 2007 года.

Учёный секретарь диссертационного совета О.И. Недавний.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Технологическая энергоемкость производства многих товаров и услуг, обеспечивающих жизнедеятельность населения России, многократно превосходит энергоемкость аналогичных зарубежных товаров и услуг.

При условии выпуска железобетонных изделий в объеме, эквивалентном 1 тонне условного топлива, объем добываемого первичного топлива с учетом нормативных потерь топлива и тепловой энергии в системе "добыча топлива - энергоисточник - пропарочная камера" и полезного использования теплоты в камере (КПИ), равном 70 % (Приморский край) относиться к добываемому топливу при фактических потерях и фактических КПИ камер 20-25 % в цехах, как 2,2: 33,3.

Эксплуатационная энергоэкономичность гражданских зданий значительно ниже, чем в развитых странах вследствие более высокого уровня потерь через оболочку зданий и нерационального использования энергоресурсов при эксплуатации.

При нормативных потерях топлива и тепловой энергии в системе "добыча топлива - энергоисточник - тепловая сеть" и удельном теплопотреблении жилых домов согласно СНиП 23-02-2003 ежегодно извлекаемое топливо для отопления 1000 м ² таких зданий относиться к добываемому топливу при фактическом удельном теплопотреблении существующих зданий и фактических потерях, как 12,8: 154,7.

Для компенсации сверхнормативных потерь сжигается дополнительное топливо с образованием загрязняющих веществ.

Нормативными документами узаконен порядок расчета и мониторинг образования загрязняющих веществ. Разработано большое разнообразие методов снижения загрязнения природной среды, включая выбор экологически безопасных топлив и режимов их горения, повышение эффективности улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ и других.

Большой вклад в развитие методов защиты и восстановления природно-технических систем внесли отечественные и зарубежные ученые Бакланов П.Я., Брагинский Г.А., Бондарев М.В., Варзашвили Н.Г., Голдовская Г.А., Голубев Г.Н., Горшков С.П., Добровольский Г.В., Елисеев Ю.Б., Заиканов В.Г., Зверев В.П., Зилинг Д.Г., Клубов С.В., Кофф Г.Л., Куриленко, В.В., Лаверов Н.П., Минакова Т.Б., Никитин Е.Д., Осипов В.И., Петров К.М., Преображенский Б.В., Прозоров Л.Л., Сычев К.И., Трофимов В.Т., Тоффлер А., Форрестер Д. и др.

Для решения задач защиты и восстановления природно-технических систем уже сейчас представляется возможными использовать исследования Арбеньева А.С., Баженова Ю.М., Булгакова С.Н., Вегенера Р.В., Галичанина Е.Н., Гальперовой Е.В., Гендина В.Я., Гусева Б.В., Заседателева И.Б., Ильина А.К., Ишаева В.И., Ковалева О.П., Копылова В.Д., Крылова Б.А., Лагойды А.В., Ли А.И., Малининой Л.А., Малофеева В.И., Матросова Ю.А., Минакова В.Н., Миронова С. А., Моргуна В.М., Мчедлова-Петросяна О.П., Сарнацкого Э.В., Селиванова Н.П., Ушерова-Маршака А.В., Ходакова Ю.С., Шифрина С.А., Школы А.В. и многих других, посвятивших свои работы повышению эффективности потребления природных ресурсов в различных отраслях народного хозяйства.

Огромный вклад в эту сферу знаний внесли представители Томской школы, работы которых известны в России и за рубежом: Адам А.М., Гныря А.И., Верещагин В.Н., Кудяков А.И., Ляхович Л.С., Недавний О.И., Ольховатенко В.Е., Рогов Г.М., Саркисов Ю.С., Цветков Н.А. и другие.

Вместе с тем оценка взаимодействия существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений с природной средой не всегда учитывает их системные связи и особенности образования загрязняющих веществ при сжигании топлив в процессах потребления энергетических ресурсов для производства необходимых человеку товаров и компенсации климатических факторов.

В связи с этим для повышения эффективности природоохранной политики и механизмов ее реализации представляется необходимым среди большого разнообразия природно-технических систем выделить энергопотребляющие природно-технические системы, определив их как совокупность инженерно-технических систем, закономерно взаимодействующих с природной средой в процессах потребления топливно-энергетических ресурсов для обеспечения жизнедеятельности человека и удовлетворения его потребностей в полезных товарах и услугах.

Актуальность работы состоит в том, что при защите и восстановлении таких систем не учитываются следующие основные факторы.

1. Инженерно-технические системы, взаимодействующие с природной средой в процессах потребления топливно-энергетических ресурсов для удовлетворения потребностей человека в полезных товарах и услугах, включая компенсацию климатических воздействий, не рассматриваются как разноуровневые энергопотребляющих природно-технических систем.

2. Существующие методы расчета образования загрязняющих веществ на энергоисточниках не принимают во внимание зависимость объемов сжигаемого топлива от эффективности потребления тепловой, электрической энергии и воды потребителями, подключенными к этим энергоисточникам.

3. При оценках экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений не учитываются данные конкретных энергоисточников, обеспечивающих эти объекты тепловой и электрической энергией (объемы, виды и характеристики топлив) и местные климатические условия (продолжительность и средняя температура отопительного и теплого периодов года).

4. Не находят отражения факторы, определяющие эффективность потребления топливно-энергетических ресурсов.

5. Не в полной мере используется системный подход к развитию существующих и формированию новых производств, к оценке их экологической безопасности, в результате чего фрагментарная модернизация сопровождается ростом сверхнормативных потерь энергоресурсов, увеличением потребления топлив для их компенсации и повышением образования ЗВ при их сжигании.

6. Недостаточно изучены вопросы взаимодействия подсистем в такой крупной энергопотребляющей природно-технической системе, как региональное ЖКХ, что не способствует преодолению ежегодных кризисных ситуаций в теплоснабжении, сопровождаемых перерасходом топлива.

7. Энергосберегающие принципы и методы недостаточно активно привлекаются к развитию существующих и созданию новых технологий, конструкций и сооружений.

Все это приводит к неоправданному росту материальных и финансовых затрат, увеличению потребления топлив и образования загрязняющих веществ при их сжигании, снижению эффективности защиты и восстановления энергопотребляющих природно-технических систем.

Цель работы - разработать методы оценки состояния и экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений, а также методы, технологии и технические средства защиты, восстановления и управления энергопотребляющими природно-техническими системами в строительном комплексе и ЖКХ.

Для достижения цели потребовалось решить ряд теоретических и практических задач.

1. Исследовать взаимодействие энергопотребляющих природно-технических систем различного уровня, связанных процессом энергоснабжения-энергопотребления в составе региональной системы.

2. В системном подходе к реализации программы регионального развития исследовать и оценить получение полезных результатов в природоохранной, экономической и социальной сферах средствами энергосбережения.

3. Разработать теоретические методы, технологические и технические решения защиты, восстановления и управления энергопотребляющими природно-техническими системами в строительном комплексе и ЖКХ.

4. Разработать теоретические и практические методы оценки состояния и обеспечения экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений.

5. Разработать методы управления энергопотребляющими природно-техническими системами, обеспечивающие минимизацию негативного техногенного воздействия энергоисточников на природную среду.

6. Провести теоретические и экспериментальные исследования и разработать устройства и способы тепловой обработки железобетонных изделий с удельным теплопотреблением ниже установленных нормативов при увеличении выпуска строительных изделий с установленным уровнем качества бетона.

7. Провести производственную проверку методов оценки состояния, защиты и восстановления энергопотребляющих природно-технических систем, а также энергоэффективных устройств и способов тепловой обработки железобетонных изделий.

Научная новизна:

1. Предложена совокупность принципов и методов оценки состояния и повышения экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений за счет:

- организации мониторинга и диагностики, направленных на выявление доли участия неэффективного и нерационального использования топливно-энергетических ресурсов в загрязнении природной среды;

- системного подхода к защите и восстановлению энергопотребляющих природно-технических систем ЖКХ на основе усиления тепловой защиты и рационального управления энергопотреблением зданий жилого фонда, эффективных распределительных сетей и энергоисточников, использующих нетрадиционные и возобновляемые виды энергии;

- повышения эффективности управления на основе организации взаимодействия производителя и потребителей энергоресурсов как взаимодополняющих компонентов процесса энергоснабжения-энергопотребления в составе синергетических систем, эффективное функционирование которых невозможно без заинтересованности производителей энергоресурсов в благополучии потребителей, а потребителей - в работоспособности энергоисточников (synergлtikos - совместный, согласованно действующий);

- создания стационарных воздушных тепловых рубашек для агрегатов тепловой обработки изделий из бетона и железобетона, позволяющих более эффективно (на 11,7-23,0 %) использовать внутреннюю энергию системы "камера - изделия";

- формирования новых производств для утилизации отходов техногенного происхождения и создания на их основе комбинированных альтернативных энергоисточников, совокупность которых позволяет существенно повысить экологическую безопасность энергопотребляющих природно-технических систем.

2. Впервые предложен алгоритм решения нестационарного уравнения теплового баланса системы "камера дозревания - изделия" кассетно-конвейерной линии, который:

- учитывает долю нестационарных потерь в тепловом балансе, зависящих от факторов, связанных с последовательностью операций разогрева и перемещения изделий по технологической линии и параметров окружающей среды;

- позволяет определять минимальное приведенное сопротивление теплопередаче строительных оболочек теплопотребляющих агрегатов, устройств и сооружений, выше которого не требуется привлечение внешних дополнительных источников тепловой энергии вследствие более полного и эффективного использования внутренней энергии системы. Для существующих кассетно-конвейерных линий нижняя граница приведенного сопротивления теплопередаче строительной оболочки камер дозревания соответствует критериальному значению 1,8 R_пр, где R_пр - проектное сопротивление теплопередаче, м^{2 о}С/Вт. Создание стационарных тепловых рубашек, обеспечивших сопротивление теплопередаче камеры дозревания на критериальном уровне, позволило проводить тепловую обработку изделий без подачи теплоносителя извне при установленном качестве бетона и удельном теплопотреблении технологической линии в 1,7-2,0 раза ниже норматива (СН-513-79) для обычных кассет.

3. Выявлено наличие разноуровневых типов энергопотребляющих природно-технических систем и установлено их иерархическое соподчинение по производственно-территориальному признаку на принципе поглощения относительно простых и мелких более крупными и сложными с образованием на их основе региональных и межрегиональных систем.

На защиту выносятся:

1. Типизация энергопотребляющих природно-технических систем и их иерархическое взаимодействие, основанное на принципе поглощения относительно простых и мелких систем более крупными и сложными с образованием региональных и межрегиональных систем по производственно-территориальному признаку.

2. Совокупность теоретических и практических принципов и методов оценки состояния, защиты, восстановления и управления энергопотребляющих природно-технических систем в строительном комплексе и ЖКХ на основе повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в течение всего жизненного цикла таких систем.

3. Методологические и технологические принципы оценки экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений путем получения ретроспективных и прогнозных оценок предотвращения образования загрязняющих веществ от сжигания топлив на энергоисточниках с учетом местных условий (виды, качество и объемы потребления топлив, климат).

4. Алгоритм решения нестационарного уравнения теплового баланса, учитывающий долю нестационарных потерь в тепловом балансе, зависящих от постоянно меняющихся факторов окружающей среды и параметров технологического процесса, позволяющий определять минимальное приведенное сопротивление теплопередаче строительных оболочек теплопотребляющих агрегатов, устройств и сооружений, выше которого не требуется привлечение внешних дополнительных источников энергии вследствие более полного и эффективного использования внутренней энергии системы.

5. Оригинальные устройства, способы и технологии, минимизированные по потреблению энергоресурсов, обеспечивающие повышение экологической безопасности существующих и создаваемых технологий для тепловой обработки железобетонных изделий при установленном уровне качества бетона и для утилизации отходов птицеводства при выпуске сбалансированных органических удобрений.

Научная значимость работы. Новые методы мониторинга и диагностики энергопотребляющих природно-технических систем позволяют получать оценки их состояния, защиты, восстановления и управления, а также получать ретроспективные и прогнозные оценки экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений сообразно с эффективностью использования топливно-энергетических ресурсов в течение всего их жизненного цикла.

Получению более полных оценок экологической безопасности энергопотребляющих природно-технических систем способствуют типизация и новый понятийный аппарат, выделяющий такие системы из множества других систем с целью концентрации адресного воздействия и ликвидации ошибочных оценок возможности получения максимально полезных результатов за пределами их реальных границ.

Наличие объективного соподчинения энергопотребляющих природно-технических систем по принципу поглощения относительно простых и мелких более крупными и сложными с образованием на их основе региональных и межрегиональных систем позволяет относить к геоэкологии мониторинг и диагностику таких систем всех уровней с целью повышения эффективности природоохранной политики и механизмов ее реализации.

Практическая значимость работы:

1. Совокупность принципов, методов защиты и восстановления иерархически соподчиненных, энергопотребляющих природно-технических систем, направлена на минимизацию негативного техногенного воздействия энергоисточников на природную среду в течение всего их жизненного цикла за счет:

- повышения эффективности управления на основе организации взаимодействия производителя и потребителей энергоресурсов как взаимодополняющих компонентов процесса энергоснабжения-энергопотребления в составе синергетических систем, эффективное функционирование которых невозможно без взаимной координации и упорядоченности поведения подсистем, представленных производителями и потребителями энергоресурсов;

- формирования энергоэффективных основных фондов - от организации исследования факторов, раскрывающих причины негативного воздействия энергоисточников на природную среду, до проектирования, эксплуатации и утилизации энергоэкономичных объектов строительства и ЖКХ.

2. Внедрение пяти видов энергосберегающего оборудования и четырех технологий для тепловой обработки железобетона позволило снизить удельные расходы тепловой энергии в 1,23-2,0 раза по сравнению с нормами СН 513-79 при установленном уровне качества бетона.

3. Новизна устройств и способов подтверждена семью авторскими свидетельствами и патентами, отмечена серебряными медалями ВДНХ (1988 и 1989 гг.).

Применение этих технологий и оборудования для выпуска изделий в объемах программ 1990-1995 гг. позволит предотвращать образование загрязняющих веществ от сжигания топлив на электростанциях Приморского края ВТЭЦ-2 и АртемТЭЦ в среднем на 4,56-4,77 % (суммарно 31,8 тыс. т/год). Снижение себестоимости изделий оценивается на 3,2-7,8 %.

4. Системный подход к проектированию, строительству и эксплуатации комбинированного (тепловой насос + солнечная батарея + электрокотел) энергоисточника для многоквартирного жилого дома в г. Владивостоке позволил сохранить его теплопотребление на уровне, эквивалентном центральному теплоснабжению, при расширении функций жизнеобеспечения (отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование). Этот подход реализуется при проектировании индивидуальных энергоэффективных жилых домов, поселков и других объектов.

5. С использованием теоретических положений методологии на примере 2002 г. получены оценки снижения: тарифа на электроэнергию от электростанций - на 4,6-6,25 % и на теплоэнергию - на 2,7-24,1 %; себестоимости теплоэнергии от котельных ЖКХ - на 18,3-63,8 % и от ведомственных - на 1,23-34,25 %; себестоимости строительных материалов и изделий - на 1,38-43,4 %, продуктов питания - на 1,25-17,70 %, экспортных товаров - на 2,35-14,48 %.

Улучшение состояния социальной сферы оценено как снижение расхода бюджетных средств на субвенции предприятиям по оплате льготных тарифов и на дотации населению по оплате жилищно-коммунальных услуг, содержащих стоимость сверхнормативных потерь топливно-энергетических ресурсов.

6. Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических и лабораторных занятий для студентов всех форм обучения специальностей № 280201 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" и № 180103 "Судовые энергетические установки", в т. ч. по программе "Энергосбережение в строительстве" (лицензирована в 2002 г. администрацией Приморского края, а в 2004 г. Минобразования РФ).

7. Проектирование и эксплуатация строительных объектов на основе новых теоретических и практических принципов и методов позволит:

- планировать на основе метода цели в Программах развития и организовать на основе принципа доминанты энергосбережения в системном подходе получение максимально полезных результатов в развитии энергопотребляющих природно-технических систем всех уровней в течение их жизненного цикла;

- снизить потребление энергоресурсов при теплоснабжении энергоэкономичного жилого фонда Приморского края от энергоэффективных теплоисточников (метод цели) на 20-30 %, что в совокупности с применением энергоэффективных технологий и оборудования для тепловой обработки бетона позволит снизить потребление топлива более, чем на 577 тыс. тут в год и предотвратить образование загрязняющих веществ на 4,67-12,57 % (142,6 тыс. т);

- повысить эффективность защиты природной среды за счет предотвращения образования загрязняющих веществ от сжигания топлив на 22,8-47,7 % от уровня 2002 г. в региональной энергопотребляющей природно-технической системе вследствие применения метода действия для мониторинга и диагностики ее состояния и оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов;

- обеспечить развитие энергопотребляющих природно-технических систем каждого типа в их реальных границах производственно-территориальной иерархии при одновременном повышении качества жизни населения за счёт формирования энергоэффективных основных фондов (метод цели).

8. Использование предлагаемых принципов и методов при разработке программ защиты и восстановления энергопотребляющих природно-технических систем расширяет методические основы и повышает эффективность правоприменительной практики в сфере экологизации управления, как в процессе создания, так и в процессе эксплуатации этих систем, что способствует решению крупных народнохозяйственных задач:

- минимизация негативного техногенного воздействия энергоисточников на природную среду за счет предотвращения образования загрязняющих веществ от сжигания топлив средствами энергосбережения;

- повышение надежности и качества теплоснабжения при модернизации и ремонтно-эксплуатационном обслуживании систем ЖКХ;

- сохранение энергетической безопасности страны за счет рационального потребления энергоресурсов различного назначения в течение всего жизненного цикла энергопотребляющих природно-технических систем.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается: применением нормативно-методических документов Минпромэнерго РФ, зарегистрированных Минюстом РФ, при организации и проведении более 1100 энергетических обследований хозяйствующих субъектов Приморского края; оценками качества теплоснабжения в 1999-2003 гг. 40-70 % населения, отапливаемого централизованно; оценками потенциала энергосбережения на 100 % электростанций, электрических и тепловых сетей, жилого фонда и 63,6-69,5 % промышленных и иных потребителей; научным и практическим опытом разработки и эксплуатации энергосберегающих технологий и оборудования для тепловой обработки изделий из бетона и переработки отходов птицеводства.

Реализация основных результатов работы осуществлена в типовых проектах и применении энергосберегающих устройств, способов и технологий в Приморском крае: на предприятиях сборного бетона и железобетона (1986-1990 гг.); на птицефабрике "Надеждинская" (1993-1995 гг.); при проведении энерготехнологических обследований (1999-2003 гг.) и оценке кризиса в системе теплоснабжения; при выполнении государственного контракта Л 0088 "Создание Приморского инновационного центра энерго- и ресурсосбережения" по ФЦП "Интеграция высшего образования и фундаментальной науки" (2002-2004 гг.); при разработке программы развития коммунальных электрических сетей ОАО "Примкомэн" (2004 г.); в учебных процессах ВУЗов ДВ России (1999-2007 гг.) по специальностям № 280201 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" и № 180103 "Судовые энергетические установки" и для слушателей ИПК по программе "Энергосбережение в строительстве".

Апробация. Основные результаты работы обсуждены и одобрены: на Всесоюзной научно-технической конференции "Бетон и железобетон, ресурсо- и энергосберегающие конструкции и технологии на Дальнем Востоке" (Владивосток, 1988); на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири" (Новосибирск, 1990); на Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Владивосток, 1994); на Международной конференции "Нетрадиционная энергетика и технология" (Владивосток, 1995); на II Тихоокеанской экологической конференции "Инженерные решения экологических проблем прибрежных регионов" (Владивосток, 1995); на Международной конференции "Нетрадиционная энергетика" (Владивосток, 1996); на Международном симпозиуме "Сознание и наука: взгляд в будущее" (Владивосток, 2000); на V Международном инвестиционном Форуме "Дальневосточные энергетические проекты: проблемы межрегиональной кооперации. Приграничное сотрудничество как форма интеграции Дальнего Востока в регион СВА" (Хабаровск, 2003); на I Европейско-Тихоокеанском Конгрессе "Глобализация: взаимодействие экономик, культур, технологий и природы" (Владивосток, 2003 г.); на ежегодных конференциях энергетиков Приморского края (Владивосток, 1999-2004 гг.); на Тихоокеанском энергетическом Форуме "ТЭФ-2005" (Владивосток, 2005); на IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов" (Благовещенск, 2005), на II Международном экологическом Форуме "Природа без границ" (Владивосток, 2007).

Публикация работ. Содержание диссертации опубликовано в 98 печатных работах, в т. ч. в 79 статьях, из них 13 - в ведущих журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, 3 монографиях, рекомендациях ВНИИЖелезобетон, справочном и учебном пособиях, 10 авторских свидетельствах и патентах, 2 типовых проектах.

Структура и объём. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников и приложений. Диссертация содержит 319 страниц текста, включающего 58 рисунков, 63 таблицы, 206 наименований литературных источников и 12 приложений на 65 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризована актуальность и цель работы, новизна и значимость защищаемых положений и работы в целом, достоверность и обоснованность научных положений и выводов, приводятся сведения о реализации результатов работы, апробации и публикации, структура работы.

В первой главе дано определения энергопотребляющим природно-техническим системам и обоснована принадлежность изучения их к геоэкологии.

Для этого использованы фундаментальные положения В.В. Куриленко, В.И. Осипова и В.Т. Трофимова относительно принадлежности изучения изменений в системе "природа - человек - общество" к сфере интересов междисциплинарной науки - геоэкологии, в т. ч. за счет использования в оценках гармоничного развития общества и природы таких технических критериев, как нормирование потребления ресурсов и снижение удельного ресурсопотребления.

По нашим данным, рост удельных расходов топливно-энергетических ресурсов, обусловленный отсутствием жесткого нормирования их потребления, сопровождается увеличением технологической энергоемкости выпускаемых товаров (услуг) и снижением эксплуатационной энергоэкономичности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений, для компенсации которых расходуются сверхнормативные объемы топлив с образованием соответствующих количеств загрязняющих веществ.

По данным В.И. Осипова, привлечение технических критериев к защите и восстановлению природно-технических систем расширяет сферу интересов геоэкологии, которая в пределе должна "…объединить все науки о Земле с целью комплексного решения экологических проблем, связанных с эволюцией и ресурсами геосферных оболочек, и влиянием на них антропогенной деятельности".

Показано, что В.И. Осипов и В.Т. Трофимов сходятся во мнениях относительно необходимости выработки и обоснования принципов и механизмов природоохранной политики, имеющих целью уменьшение или ликвидацию негативных антропогенных воздействий на экологические функции геосфер Земли, рациональное использование природных ресурсов.

На основе этих фундаментальных положений и с учетом того, что энергопотребляющие природно-технические системы подвержены воздействию множества факторов, от которых зависит нормирование удельного потребления топливно-энергетических ресурсов, позволяющее привлечь дополнительные средства к защите природной среды от загрязняющих веществ, получаемых при сжигании топлив, приводятся доказательства принадлежности изучения энергопотребляющих природно-технических систем к геоэкологии.

На основе анализа роста потенциала энергосбережения на 16,73 % в Приморском крае в 1999-2003 гг. (см. рис. 1), роста среднедушевого энергопотребления и потенциал энергосбережения в регионах ДВФО и Приморском крае с 2,9 до 6,56 тут/чел, состоящего на 21,9-28,9 % из потерь и нерационально использованных ТЭР, роста образования загрязняющих веществ на энергоисточниках в 1,44-1,9 раза по отношению к уровню 1999 г. (см. рис. 2), снижения экономических и социальных показателей (см. рис. 3) сделан вывод о неадекватности роста среднедушевого энергопотребления динамике качества жизни.

Рис. 1. Среднедушевое энергопотребление

Рис. 2. Образование загрязняющих веществ из-за нереализованного потенциала энергосбережения Приморского края

С учётом мирового опыта выдвинута рабочая гипотеза об использовании средств энергосбережения для защиты и восстановления энергопотребляющих природно-технических систем за счёт предотвращения образования загрязняющих веществ от сжигания топлив на энергоисточниках, а также за счет получения полезных результатов в экономической и социальной сферах.

Рис. 3. Среднедушевые денежные доходы населения и тарифы на жилищно-коммунальные услуги в Приморском крае в реальных ценах

Для решения задач диссертации и проверки этой гипотезы в качестве объектов исследования были выбраны:

- программа стабилизации социально-экономического положения в Приморском крае на 1999-2003 гг.;

- энергопотребляющие природно-технические системы Приморского края; природная техническая энергетический защита

- оборудование и технологии для тепловой обработки бетона.

В качестве предметов исследования служили:

- состояние и эффективность потребления топливно-энергетических ресурсов в региональной энергопотребляющей природно-технической системе;

- возможности и средства повышения экологической безопасности существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений за счет повышения эффективности и рационального использования топливно-энергетических ресурсов;

- стационарные и нестационарные топливно-энергетические балансы оборудования и технологий для тепловой обработки изделий из бетона и железобетона.

Для проведения исследований использованы методы: энергетического обследования; прикладные методы негэнтропийного анализа; ретроспективной пропорции (авторский); топливной составляющей; теплопередачи, тепло- и массообмена; суперпозиции при теплообмене и экзотермии цемента; экспериментального исследования тепловых процессов в образцах, на опытно-промышленных установках и на технологических линиях по производству изделий из железобетона; экспериментального исследования тепловых процессов при переработке отходов птицеводства электрометодами.

Во второй главе путем анализа Программы "Стабилизация социально-эконо-мического положения в Приморском крае на 1999-2003 гг." установлено, что за счёт энергосбережения представляется возможным достичь целей по 15 из 21 стратегии, в то время как её авторами запланированы только пять стратегий.

Показано, что достижение целей возможно в секторах реальной экономики и социальной сферы за счет реализации известных и некоторых новых (авторских) энергосберегающих предложений, непосредственно приводящих к положительным результатам. Опосредованное влияние энергосбережения не анализировалось.

По опубликованным данным, энергоисточники Приморского края в 1999-2003 гг. выбрасывали в атмосферу суммарно до 72,25-80,2 % твёрдых, газообразных и жидких загрязняющих веществ из общего количества выбросов стационарными источниками. В их числе загрязняющие вещества, полученные при сжигании топлив для компенсации сверхнормативных потерь ТЭР в 2002 г. (2,82 млн. тут), составляли более 47 % из общего количества выбросов энергоисточниками.

В городах Приморского края с "высоким" индексом загрязнения атмосферы (ИЗА 7) в 2002 г. проживали 1202,6 тыс. чел., а Уссурийск был включён в список 34 городов России с "очень высоким" загрязнением атмосферы (ИЗА 14). В 2003 г. (потенциал энергосбережения 3,32 млн. тут) в этот список кроме Уссурийска (ИЗА = 18,6) был включен Владивосток (ИЗА = 14,6), а в число городов с "высоким" загрязнением - Партизанск (ИЗА = 11,3).

В других регионах ДВФО при росте потенциала энергосбережения в 1995-2003 гг. от 2,75 до 6,2 млн. тут (в 2,25 раза) среднедушевое энергопотребление возросло от 6,04 до 7,76 тут/чел (в 1,27 раза) и состояло на 8,5-24,7 % из среднедушевых потерь ТЭР (см. рис. 1). В условиях "высокого" загрязнения атмосферы (ИЗА 7) в 2002 г. в ДВФО проживали 3142,1 тыс. чел. или около 44 % населения.

Стоимость потерь ТЭР в Приморском крае оценивалась в 1999-2003 гг. от 3,6 до 4,76 млрд. руб. (18-23 % от бюджета 2004 г.). Внесение этих расходов в себестоимость услуг по энергоснабжению сопровождалось ростом тарифов более интенсивным, чем рост среднедушевых доходов населения (см. рис. 3).

Эти факторы в сочетании падением занятости населения снижают привлекательность Приморского края населения снижается: более 60 % выбывающих - трудоспособные, треть - дети и около 2 % - старше трудоспособного возраста.

Полученные нами данные подтверждают вывод Института энергетической стратегии Минэнерго РФ об утрате энергетическим сектором доминирующих функций устойчивого развития в координатах "экономика - энергетика - экология". Результаты наших исследований свидетельствуют о том, что снижение показателей качества жизни согласуется со снижением эффективности потребления ТЭР, то есть с ростом потенциала энергосбережения.

Следовательно, повышая эффективность потребления ТЭР, можно ожидать роста качества жизни в экологической, экономической и социальной сферах.

Методом ретроспективной пропорции (см. стр. 24) с использованием структуры потенциала энергосбережения 2002 г. в объёме 2,82 млн. тут (см. рис. 4) установлено, что за счет реализации энергосберегающих мероприятий по некоторым наиболее крупным направлениям можно предотвратить образование основных загрязняющих веществ в Приморском крае на 22,8-47,7 % за счёт снижения удельного энергопотребления до нормативных уровней.

Рис. 4. Структура потенциала энергосбережения Приморского края в 2002 г.

В частности, были оценены перспективы защиты природной среды в Приморском крае за счет: утилизации теплоты стоков электростанций; плазменного сжигания угля вместо использования мазута "для подсветки факела"; когенерации электроэнергии в 77 котельных с котлами мощностью более 5,8 МВт; повышения качества автомагистралей за счет изготовления высокопрочной бетонной плиты на местных материалах с утилизацией золы-унос электростанций, экономии цемента и снижения выбросов от автотранспорта и асфальтобетонных заводов; утилизации горючих газов закрытых угольных шахт; ликвидации складирования опасных отходов птицеводства (куриного помета) за счет сушки и обеззараживания электрометодами при когенерации электроэнергии в котельных и др. - всего 19 проектов.

Кроме предотвращения образования загрязняющих веществ от сжигания топлив на энергоисточниках за счёт реализации потенциала энергосбережения 2002 г. (2,82 млн. тут) получены оценки возможного снижения:

- тарифа на электроэнергию от электростанций на 4,6-6,25 %;

- себестоимости тепловой энергии от электростанций на 2,7-24,1 %;

- себестоимости тепловой энергии от котельных ЖКХ на 18,6-63,8 %;

- себестоимости некоторых основных видов местных товаров и услуг: строительных материалов и изделий (цемент, керамзит, известь, железобетон, шифер) - на 1,38-43,4 %; продуктов питания (хлеб, сахар, пиво, квас, дрожжи, плодоовощные консервы) - на 1,25-17,70 %; экспортных товаров (клинкер, флюорит, борат кальция, борная и серная кислота) - на 2,35-14,48 %; теплоснабжения от ведомственных котельных - на 1,23-34,25 %.

Возможности решения социальных проблем оценивались по снижению расходов краевого и местных бюджетов на компенсацию стоимости сверхнормативных потерь ТЭР, в т. ч. включаемых в энерготарифы.

В частности, субвенции ОАО "Дальэнерго" в счет электропотребления тремя филиалами (из 28) КГУП "Примтеплоэнерго" по льготному (0,0002 руб/кВт*ч) тарифу в 2002 г. при действующем тарифе 1,56 руб/кВт*ч оценивались в 55,88 млн. бюджетных средств. При этом стоимость потерь и нерационально использованных ТЭР в этих филиалах оценивалась в 272 млн. руб.

Применение комбинированных электроисточников (ветровая + дизельная электростанции) в труднодоступных районах Приморского края позволит снизить себестоимость электроэнергии от 3,29-21,55 руб/кВт*ч (2002 г.) до 1,26-1,8 руб/кВт*ч, что приведет к снижению в 3,6-9,0 раз расходы бюджетов на компенсацию населению разницы в тарифах (на 5,66-139,7 млн. руб./год).

Проведенный анализ показал, что реализация потенциала энергосбережения 2002 г. (2,82 млн. тут) приведет к экономии до 19,5 % средств бюджета (к уровню 2004 г.), которые можно направить на финансирование социальной сферы.

Получение полезных результатов средствами энергосбережения одновременно в природоохранной, экономической и социальной сферах региональной Программы свидетельствует о центральном доминировании энергосбережения в системном подходе к защите и восстановлению энергопотребляющих природно-технических систем в строительном комплексе и ЖКХ. В дальнейшем это положение использовано нами в качестве одного из принципов методологии для организации непрерывного мониторинга, диагностики, управления и модернизации энергопотребляющих природно-технических систем.

Положительные результаты, одновременно получаемые в природоохранной экономической и социальной сферах, предложено считать максимально полезными. Представляется, что такие результаты соответствуют трехмерной модели гармоничного развития общества и природы.

По результатам анализа структуры потенциала энергосбережения Приморского края (см. рис. 4) сформулирован также принцип дифференцированной ответственности каждого субъекта энергопотребляющих природно-технических систем за образование загрязняющих веществ при сжигании топлив на энергоисточниках пропорционально потенциалам энергосбережения в субъектных технологиях.

Так, доля электростанций и тепловых сетей ОАО "Дальэнерго" в потенциале энергосбережения 2002 г. составляла 51,9 % (см. рис. 4). Остальные потери были сформированы в других подсистемах региональной энергопотребляющей природно-технической системы. Эти потери были компенсированы сжиганием топлива на энергоисточниках, связанных с потребителями договорными обязательствами по энергоснабжению. Во всех этих случаях дополнительное сжигание топлив сопровождалось образованием загрязняющих веществ в объемах, больших, чем должно быть при нормативном потреблении топливно-энергетических ресурсов.

Поэтому для получения максимально полезных результатов в защите природной среды необходимо воздействовать не только на энергоисточники, стимулируя их на повышение качества топлив, модернизацию оборудования и режимов горения, повышение эффективности улавливания загрязняющих веществ. Необходимо воздействовать и на те хозяйствующие субъекты, которые, не имея топливосжигающих технологий, вынуждают энергоисточники на дополнительное сжигание топлива для компенсации потерь и нерационально используемых ТЭР в субъектных технологиях в течение всего жизненного цикла - от проектирования до строительства, эксплуатации и утилизации.

В качестве административной меры это воздействие может быть выражено ответственностью проектировщиков, строителей и ремонтно-эксплуатационных служб потребителей (хозяйствующих субъектов) за образование загрязняющих веществ пропорционально субъектным потенциалам энергосбережения.

Таким образом, принцип дифференцированной ответственности расширяет методические основы и повышает эффективность правоприменительной практики в сфере экологизации управления по ИСО 14000 тем, что реализует возможность учитывать системное влияние всех и каждого энергопотребляющего субъекта на экологическую безопасность существующих и создаваемых технологий, конструкций и сооружений.

В третьей главе на основе принципа доминанты энергосбережения в системном подходе исследованы техногенные и антропогенные факторы развития кризиса в региональной энергопотребляющей природно-технической системе теплоснабжения Приморского края. Схема развития кризиса представлена на рис. 5.

В ходе анализа установлено, что основной причиной усиления негативного техногенного воздействия энергоисточников на экологические функции геосфер (см. рис. 2) являются многочисленные разноуровневые антропогенные факторы, которые можно сгруппировать следующим образом:

- неконкретная формулировка общественно полезных целей при техническом обслуживании и ремонте объектов и подсистем региональной энергопотребляющей природно-технической системы;

- отсутствие мониторинга и диагностики энергопотребляющих природно-технических систем всех уровней;

- неэффективное взаимодействие между производителями и потребителями энергоресурсов на производственном, муниципальном и региональном уровнях.

Воздействие этих факторов концентрируется в виде отчетно-статистического метода нормирования удельных расходов ТЭР, предусматривающего включение сверхнормативных потерь и нерационально используемых ТЭР в удельные расходы энергоресурсов, рис. 6.

Рис. 5. Схема причинно-следственных связей развития кризиса в энергопотребляющей природно-технической системе теплоснабжения Приморского края Выделены элементы действующей учётной политики, формирующие отчетно-статистический метод нормирования удельных расходов топливно-энергетических ресурсов

Рис. 6. Схема негативного воздействия антропо-техногенных факторов на экологические функции геосфер Земли

В результате этого:

- энергосберегающие решения реализуются фрагментарно - на отдельных видах оборудования - и нацелены на получение краткосрочных, часто не имеющих количественных оценок и потому не учитываемых, эффектов;

- потребителям выставляются счета для оплаты теплоэнергии, не потребленной ими, по тарифам, содержащим стоимость сверхнормативных потерь.

В результате этих противоречий создаётся затруднительное положение, приводящее к ухудшению состояния природной среды, расстройству экономики и социальной сферы, то есть - к кризису.

Единообразие принципов и методов организации работы в системах теплоснабжения, электроснабжения и потребления ТЭР позволяет распространить этот вывод на все энергопотребляющие природно-технические системы. Этот вывод подтвержден энергетическими обследованиями множества промышленных и приравненных к ним предприятий Приморского края, а также потребителей ТЭР, относящихся к жилому фонду и к бюджетной сфере (всего более 1100).

Основной вывод из проведенных исследований состоит в том, что возникновению и развитию кризиса способствуют антропогенные факторы, основными из которых являются:

- несовершенство взаимодействия между производителями и потребителями энергоресурсов, являющимися основными подсистемами синергетической системы, реализующей процесс энергоснабжения-энергопотребления, эффективность которого зависит от взаимной координации и упорядоченности поведения этих подсистем;

- отчётно-статистический метод нормирования удельных расходов ТЭР, основанный на бухгалтерской отчётности и не предусматривающий объективную оценку эффективности потребления энергоресурсов вследствие внесения сверхнормативных потерь в нормы удельного энергопотребления.

В четвёртой главе предложена типизация разноуровневых энергопотребляющих природно-технических систем, разработанная по результатам выполненных исследований.

Установлено иерархическое соподчинение соответствующих типов таких систем по производственно-территориальному признаку на принципе поглощения относительно простых и мелких систем более крупными и сложными с образованием на их основе региональных и межрегиональных систем, рис. 7.

Рис. 7. Производственно-территориальная иерархия энергопотребляющих природно-технических систем Выделены предложения автора диссертации.

К системам элементарного технического и потребительского уровней предложено относить гражданские здания, машины и оборудование, потребляющие электрическую, тепловую энергию и (или) воду. Они могут иметь энергоисточники, где потребление топлива приводит к образованию загрязняющих веществ.

Производственно-технологический уровень формируют предприятия, имеющие в своём составе топливо- и энергопотребляющее оборудование, технологические процессы, вспомогательные производства и службы.

Коммунальный уровень представлен централизованными и дробно-функциональными системами энергоснабжения гражданских зданий.

Производственно-технологические и коммунальные ЭПТС формируют селитебно-территориальный уровень в границах поселковой и городской агломерации.

Региональный уровень представлен совокупностью систем селитебно-территориального и агломерационно-городского уровней.

Межрегиональный уровень имеет место при электроснабжении от межрегиональной или от общероссийской энергосистемы.

Все энергопотребляющие природно-технические системы являются системами техногенными по определению. Системы низших иерархических уровней (до агломерационно-городского включительно) могут входить в состав соответствующих территориально-производственных комплексов (ТПК) - горно-химического, горно-металлургического, лесохимического и др.

Согласно определению, ТПК включают в себя предприятия и учреждения, связанные между собой и с производственной инфраструктурой (здания, сооружения, транспортные системы, необходимые для производства) совместным использованием территорий, природных и трудовых ресурсов.

Следовательно, с позиций потребления ТЭР (одна из групп природных ресурсов) каждый ТПК можно рассматривать как совокупность энергопотребляющих природно-технических систем различного уровня.

Региональные ТЭК и ЖКХ также сформированы энергопотребляющими природно-техническими системами более низких уровней - электростанциями, котельными, распределительными сетями, потребителями.

При этом энергопотребляющие природно-технические системы высших иерархических уровней (регионального, межрегионального) поглощают и ТЭК, и ТПК, и прочие системы, представленные отдельными поселениями, предприятиями, жилыми и общественными зданиями и т. д.

По Н.Ф. Реймерсу (1990), исследование экосистем (геосистем) высоких иерархических уровней (включая ТПК и системы расселения) входит в сферу специального раздела экологии - геоэкологию.

По В.В. Куриленко (2004), В.Т. Трофимову (2006) и др. геоэкология - это междисциплинарная наука, исследующая закономерности формирования экологических функций геосферных оболочек Земли под влиянием природных и природно-техногенных процессов в связи с жизнедеятельностью человека и существования биоты, а также ориентированная на обоснование социально-экономических и нормативно-правовых механизмов рационального природопользования.

Такое определение предусматривает не только выявление фактов, мониторинг и динамику закономерностей образования загрязняющих веществ от сжигания топлив. Оно ориентирует науку на разработку и применение практических мер по улучшению ситуации. В частности, на рациональное снижение объемов изъятия ресурсов (ресурсная функция литосферы), на предотвращение негативного техногенного изменения геохимической и геофизической экологических функций атмо-, гидро- и педосферы, от которых зависят условия жизни и деятельности человека.

В связи с наличием объективного соподчинения энергопотребляющих природно-технических систем с переходом мелких и относительно простых систем в состав более крупных и сложных представляется необходимым при анализе изменения экологических функций геосфер, разработке природоохранной политики и эффективных механизмов ее реализации относить мониторинг и диагностику энергопотребляющих природно-технических систем всех уровней к геоэкологии.

Кроме того, иерархическая соподчиненность типизированных энергопотребляющих природно-технических систем показывает, что модернизация отдельных подсистем регионального ТЭК или ЖКХ не может привести к максимально полезным результатам, если не предусматривать повышение эффективности использования ТЭР у всех подсистем, поглощенных системами ТЭК и ЖКХ или подключенных к ним.

Этот вывод основан на том, что применительно к 2002 г. в составе регионального потенциала энергосбережения (2,82 млн. тут) только 1,46 млн. тут (51,9 %) принадлежали электростанциям и магистральным тепловым сетям. Остальные 1,36 млн. тут (48,1 %) принадлежали подключенным к ним объектам, не относящимся к этим системам по определению (см. рис. 4).

В 2003 г. (3,32 млн. тут) это соотношение было представлено как 2,033 млн. тут (61,23 %) и 1,287 млн. тут (38,77 %).

Поэтому ТЭК и ЖКХ следует относить к системам производственно-технологического уровня иерархической модели. Прогнозы достигаемых целей должны относиться в основном к их собственным технологиям и характеризоваться ограниченным влиянием на достижение экологического, экономического и социального качеств развития региона.

Таким образом, типизация энергопотребляющих природно-технических систем открывает возможность устанавливать их границы и реально оценивать получение полезных результатов, свойственных каждому иерархическому уровню.

В пятой главе изложена совокупность принципов и методов организации теоретической и практической деятельности (методология) по защите и восстановлению энергопотребляющих природно-технических систем в строительном комплексе и ЖКХ, разработанная на основе принципов, сформулированных в гл. 2.:

- центрального доминирования энергосбережения в системном подходе к защите и восстановлению энергопотребляющих природно-технических систем;

- дифференцированной ответственности субъектов энергопотребляющих природно-технических систем за образование загрязняющих веществ от сжигания топлив на энергоисточниках пропорционально субъектным потенциалам энергосбережения.

...