Моніторинг ефективності енерговикористання в системах комунального водопостачання підприємств водопровідно-каналізаційного господарства

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний університет»

Спеціальність 05.14.01 - «Енергетичні системи та комплекси»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моніторинг ефективності енерговикористання в системах комунального водопостачання підприємств водопровідно-каналізаційного господарства

Давиденко Володимир Анатолійович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропостачання Луцького національного технічного університету та на кафедрі автоматизації управління електротехнічними комплексами Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Розен Віктор Петрович,

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, завідувач кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Кузьмук Валерій Валентинович

Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є Пухова Національної академії наук України, завідувач відділу гібридного моделювання відділення гібридних моделюючих та керуючих систем в енергетиці, м. Київ

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник,

Калінчик Василь Прокопович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», директор НДІ автоматики та енергетики “Енергія”, м. Київ

Захист відбудеться « 11 » жовтня 2011 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.002.20 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою:

03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. 22, ауд. 316.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою:

03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розіслано « 02 » вересня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук, доцент А.М. Ковальчук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Енергоємність сучасної економіки значно перевищує рівень, досягнутий в індустріально-розвинених країнах. В останні роки питання раціонального енерговикористання, підвищення енергоефективності, реалізації політики енергозбереження в Україні набули особливої актуальності. Вчені та фахівці різних галузей обговорюють аспекти проблеми ефективного використання енергоресурсів. Пропонується велика кількість технічних рішень, законодавчих ініціатив, економічних перетворень. Проте, питання вдосконалення управління енергозбереженням та підвищення рівня ефективності енергоспоживання не втрачають своєї актуальності, вимагають методичних розробок, які б забезпечили можливість виявлення причин нераціональних витрат енергоресурсів та резервів переходу до ефективного енерговикористання.

Значну частку в структурі собівартості будь-якої продукції займають витрати на енергоресурси, тому підвищення ефективності їх використання є одним з вагомих чинників підвищення ефективності функціонування підприємства: сприяє зниженню собівартості продукції та збільшенню прибутковості.

Підприємства водопровідно-каналізаційного господарства (ПВКГ) з властивим для них високим рівнем електроспоживання (як через зношеність технологічного обладнання, так і через недосконалість організації процесу водопостачання та режиму електроспоживання) в умовах зростаючих тарифів на електроенергію, вартість якої є складовою собівартості води, та обмеження тарифів на послуги з водопостачання знаходяться у вкрай критичному стані. Тому, зменшення нераціональних витрат електроенергії є однією з першочергових задач.

Крім того, в умовах, коли перед людством гостро постала проблема питної води, окремої уваги потребує питання її раціонального використання, в тому числі, як енергоресурсу, необхідного для реалізації процесу водопостачання.

Прийняття відповідних рішень щодо раціонального енерговикористання з метою підвищення ефективності функціонування ПВКГ вимагає всебічного моніторингу водогосподарства для отримання інформації про стан об'єктів водопостачання, прогнозування та контролювання його зміни з метою виявлення нераціональних витрат електроенергії та води та причин, що їх зумовлюють.

Зв'язок роботи з науковими програмами та планами. Виконані в роботі дослідження відповідають напрямку «Енергетика та енергоефективність» Закону України № 2519-VІ від 09.09.2010р. «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки», стратегічним пріоритетним напрямам інноваційної діяльності в Україні на 2003-2013 роки «Новітні ресурсозберігаючі технології» Закону України від 16.01.2003р. № 433-IV "Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні", направленості тематики НДР кафедри АУЕК НТУУ «КПІ» та кафедри електропостачання ЛНТУ.

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення рівня енергоефективності водогосподарства як складної енерготехнологічної системи за рахунок розроблення та удосконалення методів оцінювання і контролювання рівня ефективності енергоспоживання на об'єктах водопостачання, спрямованого на виявлення причин нераціональних витрат енергоресурсів.

Для досягнення мети в роботі розв'язуються такі задачі дослідження:

- аналізування існуючих методів оцінювання ефективності енерговикористання та виявлення можливості їх застосування для визначення рівня енергоефективності підприємства водопровідно-каналізаційного господарства;

- формування сукупності показників та характеристик енергоефективності, придатної для опису ефективності енерговикористання та ефективності функціонування водогосподарства як складної енерготехнологічної системи;

- оцінювання рівня енергоефективності на об'єктах водопостачання з урахуванням їх умов вихідного стану та особливостей організації технологічного процесу та виявлення причин нераціональних витрат енергоресурсів;

- вибір інформативних показників енергоефективності та побудова на їх основі прогнозної математичної моделі електроспоживання;

- виконання поточного контролювання рівня ефективності електроспоживання на об'єктах водопостачання для виявлення негативних тенденцій. енерговикористання водопостачання каналізаційний

Об'єктом дослідження є стан енерговикористання на об'єктах системи комунального водопостачання (СКВ).

Предметом дослідження є ефективність енерговикористання на об'єктах водопостачання підприємств водопровідно-каналізаційного господарства.

Методи дослідження. Науково-методичну основу виконаних досліджень складають: методи порівняльного багатомірного аналізу та вербального аналізування - для розроблення методів оцінювання рівня енергоефективності об'єктів водопостачання; метод стратифікації кортежів - для агрегування оцінок базових характеристик енергоефективності в оцінки складових критеріїв вищих рівнів; методи математичної статистики: експертні методи оцінювання - для визначення показників ефективності енерговикористання, що впливають на електроспоживання СКВ; методи факторного та регресійного аналізу - для побудови прогнозної моделі електроспоживання; метод контрольних карт - для реалізації алгоритму поточного контролювання ефективності електроспоживання.

Наукова новизна отриманих результатів у порівнянні з існуючими роботами за даною проблемою визначаються наступним:

1. Запропоновано спосіб опису ефективності енерговикористання на підприємстві водопровідно-каналізаційного господарства як складної енерготехнологічної системи, особливістю якого є врахування кількісних показників та якісних характеристик, що мають вербальні оцінки, які відображають енергетичну ефективність вихідного стану і технологічну ефективність функціонування системи комунального водопостачання та її структурних елементів, сукупність яких, сформована з урахуванням ієрархічного рівня об'єкту дослідження, є основою для енергетичного моніторингу процесу водопостачання та режиму електроспоживання об'єктів водогосподарства.

2. Розроблено новий метод оцінювання рівня енергоефективності об'єктів водопостачання, який передбачає процедуру їх ранжування на основі таксономічного показника енергоефективності, а також якісного оцінювання, яке базується на агрегуванні вербальних оцінок базових характеристик енергоефективності в оцінки складових критеріїв вищих рівнів та забезпечує врахування умов функціонування, що дозволяє виконати порівняння об'єктів з точки зору енергоефективності та виявити причини нераціональних витрат енергоресурсів і резерви підвищення ефективності енерговикористання.

3. Запропоновано новий метод відбору інформативних показників енергоефективності для побудови прогнозної моделі електроспоживання, що враховує їх латентні зв'язки, який спирається на стратифікацію показників за характером їх впливу на досліджуваний процес з агрегуванням вербальних оцінок за відбірковими характеристиками, які, крім ступеню впливу показника на електроспоживання, враховують можливість його вимірювання та характер змінності.

4. Вдосконалено метод поточного контролювання ефективності електроспоживання на об'єктах системи комунального водопостачання як складової енергетичного моніторингу, який базується на використанні визначених за допомогою контрольних карт Шухарта діапазонів енергоефективності та, на відміну від нормативного підходу, дозволяє якісно охарактеризувати ефективність режиму електроспоживання та забезпечує порівняльну характеристику об'єктів водопостачання, об'єднаних одним ієрархічним рівнем, відносно кращого з них.

Практичне значення результатів роботи полягає в наступному:

- застосування розробленого методу оцінювання рівня енергоефективності об'єктів водопостачання дає змогу виконати їх рейтингувння, а також визначити ефективність організації процесу водопостачання та режиму електроспоживання, виявити причини нераціональних витрат енергоресурсів в СКВ, що спрощує процедуру прийняття рішення щодо першочерговості заходів спрямованих на підвищення ефективності функціонування ПВКГ;

- використання запропонованого методу відбору інформативних показників енергоефективності забезпечує їх групування не лише за рівнем впливу на досліджуваний процес, а й дозволяє врахувати можливість вимірювання певного показника, характер його зміни, а також обґрунтувати необхідність врахування даного показника під час побудови моделі електроспоживання;

- побудована прогнозна модель електроспоживання системи водопостачання забезпечує можливість аналізування впливу зміни показників енергоефективності на величину електроспоживання, що є зручним під час планування заходів щодо підвищення рівня ефективності енерговикористання;

- розроблений метод контролювання ефективності електроспоживання в СКВ передбачає можливість використання для порівняння значень показників енергоефективності кращих об'єктів, що в умовах відсутності обгрунтованих норм електроспоживання для ПВКГ та не завжди наявної можливості співставлення власних показників з показниками інших підприємств дозволяє якісно охарактеризувати рівень ефективності споживання електроенергії.

Результати досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, мають практичну цінність для фахівців з питань ефективного енерговикористання, енергоаудиторських та енергосервісних компаній, а також енергетиків ПВКГ.

Реалізацію результатів роботи здійснено на підприємстві водопровідно-каналізаційного господарства КП «Луцькводоканал» як складової загальної системи енергоменеджменту для виявлення та попередження причин нераціонального енерговикористання на основі моніторингу ефективності процесу водопостачання та режиму електроспоживання на об'єктах водогосподарства.

Результати дисертаційної роботи використано під час розроблення «Методики оцінювання рівня ефективності енерговикористання на об'єктах підприємства комунального водопостачання та водовідведення» (Свідоцтво про реєстрацію авторського права на технічний твір № 37831 від 8.04.2011).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримано автором самостійно на основі вивчення, аналізування та узагальнення теоретичного, а також практичного матеріалу.

В роботах написаних та опублікованих в співавторстві, автору належать такі результати: ранжування основних показників та відбір тих з них, що мають істотний вплив на рівень електроспоживання СКВ [4]; побудова на основі інформативних показників енергоефективності причинно-наслідкової моделі електроспоживання Дубнівського водозабору КП «Луцькводоканал [5]; характеристика СКВВ як складної розгалуженої ієрархічної системи, яка представляє собою сукупність структурних елементів, що здійснюють забір, розподіл і відведення води та містять ряд складних виробничих об'єктів, які тісно взаємозв'язані і функціонують синхронно [6, 17]; формування системи характеристик ефективності процесу водопостачання та опис показників ефективності енерговикористання в СКВ, які утворюють вихідне інформаційне поле для розв'язку задачі оцінювання рівня енергоефективності водогосподарства [7, 9]; формування комплексної структурованої моделі рівня ефективності енерговикористання для СКВ [8].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати дисертації доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку на 11 наукових конференціях і семінарах: трьох міжнародних науково-практичних конференціях «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України», Харків-2008, 2009, 2010; двох міжнародних науково-технічних конференціях «Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах», Луцьк-2008, 2010; міжнародній науково-практичній конференції «Наука та практика-2008», Полтава-2008; міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми ресурсозбереження в електротехнічних системах. Наука, освіта та практика», Кременчук-2010; науковому семінарі «Проблеми і перспективи енергозбереження комунального господарства та промислових підприємств», Луцьк-2009; щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу ЛНТУ «Актуальні проблеми та перспективи науки і виробництва», Луцьк-2007, 2008, 2009, 2010.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 статей, з яких 8 - в спеціалізованих наукових виданнях ВАК України, 1 - свідоцтво про реєстрацію авторського права на технічний твір, 8 - в наукових та інших виданнях.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних літературних джерел із 172 найменувань та додатків. Основний зміст викладено на 150 сторінках, які містять 25 таблиць, 42 рисунки (з них 5 таблиць та 4 рисунки займають окрему сторінку). Загальний об'єм роботи 190 сторінок.

Структура та зміст дисертації

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зазначено зв'язок з науковими програмами та темами. Визначено мету та основні задачі дослідження. Наведено характеристику наукової новизни і практичного значення отриманих результатів, апробацію роботи та публікації.

У першому розділі виконано аналізування ефективності енерговикористання як засобу підвищення ефективності функціонування ПВКГ, яке є підсистемою ЖКГ та потребує вдосконалення його роботи з одночасним підвищенням якості обслуговування населення в умовах зростаючих цін на електроенергію. Проведено аналіз енергоспоживання в СКВ та причин його високого рівня на ПВКГ України, зокрема, КП «Луцькводоканал», які визначаються не лише вихідними умовами функціонування та критичним станом технологічного обладнання, а й недосконалістю організації режиму електроспоживання та технологічного процесу водопостачання, навіть за умови проведення його модернізації.

На основі аналізування існуючих підходів до оцінювання рівня енерго-ефективності виявлено причини, які ускладнюють можливість їх застосування для визначення ефективності енерговикористання на об'єктах водогосподарств міст. Зазначено, що аналізування енергоефективності ПВКГ повинне базуватись на врахуванні всіх взаємозв'язків СКВ як складної виробничої системи і всебічному оцінюванні ефективності функціонування з урахуванням особливостей організації технологічного процесу на основі енергетичного моніторингу шляхом реалізації функцій спостереження та оцінювання стану виробничої системи, прогнозування та контролювання з метою попередження негативних змін.

У другому розділі сформовано сукупність показників енергоефективності для енергетичного моніторингу водогосподарства, яка передбачає врахування показників, що характеризують процес електроспоживання та водопостачання (величина спожитої електроенергії, об'єми піднятої та поданої в мережу води, тиск в трубопроводі, втрати води в мережі, витрати на власні потреби тощо), та коефіцієнтів, які розроблено для кількісного опису ефективності вихідного стану, організації технологічного процесу та режиму електроспоживання СКВ:

- коефіцієнт використання природного ресурсу:

,(1)

де , - об'єм води, вилученої з вододжерел та реалізованої споживачам;

- коефіцієнт витрат води на власні потреби:

; (2)

- коефіцієнт втрат води:

, (3)

де - об'єм води, поданої в мережу насосними станціями ІІ-го підйому;

- об'єм втрат води в мережі;

- коефіцієнт ефективності використання продуктивності для характеристики завантаження насосного обладнання:

,(4)

де - фактична продуктивність (подача) насосної станції (НС), м3; - номінальна продуктивність і-го насосу, м3/год.; - фактичний час роботи і-го насоса, год; п - кількість працюючих насосів на НС;

- коефіцієнту ефективності використання потужності насосного агрегату:

, (5)

де - номінальна потужність двигуна приводу насосного агрегату;

- коефіцієнту ефективності використання потужності обладнання НС:

, (6)

- фактичне питоме використання електричної енергії НА:

,(6)

- фактичне питоме електроспоживання на насосній станції (НС):

. (7)

Ефективність - сукупність властивостей системи з точки зору її функціонування. Узагальненим показником результативності системи є рівень енергоефективності, який є функцією всього можливого набору показників, що описують енерговикористання в СКВ. Оцінювання кожного показника є складним. Для спрощення розв'язку задачі сформовано комплексну модель оцінювання рівня енергоефективності СКВ, яка є сукупністю певних підзадач:

, (8)

де j - кількість факторів, що впливають на енерговикористання; m - кількість ієрархічних рівнів.

Для порівняння об'єктів СКВ за ефективністю енерговикористання використано таксономічний показник енергоефективності, який визначений на основі відстаней об'єктів від об'єкту-еталону, встановленого з урахуванням диференціації показників на стимулятори та дестимулятори:

. (9)

Виконання ранжування водозаборів КП «Луцькводоканал» дозволило проаналізувати зміну рейтингу об'єктів за рівнем енергоефективності (табл. 1) та виявити кращий і гірший об'єкт. Проте, не можливо визначити: зниження рейтингу водозабору «Гнідава» зумовлене покращенням умов роботи інших об'єктів чи погіршенням ефективності енерговикористання на цьому об'єкті, також складно виявити причини погіршення рівня енергоефективності.

Таблиця 1 -

Рейтингове оцінювання енергоефективності водозаборів

Об'єкт	2006 рік	2007 рік	2008 рік	2009 рік
Дубнівський водозабір	0,774	3	0,943	1	1,000	1	1,000	1
Омеляниківський водозабір	0,826	2	0,767	2	0,735	2	0,755	2
Водозабір «Гнідава»	0,886	1	0,715	3	0,682	3	0,672	3

Тому, оцінювання рівня енергоефективності, яке вимагає врахування великої кількості характеристик, що описують енерговикористання та можуть змінюватися залежно від ієрархічного рівня розміщення об'єктів, запропоновано також розглядати з позицій багатокритерійної класифікації. Тобто: - властивість, що характеризує рівень енергоефективності; - множина критеріїв (характеристик), за якими оцінюється об'єкт, що мають впорядковані словесні формулювання градацій якості; для - множина оцінок за критерієм , впорядкованих за зростанням характерності властивості ; , - кількість градацій (значень оцінок) на шкалі критерію . Кількість критеріїв є скінченною, кожен критерій має шкалу з оцінок. Можна сформувати множину всіх можливих комбінацій оцінок, які представляють собою декартовий добуток значень оцінок на шкалі критеріїв, що визначає множину можливих описів (станів) об'єктів.

Для оцінювання рівня енергоефективності об'єкту СКВ необхідно побудувати відображення множини його допустимих станів на множину класів , оцінених за багатьма критеріями та впорядкованих за вираженністю властивості , тобто, рознести всі можливі комбінації оцінок станів до заданих класів , що задовольняють умову непротиріччя - об'єкт з більш характерним для властивості набором оцінок не може належати до класу, що відповідає меншому рівню вираженності властивості .

, (10)

Для розподілу станів об'єктів СКВ на кілька впорядкованих класів використано метод порядкової класифікації багатокритерійних альтернатив ПАКС (Послідовне Агрегування Класифіковуваних Станів), що спирається на зниження розмірності простору класифікаційних ознак та містить такі етапи:

Етап 1 - формування базових характеристик. Сформовано набір з 16-ти базових класифікаційних характеристик об'єктів (рис. 1). Для кожної базової характеристики сформовано шкалу з трьома вербальними порядковими оцінками 0,1,2, де 0 - краща оцінка, 1 - середня, 2 - гірша. Розмірність вихідного ознакового простору складає .

Етап 2 - зниження розмірності ознакового простору шляхом побудови ієрархічної системи складових критеріїв. Базові характеристики об'єднуються в складові критерії, що також мають вербальні порядкові шкали. Введено складові критерії першого рівня , які агрегують певні базові характеристики. Агреговані критерії першого рівня послідовно агреговано у критерії другого рівня , які агрегуються в критерій верхнього рівня.

Етап 3. Побудова шкали складового критерію виконана методом стратифікації кортежів. Вихідні оцінки об'єднуються в узагальнену оцінку за принципом: всі кращі оцінки за базовими характеристиками енергоефективності утворюють одну кращу оцінку по узагальненому показнику, середні оцінки - кілька середніх оцінок, а всі гірші - одну гіршу оцінку (табл. 2).

Таблиця 2 -

Схеми формування градацій шкали складових критеріїв

Кількість характеристик	Шкала оцінок базових характеристик	Шкала оцінок та їх градації для складового критерію
2	{0,1,2}
	{0,1,2}
3	{0,1,2}
	{0,1,2}
	{0,1,2}

При порядковій класифікації побудова шкали складових критеріїв містить послідовні однотипні блоки. Блок класифікації i-го рівня містить складовий критерій та набір його ознак. Об'єктами класифікації виступають комбінації оцінок ознак, а класами рішень - градації комбінацій оцінок. Для (i+1)-го рівня об'єктами класифікації є множина градацій оцінок складових критеріїв i-го рівня; класами рішень є градації оцінок складового критерію (i+1)-го рівня.

Етап 4. Кінцевий розв'язок задачі з використанням побудованих (агрегованих) критеріїв. Метод послідовної класифікації дає змогу виявити належність об'єкту до одного з впорядкованих за рівнем енергоефективності класів .

Перевагою оцінювання на базі ієрархічної системи критеріїв є можливість визначення рівня енергоефективності об'єкту за складовими критеріями усіх рівнів: від нижнього до верхнього, що дає змогу виявити недоліки у організації технологічного процесу та дозволяє прийняття рішення про першочерговість певних заходів, спрямованих на підвищення рівня енергоефективності СКВ.

Для оцінювання рівня енергоефективності об'єктів КП «Луцькводоканал» було проведено анкетування фахівців підприємства, отримано оцінки станів об'єктів за класифікаційними характеристиками, на основі агрегованих оцінок складових критеріїв визначено їх належність до певних класів енергоефективності та виконане якісне оцінювання (табл. 3). Результати дослідження дозволили виявити: низький рейтинг водозабору «Гнідава» зумовлений саме низьким рівнем його ефективності енерговикористання. Крім того, виявлено, які саме причини зумовлюють таке становище водозабору, що полегшує прийняття рішень про першочерговість заходів щодо покращення його рівня енергоефективності.

Таблиця 3 -

Результати оцінювання рівня енергоефективності об'єктів

КП “Луцькводоканал»

Ієрархічний рівень агрегування	Складовий критерій ефективності	Рівень енергоефективності водозабору
		Дубнівського	Омеляників-ського	«Гнідава»
Перший	Технічна ефективність стану	Високий	Середній	Задовільний
	Енергетична ефективність стану	Добрий	Задовільний	Задовільний
	Технологічна ефективність стану	Високий	Низький	Низький
	Технологічна ефективність функціонування	Добрий	Середній	Задовільний
	Енергетична ефективність функціонування	Добрий	Задовільний	Низький
	Ефективність організації режиму роботи	Високий	Низький	Низький
Другий	Ефективність стану	Високий	Задовільний	Задовільний
	Ефективність функціонування	Добрий	Задовільний	Низький
Верхній	Рівень ефективності енерговикористання	Добрий	Середній	Задовільний

У третьому розділі виконано моделювання електроспоживання в СКВ для реалізації такої функції енергетичного моніторингу як прогнозування. З метою впорядкування множини показників та визначення достатньої для врахування їх кількості методом експертного оцінювання було виконано відбір показників, що мають істотний вплив на електроспоживання в системі водопостачання КП «Луцькводоканал». Такими показниками є: величина об'єму води, що перекачується НС І-го підйому; величина об'єму води, що перекачується НС ІІ-го підйому; узагальнений коефіцієнт використання продуктивності насосного обладнання; витрати води на технологічні потреби; втрати води.

При формуванні набору імовірно інформативних показників, як засвідчили результати дослідження, може мати місце розбіжність в думках фахівців, щодо необхідності розгляду того або іншого показника. Певні складності виникають при формуванні масиву вихідної інформації, оскільки в сформованому наборі імовірно інформативних чинників можуть бути такі, які складно виміряти або ж вони є незмінними. При відборі інформативних чинників необхідно враховувати не лише ступінь їх впливу досліджуваний процес, а й можливість їх вимірювання, необхідність контролювання, характер змінності.

Задачу формування сукупності показників запропоновано розглядати з позицій багатокритерійного вибору, де підґрунтям для вибору виступає сукупність відбіркових характеристик, які агрегуються в складовий критерій: K1 характеризує «ступінь впливу показника на процес», який оцінюється, як 0 - істотний вплив, 1 - середній вплив, 2 - слабкий вплив або не впливає; K2 - «ступінь вимірювання показника»: 0 - вимірюється і контролюється, 1 - складно виміряти або обчислити), але варто контролювати, 2 - вимірюється (або обчислюється) але немає потреби контролювати; К3 - «ступінь керованості та змінності показника»: 0 - керований, 1 - випадковий, 2 - незмінний. Критерієм верхнього рівня є критерій АК, що характеризує «Ступінь інформативності показника», градації оцінок визначають 5 впорядкованих класів рішень C1,…,C5 . Для формування порядкової шкали складового критерію верхнього рівня ОПР використано метод стратифікації кортежів, що відображає стратифікований підхід до вирішення задачі багатокритерійного вибору інформативних показників енергоефективності.

Для групування показників енергоефективності використано шкалу стратифікації, в якій кожна страта містить певну сукупність показників, об'єднаних за характером впливу на процес. На основі оцінювання, проведеного експертами, кожному показнику виставляють бали (для показника, що потрапив в клас C1 ставлять 5 балів, в клас C2 - 4 бали, в клас C3 - 3 бали, в клас C4 - 2 бали, в клас C5 - 1 бал), обчислюють середній бал та будують страти (табл. 4). Це дало змогу виконати групування показників енергоефективності за характером їх впливу на електроспоживання системи водопостачання (табл. 5).

Таблиця 4 -

Шкала стратифікації показників енергоефективності

Страта	Середня оцінка	Зміст страти
П'ята		показники, що однозначно мають істотний вплив, їх обов'язково необхідно враховувати при побудові моделі
Четверта		показники, які мають значний вплив, їх варто враховувати при побудові моделі
Третя		показники, які мають доволі значний вплив, їх можна враховувати при побудові моделі
Друга		показники, які мають слабкий вплив, їх можна не враховувати при побудові моделі
Перша		показники, що мають дуже слабкий вплив, їх варто не враховувати при побудові моделі

Таблиця 5 -

Групування показників енергоефективності

Страта	Показники
П'ята	1. Величина об'єму піднятої води НС І-го підйому. 2. Об'єм води, поданої в мережу НС ІІ-го підйому.
Чет-верта	1. Втрати води в мережі. 2. Коефіцієнт ефективності використання продуктивності насосного обладнання.
Третя	1. Середній тиск в мережі. 2. Витрати води на технологічні потреби.
Друга	1. Коефіцієнт ефективності використання потужності приводу насосного обладнання НС.
Перша	1. Комунально-побутові потреби. 2. Об'єм очищеної води

Для сформованої сукупності інформативних показників енергоефективності було проведено перевірку гіпотез про прийнятність факторного аналізування з метою виявлення та математичного опису латентних зв'язків у випадку взаємної корельованості показників. Результати (табл. 6) підтвердили прийнятність факторного аналізування та достатність формування трьох головних компонент, які є некорельованими лінійними комбінаціями вихідних показників:

(11)

Таблиця 6 -

Результати перевірки гіпотез компонентного аналізу

Гіпотеза	Спосіб перевірки	Значення	Висновок
Відсутня кореляція між показниками енергоефективності	Критерій сферичності Бартлетта-Уілкса		Матриця коефіцієнтів кореляції є значимою
Вибірка є адекватною	Критерій Кайзера-Мейера-Олкіна	MSA=0,71>0,5	Доцільне використання факторного аналізу
q головних компонент є значимими	Скрі-критерій Кеттела (кам'янистого осипу)	q=3
	Правило Кайзера	q=3
Достатньо q головних компонент	Критерій Бартлетта		q=3 - є достатнім
Відповідність компонентної моделі вихідним даним	Дослідження залишків між коефіцієнтами кореляції	Кількість залишків, що перевищують 0,1 - не значна	Компонента модель відповідає вихідним даним

Модель електроспоживання в системі водопостачання побудована як рівняння лінійної регресії на головних компонентах:

. (12)

Результати перевірки якості моделі (табл. 7) підтвердили її адекватність.

Таблиця 7 -

Результати перевірки якості математичної моделі

Множинний коефіцієнт кореляції	Множинний коефіцієнт детермінації	Скорегований коефіцієнт детермінації	Стандартна похибка	Середня похибка апроксимації , %	Розрахун-ковий коефіцієнт Фішера	Коефіцієнт Фішера
0,82	0,6724	0,6548	168,86	10,89	59,52	3,16

У четвертому розділі контролювання ефективності електроспоживання на об'єктах СКВ як однієї з функцій енергетичного моніторингу запропоновано здійснювати на основі аналізування динаміки зміни питомого електроспоживання з використанням контрольних карт Шухарта. З метою запобігання спотворення діапазонів енергоефективності передбачено процедуру виключення з розгляду різко відмінних спостережень на основі порівняння - статистик: якщо , то у вихідній вибірці немає різко відмінних значень. Для підтвердження можливості використання контрольних карт індивідуальних значень для контролювання ефективності електроспоживання попередньо виконано дослідження вибірки на відповідність нормальному закону розподілу ймовірностей. Якісна характеристика рівня ефективності електроспоживання здійснюється шляхом виявлення належності значення питомого електроспоживання до одного з діапазонів енергоефективності, побудованих з урахуванням меж регулювання контрольних карт, які є межами зміни якісного стану об'єкту:

- добрий рівень енергоефективності (зелена зона), якщо:

; (13)

- задовільний рівень енергоефективності (червона зона), якщо:

, (14)

- незадовільний рівень енергоефективності, якщо:

, (15)

де , - середнє значення та стандартне відхилення питомого електроспоживання;

, (16)

де - середній ковзний розмах, визначений на основі розмахів вимірювань в останніх парах ; - константа, що залежить лише від об'єму вибірки , при використанні ковзного розмаху між двома послідовними спостереженнями .

- зона Ав: - зона задовільного рівня енергоефективності з небезпекою погіршення якісного стану, або низький рівень;

- зона Вв: - зона стабільно задовільного рівня;

- зона Св: - зона задовільного рівня енергоефективності з можливістю переходу на вищий рівень якісного стану, або середній рівень;

- зона Сн: - зона доброго рівня енергоефективності з небезпекою погіршення якісного стану, або достатньо добрий рівень;

- зона Вн: - зона стабільно доброго рівня;

- зона Ан: - зона доброго рівня енергоефективності з перспективою досягнення нового стану, або високий рівень.

Крім того, введено певне тлумачення загальноприйнятих тестів, що використовуються для інтерпретації протікання процесу по картах Шухарта, зокрема для Х - карт індивідуальних значень, які забезпечують характеристику змін, що відбуваються в процесі електроспоживання.

Порівняльну характеристику об'єктів водопостачання, об'єднаних одним ієрархічним рівнем, виконано шляхом накладання еталонних зон енергоефективності (за які слід приймати визначені на основі контрольних карт Шухарта зони енергоефективності для об'єкту з найвищим рейтингом) на контрольні карти інших об'єктів. Виконання даної процедури для водозаборів КП «Луцькводоканал» дало змогу виявити, що не зважаючи на стабільний середній рейтинг Омеляниківського водозабору, ефективність електроспоживання протягом тривалого проміжку часу була незадовільною, і лише в кінці досліджуваного періоду наближається до еталонних меж, проте є низькою

Аналізування контрольних карт та їх інтерпретація дозволяє оцінити рівень ефективності електроспоживання на даному об'єкті дослідження, виявити певні тенденції (або їх відсутність), що склалися у процесі електроспоживання та попередити негативні явища з метою покращення рівня енергоефективності як системи водопостачання, так і її об'єктів.

Основні результати та висновки

В дисертаційній роботі розв'язано актуальну задачу визначення рівня енергоефективності водогосподарства як складної енерготехнологічної системи на основі моніторингу ефективності енерговикористання, який передбачає врахування початкових умов функціонування та особливостей організації технологічного процесу, що має важливе значення для виявлення резервів підвищення ефективності функціонування ПВКГ. Основні висновки та результати роботи:

1. Проведений аналіз існуючих методів оцінювання ефективності енерговикористання виявив ряд недоліків, які унеможливлюють їх використання для оцінювання енергоефективності водогосподарства, так як не забезпечують можливості комплексного врахування вихідних умов і особливостей організації технологічного процесу його об'єктів та поточного енергоспоживання. Виявлення причин нераціональних витрат енергоресурсів в СКВ є можливим за умови реалізації основних функцій енергетичного моніторингу: спостереження та оцінювання стану та умов функціонування об'єкту, прогнозування та контролювання.

2. Формалізація задачі оцінювання рівня енергоефективності, виконана шляхом побудови структурованої комплексної моделі, забезпечує урахування ієрархічної будови СКВ, умов вихідного стану, особливостей функціонування, що сприяє виявленню причин перевитрат енергоресурсів.

3. Запропоновано спосіб опису ефективності енерговикористання водогосподарства як складної енерготехнологічної системи, який базується на кількісних показниках та якісних характеристиках, які мають вербальні оцінки, що відображають енергетичну і технологічну ефективність вихідного стану та ефективність функціонування об'єктів водопостачання. Формування їх сукупність з урахуванням ієрархічного рівня СКВ та типу задачі, що розв'язується, утворює інформаційну основу для проведення енергетичного моніторингу процесу водопостачання та режиму електроспоживання об'єктів водогосподарства.

4. Розроблено новий метод оцінювання рівня енергоефективності об'єктів водопостачання, який передбачає процедуру їх ранжування на основі таксономічного показника, побудованого з урахуванням характерних для досліджуваного ієрархічного рівня СКВ показників енергоефективності, а також процедуру якісного оцінювання, яке базується на агрегуванні вербальних оцінок базових характеристик енергоефективності в оцінки складових критеріїв вищих рівнів та дозволяє врахувати умови функціонування. Рейтингування забезпечує виявлення кращих з точки зору ефективного енерговикористання об'єктів, а якісне оцінювання - порівняння об'єктів та виявлення недоліків у побудові та веденні технологічного процесу водопостачання, які зумовлюють перевитрати води та електроенергії, та резервів переходу до ефективного енерговикористання.

5. Запропоновано новий метод відбору показників енергоефективності, що впливають на електроспоживання на об'єктах водогосподарства, який базується на агрегуванні вербальних оцінок за вибраними характеристиками, які передбачають врахування не лише ступеня впливу показника на досліджуваний процес, а й можливість вимірювання та характер змінності. Його використання забезпечило групування показників енергоефективності за характером впливу на електроспоживання в СКВ, що дає змогу сформувати сукупність інформативних показників для побудови прогнозної математичної моделі електроспоживання.

6. Факторне аналізування показників енергоефективності дозволило побудувати некорельовані лінійні комбінації вихідних змінних, на основі яких побудована математична модель електроспоживання СКВ як рівняння лінійної регресії на головні компоненти, яка є адекватною та придатною для прогнозування електроспоживання. Її використання забезпечує можливість аналізування впливу зміни показників енергоефективності на ефективність електроспоживання.

7. Вдосконалено метод поточного контролювання ефективності електроспоживання на об'єктах СКВ як складової енергетичного моніторингу, який передбачає аналізування динаміки зміни питомого електроспоживання, визначеного з урахуванням ієрархічного рівня об'єкту, що досліджується, та базується на використанні діапазонів енергоефективності, побудованих на основі визначених за допомогою контрольних карт Шухарта меж зміни якісного стану, та дозволяє не лише виявити негативні тенденції у розвитку процесу, а й якісно охарактеризувати ефективність електроспоживання. Використання еталонних діапазонів, визначених для кращого за результатами рейтингування з групи об'єктів водопостачання, що об'єднані одним ієрархічним рівнем, забезпечує порівняльну характеристику ефективності електроспоживання інших об'єктів даної групи.

8. Достовірність та практичну цінність результатів, одержаних у роботі, підтверджено оцінюванням рівня енергоефективності об'єктів водопостачання КП «Луцькводоканал», де запропоновані методи впроваджено в якості складової загальної системи енергоменеджменту ПВКГ.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Давиденко В.А. Підвищення рівня енергоефективності систем подачі та розподілу води [Текст] / В.А. Давиденко // Вісник ХНТУСГ. Випуск 73 „Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”. - Том1. - Харків: ХНТУСГ, 2008. - С. 89-90.

Давиденко В.А. Прогнозування електроспоживання в системах подачі та розподілу води [Текст] / В.А. Давиденко // Вісник ХНТУСГ. Випуск 86 „Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”. - Харків: ХНТУСГ. - 2009. - С. 94-96.

Давиденко В.А. Структуризація сукупності показників рівня ефективності енерговикористання в системах водопостачання та водовідведення [Текст] / В.А. Давиденко // Вісник ХНТУСГ. Випуск 102 „Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”. - Харків: ХНТУСГ, 2010. - С. 38-40.

Розен В.П. Відбір чинників впливу на рівень ефективності електроспоживання систем водопостачання [Текст] / В.П. Розен, В.А. Давиденко // Вісник КДПУ ім. М.Остроградського.-Кременчук: КДПУ.-2009.-Вип.№5 (58).-С.35-39.

Розен В.П. Прогнозування електроспоживання підприємств комунального водопостачання на основі причинно-наслідкових зв'язків [Текст] / В.П. Розен, В.А. Давиденко // Промислова електроенергетика та електротехніка “Промелектро”. - 2009 - №5. - С.45-50.

Розен В.П. Комплексний підхід до задачі енергозбереження та оцінювання рівня енергоефективності водопостачального підприємства як складної системи [Текст] / В.П. Розен, Л.В. Давиденко, В.А. Давиденко // Відновлювальна енергетика. - 2010. - №1(20). - С. 65-70.

Розен В.П. Формування інформаційного поля для оцінювання рівня енергоефективності систем комунального водопостачання [Текст] / В.П. Розен, Л.В. Давиденко, В.А. Давиденко // Вісник КДПУ ім. М. Остроградського. - Кременчук: КДПУ. - 2010. - Вип. №4 (63). - С. 50-53.

Розен В.П. Комплексне оцінювання рівня енергоефективності водогосподарств як складних виробничих систем [Текст] / В.П. Розен, Л.В. Давиденко, В.А. Давиденко // Промислова електроенергетика та електротехніка “Промелектро”. - 2010. - №6. - С. 20-24.

Свідоцтво про реєстрацію авторського права на технічний твір № 37831. Методика оцінювання рівня ефективності енерговикористання на об'єктах підприємства комунального водопостачання та водовідведення. В.П. Розен, Л.В. Давиденко, В.А. Давиденко. 8.04.2011.

Давиденко В.А Ефективне електроспоживання як засіб зниження собівартості продукції СКВВ [Текст] / В.А. Давиденко // Наука та практика-2008: Збірник матеріалів міжнародної науково-практичної конференції / кол. авт.- Полтава, 2008. - С. 93-96.

Давиденко В.А Аналіз ефективності енергоспоживання КП «Луцькводоканал» [Текст] / В.А. Давиденко // Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах : Матеріали ІІ-ї міжнародної науково-технічної конференції. - Луцьк : РВВ ЛНТУ, 2008.- С.44-49.

Давиденко В.А. Відбір показників енергоефективності підприємств водопостачання як задача багатокритерійного вибору [Текст] / В.А. Давиденко // Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах : Матеріали ІІІ-ї міжнародної науково-технічної конференції. - Луцьк: РВВ ЛНТУ, 2010. - С. 53-55.

Давиденко В.А. Класифікація факторів, що впливають на рівень енергоефективності підприємств комунального водопостачання [Текст] / В.А. Давиденко // Проблеми і перспективи енергозбереження комунального господарства та промислових підприємств : Матеріали наукового семінару, 4-5 травня 2009 р. - Луцьк: РВВ ЛНТУ, 2009. - С. 48-51.

Давиденко В.А. Основні критерії ефективності систем комунального водопостачання та водовідведення [Текст] / В.А. Давиденко // Актуальні проблеми та перспективи науки і виробництва : Тези ХХІІІ-ої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу (технічний напрямок). - Луцьк: ННВ ЛНТУ, 2008. - С. 317-319.

Давиденко В.А. Енергозбереження та енергоефективність: система показників [Текст] / В.А. Давиденко // Актуальні проблеми та перспективи науки і виробництва: Тези ХХІV-ої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу. - Луцьк: ННВ ЛНТУ, 2009. - С. 332-334.

Давиденко В.А. Зниження розмірності вихідного простору показників енергоефективності [Текст] / В.А. Давиденко // Актуальні проблеми та перспективи науки і виробництва : Тези ХХV-ої науково-технічної конференції професорсько-викладацького складу (технічний напрямок). - Луцьк: ННВ ЛНТУ, 2010. - С. 418-420.

Давиденко В.А. Аналіз стану енергоефективності підприємств комунального водопостачання та водовідведення [Текст] / В.А. Давиденко, Л.В. Давиденко // Тези ХХІІ-ої науково-технічної конференції професорсько-викла-дацького складу (технічний напрямок). - Луцьк: ННВЛДТУ, 2007. - С. 268-270.

Анотація

Давиденко В.А. Моніторинг ефективності енерговикористання в системах комунального водопостачання підприємств водопровідно-каналізаційного господарства. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.01 - «Енергетичні системи та комплекси». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню задачі визначення рівня енергоефективності водогосподарства як складної енерготехнологічної системи та шляхів її розв'язку на основі моніторингу ефективності енерговикористання на об'єктах водопостачання, що передбачає врахування початкових умов функціонування та особливостей організації технологічного процесу, що має важливе значення для виявлення резервів підвищення ефективності функціонування ПВКГ.

Для реалізації функцій енергетичного моніторингу сформовано сукупність показників енергоефективності, яка дає змогу описати технічні та технологічні особливості водогосподарства. Запропоновано метод оцінювання рівня енергоефективності об'єктів водопостачання, який передбачає процедуру їх ранжування на основі таксономічного показника енергоефективності, а також якісного оцінювання, яке передбачає урахування характеристик умов вихідного стану та особливостей функціонування об'єктів СКВ на основі використання вербальних оцінок та їх агрегування в складові критерії енергоефективності верхніх рівнів.

Запропоновано метод відбору інформативних показників для побудови прогнозної моделі електроспоживання, що враховує їх латентні зв'язки, який дозволяє врахувати ступінь впливу показника на процес, можливість його вимірювання, необхідність контролювання, характер змінності. Це дозволило сформувати сукупність істотних показників та уникнути можливості внесення показників, які є незмінними або їх вимірювання є складним і недоцільним.

Для поточного контролювання ефективності електроспоживання запропоновано здійснювати аналізування динаміки зміни питомого електроспоживання шляхом встановлення на основі контрольних карт Шухарта діапазонів енергоефективності, що дозволяє виявити негативні тенденції в розвитку процесу.

Ключові слова: ефективність енерговикористання, рівень енергоефективності, показники енергоефективності, контролювання ефективності електроспоживання, система комунального водопостачання.

Аннотация

Давыденко В.А. Мониторинг эффективности энергоиспользования на объектах системы коммунального водоснабжения предприятий водопроводно-канализационного хозяйства. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.14.01 - «Энергетические системы и комплексы». - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2011.

Диссертация посвящена решению задачи определения уровня энергоефективности ПВКХ как сложного энерготехнологического комплекса и путей ее решения на основе мониторинга эффективности энергоиспользования на объектах водоснабжения, имеющей важное значение для выявления причин перерасходов энергоресурсов в СКВ и резервов повышение эффективности функционирования предприятий коммунального водоснабжения.

Выявление причин нерациональных расходов энергоресурсов в СКВ требует учета начальных условий функционирования и особенностей организации технологического процесса водоснабжения, а также эффективности режима электропотребления, что возможно за счет реализации основных функций энергетического мониторинга: наблюдения и оценки состояния и условий функционирования объекта, прогнозирования и контролирования электропостребления.

Для реализации функций энергетического мониторинга сформирована совокупность показателей энергоэффективности, которая дает возможность описать технические и технологические особенности водохозяйства в целом, а также его структурных объектов. Разработан метод определения уровня энергоэффективности объектов СКВ, предусматривающий процедуру их рейтингования на базе таксономического показателя энергоэффективности, построенного с учетом свойственных для исследуемого иерархического уровня показателей энергоэффективности, которое обеспечивает возможность выявления лучших с точки зрения эффективности энергоиспользования объектов; а также качественного оценивания путем использования вербальных оценок базовых характеристик энергоэффективности, которые на основе процедуры последовательной классификации объединяются в составные критерии высших уровней. Оценивание на базе иерархической системы критериев предусматривает определение принадлежности объекта к определенному классу энергоэффективности за составным критерием каждого уровня, что обеспечивает возможность сравнения объектов по каждому критерию, выявления недостатков в организации технологического процесса и упрощает принятие решения о первоочередности соответствующих мероприятий для повышение уровня энергоэффективности СКВ и ее объектов.

Для реализации прогнозирования электропотребления как функции энергетического мониторинга предложен метод отбора информативных показателей для построения прогнозной модели электропотребления, учитывающей их латентные связи, который базируется на учете степени влияния показателя на процесс и учитывает возможность его измерения, необходимость контролирования, характер изменяемости. Это позволило сформировать множество существенных показателей и избежать возможности внесения показателей, которые являются неизменными или их измерение является сложным и нецелесообразным.

Контроль эффективности электропотребления на объектах СКВ как одной из функций энергетического мониторинга предложено осуществлять на основе анализа динамики изменения удельного электропотребления с использованием контрольных карт Шухарта. Для контроля эффективности электропотребления с его последующей качественной характеристикой предусмотрено определение границ изменения качественного состояния системы, построение диапазонов энергоэффективности и их разбивка на подзоны. Кроме того, введено определенное толкование общепринятых тестов, что используются для интерпретации протекания процесса по картам Шухарта, в частности для карт индивидуальных значений, которые бы позволили обеспечить характеристику изменений, происходящих в процессе электропотребления, а также выявить и предупредить нежелательные тенденции.

Ключевые слова: эффективность энергоиспользования, уровень энергоэффективности, показатели энергоэффективности, контроль эффективности электропотребления, система водоснабжения.

Abstract

Davydenko V.A. The monitoring of energy use at the facilities of a communal water supply companies of water and sanitation sector. - Manuscript.

Dissertation on competition of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.14.01 - the «Power systems and complexes». - the National technical university of Ukraine the «Kiev polytechnic institute», Kiev, 2011.

Dissertation is devoted to the questions of rise of authenticity of exposure of sources of unjustified charges of power resources, and also evaluations of level of efficiency of the use of power resources and control of efficiency of electro-consumption as constituents of the power monitoring on the objects of the water system. The method of evaluation of level of efficiency of the use of power resources, which foresees consideration of description of terms of the initial state and features of functioning of the water system, is developed.

...