POLITECHNIKA POZNAŃSKA
WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA ZAKŁAD ZAOPATRZENIA W WODĘ I OCHRONY ŚRODOWISKA
mgr inż. Jędrzej BYLKA
O CENA UKŁADÓW TRANSPORTUJĄCYCH WODĘ Z ZASTOSOWANIEM ZINTEGROWANYCH
NARZĘDZI INFORMATYCZNYCH
Rozprawa doktorska
Promotor:
prof. zw. dr hab. inż. Tomasz M. MRÓZ
Poznań 2019
2 Składam serdeczne podziękowania wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej pracy.
Rodzicom za to, że mnie urodzili i wychowali.
Mojej Kasi za to, że jest ze mną.
Promotorowi, panu profesorowi dr hab. inż. Tomaszowi Mrozowi za inspirację i niezbędną pomoc w pracy naukowej.
Panu profesorowi dr hab. inż. Andrzejowi Urbaniakowi za przekazaną wiedzę.
_________________________________________
Pracę chciałbym zadedykować
mojemu Ojcu.
3 S T R E S Z C Z E N I E
Rozprawa doktorska dotyczy oceny układów transportujących wodę z zastosowaniem zintegrowanych narzędzi informatycznych. Zakres rozprawy ograniczono do oceny przemian energetycznych. Głównym celem badań było przedstawienie nowej metody oceny przemian energetycznych dla układów transportujących wodę. Analiza aktualnego stanu wiedzy wykazała, że stosowane metody oceny energetycznej w większości polegają na analizie „strat energii” w urządzeniach, zainstalowanych w systemach zaopatrzenia w wodę. Z punktu widzenia fizyki sformułowanie „strata energii”
jest nieprawidłowe - energia jest niezniszczalna. W procesie transportu cieczy energia nie jest tracona, lecz przemienia się w inne, mniej użyteczne formy. Pojęciem, które pozwala na analizę jakościową przemian energetycznych, jest egzergia, która odnosi się do zdolności energii do wykonania pracy. W rozprawie przedstawiono model egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę. Model ten jest opracowany z wykorzystaniem zarówno pierwszej jak i drugiej zasady termodynamiki. W pracy wyprowadzono równania modelu egzergetycznego dla wybranych elementów systemu zaopatrzenia w wodę oraz przedstawiono zasady sporządzania bilansu egzergetycznego. Bilans egzergetyczny może służyć jako kompleksowe narzędzie oceny energetycznej układów transportujących wodę.
W zarządzaniu systemami zaopatrzenia w wodę znajdują zastosowanie narzędzia informatyczne takie jak: Systemy Informacji Przestrzennej, Systemy Monitoringu i Sterowania, Systemy Zarządzania Zasobami oraz Modele Procesów Fizycznych. W pracy przedstawiono problematykę związaną z zastosowaniem tych narzędzi do wspomagania zarządzania sieciami wodociągowymi. Zwrócono uwagę na możliwość integracji tych narzędzi oraz zastosowania ich do celu oceny układów transportujących wodę.
Opracowano koncepcję integracji narzędzi do celu oceny egzergetycznej systemu
zaopatrzenia w wodę. W części aplikacyjnej rozprawy opisano opracowane środowisko
informatyczne, które umożliwia analizę egzergetyczną dla wybranych elementów
systemu zaopatrzenia w wodę oraz sporządzenie bilansu egzergetycznego. Wykazano
użyteczność środowiska do analiz przykładowych układów transportujących wodę.
4 A B S T R A C T
The thesis concerns the use of integrated IT tools to assess water distribution systems. The scope of the dissertation is limited to the assessment of energy transformations. The main aim of the research is to present a new method of energy transformation assessment for water transport systems. Literature analysis shows that most of the currently used methods for energy transformation evaluation in water supply concentrate on the quantitative assessment of "energy loss" in the devices installed in the system. From the physical point of view the phrase "energy loss" is not correct - energy is indestructible. In the process of water supply the energy is not lost but changed into other, less usable forms. A concept that allows to qualitative assess the energy change is the exergy. In the thesis the exergetical model of water distribution system is presented. This model is developed using the first and the second law of thermodynamics. The equations of exergetical model and principles for calculating exergy balance for chosen elements of the water distribution system are presented. The exergy balance can be used for complex evaluation of the water distribution system.
Computer tools like: Geographical Information Systems, Supervisory Control and
Data Acquisition Systems, Enterprise Resource Planning and Model of Physical
Processes are commonly used in the management of the water distribution network. The
thesis describes the problems of using these tools for the management of water
distribution systems. The possibility of tool integration and their application for assessing
the water transport systems is underlined. The concept computer tool integration for
exergy assessment is presented. The application part of the thesis describes the developed
IT environment, which enables the exergetic analysis and prepare an exergy balance
preperation for selected elements of the water supply system. The developed tools are
tested in a case study - using examples of water distribution systems.
5
S PIS TREŚCI
Rozdział 1. Wprowadzenie ... 8
1.1. Przedmiot pracy i jej zakres ... 8
1.2. Cel pracy ... 10
1.3. Teza rozprawy ... 11
1.4. Zadania badawcze ... 12
1.5. Zarys pracy ... 12
Rozdział 2. Ocena energetyczna systemu zaopatrzenia w wodę ... 13
2.1. Wybrane metody oceny energetycznej systemów zaopatrzenia w wodę ... 14
2.2. Przegląd standardów i metodologii opisywanych w poradnikach dotyczących oceny infrastruktury wod.-kan. ... 15
2.3. Przegląd wybranych prac o charakterze naukowym, dotyczących opisu energetycznego systemu zaopatrzenia w wodę ... 25
2.4. Wnioski. ... 37
Rozdział 3. Narzędzia informatyczne w zarządzaniu systemami zaopatrzenia w wodę . 41 3.1. Koncepcja podziału systemów informatycznych ... 42
3.2. Systemy Informacji Przestrzennej (GIS) ... 43
3.2.1. Definicja GIS ... 45
3.2.2. Dane GIS ... 46
3.2.3. Programy GIS ... 48
3.2.4. Społeczność GIS ... 49
3.3. Modele Procesów Fizycznych dla systemu zaopatrzenia w wodę ... 50
3.3.1. Matematyczne i fizyczne podstawy modelowania sieci wodociągowych ... 50
3.3.2. Modelowanie układów transportujących wodę z wykorzystaniem narzędzi informatycznych ... 53
3.4. Systemy ERP ... 55
3.5. Systemy monitoringu i sterowania SCADA ... 56
3.6.Uwagi i wnioski dotyczące wykorzystania narzędzi informatycznych w . zarządzaniu systemami zaopatrzenia w wodę ... 59
Rozdział 4. Matematyczne i fizyczne podstawy egzergetycznego modelu systemu
zaopatrzenia w wodę ... 62
6
4.1. Analiza egzergetyczna ...62
4.2. Podstawy fizyczne i matematyczne modelu ...64
4.2.1. Pojęcie energii ...64
4.2.2. Bilans energii - pierwsza zasada termodynamiki ...65
4.2.3. Bilans entropii - druga zasada termodynamiki ...66
4.2.4. Egzergia ...69
4.2.5. Egzergia a energia ...72
4.3. Egzergia strugi wody ...73
Rozdział 5. Model egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę ...76
5.1. System zaopatrzenia w wodę ...76
5.2. Egzergia fizyczna ...81
5.2.1.Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Rezerwuary (Reservoirs)...83
5.2.2. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Zawory (Valves) ...84
5.2.3. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Pompy (Pumps) ...85
5.2.4. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Przewody (Pipes) ...87
5.2.5. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Zbiorniki (Tank) ...89
5.2.6. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Węzły (Junctions) ...91
5.2.7. Bilans egzergetyczny systemu zaopatrzenia w wodę - Urządzenia w stacjach uzdatniania wody ...94
5.2.7.1. Urządzenia w stacjach uzdatniania wody - równanie ogólne ...95
5.2.7.2. Urządzenia w stacjach uzdatniania wody - aerator ...95
5.2.7.3. Urządzenia w stacjach uzdatniania wody - filtr pośpieszny na stacji uzdatniania wody podziemnej ...99
5.3. Ograniczenia modelu ...101
Rozdział 6. Opracowane środowisko - studium przypadku ...103
6.1. Schemat opracowanego narzędzia informatycznego ...103
6.2. Opis środowiska ...105
6.3. Studium przypadku 1 - Sieć wodociągowa ...108
6.3.1. Dane wejściowe ...108
6.3.2. Wyniki obliczeń ...110
6.4. Studium przypadku 2 - stacja uzdatniania wody ...115
6.4.1. Dane wejściowe ...116
7
6.4.2. Wyniki obliczeń ... 116
Rozdział 7. Podsumowanie i wnioski ... 120
Bibliografia...123
Spis rysunków ... .134
Spis tabel...135
Załącznik...136
8
Rozdział 1. Wprowadzenie
1.1. Przedmiot pracy i jej zakres
Systemy zaopatrzenia w wodę posiadają złożoną strukturę. Opracowując metody planowania, eksploatacji i zarządzania tego rodzaju układami winno się korzystać z wiedzy i metod wielu dziedzin nauk. Ze względu na strategiczną rolę infrastruktury wodociągowej oraz jej specyfikę, problemy zarządzania tymi systemami stały się tematem licznych prac naukowych, podejmowanych zarówno w Polsce [1,2,3,4,5,6,7]
jak i zagranicą [8,9,10,11]. W ramach badań opracowano również szereg narzędzi służących do wspomagania Zarządzania Aktywami Infrastrukturalnymi (z ang.
Infrastructural Asset Management - IAM) [12,13,14,15]. Jednym z elementów zarządzania aktywami w przedsiębiorstwach wodociągowych jest ocena układów transportujących wodę.
W pracach dotyczących zarządzania systemami zaopatrzenia w wodę coraz częściej zwraca się uwagę na konieczność stosowania nowoczesnych systemów informatycznych. Podczas eksploatacji układów wodociągowych, w coraz większym stopniu korzysta się z automatycznych systemów pomiarowych, których zadaniem jest monitoring technologiczny pracy urządzeń. W zarządzaniu znajdują zastosowania komputerowe modele urządzeń oraz układów technologicznych, bazy danych gromadzące dane o parametrach urządzeń zbieranych w ramach monitoringu technologicznego (bazy systemów SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition), także systemy informacji przestrzennej (GIS - Geographic Information System), służące do geolokalizacji danych oraz systemy planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP - Enterprise Resource Planning), służące do integracji oraz kontroli procesów biznesowych w całym przedsiębiorstwie. Narzędzia te przechowują duże zbiory danych, które nie zawsze są w pełni wykorzystywane w zarządzaniu systemami zaopatrzenia w wodę.
Narzędzia te są stosowane przede wszystkim do wspomagania działań pracowników,
projektowania systemów i sterowania urządzeniami. Na ogół rozwijane są one w różnych,
9 niepowiązanych ze sobą działach przedsiębiorstwa. Rzadziej wskazuje się na możliwość stosowania tych systemów, jako narzędzi wspomagania zarządzania aktywami infrastrukturalnymi. W szczególności można je wykorzystać do celów usprawnienia procesu oceny układów transportujących wodę. By wykorzystać w pełni użyteczność narzędzi informatycznych niezbędna jest ich integracja. Pojęcie integracji systemów, jest często rozumiane przede wszystkim, jako zdolność do przesyłania danych między programami. Brakuje definicji i określenia relacji między narzędziami wykorzystywanymi w ocenie systemów zaopatrzenia w wodę.
Układy transportujące wodę w systemach zaopatrzenia realizują funkcje związane z jej przemieszczaniem w procesach technologicznych z miejsca ujęcia, poprzez:
urządzenia uzdatniające i magazynujące wodę w zakładach uzdatniania, sieć wodociągową i współpracującymi z nią zbiornikami sieciowymi, przepompowniami strefowymi oraz układami zasilającymi instalacje indywidualnych odbiorców. Ocena układów transportujących wodę jest ważnym narzędziem w zarządzaniu systemem zaopatrzenia w wodę. Ocena ta jest przedmiotem pracy. Zakres oceny systemów zaopatrzenia w wodę jest szeroki, może on dotyczyć wielu aspektów. Jednym z najważniejszych elementów oceny układów transportujących wodę jest ocena energetyczna. Do niej też ograniczono zakres pracy.
Dostarczenie pewnej ilości energii jest niezbędne do zajścia przemian fizycznych oraz chemicznych w procesie poboru, uzdatniania oraz transportu cieczy w komunalnych systemach zaopatrzenia w wodę. Potocznie twierdzi się, iż energia zużywana jest w celu realizacji procesów potrzebnych do spełnienia podstawowych funkcji systemu dostarczenia wody - w wymaganej ilości, pod odpowiednim ciśnieniem i o odpowiedniej jakości. Z punktu widzenia fizyki sformułowanie "zużycie energii" nie jest logicznie poprawne [16]. Energia jest niezniszczalna, w procesie zaopatrzenia w wodę nie "zużywa się energii”, lecz jej zdolność do przemiany w inne postaci np. zdolność przemiany energii elektrycznej w energię kinetyczną i potencjalną wody. Zdolność energii do przemiany w inne postacie (do wykonania pracy) jest wskaźnikiem nie ilościowym, lecz jakościowym.
Zasady oceny efektywności energetycznej opisywane są w wielu pracach
badawczych oraz standardach i normach technicznych. W większości tego typu prac
autorzy koncentrują się głównie na aspektach praktycznych, związanych z minimalizacją
10
"zużycia energii". Brakuje prac teoretycznych, które opisywałyby podstawy termodynamiczne przemian energetycznych w systemie zaopatrzenia w wodę. W pracach dotyczących oceny energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę wykorzystuje się podejście ilościowe, a metody oceny uwzględniają jedynie pierwszą zasadę termodynamiki.
Zakres i efektywność zastosowań narzędzi informatycznych w ocenie systemów zaopatrzenia w wodę można zwiększyć w wyniku ich integracji. Pojęcie integracji systemów jest używane w literaturze dotyczącej inżynierii oprogramowania [17]. Brakuje jednak refleksji teoretycznej, definicji i określenia relacji między narzędziami wykorzystywanymi w ocenie systemów zaopatrzenia w wodę. Po wykonaniu analizy teoretycznej z zakresu tych narzędzi, możliwe będzie opracowanie koncepcji integracji tych narzędzi, niezbędną do oceny układów transportujących wodę.
Z analizy aktualnego stanu wiedzy wynika, że:
• zagadnienia teoretyczne z zakresu opisu przemian termodynamicznych w systemach zaopatrzenia w wodę nie są usystematyzowane,
• brak jest modeli przemian energetycznych dla układów transportujących wodę, uwzględniających zarówno pierwszą jak i drugą zasadę termodynamiki,
• usystematyzowania wymaga stan wiedzy dotyczącej narzędzi informatycznych, a w szczególności ich zastosowania w ocenie systemów zaopatrzenia w wodę,
• brak jest integracji narzędzi informatycznych oraz wykorzystania ich do oceny systemu zaopatrzenia w wodę.
1.2. Cel pracy
Głównym celem pracy jest opracowanie nowego modelu oceny przemian
energetycznych w systemach zaopatrzenia z zastosowaniem podejścia egzergetycznego,
nazwanego modelem egzergetycznym. W modelu uwzględniono zarówno pierwszą ("nic
nie zanika") jak i drugą ("wszystko dyssypuje") zasadę termodynamiki. Pojęcie egzergii
jest wykorzystywane w analizie zmian jakości i ilości energii w procesie przemian
termodynamicznych. Modele egzergetyczne mogą być stosowane do kompleksowej
oceny wszystkich przemian termodynamicznych. Model egzergetyczny może być
wykorzystany, zarówno do oceny wybranych elementów systemu zaopatrzenia w wodę
11 (pomp, przewodów, itd.), jak również umożliwia kompleksową ocenę całego systemu zaopatrzenia w wodę poprzez sporządzenia bilansu egzergetycznego. Wykorzystanie opracowanych modeli umożliwia kompleksową analizę systemu zaopatrzenia w wodę.
Dla realizacji celu pracy niezbędne będzie wykorzystanie danych, zbieranych przez różne narzędzia informatyczne oraz algorytmów obliczeniowych programów do modelowania matematycznego ciśnień i przepływów w sieciach wodociągowych. Stąd potrzebny jest opis systemów informatycznych oraz opracowanie schematu ich integracji.
Jako cel aplikacyjny przyjęto utworzenie koncepcji integracji narzędzi do celu oceny układów transportujących wodę oraz budowę zintegrowanego środowiska informatycznego, wspomagającego wykonywanie tej oceny. Opracowano środowisko informatyczne, które umożliwia wykonanie analizy egzergetycznej systemu zaopatrzenia w wodę z wykorzystaniem otwartych narzędzi informatycznych.
1.3. Teza rozprawy
Biorąc pod uwagę wyniki wcześniej przedstawionych analiz, wyniki pracy oraz założony cel sformułowano następującą tezę pracy:
Model egzergetyczny jest efektywnym narzędziem oceny przemian energetycznych w układach transportujących wodę
Uszczegółowiając tezę główną sformułowano następujące tezy pomocnicze:
1. Obliczenie wartości egzergii wprowadzonej do i wyprowadzonej z danego elementu oraz wartości strat egzergii umożliwi lepszą ocenę poszczególnych elementów systemu oraz identyfikację przyczyn strat egzergii. Budowa bilansu egzergetycznego dla całego układu umożliwi jego zagregowaną ocenę.
2. Wykorzystanie narzędzi informatycznych: GIS, SCADA, ERP oraz modeli
komputerowych układów transportujących wodę jest niezbędne do utworzenia modelu
egzergetycznego dla systemu zaopatrzenia w wodę. Integracja tych narzędzi znacznie
zwiększa efektywność procesu modelowania i oceny systemu zaopatrzenia w wodę.
12 1.4. Zadania badawcze
By zrealizować założony cel pracy sformułowano następujące zadania badawcze:
Zadanie 1 - Identyfikacja i systematyzacja współcześnie znanych metod oceny efektywności energetycznej systemów zaopatrzenia w wodę.
Zadanie 2 - Opis systemów informatycznych stosowanych w zarządzaniu układami wodociągowymi oraz opracowanie koncepcji integracji tych systemów niezbędny do budowy modelu egzergetycznego.
Zadanie 3 - Opracowanie podstaw teoretycznych modelu egzergetycznego wybranych procesów w systemach zaopatrzenia w wodę.
Zadanie 4 - Opracowanie środowiska informatycznego dla obliczeń modelu egzergetycznego i wykazanie jego użyteczności dla wybranych elementów systemu zaopatrzenia w wodę.
1.5. Zarys pracy
Zadanie 1 ma charakter poznawczy i teoretyczny. W ramach zadania wykonano przegląd i analizę krytyczną literatury oraz analizę norm, standardów oraz dokumentacji.
Wyniki badań realizowanych w ramach tego zadania przedstawiono w rozdziale 2.
Wyniki badań rozwiązywane w ramach zadania 2 opisano w rozdziale 3. Dokonano przegląd literatury dotyczącej narządzi informatycznych stosowanych w zarządzaniu systemami zaopatrzenia w wodę.
Prace przeprowadzone w ramach realizacji zadania 3 opisano w rozdziale:
czwartym i piątym. Przedstawiono pierwszą oraz drugą zasadę termodynamiki oraz
definicję pojęcia egzergii, wyodrębniono różnice między analizą egzergetyczną
a energetyczną. Wykorzystując obie zasady termodynamiki zaproponowano
egzergetyczny model systemu zaopatrzenia w wodę. Wyprowadzono szczegółowe
modele egzergetyczne dla wybranych układów transportujących wodę w systemach
wodociągowych, korzystając z ogólnego równania egzergii strugi wody. Zakres prac
ograniczono do analiz przemian egzergii mechanicznej. Zadanie 4 pracy ma charakter
aplikacyjny, jego realizacja wiązała sie z utworzeniem i testowaniem środowiska
informatycznego, bazującego na systemie GIS. Wyniki prac realizowanych w ramach
tego zadania oraz wykonane studium przypadku przedstawiono w rozdziale 6.
13
Rozdział 2. Ocena energetyczna systemu zaopatrzenia w wodę
Zadaniem systemu wodociągowego jest dostarczenie odbiorcom wody w odpowiedniej ilości i jakości, przy zagwarantowaniu wymaganego ciśnienia, w sposób ciągły i niezawodny. Przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjne są zobowiązane do utrzymania odpowiedniego poziomu usług oraz utrzymania urządzeń technicznych [18].
Poziom usług i utrzymania może być oceniany przez różnych interesariuszy np: klientów końcowych (odbiorców wody), władze lokalne (właściciele majątku), urzędy regulacyjne, inspekcję sanitarną czy agencje rozwojowe. Zasady i metody oceny przedsiębiorstw różnią się w zależności od celu oraz zakresu prowadzenia tej oceny. Trudno jest wskazać jedną uniwersalną i całościową metodę oceny przedsiębiorstwa. W wytycznych oraz standardach międzynarodowych przedmiotem oceny przedsiębiorstwa są [19,20,21]:
jakość produktu i usług,
jakość procesu eksploatacji i utrzymania urządzeń,
jakość procesu realizacji zamierzeń inwestycyjnych,
efektywność ekonomiczna,
zapewnienie stabilności finansowej,
obsługa klienta,
zapewnienie dostępu do usług,
jakość zarządzania organizacją,
oddziaływanie przedsiębiorstwa na środowisko.
Wskaźniki dotyczące przepływu energii w systemie zaopatrzenia w wodę są
wykorzystywane w różnych obszarach oceny. Najczęściej stosowano je w ocenie
eksploatacji urządzeń (tzw. wskaźników technicznych). Ocena energetyczna była też
14 kryterium oceny oddziaływania przedsiębiorstwa na środowisko (np. poprzez obliczanie emisji gazów cieplarnianych). Ze względu na fakt, że koszt zakupu energii elektrycznej stanowi jedną z większych składowych kosztów funkcjonowania przedsiębiorstwa, ocena energetyczna jest również składową oceny ekonomicznej. Wskaźniki ekonomiczne odnoszą się na ogół do procentowego udziału zakupu energii w kosztach eksploatacyjnych. Ocena energetyczna jest również zalecana jako element w procesie ewaluacji zamierzeń inwestycyjnych (jako kryterium projektowania inwestycji).
Ocena energetyczna stanowi zatem ważny element ewaluacji przedsiębiorstwa.
Opracowanie zasad i metod tego typu oceny jest przedmiotem wielu prac badawczych oraz standardów technicznych. W niniejszym rozdziale przedstawiono przegląd wybranych - ważniejszych pozycji literatury z zakresu oceny energetycznej systemów zaopatrzenia w wodę.
2.1. Wybrane metody oceny energetycznej systemów zaopatrzenia w wodę
Ocena energetyczna przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjnego może
dotyczyć wszystkich procesów w ujmowaniu, uzdatnianiu i rozprowadzaniu wody oraz
odprowadzaniu i oczyszczaniu ścieków. Zasady i metody tego rodzaju oceny są
przedmiotem prac realizowanych w ramach większych projektów, dotyczących
podniesienia efektywności wykorzystania zasobów infrastrukturalnych. W tego typu
projektach ocena energetyczna jest prowadzona na szeroką skalę (dotyczy wszystkich
procesów w systemie zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków), jej wynikiem jest
odpowiedź na pytania, dotyczące poziomu utrzymania infrastruktury, będącej
w posiadaniu przedsiębiorstw. W punkcie 2.2. przedstawiono przegląd ważniejszych
procedur standardów, wytycznych i metodologii oceny przedsiębiorstwa, w których jako
kryterium uwzględnia się aspekty energetyczne. W sposób szczegółowy opisano zasady
oceny energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę, realizowanej w ramach tych
projektów. W punkcie 2.2. przedstawiano przegląd wybranych prac o charakterze
naukowym, dotyczących opisu energetycznego systemu zaopatrzenia w wodę.
15 2.2. Przegląd standardów i metodologii opisywanych w poradnikach, dotyczących
oceny infrastruktury wod.-kan.
ECAM - Energy Performance and Carbon Emissions Assessment and Monitoring Tool
ECAM (Energy Performance and Carbon Emissions Assessment and Monitoring Tool) jest narzędziem opracowanym w ramach projektu WaCCliM (Water and Wastewater Companies for Climate Mitigation) [22]. Projekt jest realizowany przez GIZ (Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit) oraz IWA (International Water Association). Dotyczy oceny energetycznej wszystkich procesów realizowanych przez przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjne, w systemach zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków. W projekcie ocenia się wartość całkowitej emisji gazów cieplarnianych. Wyróżniono dwa typy emisji:
emisję bezpośrednią - wynikającą ze spalania paliwa w agregatach lub silnikach oraz emisji gazów cieplarnianych z sieci kanalizacyjnej i oczyszczalni ścieków,
emisję pośrednią - związaną z wykorzystaniem energii elektrycznej, odprowadzeniem do środowiska nieoczyszczonych ścieków (z systemu kanalizacyjnego lub bezpośrednio przez mieszkańców) oraz innych źródeł takich jak np. transport osadu, spalanie biogazu itd.
Wielkością wykorzystywaną w ocenie jest ekwiwalentna ilość CO
2, emitowanego w wyniku realizacji procesów w systemie zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków.
Metodologia uwzględnia również ocenę zużycia energii elektrycznej - oblicza się jej jednostkowe zużycie w poszczególnych podsystemach, identyfikując najbardziej energochłonne elementy systemu. Nie wykazuje się natomiast wskaźników energochłonności procesów jednostkowych.
W ramach projektu opracowano narzędzie informatyczne działające w przeglądarce internetowej (rysunek 2.1), które umożliwia wykonanie oceny energetycznej. Posiada ono prosty interfejs i jest dostępnie nieodpłatnie dla wszystkich zainteresowanych. Wyróżnia się dwa poziomy oceny:
Tier 1 to szybka ocena, którą można wykonać w krótkim czasie. Jest ona bardzo ogólna -
oblicza się zagregowane wskaźniki emisji CO
2dla systemu zaopatrzenia w wodę
i odprowadzania ścieków;
16 Tier 2 to szczegółowa ocena, w której wskaźniki obliczane są dla poszczególnych podsystemów: pobierania, uzdatniania, dystrybucji wody, odbioru ścieków, ich oczyszczania oraz zagospodarowania/odzysku odcieku. W ramach projektu opracowano portal internetowy, który stanowi platformę promującą dobre praktyki oraz bazę wiedzy na temat stosowania technologii, które umożliwiają zmniejszenie emisji CO
2z systemów zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków.
Rysunek 2.1. Zrzut ekranu aplikacji ECAM [22]
IWA Manual of Best Practice Performance Indicators for Water Supply Services
IWA Manual of Best Practice Performance Indicators for Water Supply Services stanowi wytyczne, w których opisano standardowe wskaźniki oceny przedsiębiorstwa wodociągowo-kanalizacyjnego [20]. W podręczniku zdefiniowano 166 wskaźników podzielonych na 6 rodzajów, dotyczących: zarządzania zasobami wodnymi (4 wskaźniki), personelu zatrudnionego w przedsiębiorstwie (26 wskaźników), opisu aktywów fizycznych (15 wskaźników), eksploatacji urządzeń (40 wskaźników), jakości usług (34 wskaźniki), aspektów ekonomicznych i finansowych (47 wskaźników). Wskaźniki dotyczące oceny energetycznej są sklasyfikowane do grupy Ph - wskaźniki aktywów fizycznych. W ramach oceny wyróżniono następujące wskaźniki:
Ph 4 - stopień wykorzystanie zdolności produkcyjnej pomp:
(2.1)
17 gdzie:
C7 - maksymalna zdolność produkcyjna pomp (wyrażona jako suma maksymalnej mocy wszystkich pomp) [kW],
D2 - maksymalne dobowe zużycie energii [kWh].
Ph5 - standardowe zużycie energii, określa ilość energii potrzebnej na wtłoczenie 1 m
3wody przy wysokości podnoszenia pomp równej 100 m słupa wody:
(2.2) gdzie:
D1 - energia zużywana przez pompy [kWh],
D3 - współczynnik standaryzujący - opisany zależnością 2.3:
(2.3)
gdzie:
- całkowita ilość wody przetłoczonej przez i-tą pompę w okresie oceny [m
3], - wysokość podnoszenia i-tej pompy [m
H2O],
Ph6 - zużycie energii biernej:
(2.4)
gdzie:
D4 - Zużycie energii w pompach [kWh], D1 - Zużycie energii biernej [kVar].
Ph7 -stopień odzysku energii:
(2.5)
18 gdzie:
D5 - energia odzyskana z systemu [kWh].
Jeden ze wskaźników oceny energetycznej, opisujący udział kosztów zakupu energii elektrycznej w kosztach eksploatacyjnych, jest zakwalifikowany jako wskaźnik finansowy:
Fi10 - wskaźnik kosztów zakupu energii elektrycznej w odniesieniu do kosztów eksploatacji:
(2.6)
gdzie:
G5 - koszty eksploatacyjne [EUR/rok],
G11 - koszty zakupu energii elektrycznej [EUR/rok].
Podręcznik nie definiuje progów akceptowalności dla wartości ww. wskaźników, ani nie proponuje metody ich oceny. Celem poradnika jest przedstawienie standardowych wskaźników oceny efektywności przedsiębiorstwa. Wskaźniki te mogą być wykorzystywane wewnątrz przedsiębiorstwa (jako element samooceny - zmiana wartości wskaźnika w czasie) lub do benchmarkingu - porównywania przedsiębiorstw między sobą.
IBNET - The International Benchmarking Network
IBNET jest projektem realizowanym przez Bank Światowy, którego celem jest dostarczenie danych na temat przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych, działających we wszystkich regionach świata [21]. Głównym celem projektu jest promocja dobrych praktyk oraz dostarczenie danych dla: zarządzających przedsiębiorstwami, regulatorów, organów rządowych, organizacji międzynarodowych, inwestorów i społeczeństwa np. organizacji pozarządowych. Projekt jest otwarty, dane przesyłane są przez przedsiębiorstwa na zasadzie dobrowolności, a wyniki publikowane
przez aplikację internetową. Projekt dotyczy zarówno wskaźników związanych
19 z utrzymaniem infrastruktury, jak i z wysokością taryf za wodę i ścieki. W ramach projektu zbierane są dane na temat zużycia energii, takie jak:
30.01 - całkowite zużycie energii [kWh],
30.02 - zużycie energii - część związana z produkcją i dystrybucją wody [kWh],
30.03 - zużycie energii - część związana z odprowadzeniem i oczyszczaniem ścieków [kWh],
30.04 - zużycie energii - część związana z realizacją innych celów przedsiębiorstwa [kWh],
97 - koszt zakupu energii elektrycznej [waluta/rok].
W oparciu o wprowadzone dane obliczane są wskaźniki dotyczące energochłonności procesów, takie jak:
30,2 - zużycie energii na 1m
3wody sprzedanej odbiorcom [kWh/m
3],
30,3 - zużycie energii na 1m
3ścieków sprzedanych odbiorcom [kWh/m
3],
13,2 - udział kosztów energii elektrycznej w kosztach operacyjnych [%].
Dane zbierane w ramach projektu dostępne są nieodpłatnie i publicznie przez aplikację internetową. Aplikacja umożliwia generowanie raportów oraz porównywanie wartości wskaźników na poziomie globalnym. Ze względu na charakter projektu i dużą liczbę uczestników, nie ma możliwości weryfikacji wszystkich informacji. Platforma jest dobrym narzędziem do celów statystycznych (makroekonomicznych), lecz możliwości zastosowania jej do oceny pojedynczego systemu mogą być ograniczone.
AquaRating
AquaRating jest systemem oceny przedsiębiorstwa wodociągowo-
kanalizacyjnego, którego celem jest ewaluacja wszystkich procesów [19] realizowanych
przez przedsiębiorstwo. Wynikiem oceny jest zagregowany "Rating" przedsiębiorstwa,
który informuje o efektywności zarządzania. Projekt jest realizowany przez IWA i IDB
(Między-Amerykański Bank Rozwoju) głównie w krajach Ameryki Południowej. W
projekcie wyróżniono 112 elementów oceny w 8 dziedzinach: jakości usług, inwestycji,
20 efektywności w planowaniu i implementacji, efektywności w eksploatacji, efektywności w zarządzaniu, stabilności finansowej, dostępu do usług oraz kwestii środowiskowych.
Ocena wykonywana jest na dwa sposoby: wskaźnikami (przyjmującymi wartości liczbowe) oraz za pomocą dobrych praktyk - stanowią one zapisy/pytania, dotyczące zachowania procedur w zarządzaniu przedsiębiorstwem. Dla każdego ze wskaźników i każdej z dobrych praktyk określono zasady ich oceny oraz agregacji do jednej wartości
"Ratingu".
Ocena energetyczna jest wykonywana w ramach oceny realizacji dobrych praktyk w następujących obszarach:
OE2.1 - efektywność wykorzystania energii:
1. W ciągu ostatnich pięciu lat był przeprowadzony audyt energetyczny dla wszystkich urządzeń w systemie.
2. Dodatkowe pomiary i rekomendacje zalecane w audycie zostały wdrożone, przynajmniej dla 90% rekomendacji.
3. Istnieje plan optymalizacji energetycznej w eksploatacji systemów zaopatrzenia w wodę, oczyszczania i odprowadzania ścieków.
4. Optymalizacja zużycia energii jest rozważana podczas prowadzenia procesu wyboru nowych urządzeń lub obiektów.
5. Optymalizacja zużycia energii jest rozważana w planowaniu rozwoju całego przedsiębiorstwa.
6. Plan poprawy efektywności i obniżania zużycia energii istnieje, monitoruje się cele oraz zakres ich realizacji.
OE4.1 - koszty eksploatacji i utrzymania:
/.../
4. Jest prowadzony miesięczny system księgowania głównych kosztów z podziałem na: koszty personelu, zużycie energii, materiałów i usług obcych.
/.../
21
ES 2.3. Działania i promocja ochrony środowiska:
/.../
5 - Istnieje program poprawy efektywności energetycznej /.../
Dodatkowo zaleca się obliczanie wskaźnika zużycia energii oraz wskaźnika emisji dwutlenku węgla:
ES 2.5 Wskaźnik zużycia energii - dotyczy stosunku ilości energii wytworzonej do energii zużytej (określony całkowicie dla systemu wodno-ściekowego) określa się go jako:
(2.7)
gdzie:
- energia zużyta we wszystkich procesach w systemie zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków [kWh],
- energia generowana we wszystkich procesach w systemie zaopatrzenia w wodę i odprowadzania ścieków [kWh].
ES2.6 Emisja dwutlenku węgla dla systemu zaopatrzenia w wodę określona wskaźnikiem:
(2.8)
gdzie:
- roczna emisja dwutlenku węgla [ton CO
2], - liczba mieszkańców [Mk].
Obniżanie emisji CO
2jest również zalecane w ramach dobrych praktyk:
P1.3 Metody identyfikacji i analizy alternatywnych rozwiązań projektowych:
22 /.../
5. Warianty alternatywnych rozwiązań projektowych są oceniane z uwzględnieniem emisji CO
2, łagodzenia zmian klimatycznych oraz obniżenia ich wpływu na środowisko.
W projekcie dużą wagę zwraca się na wiarygodność danych. W ramach oceny należy zbierać dokumenty potwierdzające, iż dane są wiarygodne. W metodyce określono, jakie dokumenty i z jaką częstotliwością należy sprawdzać w ramach audytu.
W przypadku braku udokumentowanych podstaw, do stwierdzenia, że dana praktyka jest realizowana lub wartości wskaźnika są prawdziwe, "Rating" dla danego elementu przyjmuje wartość zero.
EPA’s Energy Use Assessment Tool
EPA’s Energy Use Assessment Tool jest narzędziem opracowanym przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (US EPA), które ma wspomagać małe i średnie przedsiębiorstwa w ocenie energetycznej [23]. Narzędzie jest otwarte, dostępne nieodpłatnie, przygotowane jako arkusz kalkulacyjny. W ramach oceny zbiera się dane o wszystkich urządzeniach korzystających z energii elektrycznej np. pompy, dmuchawy, instalacje HVAC, oświetlenie itd.. Zaleca się wykonanie audytu dla okresu minimum 1 roku wstecz (optymalnie pięciu lat). W ramach oceny sprawdza się trend zmian wartości zużycia energii oraz poszukuje najbardziej energochłonnych procesów. Audyt umożliwia ocenę zmian wartości wskaźników zużycia energii wyłącznie wewnątrz przedsiębiorstwa, nie służy do oceny względem innych przedsiębiorstw. Jest to tzw. benchmarking wewnętrzny.
Water Research Fundation - Toolbox for Water Utility Energy and Greenhouse Gas Emission Management
W poradniku przedstawiono zbiór zasad prowadzenia oceny energetycznej
procesów realizowanych w przedsiębiorstwach wodociągowych, z uwzględnieniem
kryterium emisji gazów cieplarnianych [24]. W dokumencie nie przedstawiono jednej
metodyki oceny, lecz utworzono ogólne zalecenia odnośnie prowadzenia tego typu
działań. W ramach projektu przedstawiono przegląd zasady regulacji emisji gazów
cieplarnianych w wybranych krajach, przedstawiono wybrane metodologie oceny emisji
(np. IPPC, UNFCCC) oraz przedstawiono przegląd literatury, dotyczący oceny emisji
23 z wybranych elementów systemu zaopatrzenia w wodę, przede wszystkim z systemu odprowadzania i oczyszczania ścieków. W projekcie przedstawiono studia przypadków, utworzone na podstawie informacji od wybranych przedsiębiorstw w Stanach Zjednoczonych. Wykazano, iż nie ma możliwości opracowania jednej metodologii oceny energetycznej przedsiębiorstw, metoda będzie zawsze zależeć od lokalnych uwarunkowań. Możliwe jest jedynie utworzenie ogólnych ram oceny - zasad i dobrych praktyk. Określono cztery etapy prowadzenia oceny: utworzenie planu i określenie granic oceny, wybór metodyki i protokołu wykorzystanego do oceny, wprowadzenie danych i generowanie raportu. Podkreślono również, iż istnieją dwie możliwości oceny: odgórna (z ang. top-down), w której na podstawie wskaźników jednostkowych opisuje się emisję znając wartości produkcji oraz oddolna (z ang. bottom-up ), w której na podstawie znajomości procesu mierzy się lub oblicza emisję dla poszczególnych elementów systemu. Pierwsza metoda jest bardziej zasadna dla urzędów regulacyjnych/agencji rządowych, które potrzebują informacji o charakterze makroekonomicznym. Druga metoda jest właściwa dla przedsiębiorstw, które analizują konkretne procesy w ramach studium przypadku. Wskazano, iż nie ma możliwości pełnej harmonizacji, a zasady oceny będą zawsze zależeć od lokalnych uwarunkowań prawnych, technicznych i ekonomicznych.
WATERGY: Energy and Water Efficiency in Municipal Water Supply and Wastewater Treatment Cost-Effective Savings of Water and Energy
WATERGY jest projektem prowadzonym przez Alliance to Save Energy, dotyczy oceny związków między wodą a energią we wszystkich elementach systemu wodno- ściekowego [25]. Dla każdego z elementów systemu wyróżniono urządzenia (oraz procesy), w których zużywa się istotne ilości energii. Zalecono realizację audytów energetycznych dla tych urządzeń. W projekcie zwrócono uwagę, na to, że w celu podwyższenia efektywności energetycznej niezbędne są trzy elementy:
wola polityczna - dotyczy chęci zmian przez podejmujących decyzje, którymi w zarządzaniu wodą na ogół są politycy,
analiza techniczna i ekonomiczna - związana z określeniem i mapowaniem procesów energetycznych, przeprowadzaniem audytów, ustaleniem celów, zasad oraz wskaźników oceny,
implementacja - dotycząca wdrażania planów, mierzenia i poprawy
energochłonności procesów poprzez: wymianę pomp, poszukiwanie i usuwanie
24 wycieków, zarządzanie ciśnieniem, automatyzację, monitoring, wykorzystanie odpowiednich materiałów w budowie rurociągów, optymalne planowanie systemu itd.
Zwrócono uwagę na sposoby finansowania inwestycji związanych z poprawą energochłonności poprzez np. kontrakty oparte na wynikach (z ang. Performance Based Contract). W opracowaniu nie przedstawiono metodyki oceny energetycznej, ale opisano ogólne zasady jej prowadzenia. Zwrócono uwagę na aspekty, inne niż techniczne, takie jak: uwarunkowania polityczne oraz kwestie ekonomiczne.
Integrating the Carbon and Water Footprints’ Costs in the Water Framework Directive 2000/60/EC Full Water Cost Recovery Concept: Basic Principles Towards Their Reliable Calculation and Socially Just Allocation
Zaproponowano propozycje integracji koncepcji śladu węglowego i śladu wodnego, zgodnie z wytycznymi Dyrektywy Parlamentu Europejskiego, z uwzględnieniem wykorzystania wody we wszystkich procesach: produkcji, dystrybucji i poboru wody przez mieszkańców [26]. W pracy łączono koncepcje śladu węglowego, w której określa się w całkowitą ilość emisji gazów cieplarnianych w cyklu życia, z koncepcją wirtualnej wody, w której określa się ilość wody, która jest zawarta w produkcie lub/i została zużyta do jego wyprodukowania oraz śladu wodnego, będącego wskaźnikiem zużycia wody wirtualnej w odniesieniu do poziomu zużycia wody przez mieszkańców.
Ramowa dyrektywa wodna zaleca wdrażać koncepcję - Full Water Cost Recovery (FWCR), zgodnie z którą każda ilość wody wzięta z przyrody ma negatywy wpływ na środowisko i generuje koszt, który musi być opłacany przez osobę, która korzysta z zasobów tzw. koncepcja - zanieczyszczający płaci. Koszty są dzielone na koszty bezpośrednie - związane z produkcją wody, zatrudnieniem pracowników, zakupem energii oraz koszty środowiskowe - koszty opłat środowiskowych, które są związane z koniecznością prowadzenia zrównoważonej gospodarki wodnej.
W artykule autorzy zaproponowali metodę obliczania kosztów oraz oceny ich wartości z punktu widzenia koncepcji śladu węglowego i energetycznego.
Zaproponowana analiza powinna być brana pod uwagę w przypadku obliczania wartości
cen - taryf za wodę i ścieki.
25
Benchmarking IGWP
Benchmarking Izby Gospodarczej Wodociągi Polskie jest krajowym projektem oceny efektywności przedsiębiorstw wodociągowych [27]. Projekt realizowany jest od 2009 roku. W 2015 r. w badaniach wzięło udział 145 przedsiębiorstw. Przedsiębiorstwa biorące udział w projekcie stanowią ok. 8% wszystkich tego typu przedsiębiorstw w Polsce, obsługujących 17,5% długości sieci i dostarczających prawie 60% wody do mieszkańców. Przedsiębiorstwa obsługują ok. 30% długości sieci kanalizacyjnej i oczyszczają 57% ścieków komunalnych w Polsce. Raporty oraz opisy definicji wskaźników nie są publicznie dostępne. Dostępny jest jedynie spis wskaźników. Ocena energetyczna w projekcie realizowana jest w ramach następujących wskaźników:
energochłonność procesu zaopatrzenia w wodę [kWh/m
3],
energochłonność procesu poboru i uzdatniania wody [kWh/m
3],
energochłonność procesu dostarczania wody [kWh/m
3],
energochłonność procesu odbioru i oczyszczania ścieków [kWh/m
3],
energochłonność procesu odbioru ścieków [kWh/m
3],
energochłonność procesu oczyszczania ścieków i zagospodarowania osadów ściekowych [kWh/m
3],
samowystarczalność energetyczna oczyszczalni ścieków [%].
2.3. Przegląd wybranych prac o charakterze naukowym, dotyczących opisu energetycznego systemu zaopatrzenia w wodę
Energy indicators and savings in water supply
Artykuł był jedną z pierwszych prac dotyczących analizy efektywności
energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę [28]. Prace badawcze prowadzono w
wybranych miastach Szwajcarii. W artykule zaproponowano wskaźniki służące do oceny
efektywności wykorzystania energii w systemach zaopatrzenia w wodę. Zdefiniowano
pojęcie energii minimalnej (E
min) jako najmniejszej teoretycznej ilości energii (przy
założeniu braku oporów przepływu w rurociągach oraz braku strat energii w pompach),
którą należy dostarczyć do systemu, aby zapewnić ciśnienie 6 barów u wszystkich
odbiorców. Wskaźnik ten oblicza się jako różnice energii potencjalnej w węźle,
najbardziej niekorzystnie położonym z punktu widzenia hydrauliki, przy założeniu
26 utrzymania ciśnienia 6 barów w tym węźle, a energii potencjalnej wody w źródle.
Korzystając z pojęcia energii minimalnej, określono wskaźniki charakteryzujące sieć wodociągową:
Wskaźnik struktury - opisujący strukturę sieci wodociągowej, określa minimalną ilość energii potrzebną do wtłoczenia 1 m
3wody do sieci, jest definiowany jako:
(2.9)
gdzie:
- ilość wody pobranej przez odbiorców [m
3].
W przypadku, gdy wskaźnik ten ma wartość mniejszą od 0 oznacza to, iż jest możliwe generowanie energii elektrycznej z wykorzystaniem masy wody z systemu zaopatrzenia. Sytuacja taka zachodzi np. w przypadku źródeł ze zwierciadłem naporowym, lub gdy źródło wody jest położone wyżej niż odbiorcy.
Wskaźnik jakości, który określa, czy przedsiębiorstwo wodociągowe wykorzystuje energię elektryczną w sposób efektywny, definiowany jako:
(2.10)
E - ilość energii zużytej do pompowania wody (odczytywana z liczników zużycia energii elektrycznej) [kWh].
W artykule przedstawiono przykładowe wartości wskaźników obliczonych dla wybranych miast w Szwajcarii. Zwrócono uwagę na korzyści z wykorzystania tego typu wskaźników do oceny potencjalnych możliwości odzysku energii z sieci wodociągowej, w szczególności na terenach górzystych. Zaakcentowano możliwości zaoszczędzania energii w wyniku dobrego projektowania i rehabilitacji sieci (czyszczenie przewodów, wymiana pomp).
Energy Audit of Water Networks
Korzystając z zasady zachowania energii opracowano metodykę sporządzania
audytów energetycznych dla systemów zaopatrzenia w wodę [29]. Audyt jest
wykonywany z wykorzystaniem modeli komputerowych sieci wodociągowych. Analizy
pozwalają na określenie wskaźników, służących do oceny systemu zaopatrzenia w wodę,
które mogą być stosowane do poszukiwania niedomagań i zwiększania efektywności
energetycznej. W pracy przedstawiono składowe audytu energetycznego (tabela 2.1) oraz
zaproponowano równania obliczania ich wartości.
27 Tabela 2.1. Składowe audytu energetycznego systemu zaopatrzenia w wodę [29]
Energia wprowadzona do
systemu E
input(t
p)
Energia wprowadzona -
naturalna E
N(t
p)
Energia dostarczona do
użytkownika
E
U(t
p) Energia
opuszczająca system E
Output(t
p) Straty energii wraz
z masę wody utraconej z powodu wycieków
E
L(t
p) Energia
wprowadzona - w pompach
E
P(t
p)
Straty energii w wyniku tarcia hydraulicznego
E
F(t
p)
Energia dyssypująca
E
Dissipated(t
p)
Na podstawie opisanych wartości określono wskaźniki służące do oceny systemu zaopatrzenia w wodę:
Wskaźnik, określający stosunek ilości energii wprowadzonej do systemu i minimalnej energii, którą należy dostarczyć, by zagwarantować odpowiednie ciśnienie w sieci wodociągowej, obliczany jako:
(2.11)
gdzie:
- ciężar objętościowy wody [kG/m
3],
- całkowite zapotrzebowanie na wodę w i-tym węźle [m
3], n - liczba węzłów [-],
- minimalny wymagany napór hydrauliczny w i-tym węźle [m
H2O].
28
Wskaźnik określający efektywność wykorzystania energii wprowadzonej do systemu:
(2.12)
Wskaźnik określający stosunek straty energii poprzez dyssypację do energii wprowadzanej do układu:
(2.13)
Wskaźnik określający stosunek strat energii, wynikający z utraty wody w wyniku nieszczelności a energią wprowadzoną do układu:
(2.14)
gdzie:
- wartość strat energii wywołanej tarciem w sieci pozbawionej wycieków [kWh].
Wskaźnik dotyczący spełniania standardu obsługi klienta (zagwarantowania odpowiedniego ciśnienia w sieci wodociągowej):
(2.15)
Wskaźnik ten określa stosunek ilości energii dostarczonej do klienta przy założeniu, iż w punkcie odbioru nie występują nadmiary ciśnień i ilości energii rzeczywiście dostarczanej do klienta. Wskaźnik I5 może przybierać wartość: <1 - wówczas ciśnienie jest mniejsze niż wymagane - niespełniony jest standard obsługi klienta, wartość =1 sytuacja idealna, nie występują nadmiary ciśnień, na ogół niemożliwa z punktu widzenia topografii systemu, lub wartość >1 gdy występują nadmiary ciśnień, sytuacja ta występuje najczęściej, można wówczas rozważyć możliwość odzysku energii u odbiorcy np. poprzez zastosowanie turbin.
W artykule przedstawiono przykład obliczeń wartości ww. wskaźników dla prostej sieci wodociągowej, składającej sie z 10 węzłów, pompy i dwóch zbiorników.
Do obliczania wskaźników wykorzystano model komputerowy sieci wodociągowej,
zaimplementowany w programie Epanet.
29
Energy Assessment of Pressurized Water Systems
W artykule przedstawiono dodatkowe wskaźniki efektywności dla ciśnieniowego systemu zaopatrzenia w wodę [30]. Praca stanowi rozszerzenie publikacji [29].
Określono wskaźnik sprawności idealnego systemu (z odzyskiem energii) -
. Sprawność tę oblicza się ze wzoru:
(2.16)
gdzie:
- minimalna ilość energii wymagana przez użytkowników przy założeniu, że nie ma nadmiarów ciśnienia [kWh],
- ilość energii topograficznej, którą należy dostarczyć do systemu idealnego w celu utrzymania wymaganego ciśnienia w punkcie krytycznym. Energia ta w punktach innych niż krytyczny, czyli takich, w których występują nadmiary ciśnień, jest możliwa do odzyskania przez turbiny [kWh],
- całkowita ilość energii dostarczana do systemu idealnego [kWh],
- energia związana z utrzymywaniem wyższego niż wymagane ciśnienie u odbiorców (występuje tylko w innych punktach niż krytyczne) [kWh].
W systemie idealnym
= 0 gdy cała energia jest odzyskiwana, wówczas wartość:
=1.
W systemie rzeczywistym, ze względów na ograniczenia ekonomiczne związane z instalowaniem turbin w systemie, tylko część
jest odzyskiwana.
Efektywność systemu idealnego, bez odzysku energii, może być obliczona ze wzoru:
(2.17)
Przedstawione wskaźniki mogą służyć do określenia maksymalnej sprawności sytemu idealnego. Dla systemu realnego określono wskaźnik efektywności jako:
(2.18)
gdzie:
- całkowita energia dostarczona dla systemu realnego [kWh].
Różnica sprawności (
jest wskaźnikiem, umożliwiającym określenie
rozbieżności pomiędzy systemem rzeczywistym a idealnym. Obliczanie i porównywanie
wskaźników może służyć do określania i monitorowania celów związanych z poprawą
efektywności energetycznej. W pracy przedstawiono zasady obliczania ilości energii,
30 którą można zaoszczędzić poprzez: zmniejszenie wycieków, zmniejszenie ilości energii związanej z tarciem w przewodach, zastosowaniem turbin oraz poprawą struktury sieci.
Przedstawiono przykład obliczania wskaźników dla systemu nawadniającego uprawy rolne, obejmującego 55 kilometrów sieci oraz 400 punktów poboru wody.
Energy Balance for a Water Distribution System
W artykule [31] przedstawiono bilans energetyczny, który może służyć do oceny systemu zaopatrzenia w wodę (równanie 2.19.)
gdzie:
- energia wprowadzona do układu wraz z masą wody wpływającą ze źródła [kWh],
- energia wprowadzona w pompie [kWh],
- energia utracona w wyniku tarcia w przewodach [kWh],
-energia utracona w wyniku tarcia w armaturze [kWh],
- energia odzyskana w turbinach [kWh],
- energia związana z masą wody gromadzonej w zbiornikach [kWh],
- energia zużyta w celu pokonania różnicy geometrycznej między węzłami
zasilania i poboru [kWh],
- energia dostarczona do odbiorców oraz utracona wraz z masą wycieków [kWh].
Równanie bilansu obliczano dla dwóch systemów zaopatrzenia w wodę.
Zaznaczono, że bilans energetyczny umożliwia porównywanie różnych systemów.
Podkreślono, iż trudno takie porównywanie wykorzystać do oceny systemu, ze względu na to, że każdy system ma inną charakterystykę. Sporządzenie takiego bilansu może być trudnym zadaniem, gdyż wymaga zebrania dużej ilości danych, a może nie przynieść korzyści z punktu widzenia inżynierskiego. Zwrócono uwagę na to, że minimalizacja strat energii w przewodach transportujących wodę będzie opłacalna jedynie w przewodach, w których występują duże przepływy wody oraz wysokie prędkości np. w
"niedowymiarowanych" magistralach. Przewody takie można w łatwy sposób wytypować
bez sporządzania bilansu. Autorzy zwrócili uwagę na to, że w niektórych krajach, np. w
Stanach Zjednoczonych sieci są projektowane na warunki pożarowe, dlatego wartości
strat energii w wyniku tarcia w rurociągach będą na ogół bardzo małe. Bilans
energetyczny może służyć do lepszego opisu sieci, lecz w praktyce inżynierskiej samo
31 sporządzanie bilansu nie zwiększy efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę. Zwiększenie efektywności jest możliwe jedynie przez działania naprawcze. W niektórych przypadkach sporządzenie bilansu może być korzystne z punktu widzenia wspomagania planowania tego typu zadań.
Pipe-level energy metrics for energy assessment in water distribution networks
W artykule opisano metody oceny strat energii w rurociągach transportujących wodę w systemach wodociągowych [32]. Przedstawiono równanie bilansu energii dla rurociągu, zgodnie z którym:
(2.20)
gdzie:
- ilość energii dostarczonej do przewodu w węźle początkowym [kWh],
- ilość energii dostarczonej do odbiorców w węźle końcowym, w celu
zapewnienia odpowiedniego ciśnienia [kWh],
- ilość energii dostarczonej do węzła końcowego, która zasila następny przewód [kWh],
- straty energii, wynikające z utraty masy wody w wyniku nieszczelności w przewodzie wodociągowym [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów hydraulicznych podczas
przepływu - związana z masą wody dostarczaną do węzła końcowego [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów hydraulicznych podczas
przepływu - związana z masą wody traconą w wyniku nieszczelności [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów hydraulicznych podczas przepływu
- związana z masą wody, która w węźle końcowym zasila następny przewód [kWh],
- ilość energii traconej w wyniku oporów miejscowych spowodowanych np.
zastosowaniem armatury, turbiny itp. [kWh].
W artykule opisano metody obliczania ww. wartości, z wykorzystaniem modeli komputerowych sieci wodociągowych. Do modelowania zastosowano program Epanet.
Zaproponowano równania służące do obliczania wartości wskaźników, opisujących efektywność wykorzystania energii w systemie zaopatrzenia w wodę:
wskaźniki efektywności - stosunek ilości energii dostarczonej odbiorcom, do
ilości energii wprowadzanej do systemu:
32
(2.20)
(2.21)
wskaźnik wymaganego ciśnienia - określa relację między niezbędną energią, jaką należy doprowadzić do odbiorcy, by zagwarantować ciśnienie wymagane (E
req), a ilością energii dostarczanej do odbiorców. Wskaźnik ten opisuje nadmiar ciśnienia w sieci wodociągowej:
(2.22)
wskaźniki strat energii - określają relacje między stratą energii, a energią dostarczaną do przewodów:
(2.23)
(2.24)
W artykule przedstawiono przykłady obliczania ww. wskaźników dla sieci wodociągowych. Podano wartości liczbowe obliczonych wskaźników, lecz nie określono zasad ich oceny (wartości akceptowalnych).
Tools for Energy Footprint Assessment in Urban Water Systems
W artykule opracowano narzędzie służące do oceny śladu energetycznego dla
miejskich systemów zaopatrzenia w wodę [33]. Energochłonność całkowita procesów
była oceniania na podstawie wskaźników jednostkowych. Na uwagę zasługuje fakt skali
prowadzonych badań, bowiem dotyczyły one rozległego systemu zaopatrzenia w wodę
aglomeracji Aten (ok. 6 milionów mieszkańców). Głównym celem badań było
porównywanie różnych scenariuszy rozwoju systemu oraz wskazanie możliwości
zmniejszenia śladu energetycznego w wyniku modernizacji. W badanej aglomeracji
obecnie wykorzystuje się odzysk energii. W pracy wskazano potencjalne możliwości
zwiększenia produkcji energii w tym systemie. Wskazano również elementy
(pompownie), które wymagają najszybszej modernizacji i rokują uzyskanie największego
zysku. Praca odnosiła się głównie do obiektów (pompowni, turbin), analizowano przede
wszystkim wyniki pomiarów. Nie brano natomiast pod uwagę możliwości zastosowania
modeli komputerowych układów transportujących wodę.
33
From energy balance to energy efficiency indicators including water losses Głównym celem pracy było określenie metodologii oceny efektywności energetycznej całego systemu zaopatrzenia w wodę oraz określenie wpływu strat wody na wartości wskaźników efektywności energetycznej [34]. Wskaźniki te były określone na podstawie bilansu energetycznego. Określono następujące wskaźniki.
WSEE (Water Supply Energy Efficiency):
(2.25)
gdzie:
- minimalna energia, którą należy dostarczyć do systemu w celu zagwarantowania dostaw wody określana tak jak E
min[28] [kWh],
- energia zużyta przez pompy [kWh],
NEE (Network Energy Efficiency):
(2.26)
gdzie:
- energia dostarczona do pompowni wody przy założeniu zerowych strat wody w sieci wodociągowej [kWh],
LEE (Leakage Energy Efficiency):
(2.27)
gdzie:
- energia dostarczona do pompowni wody w rzeczywistości [kWh],
PEE (Pumping Energy Efficiency):
(2.28)
34 W pracy przedstawiono zależności do obliczania wartości składowych ww.
wskaźników z wykorzystaniem modelu sieci wodociągowej Epanet wraz z przykładem dla wybranego układu transportującego wodę.
Multi-criteria analysis for the selection of the best energy efficient option in urban water systems
Publikacja opisuje zastosowanie analizy wielokryterialnej do oceny efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w wodę [35]. Porównywano różnego rodzaju scenariusze eksploatacji tego systemu. W ocenie energetycznej wykorzystano audyt energetyczny systemu zaopatrzenia w wodę [29]. Dodatkowo uwzględniono kryterium emisji gazów cieplarnianych, możliwości odzysku energii oraz kryteria niezawodności sieci. W pracy przedstawiono studium przypadku dla systemu zaopatrzenia w wodę, w regionie Algarve w Portugalii. Region ten był zaopatrywany z dwóch stacji uzdatniania wody, gdzie w jednej zainstalowano turbinę odzyskującą energię z masy spływającej wody. Systemy te funkcjonowały przy różnych scenariuszach sterowania, w zależności od pory roku (sezonu turystycznego). Porównywano różne scenariusze pracy tych systemów. Do oceny wariantów wykorzystano metodę ELECTRE III. Praca nie obejmowała bezpośrednio oceny energetycznej systemu, lecz ocenę scenariuszy sterowania, z wykorzystaniem kryterium energetycznego.
Modeling of hydraulic and energy efficiency indicators for water supply systems [36]
W artykule zaproponowano metodykę obliczania wskaźników efektywności energetycznej pomp. Opracowano studium przypadku, w którym obliczano te wskaźniki dla realnego systemu zaopatrzenia w wodę. Celem badań było utworzenie innych wskaźników energochłonności niż jednostkowe zużycie energii na 1 m
3wody tłoczonej do sieci. Wskaźniki wyprowadzono korzystając z definicji efektywności, którą opisano jako: stosunek pożądanego efektu do ilości zasobów, niezbędnych do realizacji procesu.
Określono wskaźniki dotyczące oceny hydraulicznej sieci oraz strat energii w sieci.
Zdefiniowano następujące wskaźniki:
teoretyczny globalny wskaźnik efektywności systemu (TGEE - Theoretical Global Energy Efficiency)
(2.29)
35 gdzie:
- energia użyteczna na wyjściu z systemu (w węzłach poboru wody) [kWh],
- energia dostarczona do systemu [kWh],
potencjalny globalny wskaźnik efektywności:
(2.30)
gdzie:
- minimalna ilość wymaganej energii na wyjściu z systemu (w węzłach poboru wody) - przy założeniu, że nie występują nadmiary ciśnień [kWh],
globalny współczynnik efektywności energetycznej:
(2.31)
gdzie:
- docelowa wartość ilości energii elektrycznej, która ma być dostarczana do systemu, w celu zapewnienia wymagań tego sytemu. Wartość ta jest obliczana z zastosowaniem procedury optymalizacji [kWh],
