Е
сть ли альтернативы единице измерения кВт*час/м3 для оценки энергоэффективности? Возможна ли разработка отраслевых эталонных коэффициентов энергоэффективности? Какие принципы могут быть положены в их основу? Этими вопросами задаются многие специалисты.
В журнале НДТ № 5-2023 опубликован адаптированный перевод статьи на данную тему, адресованной отраслевому сообществу. Авторы из испанского технологического университета С. Лонго, А. Х. Хоспидо, М. Маурицио-Иглесиас анализируют международный опыт в области выбора метода сравнительного анализа энергоэффективности КОС (оригинал статьи: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301479723014123).
Публикация снабжена комментарием В.И. Баженова, д-ра техн. наук, профессора, руководителя секции Экспертно-технологического совета РАВВ «Энергоэффективность сооружений и систем водоснабжения и водоотведения. Системы управления». Он подчеркивает, что предложенный вниманию читателей материал – это не подробный исследовательский отчет, а ввод в тему, который, несомненно, может служить хорошим референсом к научно-техническим разработкам по обсуждаемой проблематике. Материалы статьи позволяют, например, найти в интернете конкретные математические модели с описанием принципов их построения на основе опыта использования в различных странах, что компенсировало некоторую «недосказанность» публикации.
Вселяет надежду на продвижение в данном направлении появляющаяся практика использования водоканалами РФ регрессионного анализа для оценки энергетического менеджмента на базе ISO 50001. Например, известен опыт ООО «Челныводоканал» (главный специалист Роберт Латыпов), который исследовал работу сетевого хозяйства, включающего насосные станции. Есть надежда, что уровень цифровизации и арсенал информационных технологий облегчат задачу.
Предлагаем вниманию читателей краткий анонс публикации, предоставленный журналом «НДТ».
Введение
Данная статья посвящена методам сравнительного анализа, как основной стратегии управления данными и применению этих методов для оценки энергоэффективности очистных сооружений.
Благодаря новым разработкам в области информационных технологий, производству недорогих сенсоров и повсеместному распространению автоматизированных систем управления (например, SCADA систем) накопилось огромное количество данных по управлению водоотведением, которые не используются в полной мере и обладают большим потенциалом для повышения эффективности процессов очистки сточных вод. Некоторые из этих данных собираются и хранятся коммунальными службами и природоохранными органами различного уровня, для различных целей, без единого формата или метода хранения. Кроме того, большие объемы данных с очистных сооружений канализации (ОСК) необходимо должным образом преобразовать в рекомендации по улучшению их работы.
Поскольку очистные сооружения являются крупными потребителями энергии, энергоэффективность актуальна практически для всех водохозяйственных предприятий.
Энергетический сравнительный анализ предполагает участие работников самых разных уровней: операторов очистных сооружений, руководителей, регуляторов, поставщиков технологий, потребителей и т. д., с разными возможностями и интересами, которые должны учитываться при выборе правильного инструмента. Общей характеристикой методов, разработанных для широкого стандартизированного сравнительного анализа, является их простота, поскольку они предназначены для использования специалистами разного уровня. Примеры таких методов включают Energy Check, разработанный Немецкой ассоциацией по водоотведению и отходам (DWA, 2015 г.), Energy Star, спонсируемый исследовательским фондом AWWA в США, или стандарт CEN /TR 17614, разработанный в рамках программы H2020 (Longo et al., 2019). Международная сеть сравнительного анализа предприятий водоснабжения и водоотведения (IBNET, 2022 г.) − проект, спонсируемый Всемирным банком − использует для сравнительного анализа большое количество показателей, однако для оценки энергоэффективности очистных сооружений основывается на одном показателе: расход энергии на единицу объема сточных вод и обычно указывается в кВт*ч/м3. И наоборот, более подробное сравнение (на основе анализа среды функционирования, регрессионного анализа и т. д.), проводимое техническими специалистами, требует более сложных и информационно емких инструментов.
Обзор методов сравнительного анализа энергоэффективности очистных сооружений канализации
Эффективность обычно определяется как «отношение между производством услуги, товара или энергии» и потребностью в ресурсах. В отношении энергоэффективности ресурсом является потребность в энергии, включая другие ресурсы, которые в конечном итоге могут быть преобразованы в полезную форму энергии. Что касается очистных сооружений, определение предоставляемых услуг несколько сложнее. Произвести количественную оценку «очистки сточных вод» или «регенерации ресурсов» непросто, поэтому эти понятия должны быть разделены на различные функции очистных сооружений, которые могут включать, среди прочего, «удаление азота», «снижение количества патогенов», «удаление фосфора из стоков», «производство биогаза из органического углерода» и т. д., в зависимости от состава исходных стоков, местоположения выпуска и требований к очищенному стоку. Таким образом, первым шагом в энергетическом сравнительном анализе является определение функций, выполняемых очистными сооружениями, а затем их соотнесение с потребностью в энергии. Все методы сравнительного анализа требуют такого определения энергии (или «затрат») и предоставляемых услуг (или «выработка»).
Ключевые показатели эффективности и соотношения
Непосредственно основанные на определении эффективности ключевые показатели эффективности (КПЭ) представляют собой простейший метод сравнительного анализа. КПЭ часто представляет собой соотношение данных «затраты-выпуск» (входные и выходные данные), которое может быть получено путем нормирования расхода энергии на основе единицы деятельности или предоставляемой услуги.
Удельное потребление энергии использовалось для ориентировочной характеристики энергоэффективности очистных сооружений. Однако прямое сравнение, основанное только на удельном потреблении энергии, действительно упускает из виду многие детали эксплуатации сооружений и делает его возможным только тогда, когда ОСК очень схожи, т. е. имеют схожую планировку, используют аналогичные технологии, работают в близких климатических условиях, обрабатывают примерно одинаковые объемы сточных вод и т. д.
Очевидным преимуществом КПЭ является то, что их можно относительно недорого получить, просто обработать и понять. Однако этот подход имеет ограниченные возможности, поскольку обеспечивает неполную оценку. Например, в детальном изучении энергоэффективности очистных сооружений Турина использовались четыре КПЭ (расход энергии на одного эквивалентного жителя; на м3 воды; на кг удаления ХПК; на кг удаления азота), поскольку, по сути, один КПЭ может неполностью отразить все функции очистных сооружений. ОСК может выполнять несколько функций, например удаление ХПК, азота, фосфора и патогенов или производство энергии или материалов, таких как биогаз и удобрения.
Можно сделать вывод, что частичные контрольные показатели, такие как простые коэффициенты и ключевые показатели эффективности, часто приводят к вводящим в заблуждение сравнениям, и поэтому для эффективного сравнительного анализа энергозатрат следует рекомендовать другие стратегии, выходящие за рамки первого приближения. В связи с этим правильное определение энергоэффективности очистных сооружений должно отражать многомерную концепцию с учетом различных функций ОСК.
Метод ENERWATER
С целью представления многофункционального характера работы очистных сооружений канализации был разработан метод для систематической оценки энергоэффективности конкретного ОСК. В результате применения данного метода рассчитывается Энергетический индекс очистки воды (ЭИОВ), который представляет собой обобщенный показатель, полученный путем объединения нескольких КПЭ.
Подход, в основном, включает: 1) измерения энергопотребления и производительности очистных сооружений по расходу сточных вод, удалению ХПК и биогенных элементов, удалению осадка и снижению нагрузки по патогенам; 2) определения или оценки ключевых показателей эффективности, отражающих эффективность различных функций ОСК, выполняемых на разных этапах; 3) выражения ключевых показателей эффективности в едином индексе (т. е. ЭИОВ (WTEI)), который можно использовать для сравнительного анализа энергоэффективности различных очистных сооружений, 4) обозначения (A, B, C…) для простоты информирования широкой общественности.
Существует два варианта данного метода, различающиеся в основном уровнем детализации требуемой информации:
а) Метод быстрого аудита (Rapid Audit) определяет ЭИОВ (WTEI) для сравнительного анализа с использованием регулярных измерений энергопотребления и отбора проб сточных вод, тем самым обеспечивая быстрый сравнительный анализ.
б) Метод поддержки принятия решений (Decision Support) предусматривает комплексную программу отбора и анализа проб поступающих на очистку сточных вод и стока различных ступеней очистки на сооружениях. Это дает не только ЭИОВ, но и выявляет неэффективные процессы на предприятии, что позволяет определять корректирующие действия.
Результаты применения быстрого аудита и метода принятия решений отображаются на маркировках, используемых в практике оценки энергоэффективности, так что они будут легко понятны широкому кругу заинтересованных лиц.
Метод ENERWATER стал основой нового стандарта CEN/TR 1761. «Стандартный метод оценки и повышения энергоэффективности очистных сооружений канализации» утвержден в январе 2021 г. в качестве европейского стандарта для определения и измерения энергоэффективности на очистных сооружениях.
Немецкий стандарт DWA-A 216
Немецкая водная ассоциация (DWA) за последние два десятилетия приложила значительные усилия к разработке стандарта по повышению энергоэффективности на очистных сооружениях. Стандарт DWA-A 216 (2015 г.), предполагает двойной подход.
Первая простая оценка, называемая Energy Check (Энергопроверка), основана на сравнении совокупных ключевых показателей энергопотребления (кВт*ч/эквивалентное число жителей в год) в целях быстрого выявления очистных сооружений, где отмечается непроизводительный расход энергии и, которые, следовательно, нуждаются в более глубоком анализе.
Второй подход, называемый Анализом энергопотребления (АЭ), состоит из разбивки ОСК до уровня отдельного оборудования и сравнения энергопотребления с идеальными значениями производительности, оцененными при средней нагрузке для энергоемкого оборудования, такого как насосы, воздуходувки, компрессоры, мешалки, оборудование для сушки осадка, а также оборудования для механической очистки, такого как решетки, скребки и др. Поскольку АЭ требует большого количества эксплуатационных данных в качестве исходных для расчетов, весь этот процесс может длиться несколько месяцев. Объем работы зависит от достоверности данных, количества оборудования и процессов, подлежащих оценке. Он может варьироваться от нескольких дней для простой насосной станции до нескольких недель для комплексных очистных сооружений (КОС). Обычно к АЭ привлекаются инженер-гидравлик и инженер по электрооборудованию.
Этот подход, безусловно, информационно емкий, и он очень хорошо подходит для технической ревизии очистных сооружений, разработки предложений по модернизации и сравнению оборудования. Основным недостатком, пожалуй, является то, что не используется полная информация о процессе, например, даже если воздуходувка работает оптимально, избыточная аэрация из-за слишком высокого заданного значения растворенного кислорода делает процесс неэффективным, хотя это не будет обнаружено при анализе отдельных единиц оборудования.
Анализ среды функционирования
Анализ среды функционирования (АСФ) (Data Envelopment Analysis DEA) − это модель многофакторного анализа производительности, используемая для оценки относительной эффективности ряда однородных компаний (или подразделений, принимающих решения, в рамках литературы по АСФ). В целом, приложения АСФ можно разделить на одно- и двухэтапный АСФ в зависимости от того, проводится ли оценка эффективности: 1) на одном этапе с учетом только входных и выходных переменных или 2) на двух этапах, включая метод, который учитывает возможное внешнее воздействие на эффективность, таких факторов, как, например, климат или технологии.
Параметрические подходы
Параметрические подходы к сравнительному анализу в сфере очистки сточных вод являются относительно новыми по сравнению, например, с КПЭ и АСФ. Параметрический подход заключается в статистическом анализе, который в зависимости от метода можно разделить на 1) простой регрессионный анализ, т.е. обычный метод наименьших квадратов (ОМНК) или скорректированный ОМНК (СОМНК) и 2) стохастический пограничный анализ (СПА).
Регрессионный анализ
Модель линейной регрессии, такая как очень популярный обычный метод наименьших квадратов (ОМНК), может использоваться для оценки энергопотребления системы. Результатом такой оценки в простейшем случае может быть функция регрессии всего с одной переменной.
В отличие от АСФ, который устанавливает эффективную границу (представляющую наилучшую производительность), функция регрессии представляет среднюю производительность. Поскольку разброс значений является разницей между фактическим потреблением энергии и ее прогнозируемым потреблением для данной услуги (или выхода), его можно рассматривать как меру неэффективности. Таким образом, очистные сооружения с показателями выше среднего можно считать неэффективными, а очистные сооружения с показателями ниже среднего − эффективными.
Регрессионный подход можно дополнить, установив распределение разброса значений. Этому подходу следовал метод Energy Star, запущенный в США в 2007 г. в рамках расширенной программы Агентства по охране окружающей среды (EPA). Этот метод основан на функции линейной регрессии, разработанной с использованием данных 257 очистных сооружений по всей территории США. Прогноз среднего энергопотребления ОСК осуществляется с использованием в качестве входных данных среднего расхода поступающего стока, концентрации БПК притока и очищенного стока, коэффициента нагрузки и двух бинарных переменных, учитывающих наличие фильтрации и/или удаления биогенов. Затем фактическую оценку получают путем сравнения разницы между фактическим потреблением и прогнозом. Отрицательный результат сравнения означает, что станция использует меньше энергии, чем ожидалось, и наоборот.
Расширением ОМНК, которое определяет границу потребности вместо линии средней производительности, является метод скорректированных обычных наименьших квадратов (СОМНК). Этот метод представляет собой двухэтапную процедуру: 1) линия регрессии сначала оценивается с помощью ОМНК и 2) затем линия регрессии смещается вниз так, что итоговая линия регрессии (называемая границей СОМНК) охватывает все данные. Следовательно, эффективными очистными сооружениями являются те, показатели которых значения лежат на границе СОМНК.
Хотя метод СОМНК привлекателен с точки зрения простоты, более реалистичная точка зрения состоит в том, что не все различия между фактическими данными и границей обусловлены эффективностью. Это особенно справедливо применительно к очистке сточных вод, где может присутствовать значительная неопределенность как в данных, собранных в рамках обязательного мониторинга, так и в соответствии с требованиями отчетности, установленными законодательным путем. Более того, поскольку предполагается, что граница СОМНК охватывает все точки, она очень чувствительна к выпадающим показателям, которые могут отодвинуть границу от точек систематизированных данных.
Стохастический пограничный анализ
Подход СОМНК подразумевает, что отклонение от границы обусловлено исключительно неэффективностью. Альтернативно, это можно рассматривать как сочетание элемента случайной (стохастической) ошибки и элемента неэффективности, который сам может состоять из нескольких элементов. Эконометрическая методика, известная как стохастический пограничный анализ (СПА), была разработана для получения отдельных оценок этих двух компонентов.
Если каждая переменная единица наблюдается в несколько разных моментов времени, часть этой ненаблюдаемой неоднородности можно оценить, поскольку она не меняется со временем. Важным преимуществом использования таких данных является то, что термин неэффективности можно рассматривать как состоящий из двух компонентов: постоянного (не зависящего от времени) и транзитного (изменяющегося во времени). Постоянный компонент соответствует наличию структурных нарушений, таких как неэффективное оборудование или конструктивные ограничения, которые не позволяют станции минимизировать энергопотребление; транзитный компонент может быть вызван наличием несистематических проблем, которые можно решить в краткосрочной перспективе, таких как коррекция неверной стратегии эксплуатации, например, из-за слишком редкого отбора проб.
Благодаря применению метода можно оценить неэффективность, связанную с моральным износом очистных сооружений, и, следовательно, определить, сколько энергии можно сэкономить при модернизации оборудования очистных сооружений. Применение СПА к очистным сооружениям всякий раз, когда доступны групповые данные, является новым и многообещающим подходом, позволяющим отличить, является ли неэффективность результатом неэффективного оборудования или неэффективной эксплуатации (не)эффективного оборудования. Следовательно, СПА представляет собой полезный инструмент для постановки энергетического диагноза на основе общих эксплуатационных данных.
Сопоставление методов сравнительного анализа
Из описания методов сравнительного анализа легко сделать вывод, что они различаются по сложности, масштабу, чувствительности к выбросам, по требованиям к данным, интерпретации эффективности и т. Д. Становится ясно, что ни один метод не может обеспечить универсальное решение, поскольку все они имеют свои как теоретические, так и практические особенности. Это означает, что окончательные оценки эффективности не следует интерпретировать как окончательные измерители неэффективности. Скорее, можно разработать ряд балльных оценок эффективности, которые будут действовать как сигнальный драйвер, а не как окончательное утверждение. Важным моментом является способность учитывать факторы, которые не находятся под прямым контролем руководства ОСК и, следовательно, является экзогенным по отношению к системе очистки сточных вод, например, характеристики сточных вод, поступающих на очистку.
Анализ участников на ОСК
Выбор метода сравнительного анализа действительно является сложной задачей, попытаемся ответить на следующие вопросы:
- Кто проводит сравнительный анализ («участник»)?
- Какова цель сравнительного анализа («задача»)?
- Какой метод лучше всего подходит как для задачи, так и для участника?
- Каков характер имеющихся данных?
Чтобы направить процесс выбора наилучшего метода сравнительного анализа, необходимо изучить мотивацию участников, их интерес и уровень. Сравнение различных целей оценки энергоэффективности у разных заинтересованных сторон приведено в табл.
Таблица. Элементы, которые следует учитывать при выборе метода сравнительного анализа.
| Участник | Задача | Метод | Данные |
| Директор ОСК | Контроль процессов | КПЭ | Текущие анализы |
| Начальник по эксплуатации (технолог) |
Оценка эффективности Оптимизация процесса |
ENERWATER RA ENERWATER DS |
Текущие анализы Подробный мониторинг энергопотребления и программа отбора проб |
| Технический директор | Диагностика | DWA Анализ энергопотребления | Технические паспорта оборудования |
| Главный инженер | Планирование деятельности | СПА | Массив данных за период |
| Главный энергетик | Проверка энергосбережения | ENERWATER RA |
Текущие анализы
|
| Генеральный директор | Взаимодействие с заинтересованными сторонами | ENERWATER RA |
Текущие анализы
|
| Регулятор |
Контроль Разработка стимулов |
ENERWATER RA Двухэтапный АСФ СПА |
Текущие анализы Оперативные данные Массив данных за период |
| Научный работник | Проверка гипотез |
Двухэтапный АСФ СПА СПА |
Оперативные данные Оперативные данные Массив данных за период |
| Поставщик технологий |
Проверка эффективности оборудования Проверка совершенствования процесса |
DWA Анализ энергопотребления
ENERWATER DS
|
Технические паспорта оборудования
Программа детального мониторинга и отбора проб |
Предлагаемая основа повышения энергоэффективности
Повышение энергоэффективности на очистных сооружениях представляет собой сложную задачу, в которой задействовано несколько участников (как внутренних, так и внешних по отношению к водохозяйственному предприятию). Реализация этой задачи требует обмена различными типами информации; анализ энергоэффективности можно осуществить с помощью широкого набора методов. Более того, даже несмотря на то, что вышеупомянутые участники могут иметь общую цель повышения энергоэффективности на очистных сооружениях, способы достижения этой цели различаются по их средствам и временным горизонтам (краткосрочные и долгосрочные). Без эффективной структуры, способной стимулировать правильный обмен информацией между участниками, устойчивое применение любой политики энергоэффективности может оказаться под угрозой, а ее цели могут оказаться несогласованными. Предлагается комплексная рамочная структура, которая интегрирует и связывает данные, методы и участников (см. рис.). Эта структура представляет обоснование, которое, начиная с данных, обеспечивает получение полезной информации для принятия решений.
Рис. Комплексная основа для повышения энергоэффективности очистных сооружений
Для разработки успешной рамочной программы повышения энергоэффективности для очистных сооружений канализации необходимо учитывать сильно различающиеся цели и требования разных участников на всех уровнях. Постановка целей вместе с подробным и глубоким анализом и общением между различными участниками будет содействовать достижению общей цели повышения эффективности использования энергии и, следовательно, достижению цели улучшения как экономических, так и экологических показателей.
Выводы
Возросшая доступность данных и компьютерных технологий открыла двери для многих методов использования измерений в секторе очистке сточных вод. Отмечается, что каждый метод сравнительного анализа предлагает свои соображения по производительности очистных сооружений, и результаты вполне могут иметь различную интерпретацию. Хотя методы, обсуждаемые в данной статье, позволяют выявить, количественно оценить и объяснить (не)эффективность, принятие решений является результатом компоновки многих источников информации и правильного выбора метода сравнительного анализа. Сосредоточив внимание на очистке сточных вод и, особенно, на энергоэффективности, мы определили требования наиболее распространенных методов сравнительного анализа в отношении данных, ресурсов, сложности использования и предоставляемой информации. Этот анализ позволил связать каждый метод с различными заинтересованными сторонами в водном секторе и задачами сравнительного анализа. Кроме того, поскольку неэффективность, оцениваемая каждым методом, имеет различное происхождение, можно было связать ее компоненты с корневыми причинами в процессах очистки сточных вод. Таким образом, предложена рамочная основа, которая поможет заинтересованным сторонам водного сектора выбрать наиболее подходящий метод сравнительного анализа для повышения энергоэффективности очистных сооружений.
Как прочитать статью полностью узнайте здесь.