Продолжение 4.
Энергия и материя не расходуются просто так. Они представляют собой входы системы, обеспечивающие те функции, которые обществом считаются значимыми или полезными. Человеку нужны холодное пиво или горячий душ, в вовсе не киловатты энергии. Людям нужна мобильность, они желают перемещаться из одной точки в другую, не испытывая при этом никакой нужды в загромождении городов автомобилями. Им нужны услуги, обеспечиваемые энергией, материалами, информационными ресурсами, а не экологические проблемы и побочные продукты, которые при этом создаются. Перспективный взгляд на сущность этих услуг раскрывает творческий потенциал инженеров, что позволит найти совершенно новые способы удовлетворения нужд людей.
Уже упоминалась Конференция Организации Объединённых Наций, на которой была принята Декларация по окружающей среде и развитию. В конференции, также известной как «саммит Земли», участвовало более 8 тысяч делегатов, а также около 3 тысяч представителей неправительственных международных организаций. Мероприятие проходило под девизом «Наш последний шанс спасти планету».
В Рио были подготовлены и утверждены три основополагающих документа. Наиболее важный из них — Декларация по окружающей среде и развитию из 27 пунктов, в которой были провозглашены обязательства государств по основным принципам достижения нашей цивилизацией устойчивого развития и безопасного будущего. В ней прописана идея устойчивого развития — модели движения вперёд, при которой достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей без лишения будущих поколений такой возможности. Декларация стала одним из основных источников экологического права для большинства стран мира.
.
К сожалению, понятие «устойчивое развитие» практически заменено «безуглеродной» тематикой - явлением достаточно спорным и безусловно, бессистемным.
Стратегия развития города не может не соответствовать идеологии. «устойчивого развития», которое, в свою очередь, предполагает потребление природных ресурсов в объемах их способности к восстановлению. Очевидно, что энергоэффективность, энергосбережение, рациональное природопользование ориентированы именно на это. Поэтому современные инженеры должны на самых ранних этапах проектирования находить либо заменители природных ресурсов, либо возможности их регенерации и многократного использования. Но, при этом качество, безопасность, надежность и доступность для потребителей всех видов энергоносителей играет огромную роль. Поиск баланса вышеперечисленных показателей с одновременным балансированием интересов государства бизнеса и общества и есть основная задача трансформации.
По экспертным оценкам 1% предварительных затрат в процессе проектирования дает до 70% суммарных затрат объекта в течение его жизненного цикла.
Проектирование в идеологии системного инжиниринга оценивает не только капитальные затраты нового или реконструируемого изделия – оцениваются затраты всего жизненного цикла. Цифровизация, основной современный тренд, и именно он должен использоваться системным инженером для точной оценки огромного количества тенденций, технологий, связей, систем, элементов, возможных к применению для создания конечного продукта. И, как правило, подобный подход не только дает колоссальную экономию эксплуатационных затрат, включая все виды энергоресурсов, зачастую происходит и снижению стоимости строительства.
Существует 10 операционных элементов, которые обеспечивают интегральному (системному) подходу к проектированию по принципам устойчивого развития огромные преимущества.
Элемент 1: Задавайте правильные вопросы.
Выполнение какого функционала требуется? Каким образом решается этот функционал. Возможны ли другие подходы? Например, потребителю нужны удобные контейнеры для напитков. И ему неважно, из чего они будут сделаны, из пластика, легкого металла или вторичного сырья. Или можно не покупать оборудование и мучаться с эго эксплуатацией, а купить услугу, которое это оборудование производит.
Элемент 2: Сопоставляйте с оптимальной системой.
Сопоставление с «лучшей практикой», как правило, сопоставление с лучшей из плохих практик, поскольку используемые эталоны были спроектированы десятки лет назад. Полезнее разработать простую функциональную модель, которая позволит разобраться во взаимодействии компонентов и оценить возможности улучшения существующих систем.
Нужно отменить стереотипы. Например, чтобы рассчитать мощность насоса используется формула:
Nп = y*Q*H/102, где
y – удельный вес жидкости; Q – подача насоса; Н – напор насоса.
Из формулы видно, что для снижения мощности насоса нужно уменьшить либо подачу (производительность насоса), либо напор. Так как подача является качественной характеристикой, в первую очередь нужно уделить внимание снижению напора. При этом снижаются и потери в сети и расходы на дросселирование, от которых желательно избавиться в принципе.
В независимой закрытой схеме теплоснабжения, в отличие от «открытой», напор насосов нужен только для того, чтобы доставить рабочую жидкость до ИТП, находящегося в подвале, преодолеть сопротивление в теплообменниках ИТП и «вернуть» теплоноситель на теплоисточник. В открытой же схеме необходимо дополнительно поднять давление (напор) для закачки рабочей жидкости на верхние этажи, при этом для малоэтажек это давление нужно будет дросселировать (потерять энергию), чтобы не «раздавить» системы потребителя.
Отдельно рассмотрим потери напора на преодоления транспорта жидкости от источника до потребителя и обратно.
Из вышеуказанной таблицы видно, что потери в сети тем больше, чем меньше диаметр трубопровода. Но повышение диаметра связано с увеличением стоимости трубопровода. Поэтому в справочниках показывается «рекомендуемая» скорость (на графике жирная линия), которая, в свою очередь, и определяет диаметр.
Но насколько эти рекомендации эффективны при системном подходе, рассмотрим в следующей таблице:
Решение
Диаметр трубопровода (М)
Стоимость труб и компонентов
($)
Мощность (Вт)
Стоимость насоса ($)
Общие кап. затраты ($)
Эксплуатац
ионные расходы ($ в месяц)
Затраты жизнен
ного цикла ($)
Традиционное проектирование
0,015
835
1025
616
1451
61
15129
Проектирование системы как целое
0,03
914
119
331
1245
9
3112
В таблице итоги 2-х подходов к проектированию одного объекта. Из вышеуказанной таблицы видно, что небольшой отход (увеличение диаметра трубопровода и, соответственно, изменение напора системы) от «нормативного» мышления дает не только колоссальный экономический эффект на протяжении жизненного цикла объекта, но и снижает капитальные затраты на старте проекта. А задача то стояла лишь сэкономить электроэнергию…
И еще один стереотип. При проектировании инженерных сетей в расчет принимается нагрузка потребления. Но при проектировании больших и долгосрочных проектов, расчетная нагрузка первых пусковых домов, и даже кварталов этих домов на перспективу 2–3 года, значительно ниже перспективной нагрузки всего района. Предложение разработчиков инженерной концепции «Академического» строить сети под полную нагрузку сразу наткнулось на яростное сопротивление финансового блока, предлагающего вместо теплотрассы Ду 800 построить более дешевую магистраль ДУ 400, с последующей перекладкой по мере необходимости. При этом многие утверждали, что потери на транспорте, особенно тепловые, на трубе большего диаметра будут очень большими. С большим трудом сопротивление удалось преодолеть при следующих аргументах:
1. Жители «города будущего» не должны иметь «традиционных» проблем, связанных с перекопками земельных масс у себя под носом.
2. На себестоимость строительства теплотрассы диаметр трубопровода оказывает достаточно малое влияние, а вот перестройка трубопровода увеличивает затраты более чем в 2 раза.
3. Потери на транспорте (электроэнергия на прокачку теплоносителя), как мы раньше рассмотрели, будут на порядок меньше.
4. В соответствии с формулой тепловых потерь, диаметр трубопровода практически не оказывает влияния на величину потерь – основные потери связаны с протяженностью трубы и качеством изоляции (ее толщиной и коэффициентом теплопроводности)
Q = 2π*Ктп*L*(Tr – Tu)/Ln* (D/d)
В этой формуле Q – это величина тепловых потерь, Вт; Ктп – коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м*с; L – протяженность трубопровода, м; Tr – температура теплоносителя; Tu – температура окружающей среды; π – число «пи»; D – наружный диаметр трубопровода с изоляцией; d – наружный диаметр трубы без изоляционного покрытия.
Из указанных выше примеров очевидно, что даже в самых простых решениях необходимо мыслить системно, только тогда можно найти оптимальное решение.
Элемент 3. Проектируйте и оптимизируйте систему в целом.
Для разработки системы, удовлетворяющей заранее установленным требованиям при оптимальном расходе ресурсов и оптимальном биологическим воздействиям нужно рассматривать все подсистемы и синергизм их взаимодействия. Чем сложнее технология, тем больше возможностей для ее улучшения. Лучший подход – проектирование с «чистого листа». Нельзя проектировать новую систему по аналогии с предыдущей версией! В используемых технологиях как правило, огромное количество системных недостатков. Минимизируйте их и получите колоссальный эффект.
Элемент 4. Учитывайте все измеряемые воздействия.
Изменение на уровне подсистемы может повлиять на характеристики уровня всей системы, и за счет затрат на одну деталь дать массу преимуществ. Также нужно рассматривать сочетание модернизации с реконструкцией, которую придется производить в любом случае. При этом отдельное улучшение может быть значительно дороже аналогов, но вклад в улучшение всей системы намного превысить стоимость местных удорожаний. Пример – независимая схема теплоснабжения, будет рассмотрена отдельно.
Элемент 5. Проектируйте и оптимизируйте подсистемы в правильной последовательности.
Первыми следует делать шаги, которые оказывают самые большие воздействия на всю систему в целом. Проектирование и оптимизация на уровне подсистем должны производиться в последовательностях, обычно противоставляемых друг другу:
-персонал перед техническим обеспечением
-форма перед содержанием
-функция перед оборудованием
-качество перед количеством
-потребность перед снабжением
Прежде чем рассчитывать мощность электроснабжения, примените энергоэффективный светильники. Прежде чем рассчитывать мощность теплоснабжения, просчитайте стоимость применения энергоэффективных технологий.
Элемент 6. Проектируйте и оптимизируйте подсистемы, добиваясь накапливаемой экономии ресурсов.
Анализ жизненного цикла показывает, что обеспечение эффективности использования ресурсов при выпуске конечного товара представляет собой экономически самый выгодный способ достижения улучшений в сфере использования ресурсов так как уменьшение потребности в ресурсах на конечной стадии производства создает возможности для снижения расходования ресурсов всей цепочке их переработки.
Посмотрим на представленную ниже картинку.
Энергетические потери накапливаются в каждой из подсистем, последовательно перерабатывающих «входную энергию топлива», до тех пор, пока для выполнения нужной функции останется лишь 9.5% начальной энергии. Проектирование и оптимизация этой системы в обратной последовательности, от выходов к входам, позволяют предотвратить накопление энергопотерь (негативное воздействие) в накопление энергосбережения (позитивное воздействие). Снижение потребления энергии «на выходе» на 1 единицу снижает потребление «входной энергии топлива» на 10.5 (=100/9.5) единицы. Далее снижение «потерь в трубах» на 1 единицу снижает потребление еще на 8.3 единицы, аналогичное снижение «дроссельных потерь» - на 5.5 единиц, «потерь в насосах» - на 4.2. единицы и так далее вплоть до «потерь на электростанции», снижение 1 единицы которых снижает потребление «входной энергии топлива» на 1 единицу. В результате снижение потерь энергии на 1 единицу в каждой подсистеме, то есть всего на 8 единиц, снижает потребление «входной энергии топлива» на 40 единиц. И чем ближе к потребителю процесс, тем больше эффективность!
Элемент 7. Анализируйте систему на возможность улучшений.
Мониторинг и измерения помогают выявить неадекватные моменты в работе системы, что после их исправления, может существенно снизить производительность и снизить затраты. Благодаря интегральной природе систем вклады отдельных улучшений накапливаются и создаваемое при этом общее улучшение превышает сумму вкладов от всех отдельных улучшений.
Элемент 8. Моделируйте систему.
При анализе относительно сложных технических систем математические, компьютерные и физические модели имеют особую ценность. Появление в последнее время технологий информационного моделирования позволяет значительно эффективнее обработать массу возможных технологий с учетом их жизненного цикла.
Элемент 9. Следите за технологическими инновациями.
Инновации в материаловедении, относящиеся к изоляционным материалам, осветительным средствам, ультралегким сплавам, средствам энергораспределения и т. д, создают новые подходы к реоптимизации проектов, основанных на устаревших технологиях. Для мира технологий полгода – это уже большой срок.
Элемент10. Проектируйте, создавая возможности для будущих поколений.
Главная идея обеспечения устойчивого развития состоит в том, что будущие поколения должны иметь такой же уровень качества жизни, комфорта окружающей среды и возможностей, которыми обладают население «развитых стран». Необходимо идти дальше «лучших практик» и создавать для будущих поколений больше возможностей.
Обращаем внимание, что упоминание о информационных технологиях есть только в одном элементе, и то не как приоритет. Это никак не приуменьшает их значение, но подчеркивает, что приоритет должен быть в системных инженерах, управляемых менеджерами, умеющими ставить задачи в идеологии интегрального системного мышления по принципам устойчивого развития.
Системный подход к построению и обслуживанию инженерной инфраструктуры в современной России, да и во всем мире, практически отсутствует. Наглядный пример – современный девелопер, чтобы построить жилое здание, должен взять кредит в банке. Сроки возврата кредита – вопрос выживаемости девелопера, но он не сможет вернуть деньги до сдачи здания в эксплуатацию, при этом здание должно быть обеспечено всеми видами энергоресурсов. И даже если каждая энергоснабжающая организация построит необходимые сети в соответствии с планом, технологию производства строительно-монтажных работ нарушить нельзя. Каждый должен запроектировать сеть, получить экспертизу проекта, получить разрешение на строительство, раскопать землю, построить сеть, закопать и сдать комиссии. И только потом работы сможет начать другой сетевик. А сети строятся максимально плотно друг к другу, земля очень дорогая.
Если бы проектированием и строительством всех сетей занималась бы одна организация, дом можно было сдать, как минимум, на полгода раньше и сети бы стоили значительно дешевле. Девелопер смог бы значительно раньше погасить кредит в банке. Доступность нового жилья резко увеличится! И с эксплуатацией та же ситуация – каждая организация должна иметь полный штат персонала, технику для обслуживания сетей на одной и той же территории, но, если есть единая эксплуатационная компания, стоимость эксплуатации резко сокращается.
Примеры из другой плоскости.
Каждую потребность потребителя можно решить разными способами, например, тепло можно получить из солнечного коллектора, труб централизованной системы, из земли посредством теплового насоса или просто из электрической розетки. И проблемы здесь в меньшей степени технические – необходимо глобально изменить систему мышления.