Введение. Тепловые сети в городах развиваются эволюционно по мере строительства новых зданий, являющихся потребителями тепла и горячей воды. При этом общие затраты на содержание сети при подключении новых потребителей изменяются в зависимости от расположения этих потребителей. Это объясняется тем, что чем дальше от источника находится подключаемый объект, тем больше будут потери при транспортировке для него теплоносителя по сети и тем больше средств потребуется на ремонт и обслуживание трубопроводов. В то же время платежи за потребленную энергию определяются по единым для региона тарифам и величина доходов, поступающих от потребителя, зависит только от объема потребленной им энергии. Таким образом, в зависимости от местоположения подключаемых и отключаемых потребителей могут улучшаться или ухудшаться экономические показатели эксплуатации сети в целом, а также изменяться тарифы для всех потребителей.

Существуют инженерные методы и специальное программное обеспечение для расчетов тепловых сетей, которые позволяют определять потери на каждом участке трубопроводов. Примеры применения таких расчетов с использованием ГИС приведены в [1, 2]. Однако для использования таких программ требуется собрать большой объем технических данных, создать и отладить электронную модель сети [3]. Эта работа является дорогостоящей и выполняется специалистами. Поэтому такой метод оценки эффективности мероприятий по развитию сети на практике имеет ограниченное применение.

При расчете тарифов на покупку тепловой энергии используют утвержденные правительством РФ методические указания по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую (тепловую) энергию на розничном (потребительском) рынкеПриказ ФСТ России от 06. 08.2004 N 20-э/2 (ред. от 14. 04.2014, с изм. от 16. 09.2014)"Об утверждении Методических указаний по расчету регулируемых тарифов и цен на электрическую (тепловую) энергию на розничном (потребительском) рынке" (Зарегистрировано в Минюсте России 20. 10.2004 N 6076), в которых, кроме прочего, учитываются и затраты на возмещение тепловых потерь в сетях. Метод расчета потерь, приведенный в этих методических указаниях, использует минимальный объем доступных из градостроительной документации исходных данных и применяется для расчета тарифов органами региональной власти.

Цель проведенного исследования заключалась в разработке и апробации метода, который позволяет на основе существующей упрощенной методики оценки тепловых потерь при расчете тарифов и возможностей геоинформационных систем (ГИС) автоматически формировать картину распределения по территории "вклада" потребителей в величину тарифа для существующей и планируемой структуры сети.

Решаемые проблемы и задачи исследования. Развитие технологий энергоснабжения привело к возможности выбора альтернативных схем теплоснабжения зданий в городах (подключение к системам центрального отопления, подключение к местным котельным, строительство индивидуальных систем отопления зданий или квартир и т.д.). При этом развивается конкуренция на местных рынках энергоснабжения, где сталкиваются экономические интересы многих участников процесса энергоснабжения со стороны поставщиков и потребителей энергии. Ввиду сложной системы взаимосвязей различных систем энергоснабжения те или иные мероприятия по изменению структуры различных сетей энергоснабжения могут затрагивать интересы не только непосредственно участвующих в них лиц, но и третьих сторон, ухудшая или улучшая режимы и экономические условия работы сетей в целом. В частности, отдельные решения могут влиять и на единые тарифы на передачу тепловой энергии в городе.

В этих условиях при принятии решений о выборе способа энергоснабжения зданий всем участникам процесса и местным властям важно иметь достоверную и объективную информацию о влиянии решений на будущие тарифы. Однако в настоящее время для получения таких прогнозов приходится проводить специальные исследования и расчеты, которые обычно выполняют поставщики энергии, являющиеся заинтересованной стороной, либо органы власти на условиях государственного или муниципального заказа. Получение достоверных оценок мероприятий по развитию сетей без дополнительных затрат на сбор данных и проведение специальных расчетов в настоящее время является нерешенной проблемой.

Решение указанной проблемы возможно за счет включения в состав существующих муниципальных ГИС дополнительных программных модулей, автоматически формирующих оценки экономических последствий мероприятий и представляющих их в наглядном виде на электронной карте для любой заинтересованной стороны. Однако в настоящее время такие программные средства и методики оценки, которые позволяют их создать, отсутствуют.

Для реализации метода и программных средств, демонстрирующих распределение по территории города экономически "выгодных" и "невыгодных" потребителей с точки зрения потерь тепла в сетях, необходимо решить две задачи:

1. Разработать метод оценки влияния каждого здания на учитываемые в тарифе потери.

2. Разработать метод классификации участков территории города по критерию выгодности размещения на их потребителей тепловой энергии различной мощности, позволяющий наглядно представлять результаты этой классификации на карте.

Первая задача связана с выделением из общей методики расчета регионального тарифа составляющей, определяющей величину затрат на компенсацию потерь тепловой энергии при транспортировке в сети, и с определением способа учета "вклада" каждого здания в суммарные потери, используемые при расчете тарифа. Ограничением в данном случае выступает набор данных, которые могут использоваться для анализа. Предполагается, что данные о конструктивных элементах сети ограничены, а данные о реальном режиме работы сети полностью отсутствуют. Это соответствует ситуации, когда оценка должна даваться не в эксплуатирующей организации, а внешними контролирующими органами или органами территориального управления, как в случае с расчетом тарифа.

Вторая задача относится к методам использования ГИС как систем поддержки принятия решений. Это направление применения ГИС было впервые сформулировано в [4] и нашло в дальнейшем множественное применение в различных областях [5], в том числе и для анализа решения по развитию энергетических сетей с использованием тематических карт [6, 7]. В данном случае речь идет о применении подходов, рассмотренных в [6, 7], в рамках разрабатываемого метода.

Методы исследования. Как следует из указаний [4], тариф на передачу тепловой энергии T (руб/Гкал/ч в мес.) в системах централизованного теплоснабжения определяется как отношение необходимой валовой выручки НВВ (руб.) в расчетный период к объему отпускаемой тепловой энергии в тот же период:

(1)

где P - суммарная тепловая нагрузка по совокупности договоров теплоснабжения потребителей тепловой энергии, заключенных с энергоснабжающей организацией на регулируемый период, тыс. Гкал/ч; М - продолжительность периода регулирования, мес.

НВВ включает, в частности, потери тепловой энергии теплопередачей через теплоизоляционные конструкции трубопроводов и оборудование систем транспорта. Эти потери определяются в [4] по формуле

(2)

где q - удельные часовые тепловые потери трубопроводов каждого диаметра, определенные пересчетом табличных значений норм удельных часовых тепловых потерь на среднегодовые условия функционирования тепловой сети, подающих и обратных трубопроводов подземной прокладки - вместе, надземной - раздельно, ккал/мч; L - длина трубопроводов участка тепловой сети подземной прокладки - в двухтрубном исчислении, надземной - в однотрубном, м; бета - коэффициент местных тепловых потерь, учитывающий потери запорной арматурой, компенсаторами, опорами (принимается 1,2 при диаметре трубопроводов до 150 мм и 1,15 - при диаметре 150 мм и более, а также при всех диаметрах трубопроводов бесканальной прокладки); I - количество участков трубопроводов различного диаметра.

Принимая, что каждый потребитель с номером k (k = {1, …K}) получает энергию от источника по сети по единственному пути (рис.1), и зная величину нагрузки каждого потребителя P_k, можно для каждого участка L_i определить суммарную нагрузку и долю этой нагрузки, вносимую каждым потребителем. Эту долю можно рассматривать так же, как долю потерь, которые должны компенсироваться за счет данного потребителя, и как долю длины участка, которая должна обслуживаться за счет этого потребителя.

Таким образом, для участка сети L₂ (рис.1) потери QL₂ можно распределить между потребителями с нагрузками P₁ и P₂ следующим образом:

(3)

(4)

(5)

Рис. 1. Схема распределения нагрузки по сети

Если такие расчеты сделать для всех участков сети, то общие потери в сети, учитываемые в тарифе (2), можно распределить между потребителями с учетом структуры участков трубопроводов, которые они используют.

Потери QP_k, относящиеся к потребителю k, вычисляются как

(6)

Абсолютное значение QP_k не представляет особого интереса для анализа. Более показательным в этом случае является относительное значение, которое отражает сравнение потребителя с другими и может быть определено как коэффициент влияния данного потребителя на тариф R_k:

(7) где

Значение показателя R_k < 1 означает, что наличие данного потребителя приводит к уменьшению тарифа на передачу тепловой энергии. При значении R_k > 1 происходит увеличение тарифа.

Расчет показателя R_k можно производить не только для существующих, но и для потенциальных потребителей. Это можно использовать для прогнозирования влияния принимаемых решений на будущую эффективность эксплуатации тепловой сети в целом и на будущую величину тарифа.

Показатель выгодности потребителя легко определяется через запросы к пространственной базе данных в среде ГИС. При этом для каждого здания в базе данных записывается его значение. Для наглядного отображения этих данных существует несколько способов, в частности:

1. Отображение величины коэффициента размером и цветом значка (например, размер круга отражает отклонение коэффициента от 1, а цвет - направление отклонения).

2. Построение и отображение ценовой поверхности на карте (интерполяция значений P_k, определенных по всей территории).

3. Представление территории в виде полигонального покрытия, например диаграммы Вороного [8], с переносом данных зданий на соответствующие полигоны.

4. Представление территории в виде кадастровой карты земельных участков с переносом данных зданий на соответствующие земельные участки.

Анализ возможностей получения данных и реализации этих методов средствами современных ГИС показал, что любой из них технически не представляет сложности. При этом последний метод более предпочтителен, поскольку связан с градостроительной документацией и системами оценки земли. Это позволяет легко и однозначно сочетать результаты проводимого анализа с другими данными, касающимися строительства и землепользования. Однако получение данных кадастрового деления может быть связано с дополнительными осложнениями. Кроме того, в связи с заявительным характером процедуры кадастрового учета земли в России, не все земельные участки в настоящее время поставлены на кадастровый учет и отображены на кадастровых картах. С учетом этих факторов для практической реализации метода был использован метод построения тематических карт на основе диаграмм Вороного.

Результаты практического применения метода. Программная реализация разработанного метода анализа выполнена в виде модуля в среде геоинформационной платформы разработки ArcGIS 10.1. Модуль позволяет работать с базой геоданных, которая должна включать следующие классы (слои) объектов:

1. Источники теплоснабжения.

2. Здания и их характеристики.

3. Участки тепловой сети с указанием диаметров и типа прокладки.

Алгоритм анализа заключается в выполнении последовательности следующих операций:

1. Для каждого здания по имеющимся характеристикам в базе геоданных определяется и сохраняется в таблице атрибутов величина нагрузки P_k.

2. Для каждого участка сети средствами сетевого анализа ГИС определяются здания, которые снабжаются через этот участок, определяются передаваемая по нему суммарная нагрузка и доля приписываемых ему на этом участке потерь (по аналогии с примером на рис.1 и формулами (3) - (5)).

3. Для каждого здания определяется показатель R_k.

4. Строится покрытие территории города в виде диаграммы Вороного (в ArcGIS - полигоны Тиссена).

5. Каждому полигону присваивается значение R_k в качестве атрибута и отображается слой полигонов в виде тематической карты, сопоставив цвета заданным диапазонам значений R_k.

В рамках проведенных экспериментов выполнен анализ распределения по территории коэффициента R_k для системы централизованного теплоснабжения города Иваново. С помощью модуля построена серия тематических карт, показывающих области экономически выгодного размещения потребителей с различной тепловой нагрузкой. Фрагмент этой карты показан на рис.2.

Рис.2. Фрагмент карты классификации территории города по распределению затрат на потери в тепловой сети

Тепловые нагрузки зданий определялись по формуле

(8)

где q - удельная тепловая характеристика здания; a - поправочный коэффициент; V - объем строения; t₁ - температура внутри здания; t₂ - температура снаружи здания.

Поскольку все данные кроме объема V в данной формуле являются известными заранее константами, а для сравнения используется относительная величина нагрузок потребителей, при проведении экспериментов нагрузка каждого потребителя определялась путем деления известной суммарной нагрузки между зданиями пропорционально их объему, который определялся по данным карты через площадь здания и его высоту.

Результаты исследования. Преимущества предложенного метода заключаются в возможности его автоматического использования без участия специалистов. В методе не учитываются технологические режимы работы сети, что может приводить к существенным отличиям результатов расчета потерь от реальных потерь. Однако для учета влияния на тариф этот подход более точен и адекватен, чем расчеты реальных величин потерь, поскольку он полностью соответствует нормативной методике, используемой при расчете тарифа.

Построенная тематическая карта отражают текущее распределение "выгодных" и "невыгодных" с точки зрения формирования тарифа потребителей. При оценке мероприятий по развитию сети карту необходимо перестраивать. В этом случае могут измениться условия не только для вновь присоединяемых объектов, но и для прилегающих к ним потребителей. Так, увеличение нагрузки вблизи "невыгодных" потребителей может перевести их в класс "выгодных", поскольку количество совместно используемых участков сети увеличится, а относительные затраты на каждого потребителя, использующего эти участки, уменьшатся.

Разработанный метод учитывает только одну из составляющих тарифа, зависящую от потерь. Но это единственная составляющая, которая зависит от расположения объектов и имеет пространственную структуру. Другие составляющие рассчитываются без применения ГИС и никак не связаны с пространственной структурой сети. Поэтому они могут учитываться в задачах принятия решений без применения специальных методик, использующих ГИС.

Как уже отмечалось, для интеграции полученных в результате анализа оценок с данными других муниципальных и государственных информационных систем целесообразно использовать в качестве объектов анализа, которым присваиваются оценки, земельные участки. В предложенной реализации для упрощения использовалось покрытие в виде диаграммы Вороного. При этом границы полигонов не связаны с реальными земельными участками, но переход к использованию земельных участков технически не составляет сложности и может быть применен при наличии данных по земельным участкам путем настройки в среде ГИС.

В проведенных экспериментах использовались тепловые нагрузки зданий, которые определялись косвенным путем через объем зданий. В настоящее время при реальном применении метода для существующих зданий можно использовать показания приборов учета отпуска тепловой энергии, которыми по законодательству оборудуются все здания. Это повысит точность оценок, но потребует использования дополнительных источников данных при создании базы геоданных.

Выводы