Научная статья на тему 'Хорошо бы знать заранее…'

Хорошо бы знать заранее… Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
42
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / ENERGY SAVING / ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ / HEAT SUPPLY / КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ / CLIMATIC CONDITIONS / МЕТЕОНАБЛЮДЕНИЯ / WEATHER OBSERVATIONS / ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД / HEATING SEASON

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Зоркальцев В.И.

В статье представлены исследования колебаний потребности в топливе на отопление по экономическим районам России и СССР на основе наблюдений температур за 1881-1978 гг.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Research of fluctuation in fuel demand used for heating in economic regions of USSR is presented in the article. Research is based on temperature measuring for the period 1881-1978.

Текст научной работы на тему «Хорошо бы знать заранее…»

В статье представлены исследования колебаний потребности в топливе на отопление по экономическим районам России и СССР на основе наблюдений температур за 1881-1978 гг.

Ключевые слова: энергосбережение, теплоснабжение, климатические условия, метеонаблюдения, отопительный период

Хорошо бы знать заранее...

В. И. ЗОРКАЛЬЦЕВ,

доктор технических наук, Иркутск

E-mail: zork@isem.sei.irk.ru

Зимы бывают разные

Практика показывает, что крупные проблемы энергосбережения в нашей стране возникают обычно в холодные зимы. Причем иногда закрадываются подозрения, что сами холодные зимы наступают именно тогда, когда в России снижается надежность систем энергообеспечения.

Вообще с климатом все не просто. Почему-то рябина и грибы хорошо знают наперед, какая будет зима. Именно перед холодной зимой у них случается богатый урожай. А вот Росгидромет и вся российская метеорологическая наука не могут прогнозировать погоду с заблаговременностью более чем в пять суток. И мировая наука не может. Вот насмешка природы - именно прошедшей зимой, когда представители всего мира собрались в Европе решать проблему якобы происходящего и грозящего потепления, в этот регион пришли холода и снегопады.

Конечно, хорошо бы иметь достоверный прогноз метеорологических условий на ближайшую зиму, а лучше бы - на несколько лет вперед. Впрочем, много ценного для будущего можно извлечь из полученной ранее информации, даже не пытаясь прогнозировать погоду на следующую зиму.

Накопленные за многие десятилетия метеорологические наблюдения позволяют оценивать, какие в принципе зимы могут быть, вероятность наступления теплых и холодных зим, и на основе этого определять рациональный состав мероприятий для противодействия возможным негативным природно-метеорологическим ситуациям. Следует различать два типа таких негативных ситуаций, которые часто проявляются в одни и те же отопительные периоды.

Первый тип. Экстремально низкие температуры в течение нескольких дней (обычно от 5 до 10 дней где-то в декабре-феврале). В такие периоды возрастает вероятность отказов систем тепло-, электро- и газоснабжения (из-за ухудшения условий эксплуатации и роста нагрузок). Часто одновременно выходят из строя резервирующие друг друга теплотрассы, ЛЭП или газопроводы. Причем иногда в одном поселении или в одном районе города отказывают сразу две, а то и три из этих систем энергообеспечения. Например, аварийный выход системы теплоснабжения ведет к увеличению энергетических

нагрузок из-за того, что для отопления используются обогревательные электроприборы. В результате выходят из строя перегруженные электрические сети. Или, наоборот, отключение электроснабжения становится причиной ухудшения работы и отказа систем теплоснабжения. Перебои с газоснабжением крупных городских ТЭЦ, работающих на газе, или перебои с подачей угля на угольных ТЭЦ могут стать причиной больших проблем одновременно в тепло- и даже электроснабжении отдельных территорий.

При этом из-за морозов бывают затруднены ремонтные и восстановительные работы. Нередко из-за холодов возникают временные проблемы с подвозом и разгрузкой топлива (смерзание угля в вагонах), использованием резервного топлива (увеличение вязкости мазута). В холодные дни резко возрастают потери и ущербы от аварийных ситуаций, риски для жизни людей.

Все это говорит о необходимости развития методов системного исследования надежности энергообеспечения в экстремальных ситуациях с учетом имеющихся взаимосвязей отдельных отраслевых систем энергетики.

Второй тип. Возрастающая потребность в топливе на отопление в холодные зимы, что может приводить к нехватке топлива и вследствие этого - к ограничениям и перебоям в энергоснабжении предприятий и населения. То есть не только отдельные экстремально холодные дни, но и холодная зима в целом может стать причиной больших проблем в энергоснабжении. К этому «второму типу» можно отнести для России зиму 2009-2010 гг.

В данной статье представлены начатые автором еще в 1980-х годах исследования колебаний потребности в топливе на отопление на основе многолетних наблюдений температур по экономическим районам СССР с 1881 г. по 1978 г.1 Некоторые результаты этих исследований публиковались2. Большую роль в организации, прове-

1 Гневко Г. Т. Среднемесячная температура воздуха и продолжительность отопительного периода с температурой воздуха ниже 8°С для экономических районов СССР. В 2-х ч. - Обнинск: ВНИИТМИ-МИД, 1981.

2 Зоркальцев В. И., Иванова Е. Н. Анализ интенсивности и синхронности колебаний потребности в топливе на отопление. - Сыктывкар: Коми науч. центр УрО АН СССР, 1989; Зоркальцев В. И., Шарапов Ю. А. Не последняя холодная зима //ЭКО. - 1986. - № 5. - С. 63-72.

дении и практическом использовании этих исследований сыграл отдел ТЭК НТЦ в аппарате Совета министров СССР, который возглавлял А. Н. Сафронов. Выражаем признательность Ю. Я. Мазуру, А. С. Некрасову и другим ученым, в работах которых формировалась методика исследований проблем анализа и регулирования колебаний топливопотребления3.

«Градусовки» - измеритель суровости климата

«Кто знает меру, у того не будет неудачи» Дао дэ Цзин, «Книга пути и благодати»

И Россия, и весь бывший СССР - это территория холодного климата, хоть и не одинаково сурового. В районах Кавказа и Средней Азии отрицательная среднемесячная температура только в январе, в остальные месяцы - выше нуля. А в Сибири и на Дальнем Востоке положительная температура бывает лишь три месяца в году.

Самый суровый «полюс холода» северного полушария -Оймякон, расположенный на юге Якутии. Здесь случаются рекордные холода в отдельные дни, а среднегодовая и среднемесячные температуры - самые низкие на Земле, кроме Антарктики. На звание самого сурового края в России может претендовать и Путорана (полуостров Таймыр) - единственное место в мире, кроме Антарктики, где не обитают вездесущие вороны.

Безусловно, выбор способа изучения степени суровости климата должен зависеть от конкретных целей. В нашем случае это - исследование колебаний расхода топлива на отопление в зависимости от теплой или холодной зимы, исходя из того, что расход соразмерен теплоэнергии, необходимой для отопления. А расход теплоэнергии пропорционален, согласно законам теплопроводности, разнице температур внутри и вне отапливаемого помещения.

Температуру вне здания можно узнать из метеорологических наблюдений. Внутри здания, конечно, могут быть различные

3 Мазур Ю. Я. Проблемы маневренности в развитии энергетики. - М.: Наука, 1986; Некрасов А. С, Великанов М. А. Многолетнее регулирование расходов топлива на отопление и вентиляцию //Достижения и перспективы. Сер. энергетика. - М.: МЦНТИ КСА при Президиуме АН СССР. - 1986. -Вып. 46. - С. 85-98.

температуры. Норматив для детских учреждений - 24° С, 20° С - для жилых помещений, 18° С - служебных, 14° Си ниже- производственных помещений и складов. В представленных далее результатах расчетов принято значение температуры внутри здания, равное 18° С. Таким образом, считаем, что расход топлива на отопление в данный день пропорционален разнице температуры в помещении со среднесуточной температурой наружного воздуха в этот день.

Итак, в качестве основного показателя будем рассматривать интегральную разность температур внутри и вне здания за все сутки отопительного периода. Её можно представить в виде произведения двух других показателей, также являющихся важными природно-метеорологическими характеристиками регионов.

Один из них - продолжительность отопительного периода. В представленных далее расчетах условно считается, что отопительный период наступает после того, как в конкретном районе в течение пяти суток температура воздуха падает ниже 8° С, и заканчивается после того, как температура воздуха поднимается выше 8° С в течение пяти суток.

Второй показатель - средняя за отопительный период разность температур внутри и вне здания. Операционно этот показатель можно вычислить для данного отопительного периода путем деления интегральной разности температур за отопительный период (получаемой в виде суммы по суткам отопительного периода) на продолжительность отопительного периода.

В табл. 1 представлены средние значения метеорологических показателей за период с 1881 г. по 1978 г. по экономическим районам СССР. Интегральная разность температур и продолжительность отопительного периода определялись как простые невзвешенные средние за все рассматриваемые отопительные периоды. Средняя за все периоды разность температур определялась делением интегральной разности температур на продолжительность отопительного периода.

Экономические районы, у которых интегральная разность температур больше, чем для СССР в среднем (4208), условно названы районами с холодным климатом. В 1980-х годах было

Таблица 1

Средние климатические характеристики экономических районов СССР, 1881—1978 гг.

Экономический район Интегральная разность температур, градусодни Продолжительность отопительного периода, дни Средняя за отопительный период разность температур, °С

Районы с холодным климатом

ВосточноСибирский 7855 269 29,2

Дальневосточный 7720 267 28,9

ЗападноСибирский 7478 269 27,8

Северо-Западный 6169 265 23,4

Уральский 5763 228 25,3

Волго-Вятский 5398 229 23,6

Центральный 4802 220 21,8

Казахстанский 4726 198 23,9

Поволжский 4516 199 22,7

Районы с относительно теплым климатом

ЦентральноЧерноземный 4200 198 21,2

Белорусский 3882 200 19,4

Прибалтийский 3881 207 18,7

Донецко-Приднепровский 3620 184 19,7

Юго-Западный 3619 189 19,1

СевероКавказский 3269 177 18,5

Южный 3113 172 18,1

Закавказский 3056 178 17,2

Средняя Азия 2744 154 17,8

СССР в целом 4208 225 18,7

осуществлено деление Северо-Западного экономического района на Северный и Северо-Западный. В статье они рассматриваются как один в старом названии.

Самыми холодными, как и следовало ожидать, оказались три района восточнее Урала - Восточно-Сибирский, Дальневосточный и Западно-Сибирский. Они в значительном «отрыве» от остальных не только по показателю интегральной разности температур, но и по двум другим рассматриваемым климатическим характеристикам - продолжительности отопительного периода и среднесуточной разности температур за отопительный период внутри и вне зданий.

Близок к сибирским регионам по продолжительности отопительного периода Северо-Западный район на территории Европейского Севера России. По показателю средней разности температур он значительно уступает сибирским регионам, поэтому существенно отстает и по показателю интегральной разности температур.

Так получилось, что 18 экономических районов поровну поделились на районы с большей и меньшей интегральной разностью температур, нежели для СССР в среднем. Однако деление это условно: например, по показателю продолжительности отопительного периода некоторые из районов второй группы (Центрально-Черноземный, Белорусский, Прибалтийский) совпадают и даже превосходят некоторые районы первой группы (Казахстанский, Поволжский).

По средней интегральной разности температур наиболее холодный район (Восточная Сибирь) отличается от наиболее теплого (Средняя Азия) в 2,86 раза. Причем этот разрыв формируется в несколько большей степени за счет регионов с холодными климатическими условиями. Отношение этого показателя для Восточной Сибири к среднему по стране составляет 1,87, в среднем по СССР к его значению для Средней Азии - 1,53. Еще в большей степени разнятся для этих двух групп регионов отклонения средней разности температур -1,56 и 1,05 раза.

По показателям продолжительности отопительных периодов различия между регионами первой группы существенно

меньше, чем у регионов второй группы. Продолжительность отопительного периода в Восточно-Сибирском, Дальневосточном и Западно-Сибирском районах примерно в 1,2 раза больше средней по стране. В то время как средняя продолжительность отопительного периода в СССР больше, чем в Средней Азии, в 1,46 раза.

Отличия экономических районов СССР по показателю интегральной разности температур примерно в равной мере формируются за счет их расхождения по продолжительности отопительных периодов и средней разности температур внутри и вне здания. Восточная Сибирь отличается от Средней Азии по первому показателю в 1,78 раза, по второму - в 1,64.

Отметим, что рассмотренные здесь три усредненные природно-климатические характеристики экономических районов могут быть полезны не только для исследуемой проблемы регулирования расхода топлива на отопление. Они представляют интерес при их детализации в рамках экономических районов, для оптимизации затрат на теплоизоляцию зданий при выборе строительных нормативов, выработке технических требований к системам теплоснабжения, сравнении вариантов их формирования и развития, определении условий проведения ремонтных работ.

Рассмотренные климатические характеристики могут служить и целям объективного экономико-географического районирования как для теоретических построений, так и для решения практических задач. Например, при установлении районных коэффициентов к заработной плате (наряду с другими природно-климатическими характеристиками).

Следует отметить, что рассматриваемые в данной статье экономические районы России и СНГ являются очень большими территориями по площади и внутри них велики вариации климатических условий. Излагаемая методика может быть полезна и для анализа внутрирайонных различий в условиях энергообеспечения населения и предприятий, возможных отклонений потребностей в топливе и теплоэнергии, при решении проблем экономической эффективности и надежности топливо-и теплообеспечения.

Колебания потребности в топливе

Многолетние наблюдения за температурой воздуха дают основу для объективного ответа на вопрос: насколько сильно могут различаться потребности в топливе на отопление при различных зимах? Это позволяет оценивать диапазоны и вероятность различных отклонений от среднеожидаемой величины расхода.

В табл. 2 представлены рассчитанные по температурным данным за 1881-1978 гг. максимально возможные отклонения в сторону уменьшения или увеличения потребности в топливе на отопление в процентах от среднего ожидаемого уровня потребности. Для каждого экономического района были определены минимальное и максимальное значение интегральной разности температур за все рассматриваемые отопительные периоды. Из полученных значений вычиталась средняя интегральная разница температур (табл. 1), и на нее же делилась полученная разность.

Интенсивность колебаний потребности в топливе на отопление показывает, насколько в среднем может отклоняться (в любую сторону) потребность в топливе от среднеожидае-мого уровня.

Все экономические районы разделены на две категории (как в табл. 1). Для районов с холодным климатом диапазон колебаний потребности в топливе на отопление достигал 40%, показатель интенсивности колебаний составил 6,2%.

Приведенные значения отклонений потребностей в топливе, диапазонов и интенсивностей колебаний для СССР в целом превосходят по численным значениям только три сибирских района. Это объясняется тем, что значения для СССР определялись с учетом асинхронности отклонений в отдельных регионах, а также с учетом численности населения в них и требований к сооружаемым зданиям.

Следует отметить, что показатели диапазона и интенсивности отклонений потребности в топливе на отопление варьируются по экономическим районам сильнее, чем изменяется показатель средней интегральной разности температур. Его значения в самых холодных районах в три раза выше, чем в самых теплых, а показатели отклонений в сторону уменьшения

Таблица 2

Относительные показатели, диапазон и интенсивность колебаний расхода топлива на отопление в экономических районах СССР, 1881—1978 гг.

Район Максимальные отклонения от средне-многолетнего уровня Диапазон колебаний потребности, % Интенсивность колебаний, %

в сторону уменьшения в сторону увеличения

Районы с низкими значениями

Восточно-Сибирский -8,0 14,2 22,2 3,1

Дальневосточный -7,3 8,3 15,3 2,5

Западно-Сибирский -12,0 20,8 32,8 4,0

Северо-Западный -12,1 18,5 30,6 5,1

Уральский -13,5 20,0 33,5 4,5

Волго-Вятский -15,4 17,3 32,7 5,2

Центральный -16,4 23,7 40,1 5,9

Казахстанский -16,1 16,9 33,0 5,5

Поволжский -16,8 21,0 37,8 6,2

Районы с высокими значениями

ЦентральноЧерноземный -16,2 26,3 45,5 6,7

Белорусский -18,8 29,7 48,5 7,2

Прибалтийский -20,1 30,6 50,7 7,5

Донецко-Приднепровский -19,8 28,2 48,0 7,0

Юго-Западный -20,6 29,1 49,7 7,0

Северо-Кавказский -20,5 30,1 50,6 7,9

Южный -23,6 32,7 56,3 7,8

Закавказский -16,8 25,9 42,7 7,6

Средняя Азия -25,3 21,9 47,2 8,8

Страна в целом -11,2 15,9 27,1 4,4

и увеличения различаются в 3,5 и в 3,9 раза соответственно. Диапазон и интенсивность колебаний - в 3,6 и в 3,5 раза.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Правда, это проявляется за счет низких значений показателей диапазона и интенсивности колебаний в Дальневосточном

экономическом районе, метеорологические наблюдения по которому наименее полны и надежны. Если же рассматривать Восточную Сибирь, то получим расхождение по диапазону колебаний с Южным районом (имеющим наибольший диапазон) в 2,5 раза. По интенсивности колебаний расхождение района с самым большим значением этого показателя в Восточной Сибири составляет 2,7 раза.

Это уже несколько меньше, чем максимальные расхождения экономических районов (Восточной Сибири и Средней Азии) по показателю средней интегральной разности температур за отопительный период.

В целом получается неожиданный результат. Хотя экономические районы бывшего СССР сильно различаются по потребностям в теплоэнергии и топливе для отопления одних и тех же зданий, абсолютные величины колебаний потребностей в топливе (в зависимости от теплой или холодной зимы) примерно у всех районов одинаковы. И это при значительной разнице продолжительности отопительных периодов и средних температур!

Интенсивность колебаний по всем экономическим районам имеет существенную величину, означающую невозможность сколь-нибудь точного расчета потребности в топливе на отопление на следующую зиму. Даже средние отклонения от ожидаемого уровня составляют 3-8%, а реальные могут быть значительно больше. Только из-за того, что предыдущая зима была теплая, а последующая - холодная, потребность в топливе может возрастать на 30-50%. Надо отметить, что в табл. 2 при определении диапазонов колебаний учтены только имевшие место ранее значения интегральной разности температур. Вполне возможны и большие значения отклонений.

Негативные последствия могут иметь не только нехватка топлива в холодные зимы, но и его избыточные запасы. В излишних запасах омертвляются вложенные финансовые средства, топливо портится при хранении (ухудшается качество угля, топочного мазута), происходят его физические потери. Так, потери угля достигают за год хранения 7% и более.

Максимальные отклонения в сторону уменьшения по всем районам существенно ниже по абсолютной величине, нежели

зимы зимы зимы

Плотность вероятности вариаций потребности в топливе на отопление

отклонения в сторону увеличения. Это свидетельствует об асимметричном характере вероятности отклонения расходов топлива. Как-то повелось, что обычно рассматриваются симметричные унимодальные (с одним максимумом) функции плотности вероятности. Причем, как правило, в виде нормального закона распределения. У таких функций мода, медиана и математическое ожидание находятся в одной и той же точке.

У приведенной на рисунке функции плотности вероятности все эти три статистических параметра реализуются в разных точках. Левее всех расположена «мода» - значение потребности с наиболее высокой вероятностью. «Медиана» -точки середины интервала колебаний - расположены где-то существенно правее. Значение «математического ожидания» потребности расположено еще правее.

Такой вид функции вероятности отклонений означает, что более теплые зимы (по отношению к максимально ожидаемым) наступают чаще, чем более холодные. Зато в холодные зимы вероятны более значительные отклонения. Более частые относительно теплые зимы могут создавать иллюзию надежности энергообеспечения населения и предприятий. И иллюзорность этого всегда внезапно проявляется при относительно редких очень холодных зимах.

Приведенный рисунок характеризует только общий вид функции вероятности вариации потребности в топливе на отопление. Оценка же конкретной функции такого несимметричного типа по располагаемым статистическим данным (выборочным наблюдениям) требует решения сложных математических проблем, которым уделено очень мало внимания в математической статистике. Особо важной и сложной проблемой является определение вероятностей больших отклонений (как в сторону теплых, так и в сторону холодных зим), которые особенно важно правильно оценивать при решении задач надежности топливоснабжения.

Подведем некоторые итоги

Практически во всех экономических районах бывшего СССР средняя температура воздуха за отопительный период отрицательная. Исключение составляют Закавказье и Средняя Азия, где она положительна, но близка к нулю. Для сибирских и дальневосточного районов средняя температура отопительного периода равна -10° С и ниже.

Наблюдаются также большие вариации средней продолжительности отопительных периодов по экономическим районам СССР. Если в Сибири и на Дальнем Востоке она достигает 9 месяцев в году, то на Северном Кавказе, в Южном, Закавказском районах и в Средней Азии - 5-6 месяцев. Такой относительно короткий по российским меркам отопительный период является очень большим по отношению к условиям Западной Европы или США, где отопительный период не превышает 2-3 месяцев в году (конечно же, за исключением Аляски).

Среднее значение интегральной разности температур за отопительный период почти в три раза различается по экономическим районам СССР и определяется расхождениями примерно в 1,8 раза продолжительности отопительного периода и в 1,6 раза - средней разности температур внутри и вне здания.

Большие различия этих трех показателей могут наблюдаться в рамках одного экономического района, поскольку многие из них являются обширными территориями.

Все три введенные характеристики могут служить, на наш взгляд, целям экономико-климатического районирования и использоваться при решении ряда практических задач. Например, при установлении районных коэффициентов заработной платы.

Показатель интегральной разности температур внутри и вне здания может быть очень полезен для оптимизации теплоизоляции зданий в разных регионах страны. Сегодня, в продолжение традиций советского времени, действуют нормативы теплоизоляции зданий в различных населенных пунктах, основанные на данных самых холодных пяти суток. Конечно, этот показатель должен иметь тесную корреляционную связь с интегральной разностью температур, но его одного недостаточно для оптимизации ограждающих конструкций зданий.

На территории бывшего СССР значительны колебания потребностей в топливе на отопление из-за неодинаковых продолжительности и средних температур отопительных периодов. Их диапазон составляет 20-50% от математического ожидания расхода топлива на отопление по различным регионам.

Относительный диапазон и средняя интенсивность колебаний потребности в топливе на отопление возрастают при переходе от холодных сибирских регионов к более теплым. Причем абсолютные их значения можно в первом приближении считать неизменяющимися по регионам. Хотя в южных районах, по сравнению с северными и сибирскими, значительно короче отопительный период и значительно ниже средне-зимняя температура.

Очевидно, что необходимо продолжать различные исследования свойств и закономерностей колебаний потребностей в топливе на отопление.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.