alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.19-21.061-069alternative-1765Research ArticleVII. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 17. Энергетика и экологияVII. ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGY.17. Energy and EcologyРоль экологического фактора в развитии городских теплоснабжающих системRole of an Environmental Factor in the Development of Urban Heating SystemsЕделеваО. А.EdelevaO. A.

канд. техн. наук, старший научный сотрудник отдела трубопроводных систем

Ph.D. in Engineering Sciences, Senior Researcher at the Department of Pipeline Energy Systems

edel@isem.irk.ruИнститут систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН)РоссияMelentiev Energy Systems Institute SB RASRussian Federation201920092019019-216169Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1765

В статье сформулирована многокритериальная задача оптимизации источников тепловой энергии, в которой рассматривается обеспечение надежного и безопасного теплоснабжения потребителей и минимальное воздействие объектов теплоснабжения на окружающую среду. Эта задача относится к задачам схемноструктурной оптимизации, является трудно формализуемой и имеет нелинейный дискретный характер. Общепринятый подход к решению задачи развития теплоснабжающих систем на уровне города, как правило, сводится к однокритериальной задаче поиска минимума дисконтированных приведенных затрат в проектируемые энергетические объекты системы при выполнении множества ограничений. Мерами природоохранной деятельности в этом случае являются оценка причиненного ущерба от объектов энергетики окружающей среде и соответствующая этому ущербу плата за выбросы загрязняющих атмосферу веществ. Показано, что существуют и другие методические подходы, в которых в случае сведения к однокритериальной задаче остальные критерии не теряют своей важности и могут существенно влиять как на процесс оптимизации, так и на получаемые в его результате решения. Приведен краткий обзор таких подходов и предложен метод эпсилон-ограничений, который позволяет максимизировать суммарный эффект от проведения мероприятий по защите атмосферы в пределах выделенного для города объема затрат. Процедура динамического программирования позволяет получить семейство решений (оптимальных наборов мероприятий), каждое из которых соответствует некоторому уровню затрат, не превосходящему определенного верхнего предела. Описан алгоритм работы метода эпсилон-ограничений применительно к решаемой задаче. Приведен пример практических исследований реальной системы теплоснабжения города, проведенных с помощью предлагаемого метода, который позволил получить эффективное решение с конкретным перечнем технических и атмосфероохранных мероприятий по источникам тепла и теплоснабжающим системам в целом. Данный методический подход может найти практическое применение при выполнении предпроектных исследований, а также при разработке схем теплоснабжения городов.

The paper focuses on multi-objective optimization of heat sources which aims to provide reliable and safe heat supply to consumers and minimal environmental impact of heating facilities. This is a structural optimization problem of a non-linear discrete nature which is difficult to formalize. The generally accepted approach to solving the problem of urban heating system development is usually reduced to a single-criterion problem of finding the minimum discounted costs for the designed energy facilities of the system subject to a great number of constraints. The environmental protection measures, in this case, are the assessment of environmental damage caused by the energy facilities and a related charge for emissions of air pollutants. The study indicates that there are other methodological approaches, in which, in the case of a single-criterion problem, the other criteria do not lose their significance and can affect greatly both the optimization process and the solutions obtained. A brief review of such approaches is presented, and the epsilon-constraint method is proposed which allows maximizing the total effect of measures aimed at protecting the atmosphere within the funds allocated to the city. The dynamic programming procedure is used to obtain a set of solutions (optimal sets of measures), each of which corresponds to some level of costs not exceeding a certain upper limit. The algorithm of the epsilon-constraint method applied to solve the problem is described. The proposed method is used in a case study of a real urban heating system. This method made it possible to obtain an effective solution with a specific list of technical and atmospheric protection measures for heat sources and heating systems. The proposed methodological approach can find practical application in feasibility studies and in the studies on the development of urban heating systems.

источник теплатеплоснабжающая системазагрязнение атмосферымногокритериальная оптимизацияheat sourceheating systemsair pollutionmulti-criteria optimization problemИсследование выполнено за счет средств гранта Российского научного фонда (проект № 17-19-01209).The study was funded by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 17-19-01209).ReferencesСеннова, Е.В. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем / В.Г. Сидлер. – Новосибирск: Наука, 1987. – 221 с.Sennova E.V., Sidler V.G. Mathematical modelling and optimization of developing heating systems (Matematicheskoe modelirovanie i optimizatsiya razvivayushchikhsya teplosnabzhayuschikh sistem). Novosibirsk: Nauka Publ., 1987; 221 p. (in Russ.).Хрилев, Л.С. Оптимизация систем теплофикации и централизованного теплоснабжения / И.А. Смирнов – М.: Энергия, 1978. – 264 с.Khrilev L.S., Smirnov I.A. Optimization of district heating systems and centralized heat supply (Optimizatsiya sistem teplofikatsii i tsentralizovannogo teplosnabzheniya). Moscow: Energiya Publ., 1978; 264 p. (in Russ.).Исследования систем теплоснабжения / под ред. Л.С. Попырина, В.И. Денисова. – М.: Наука, 1989. – 215 с.Research of heating systems (Issledovaniya sistem teplosnabzheniya) / Edited by Popyrin L.S., Denisov V.I. Moscow: Nauka, 1989; 215 p. (in Russ.).Юфа, А.И. Комплексная оптимизация теплоснабжения / Д.Р. Носулько. – Киев: Тэхника, 1988. – 135 с.Yufa A.I., Nosulko D.R. Integrated optimization of heat supply (Kompleksnaya optimizatsiya teplosnabzheniya). Kiev: Tekhnika Publ., 1988; 135 p. (in Russ.).Федяев, А.В. Комплексные проблемы развития теплоснабжающих систем / О.Н. Федяева. – Новосибирск: Наука, 2000. – 256 с.Fedyaev A.V., FedyaevaО.N. Complex problems of heating systems development (Kompleksnye problemy razvitiya teplosnabzhayushchikh sistem). Novosibirsk: Nauka Publ., 2000; 256 p. (in Russ.).Бронштейн, А.М. Экологизация экономики: методы регионального управления / В.А. Литвин, И.И. Русин – М.: Наука, 1990. – 120 с.Bronstein A.M., Litvin V.A., Rusin I.I. Ecologization of the economy: methods of regional management (Ekologizatsiya ekonomiki: metody regional'nogo upravleniya). Moscow: Nauka Publ., 1990; 120 p. (in Russ.).Еделева, О.А. Выбор методического подхода для решения задач оптимального развития энергоисточников в теплоснабжающих системах городских территорий // Известия высших учебных заведений. Проблемыэнергетики. – 2017. – № 5–6. – С. 56–68.Edeleva O.A. The choice of a methodological approach for solving problems of optimal development of energy sources in the heat supply systems of urban areas (Vybor metodicheskogo podkhoda dlya resheniya zadach optimal'nogo razvitiya energoistochnikov v teplosnabzhayushchikh sistemakh gorodskikh territorii). Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki, 2017;5–6:56–68 (in Russ.).Mehleri, E.D. Optimal design and operation of distributed energy systems: Application to Greek residential sector / E.D. Mehleri [et al.] // Renewable Energy. – 2013. – Vol. 51. – P. 331–342.Mehleri E.D., Sarimveis H., Markatos N.C., Papageorgiou L.G. Optimal design and operation of distributed energy systems: Application to Greek residential sector. Renewable Energy, 2013;51:331–342.Penoncello, Steven G. Thermal Energy Systems. Design and Analysis– Moscow, Idaho: University of Idaho, 2015. – 546 p.Penoncello Steven G. Thermal Energy Systems. Design and Analysis. Moscow, Idaho: University of Idaho, 2015; 546 p.Wang, L. A Review of Evaluation, Optimization and Synthesis of Energy Systems: Methodology and Application to Thermal Power Plants / L. Wang [et al.] // Energies. – 2019. – Vol. 12. – No. 1. –73 p.Wang L., Yang Z., Sharma S., Mian A., Lin T.E., Tsatsaronis G., Maréchal F., Yang Y. A Review of Evaluation, Optimization and Synthesis of Energy Systems: Methodology and Application to Thermal Power Plants. Energies, 2019;12(1):73.Goderbauer, S., An adaptive discretization MINLP algorithm for optimal synthesis of decentralized energy supply system / S. Goderbauer [et al.] // Computers & Chemical Engineering. – 2016. – Vol. 95. – P. 38–48.Goderbauer S., Bahl B., Voll P., Lübbecke M.E., Bardow A., Koster A.M. An adaptive discretization MINLP algorithm for optimal synthesis of decentralized energy supply system. Computers & Chemical Engineering, 2016;95:38–48.Обоснование развития электроэнергетических систем: Методология, модели, методы, их использование / под. ред. Н.И. Воропая. – Новосибирск: Наука, 2015. – 448 с.Justification of the development of electric power systems: Methodology, models, methods, their use (Obosnovanie razvitiya elektroenergeticheskikh sistem: Metodologiya, modeli, metody, ikh ispolzovanie). Edited by Voropay N.I. Novosibirsk: Nauka, 2015; 448 p. (in Russ.).Goderbauer, S. The Synthesis Problem of Decentralized Energy Systems is strongly NP-hard. // Preprint: repORt 2018-043, Operations Research/ S. Goderbauer [et al.]. – RWTH Aachen University: Computers & Chemical Engineering, 2019. – 18 p.Goderbauer S., Comis Martin, Willamowski Felix J. L. The Synthesis Problem of Decentralized Energy Systems is strongly NP-hard. Preprint: report 2018-043, Operations Research. RWTH Aachen University: Computers & Chemical Engineering, 2019; 18 p.Carvalho, M. Multicriteria synthesis of trigeneration systems considering economic and environmental aspects / M. Carvalho [et al.] // Applied Energy. – 2012. – Vol. 91. – No. 1. – P. 245–254.Carvalho M., Lozano M.A., Serra L.M. Multicriteria synthesis of trigeneration systems considering economic and environmental aspects. Applied Energy, 2012;91(1):245–254.Atabay,D. An open-source model for optimal design and operation of industrial energy systems // Energy. – 2017. – Vol. 121. – P. 803–821.Atabay D. An open-source model for optimal design and operation of industrial energy systems. Energy, 2017;121: 803–821.Закон РФ «Об охране окружающей среды (с изменениями на 29 июля 2018 года)» от 29.07.2018 № 7-ФЗ. – М.: Кремль, 2018. – 97 с.Law of the Russian Federation "On Environmental Protection (as amended on July 29, 2018)" dated July 29, 2017, No. 7-ФЗ (Zakon RF «Ob okhrane okruzhayushchei sredy (s izmeneniyami na 29 iyulya 2018 goda)» ot 29.07.2018 № 7-FZ), Moscow, 2018; 97 p. (in Russ.).Москвин, Д.А. Перспективы использования многокритериальной оптимизации при управлении безопасностью информационных систем / Д.А. Москвин, М.О. Калинин // Доклады ТУСУРа. – 2008. – № 2. – Ч. 1. –С. 128–129.Moskvin D.A., Kalinin M.O. Prospects for the use of multi-criteria optimization in managing the security of information systems. (Perspektivy ispolzovaniya mnogokriterialnoi optimizatsii pri upravlenii bezopasnost'yu informatsionnykh system). Doklady TUSURa, 2008;1:128–129. (in Russ.).Захаров, И.Г. Обоснование выбора. Теория практики – СПб: Судостроение, 2006. – 528 с.Zakharov I.G. Justification of the choice. Theory of Practice (Obosnovanie vybora. Teoriya praktiki). St. Petersburg: Sudostroenie Publ., 2006; 528 p.(in Russ.).Зоркальцев, В.И. Равновесные модели в экономике и энергетике / В.И. Зоркальцев, О.В. Хами-сов. – Новосибирск: Наука, 2006. – 221 с.Zorkaltsev V.I., Khamisov O.V. Equilibrium models in economics and energy (Ravnovesnye modeli v ekonomike i energetike). Novosibirsk: Nauka Publ., 2006; 221 p. (in Russ.).Веников, В.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 464 с.Venikov V.A. Optimization of power plants and power systems: a textbook for universities (Optimizatsiya rezhimov elektrostantsii i energosistem: uchebnik dlya vuzov). Moscow: Energoizdat Publ., 1981; 464 p. (in Russ.).Stennikov, V. Methods and models of optimal managing of district heating systems with prosumers / V. Stennikov [et al.] // E3S Web of Conferences. – 2017. – Vol. 25.– 5 p.Stennikov V., Postnikov I., Penkovskii A. Methods and models of optimal managing of district heating systems with prosumers. E3S Web of Conferences, 2017;25:5.Ishizaka, A., Multi-criteria decision analysis: methods and software / A.Ishizaka, Ph. Nemery. – New Delhi, India: John Wiley & Sons, Ltd, 2013. – 296p.Ishizaka A., Nemery Ph. Multi-criteria decision analysis: methods and software, New Delhi, India: John Wiley & Sons, Ltd, 2013;296 p.Баранова О.А. Методический подход к совершенствованию теплоснабжающих систем с учетом атмосфероохранных мероприятий. Автореф. дисс. … канд. техн. наук. Иркутск, – 2004.Baranova O.A. Methodical approach to the improvement of heating systems, taking into account atmospheric protection measures (Metodicheskii podkhod k sovershenstvovaniyu teplosnabzhayushchikh sistem s uchetom atmosferookhrannykh meropriyatii): Ph.D. thesis. Irkutsk, 2004, (in Russ.).Защита атмосферы от промышленных загрязнений / под ред. С. Калверта и Г. М. Инглунда. – Ч. 1. – М.: Металлургия, 1988. – 760 с.Protection of the atmosphere from industrial pollution: Part 1 (Zashchita atmosfery ot promyshlennykh zagryaznenii). Edited by Calvert C. and Inglunda G. Moscow: Metallurgiya Publ., 1988; 760 p. (in Russ.).Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. Утв. приказом Минприроды России от 6 июня 2017 года, М. – 2017. – 119 с.Methods for calculating the dispersion of emissions of harmful (polluting) substances in atmospheric air. Approved By order of the Ministry of Natural Resources of Russia of June 6, 2017 (Metody raschetov rasseivaniya vybrosov vrednykh (zagryaznyayushchikh) veshchestv v atmosfernom vozdukhe. Utv. prikazom Minprirody Rossii ot 6 iyunya 2017 goda), Moscow, 2017; 119 p. (in Russ.).Казимировская, Е.В., Математическая модель переноса выбросов КЭС в локальной зоне / Е.В. Казимировская, С.В. Козлов // Материалы 24-й конф. науч. молодежи СЭИ СО РАН. – Иркутск, 1994. – С. 20–25.Kazimirovskaya, E.V., Kozlov S.V. A mathematical model for the transfer of KES emissions in the local zone (Matematicheskaya model perenosavybrosov KES v lokalnoi zone). Materialy 24-i konf. nauch. molodezhi SEI SO RAN, Irkutsk, 1994;24:20–25 (in Russ.).Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере: Справочник / под ред. Э.Ю. Безуглая – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 328 с.Climatic characteristics of the conditions of distribution of impurities in the atmosphere: Reference (Klimaticheskie kharakteristiki uslovii rasprostraneniya primesei v atmosfere: Spravochnik). Edited by Bezuglaya E.Yu. Leningrad: Gidrometeoizdat Publ., 1983; 328 p. (in Russ.).Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения / под ред.А.З. Гамма – Новосибирск: Наука, Сиб. изд. фирма РАН, 2000. – 273 с.Hydraulic chains. Development of the theory and application (Gidravlicheskie tsepi. Razvitie teorii i prilozheniya). Edited by Gamm A.Z. Novosibirsk: Nauka Publ., Sib. izd. firma RAN, 2000; 273 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.