CC BY
53
УДК 621.311.1 ББК 31.282
Ю.И. СОЛУЯНОВ, А.И. ФЕДОТОВ, Д.Ю. СОЛУЯНОВ, АР. АХМЕТШИН
АКТУАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК МНОГОКВАРТИРНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ
Ключевые слова: система электроснабжения, расчетная электрическая нагрузка, удельное энергопотребление, суточные профили мощности.
Проектные организации для расчета мощности, потребляемой жилыми и общественными зданиями, используют нормативные удельные значения электрических нагрузок, которые не пересматривались с прошлого века. Практика строительства и эксплуатации систем городского электроснабжения показала, что в большинстве случаев реальные нагрузки меньше расчетных. Проведенные Ассоциацией «Росэлектромонтаж» исследования электрических нагрузок в течение 4 лет в более чем 5200 многоквартирных домах с последующей статистической обработкой показали, что фактические электрические нагрузки для Республики Татарстан в месяцы максимального электропотребления в 1,5-2,5 раза ниже, чем представленные в СП 256.1325800.2016 «Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа». Недавно построенные кабельные сети и трансформаторные подстанции 0,4/10 кВ по факту оказываются недогруженными. Причем эта недогрузка такая, что большая часть трансформаторов редко работает на 30% от своей мощности в часы максимального электропотребления. Расчет электрической нагрузки - основа проектирования системы электроснабжения любого объекта капитального строительства. От величины электрической нагрузки зависят стоимость капитальных затрат и плата за технологическое присоединение. Причина существенной разницы между реальной и расчетной нагрузками состоит, в том числе, из того, что за два прошедших десятилетия значительно изменилось электропотребление бытовыми приборами. Причем в сторону уменьшения потребления электроэнергии. Современный бытовой прибор, будь то холодильник или стиральная машина, это прибор с обязательно обозначенным классом энергопотребления. И чем выше класс, тем прибор конкурентоспособнее. Также приняты новые требования по энергетической эффективности зданий, строений, сооружений, приводящие к улучшению показателей удельного расхода тепловой и электроэнергий.
Расчет электрической нагрузки - основа проектирования системы электроснабжения любого объекта капитального строительства. От величины электрической нагрузки зависят структура системы, мощность и, соответственно, стоимость закладываемого электрооборудования [1-4]. Стоимость технологического подключения к действующим электрическим сетям определяется, главным образом, значением мощности, которую потребитель просит в своей заявке.
В настоящее время для расчета нагрузок жилых и общественных зданий используют нормативно-технический документ (НТД)1. Как показали оценочные расчеты специалистов Ассоциации «Росэлектромонтаж» (далее Ассоциация), нормативы, указанные в НТД, существенно завышены по сравне-
1 СП 256.1325800.2016. Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200139957.
нию с реальными значениями [10]. Замеры по трансформаторным подстанциям (ТП) представлены на рис. 1.
Рис. 1. Загрузка трансформаторных подстанций (кз): 1- кз < 15%; 2 - 15% < кз <30%; 3 - 30% < кз < 85%
Из вышепредставленной диаграммы можно сделать вывод, что порядка 80% трансформаторов загружены менее чем на 30%, следовательно, трансформаторы работают с низким КПД [5-7] и большими потерями относительно передаваемой электроэнергии от 2 до 12% при загрузке ТП от 5 до 30% (рис. 1). Потери для двухобмоточных трансформаторов определялись по формуле
2ДРтр = п ■ АРхх +1 • ДРкз • (ЬТ' 5ом) п
кВт,
где п - число параллельно работающих трансформаторов; АРхх - активные потери холостого хода (потери в стали трансформатора, не зависящие от величины нагрузки), кВт; АРкз - активные потери короткого замыкания в обмотках трансформатора, кВт; кзт - коэффициент загрузки трансформатора; 5ном - номинальная мощность трансформатора, кВА.
Потери в зависимости от коэффициента загрузки определялись по формуле
2дртркзт ф)) 100%,
где ооэф - коэффициент мощности принимаем равным 0,95.
На рис. 2. представлен график потерь в трансформаторах в зависимости от коэффициента загрузки.
Из рис. 2 видно, что чем меньше загружен трансформатор, тем больше потерь относительно передаваемой мощности. Так как порядка 50% трансформаторов загружены менее 15%, потери в них составляют от 2 до 4%.
За последнее десятилетие электропотребление бытовыми приборами за счет использования новых технологий изменилось в сторону уменьшения [8, 9, 11]. Современный бытовой прибор - это прибор с обязательно обозна-
ченной категорией энергосбережения. И чем выше класс, тем прибор конкурентоспособнее. Кроме того, для освещения улиц и дворов всё чаще применяются светодиодные светильники, в квартирах применяются энергосберегающие лампы. А так как растет стоимость 1 кВтч, жильцы действительно экономят электроэнергию [10].
12
11
10
9
8
äS 7
s
а ff 6
о 5
с
4
3
2
1
0
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 Коэффициенты загрузки трансформатора, %
Рис. 2. Потери в трансформаторах в зависимости от коэффициента загрузки: 1 - ТМ 250/10; 2 - ТМ 630/10; 3 - ТМ 1250/10; 4 - ТМ 2500/10
С 2023 г. показатели удельного расхода тепловой и электроэнергии должны быть улучшены на 40%, а с 2028 г. - на 50%1.
Классы энергетической эффективности многоквартирных жилых домов (МКД)2 представлены в табл. 1.
Таблица 1
Классы энергетической эффективности
1
2
1
Обозначение класса энергетической эффективности Наименование класса энергетической эффективности Величина отклонения значения фактического удельного годового расхода энергетических ресурсов от базового уровня, %
А++ высочайший -60 включительно и менее
А+ высочайший от -50 включительно до -60
А очень высокий от -40 включительно до -50
В высокий от -30 включительно до -40
С повышенный от -15 включительно до -30
D нормальный от 0 включительно до -15
1 Об утверждении Требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений: приказа Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 17.11.2017 г. № 1550/пр [Электронный ресурс] // Гарант: информ.-прав. портал. URL: https://base.garant.ru/ 71868640.
2 Об утверждении правил определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов: приказ Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ от 06.06.2016 г. № 399/пр [Электронный ресурс] // Гарант: информ.-прав. портал. URL: https://base.garant.ru/ 71462244.
Специалистами Ассоциации был проведен анализ информации электропотребления МКД по городам Республики Татарстан. Представим в графическом виде результаты расчетов по городам: Альметьевск, Бугульма, Елабуга, Казань, Набережные Челны (рис. 3). Как показали расчеты, наибольшее электропотребление в РТ наблюдается в г. Казань. В [10] говориться, что имеют место региональные отличия в части электропотребления.
Казань
Набережные Челны
Альметьевск
Бугульма
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Рис. 3. Удельное электропотребление в Республике Татарстан по городам, кВт-ч/квартира (далее - кВт/кв.)
На рис. 4 в качестве иллюстрации представлены профили мощности для трех групп МКД г. Казань. В зависимости среднего удельного электропотребления домов были рассмотрены три группы для г. Казань:
- к 1-й группе относятся жилые здания без лифтов с газовыми плитами;
- ко 2-й группе относятся жилые здания с лифтами с газовыми плитами;
- к 3-й группе относятся жилые здания с лифтами и с электрическими плитами.
Анализ профилей мощности (по данным ОАО «Сетевая компания») по МКД показал, что их характер качественно одинаковый и имеет место устойчивый максимум нагрузки в вечерние часы.
Расчеты показали, что фактические значения потребляемой мощности в периоды максимальной нагрузки ниже значений, приведенных в НТД, на 30-223%.
На рис. 5 (по данным ОАО «Сетевая компания») представлен сведенный суточный график (кривая 1) для 14-этажного МКД на 94 квартиры (кривая 2), детского сада на 180 мест (кривая 3), среднеобразовательной школы на 500 мест (кривая 4), из которого видно, что профиль для одинаковых категорий потребителей мощности изменяется по одному закону, а часы максимумов для различных категорий смещены.
Экономическая эффективность актуализации удельных нормативов потребляемой электрической мощности МКД определяется снижением значений их заявленной мощности, а соответственно, и мощностей (количества) силовых трансформаторов городских трансформаторных подстанций, снижением сечений питающих кабелей, а следовательно, и капитальных затрат при строительстве и эксплуатации.
0,25
0
00:00
0,1 0,05 0
00:00
0,6 0,5 0,4
а
х
> 0,3
т
х
■I 0,2 0,1 6Е-16 -0,1
12:00 23:30
12:00 23:30
Время
12:00
23:30
12:00 23:30
Время
00:00
12:00
23:30
12:00 23:30
Время
Рис. 4. Профили мощности для трех групп МКД г. Казань: а - 1-я группа МКД (1 - с 48 квартирами; 2 - с 105 квартирами; 3 - с 44 квартирами); б - 2-я группа МКД (1 - с 281 квартирой; 2 - с 210 квартирами; 2 - с 118 квартирами); в - 3-я группа МКД (1 - с 82 квартирами; 2 - с 93 квартирами; 2 - с 106 квартирами)
а
1
2
в
00:30 06:00 12:00 18:00 00:00
Время
Рис. 5. Суточный график мощности потребителей
Для инвестора-застройщика главная выгода актуализации значений удельных электрических нагрузок заключается в снижении величины заявленной мощности и, следовательно, платы за технологическое присоединение.
В табл. 2 и на рис. 6 и приведено сравнение значений удельной электрической нагрузки по НТД и оценочным расчетам Ассоциации.
Таблица 2
Значения удельной электрической нагрузки в зависимости от количества квартир в МКД по типовым проектам, кВт/кв.
Группа МКД Показатели Количество ква ртир
12 15 18 24 40 60 100 200 400
1-я Оценочные расчеты Ассоциации - - - - 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53
СП 256.1325800.2016 Расчетная электрическая нагрузка 2 1,8 1,65 1,4 1,2 1,05 0,85 0,77 0,71
2-я Оценочные расчеты Ассоциации - - - - 0,61 0,61 0,61 0,61 0,61
СП 256.1325800.2016 Расчетная электрическая нагрузка 2 1,8 1,65 1,4 1,2 1,05 0,85 0,77 0,71
3-я Оценочные расчеты Ассоциации - - - - - 0,81*** 0,81 0,81 0,81
СП 256.1325800.2016 Расчетная электрическая нагрузка 3,2 2,8 2,6 2,2 1,95 1,7 1,5 1,36 1,27
Примечание. * - удельные нагрузки включают в себя лифтовую нагрузку, нагрузку ИТП и нагрузку освещения МОП; ** - удельные нагрузки не включают в себя лифтовую нагрузку, нагрузку ИТП и нагрузку освещения МОП (ОДН); *** - данный показатель рассчитан для количества квартир, равного 65.
Для г. Казань специалистами Ассоциации были проанализированы несколько вариантов строительства жилого комплекса с использованием НТД и фактических значений, полученных экспериментальным путем, 8-й квартал жилого комплекса «Салават Купере», рис. 7.
323%
12 15 18 24 40 60 100 200
Количество квартир в доме
а
178%
40 60 100 200
Количество квартир в доме
б
40 60 100 200 400 600
Количество квартир в доме
в
Рис. 6. Сравнение значений удельной электрической нагрузки с СП 256.1325800.2016 (О) и расчетами Ассоциации (О): а - МКД 1-й группы; б - 2-й группы; в -3-й группы
Рис. 7. Квартал 8-й жилого комплекса «Салават Купере»
Основные данные, используемые для расчета:
- жилые дома, обозначенные п. 8-1, п. 8-2, п. 8-3, п. 8-4 - 340 квартир в каждом доме, с лифтами и электроплитами;
- жилые дома (п. 8-5, п. 8-6) - 102 квартиры в каждом доме, с лифтами и электроплитами;
- жилой дом, обозначенный п. 8-7 - 255 квартир с лифтами и электроплитами;
- жилой дом, обозначенный п. 8-8 - 425 квартир с лифтами и электроплитами;
- детский сад, обозначенный п. 8-9 - 260 мест.
Результаты расчетов показали, что при расчете по СП 256.1325800.2016 заявленная мощность составит 3 019,27 кВт, а при расчете с использованием оценочных расчетов Ассоциации - 1 889,46 кВт, экономический эффект составит более 21 млн руб. Внедрение позволяет существенно снизить расходы на электроснабжение вводимых застроек. Ожидаемый экономический эффект в РТ составит порядка 1 млрд руб. в год при сохранении существующих темпов строительства.
Выводы. 1. Актуализация расчетных удельных электрических нагрузок многоквартирных жилых домов принесет значительный экономический эффект.
2. Необходим пересмотр удельных электрических значений нагрузки для каждого региона в отдельности.
3. Выбор количества и мощности ТП с учетом фактических нагрузок обеспечит экономически выгодную эксплуатацию ТП.
Литература
1. Надтока И.И., Павлов А.В. Повышение точности расчета электрических нагрузок многоквартирных домов с электроплитами // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2015. № 2. С. 45-48.
2. Надтока И.И., Павлов А.В. Расчеты электрических нагрузок жилой части многоквартирных домов с электрическими плитами, основанные на средних нагрузках квартир // Известия вузов. Электромеханика. 2014. № 3. С. 36-39.
3. Надтока И.И., Павлов А.В., Новиков С.И. Проблемы расчета электрических нагрузок коммунально-бытовых потребителей микрорайонов мегаполисов // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 136-139.
4. Ополева Г.Н. Электроснабжение промышленных предприятий и городов. М.: ИНФРА-М, 2017. 416 с.
5. BeccaliM., CelluraM., Lo Brano V., Marvuglia A. Forecasting daily urban electric load profiles using artificial neural networks. Journal on Energy Conversion and Management, 2004, vol. 45, no. 18, pp. 2879-2900.
6. Farhoodnea M., Mohamed A., Shareef H., Zayandehroodi H. Power Quality Analysis of GridConnected Photovoltaic Systems in Distribution Networks. Przeglqd Elektrotechniczny, 2013, no. 2, pp. 208-213.
7. Jardini J.A., Tahan C.M.V., Gouvea M.R., Ahn S.U., Figueiredo F.M. Daily load profiles for residential, commercial and industrial low voltage consumers. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, vol. 15, no. 1, pp. 375-380.
8. José J., De G., Agüera-Pérez A., Palomares-Salas J.C., Sierra-Fernández J.M., Moreno-Muñoz A. A novel virtual instrument for power quality surveillance based in higher-order statistics and case-based reasoning. Mesurement, 2012, vol. 45, pp. 1824-1835.
9. Muscas C. Power quality monitoring in modern electric distribution systems. IEEE Instrum.Meas. Mag., 2010, vol. 13, no. 5, pp. 19-27.
10. Soluyanov Y.I., Fedotov A.I., Ahmetshin A.R. Calculation of electrical loads of residential and public buildings based on actual data. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 643, article no. 012051.
11. Tatietse T.T., Villeneuve P., Ngundam J., Kenfack F. Contribution to the analysis of urban residential electrical energy demand in developing countries. Energy, 2002, vol. 27, no. 6, pp. 591-606.
СОЛУЯНОВ ЮРИЙ ИВАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, президент ассоциации «Росэлектромонтаж», Россия, Москва (info@roselmon.ru).
ФЕДОТОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник инжинирингового центра «Компьютерное моделирование и инжиниринг в области энергетики и энергетического машиностроения», Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань (fed.ai@mail.ru).
СОЛУЯНОВ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ - генеральный директор, АО «Татэлектромон-таж», Россия, Казань (info@tatem.ru).
АХМЕТШИН АЗАТ РИНАТОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры энергетического машиностроения, Казанский государственный энергетический университет, Россия, Казань (ahmetshin.ar@mail.ru).
Yu. SOLUYANOV, A. FEDOTOV, D. SOLUYANOV, A. AKHMETSHIN ACTUALIZATION OF ELECTRICAL LOADS OF MULTI-APARTMENT RESIDENTIAL HOUSES Key words: power supply system, calculated electric load, specific energy consumption, daily power profiles.
Design organizations, to calculate the power consumed by residential and public buildings, use the standard specific values of electrical loads, which have not been reviewed since the last century. The practice of building and operating urban power supply systems has shown that in most cases real loads are less than calculated ones. The study of electrical loads conducted by Roselectromontazh Association for 4 years in more than 5,200 apartment buildings with subsequent statistical processing showed that the actual electrical loads for the Republic of Tatarstan in the months of maximum power consumption are 1,5-2,5 times lower than those presented in the joint venture 256.1325800.2016 "Electrical installations of residential and public buildings. Design and installation rules". Recently constructed cable networks and transformer substations of 0,4/10 kV in fact turn out to be underloaded. Moreover, this underload is such that most of the transformers rarely operate at 30% of their capacity during hours ofmaximum power consumption. Calculation of electrical load is the basis for designing the power supply system of any capital construction facility. The cost of capital costs and the payment for technological connection depend on the magnitude of the electric load. The reason for the significant difference between the real and the calculated load is that over the past two decades, the power consumption of household appliances has changed significantly. Moreover,
the changes are in the direction of reducing electricity consumption. A modern household appliance, whether it be a refrigerator or a washing machine, is an appliance with a necessarily designated energy class. And the higher the class, the more competitive the device. Also, new requirements have been adopted for the energy efficiency of buildings, structures, constructions, leading to improved indicators of specific consumption of heat and electricity.
References
1. Nadtoka I.I., Pavlov A.V. Povyshenie tochnosti rascheta elektricheskikh nagruzok mno-gokvartirnykh domov s elektroplitami [Improving the accuracy of calculating the electrical loads of apartment buildings with electric stoves]. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskii region. Tekhniche-skie nauki [University News. North Caucasus region. Technical science], 2015, no. 2, pp. 45-48.
2. Nadtoka I.I., Pavlov A.V. Raschety elektricheskikh nagruzok zhiloi chasti mnogokvar-tirnykh domov s elektricheskimi plitami, osnovannye na srednikh nagruzkakh kvartir [Calculations of the electrical loads of the residential part of apartment buildings with electric stoves, based on the average loads of apartments]. Izvestiya vuzov. Elektromekhanika [University News. Electro-mechanics], 2014, no. 3, pp. 36-39.
3. Nadtoka 1.1., Pavlov A.V., Novikov S.I. Problemy rascheta elektricheskikh nagruzok kommunal'no-bytovykh potrebitelei mikroraionov megapolisov [Problems of calculating the electrical loads of household consumers of microdistricts of megacities]. Izvestiya vuzov. Elektrome-khanika [University News. Electromechanics], 2013, no. 1, pp. 136-139.
4. Opoleva G.N. Elektrosnabzhenie promyshlennykh predpriyatii i gorodov [Power supply of industrial enterprises and cities]. Moscow, INFRA-M Publ., 2017, 416 p.
5. Beccali M., Cellura M., Lo Brano V., Marvuglia A. Forecasting daily urban electric load profiles using artificial neural networks. Journal on Energy Conversion and Management, 2004, vol. 45, no. 18, pp. 2879-2900.
6. Farhoodnea M., Mohamed A., Shareef H., Zayandehroodi H. Power Quality Analysis of GridConnected Photovoltaic Systems in Distribution Networks. Przeglqd Elektrotechniczny, 2013, no. 2, pp. 208-213.
7. Jardini J.A., Tahan C.M.V., Gouvea M.R., Ahn S.U., Figueiredo F.M. Daily load profiles for residential, commercial and industrial low voltage consumers. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, vol. 15, no. 1, pp. 375-380.
8. José J., De G., Agüera-Pérez A., Palomares-Salas J.C., Sierra-Fernández J.M., Moreno-Muñoz A. A novel virtual instrument for power quality surveillance based in higher-order statistics and case-based reasoning. Mesurement, 2012, vol. 45, pp. 1824-1835.
9. Muscas C. Power quality monitoring in modern electric distribution systems. IEEE Instrum.Meas. Mag., 2010, vol. 13, no. 5, pp. 19-27.
10. Soluyanov Y.I., Fedotov A.I., Ahmetshin A.R. Calculation of electrical loads of residential and public buildings based on actual data. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 643, article no. 012051.
11. Tatietse T.T., Villeneuve P., Ngundam J., Kenfack F. Contribution to the analysis of urban residential electrical energy demand in developing countries. Energy, 2002, vol. 27, no. 6, pp. 591-606.
SOLUYANOV YURI - Doctor of Technical Sciences, Professor, President, Association «Roselectromontazh», Russia, Moscow (info@roselmon.ru).
FEDOTOV ALEXANDER - Doctor of Technical Sciences, Professor, Leading Researcher of the Engineering Center «Computer Modeling and Engineering in the Field of Power Engineering and Power Engineering», Kazan State Power Engineering University, Russia, Kazan (fed.ai@mail.ru).
SOLUYANOV DMITRY - General Director, JSC «Tatelectromontazh», Russia, Kazan (info@tatem. ru).
AKHMETSHIN AZAT - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Power Engineering, Kazan State Energy University, Kazan, Russia (ahmetshin.ar@mail.ru).
Формат цитирования: Солуянов Ю.И., Федотов А.И., Солуянов Д.Ю., Ахметшин А.Р. Актуализация электрических нагрузок многоквартирных жилых домов // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 180-189.
