Изменения климатических параметров и их роль в работе систем теплоснабжения страны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменения климатических параметров и их роль в работе систем теплоснабжения страны

В.В. Клименко,

А.Г. Терешин

Изменения климатических параметров и их роль в работе систем теплоснабжения страны

Д.т.н. В.В.Клименко, член-корреспондент РАН, профессор, заведующий лабораторией,

к.т.н. А.Г. Терешин, ведущий научный сотрудник,

к.т.н. О.В. Микушина, старший научный сотрудник,

НИЛ глобальных проблем энергетики Московского энергетического института, г. Москва

В ближайшие 200 лет, на протяжении которых будет продолжаться глобальное потепление, в России будет наблюдаться сильное сокращение потребности в тепловой энергии в отопительный период.

Региональные климатические характеристики (средние температуры сезонов, длительность холодных периодов) играют основную роль в расчетах систем теплоснабжения. Сегодня в теплоэнергетику все больше и больше "приходит" инвестиций, идущих на реконструкцию и строительство отечественных систем теплоснабжения, возврат которых осуществляется через тариф. При разработке инвестиционных программ энергоснабжающих предприятий необходимо учитывать влияние климатических характеристик, которые достаточно быстро изменяются, как будет показано ниже, особенно на территории России, что несомненно скажется на объемах реализации тепловой энергии.

Проблема изменения климата очень важна для всего мира, а для России в особенности. Над этой проблемой наша научно-исследовательская лаборатория глобальных проблем энергетики (НИЛ ГПЭ) работает с момента своего основания, т.е. на протяжении 20 лет. Около 20 лет назад в лаборатории началась разработка инструментов для решения данной проблемы, в результате на сегодняшний день мы располагаем регрессионно-аналитической моделью климата, с помощью которой возможно прогнозирование изменений климата в любой точке земного шара с точностью, вполне достаточной для практического использования. Наш многолетний опыт [1-3] показывает, что мы в состоянии предсказать будущие изменения среднеглобальной температуры (это осредненная по поверхности всего земного шара температура поверхностного слоя воздуха, измеренная на высоте 1,8 м от земли) по 5-леткам с точностью лучше, чем 0,05 ОC. Также нами выполнен целый ряд прикладных проектов для различных регионов России [4-6] по заказам различных энергетических компаний и организаций. Понятно, чем больше заблаговременность и выше пространственное разрешение прогноза, тем его точность ниже.

На рис. 1 представлены данные по изменению среднеглобальной температуры за последние 150 лет и приведены прогнозные оценки на ближайшие 100 лет, выполненные НИЛ ГПЭ и группой экспертов по изменениям климата IPCC [7]. Из рис. 1 видно, что климат до 70-х гг. XX в. был довольно стабильным и холодным, а вот с 1980-х гг. он стал очень быстро теплеть, о чем можно судить по увеличению среднеглобальной температуры. Таким образом, среднеглобаль-ная температура последней пятилетки уже на 0,8 ОC выше той, которая наблюдалась в конце XIX в., по нашим прогнозам обозначающая важный рубеж отметка в 1 ОC будет достигнута уже в ближайшие 10 лет. На первый взгляд может показаться, что один градус - это несущественное увеличение температуры, но это ощущение обманчивое. Каковы региональные проявления этого одноградусного потепления по поверхности земного шара? На рис. 2 представлены данные по географическому распределению среднегодовых температур; причем из этого рисунка видно, что максимальное изменение (повышение температуры) зафиксировано в России, аналогичная зона имеется и в северной части Канады, но она не заселена в отличие от российской территории. Таким образом, вся Россия - это зона довольно интенсивного потепления! При этом основной документ, регламентирующий нормативы строительной климатологии - СНиП 23-01-99, - базируется на климатический данных за период до 1980 г. Несомненно, что необходим пересмотр этих нормативов с учетом данных последних десятилетий, более того, весьма желательно использование прогнозной климатической информации при проектировании новых и планировании режимов работы существующих систем теплоснабжения.

На большей части территории России отопительный сезон длится с сентября по май, в этой связи интересно знать, что происходит с изменением средней температуры зимой, весной и осенью (рис. 3а, 3б, 3г). Зимой максимальное изменение средней температуры составляет 4 ОC, весной - 3 ОC, а осенью - 1,5 ОC, и опять-таки все эти максимальные изменения наблюдаются на территории России. Что касается летнего периода (рис. 3в), то здесь температура практически не меняется. Это обстоятельство также является очень важным, оно дает ответ на вопрос, не приведет ли глобальное потепление к росту энергопотребления на охлаждение при кондиционировании. На основании представленных данных можно сделать один емкий и неоспоримый вывод: сегодня и в ближайшие 200 лет, на протяжении которых будет происходить глобальное потепление, в России будет наблюдаться сильное сокращение потребности в тепловой энергии в отопительный период (ОП), значительно превосходящее увеличение расхода электроэнергии на кондиционирование в теплое время. Конечно, следует ожидать роста последнего, но он будет определяться в основном ростом уровня жизни в стране и лишь в незначительной степени - повышением температуры в теплый период.

Каковы ожидаемые изменения климата в различных регионах страны в ближайшие десятилетия? Наши прогнозные расчеты показывают, что динамика изменения климата в разных регионах страны сильно отличается. Это иллюстрируют рис. 4-5, представляющие изменения среднегодовой и зимней температуры соответственно в различных регионах Европейской части России. Слабее всего изменения температуры воздуха проявляются на юго-западе, максимальные изменения наблюдаются в восточных регионах. Как видно из рисунков, проявления глобального потепления пространственно очень неравномерны, их диапазон к 2050 г. может составить от 1 до 5 ОC. Это свидетельствует о том, что при составлении долгосрочных программ регионального развития, в первую очередь в области энергетики, необходимо проведение региональных прогнозных климатических исследований, результаты которых обязательно нужно принимать в расчет.

Географическое распределение аномалий средней температуры отопительного периода (Tоп) по сравнению с современностью (средним значением за последние 30 лет) на территории РФ к 2050 г. представлено на рис. 6. Важную роль также играет продолжительность отопительного периода (Pоп), прогнозные оценки которой, выполненные в НИЛ ГПЭ, показаны на рис. 7. Сравнение этих карт показывает различия в изменении параметров отопительного сезона в умеренных широтах и северных регионах. Если на севере России продолжительность ОП совсем не меняется или меняется крайне незначительно, и это сопровождается значительным повышением его средней температуры, то в южных регионах на фоне более слабого повышения Топ наблюдается существенное сокращение Роп. В результате изменение дефицита тепла (градусо-суток отопительного периода) - характеристики, напрямую определяющей теплопотребление, по всей территории России к 2050 г. составит примерно 500 градусо-суток.

На рис. 8 представлена карта, отражающая сокращение потребности в энергии на отопление (в % от современной) на территории РФ к 2050 г. Оказывается, что больше всего эта потребность сокращается в Южных районах, в которых не очень сильно изменяется температура, но сильно меняется продолжительность отопительного сезона. В результате региональные расхождения сглаживаются, и в среднем по стране эта цифра составляет около 12% к 2050 г. Максимальные значения в 18-20% достигнуты в Предуралье и на юге Западной Сибири.

Рассмотрим, что происходило на протяжении последних более 100 лет с отопительными параметрами на примере одного конкретно взятого региона - Московского региона (Москва и области, ее окружающие). На рис. 9 показано изменение средней температуры Tоп и продолжительности отопительного периода Pоп за последние более чем 100 лет. Из рисунка видно, что Tоп за последние 40 лет значительно увеличилась, а за последние 20 лет она только однажды (в 2003 г.) была ниже нормы СНиП 23-01-99. Средняя температура ОП в 1998-2007 гг. была выше нормативного значения в среднем на 1,3 ОС (-1,8 и -3,1 ОС соответственно), что в основном вызвано повышением зимних температур. Что касается продолжительности ОП, то здесь эффект еще более значительный. Самый длительный ОП был зафиксирован в 1902 г. и он составлял 253 суток (с 10 сентября по 25 мая). Минимум продолжительности ОП составил 166 дней в 1975 г. Примерно на таком уровне в последние годы и находится продолжительность ОП. За последние 20 лет только три раза продолжительность ОП была выше средних климатических норм, которые, по-прежнему, используются в практике теплоснабжения. В основном в связи с учащением более теплых весенних сезонов продолжительность периода с температурами ниже +8 ОС в последнее десятилетие была в среднем на 2 недели меньше значения, указанного в СНиП 23-01-99 (200 и 214 суток соответственно).

Согласно разработанным в НИЛ ГПЭ прогнозам изменений климата в Московском регионе, в ближайшие десятилетия следует ожидать дальнейшего смягчения условий холодного периода. Результаты расчетов на климатической модели показывают, что в 2010-2030 гг. средняя температура ОП в Москве будет превышать нормативное значение почти на 1,5 ОС, а его продолжительность составит около 195 суток, т.е. почти на 20 дней ниже данных СНиП 23-01-99. Соответствующее изменение дефицита тепла составит около 700 градусо-суток отопительного периода, что составляет почти 15% от нормативного значения.

Экстремальные характеристики холодного периода - средние температуры самых холодных суток и пятидневок, - также обнаруживают тенденцию к повышению, наблюдаемую на фоне значительной межгодовой изменчивости. Так, выделенные в них тренды, связанные с региональными проявлениями действия глобальных климатообразующих факторов, указывают на повышение средних за 10-летие температур наиболее холодных суток Тmin почти на 3 ОC за столетие, а аналогичного показателя для пятидневок Т5min-на 1,7ОC. На рис. 10 показано изменение также очень важного параметра - средней температуры самой холодной пятидневки в г. Москве. Совершенно очевиден значительный положительный тренд - за 80 лет "набежало" около 6-7 ОC. Статистический анализ временных рядов этих климатических характеристик за период 1879-2007 гг. показал, что значения Tmin и Т5min обеспеченностью 98% за последние десятилетия превысили нормативы СНиП 23-01-99 примерно на 1 ОC, составив -35 и -29 ОC соответственно. Весьма консервативные оценки изменчивости этих параметров в период до 2030 г., сделанные в НИЛ ГПЭ, позволяют утверждать, что в ближайшие десятилетия эти основные температурные характеристики, по крайней мере, не превысят указанных значений.

На основании проведенных исследований и полученных данных с уверенностью можно сказать, что системы теплоснабжения в России, спроектированные по старым климатическим нормативам, рассчитаны на нагрузки, значительно превышающие значения, соответствующие современным и тем более будущим условиям, и планирование режимов их эксплуатации должно проводиться с учетом изменения природно-климатической обстановки во избежание огромных неоправданных запасов топлива. То же самое можно сказать и про проектирование новых систем теплоснабжения, а также про составление долгосрочных энергетических программ - ведь изменения климата являются весомым фактором энергосбережения.

Однако было бы некорректно утверждать, что наблюдающиеся и ожидаемые изменения климата оказывают только положительное влияние на энергетику и экономику России в целом. Так, основные нефтегазовые месторождения страны находятся в природно-географических областях, которые особенно подвержены проявлениям глобальных климатических изменений, там же расположены города, уникальные в мировом масштабе по численности жителей. Ожидаемое в ближайшие десятилетия потепление может существенно нарушить работу инфраструктуры нефтяной и газовой промышленности, расположенной в зоне вечной мерзлоты, в основном в Западной Сибири, а также функционирование ЖКХ [8]. Проведенное совместно со специалистами-геокриологами МГУ математическое моделирование динамики состояния многолетнемерзлых пород (ММП) [9-10] показало, что при принятых в настоящей работе оценках изменения климата во многих районах Западной и Южной Сибири, а также Дальнего Востока происходит значительная деградация ММП (рис. 11). В частности, значительные изменения вечномерзлых грунтов следует ожидать в таких городах со 100-тысячным населением, как Сургут, Новый Уренгой, Магадан, Чита, и множество более мелких. Одним из важнейших последствий деградации ММП является изменение условий работы многих сооружений в криолитозоне, которые проектировались без учета этого изменения климата. Дело в том, что прочностные и деформационные свойства ММП, являющиеся основаниями инженерных сооружений, в значительной мере зависят от температуры. С повышением температуры первые уменьшаются, а вторые возрастают, что может привести к деформациям сооружений и материальному ущербу.

Таким образом, для обеспечения устойчивости сооружений в условиях ожидаемых и вполне реальных климатических изменений, очевидно, нужны совершенно новые строительные технологии, в основу которых будет положен принцип управления тепловым и механическим взаимодействием инженерных объектов с основаниями в процессе эксплуатации.

Выводы

1. Дальнейшее повышение температуры принципиально неизбежно. Оно будет продолжаться с замедлением и достигнет в среднем по земному шару ~1 ОC к 2050 г. и 1,5 ОC к 2100 г., а для России 2,5 и 4 ОC соответственно. потепление климат тепловой адаптационный

2. Уже в настоящее время на территории России сложилась климатическая обстановка, значительно отличающаяся от описываемой действующими нормативами строительной климатологии. Расчеты показывают, что в ближайшие десятилетия эти различия еще больше увеличатся, причем в сторону смягчения условий холодного периода, что не может не отразиться на системе энергообеспечения регионов, особенно в области проектирования новых объектов и планирования нагрузок системы теплоснабжения. Необходимы дальнейшие исследования в этой области, в первую очередь, направленные на повышение точности и достоверности прогнозных оценок прикладных климатических характеристик.

3. Изменения климата для экономики России являются существенным энергосберегающим фактором. Кумулятивное сокращение потребности в энергии в результате потепления климата составит в масштабе страны около 3 млрд т у.т. к 2050 г. и около 9 млрд т у. т. к 2100 г., что приближается к общей величине разведанных извлекаемых запасов нефти в России.

4. К негативным сторонам ожидаемого потепления относится значительная деградация или исчезновение вечной мерзлоты на большой территории (более 4 млн км2), на которой должна быть полностью заменена инфраструктура, возведенная по традиционным принципам. Необходимо проведение работ по разработке адаптационных мероприятий в этих регионах.

Литература

1. Клименко В.В., Снытин С.Ю., Федоров М.В. Энергетика

и предстоящее изменение климата в 1990-2020 гг. // Теплоэнергетика. 1990. №6. С.14-20.

2. Клименко В.В., Клименко А.В., Терешин А.Г. Энергетика и климат на рубеже веков: прогнозы и реальность// Теплоэнергетика. 2001. № 10. С.61-66.

3. Клименко В.В., Терешин А.Г. Мировая энергетика и глобальный климат в XXI в. в контексте исторических тенденций // Теплоэнергетика. 2005. №4. С.3-7.

4. Клименко В.В., Микушина О.В., Довгалюк В.В. Прогноз изменения климата Московского региона под влиянием

антропогенных и естественных факторов // Вестник МЭИ. №2. 2001. С.36-45.

5. Клименко В.В., Клименко А.В., Терешин А.Г., Микушина О. В. Изменение параметров отопительного периода на европейской территории России в результате глобального потепления//Изв. РАН.Сер. Энергетика. 2002. №2. С. 10-27.

6. Клименко В.В., Микушина О.В. История и прогноз изменений климата в бассейне Карского и Баренцева морей //Геоэкология. 2005. № 1. С.43-49.

7. Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. et al. (eds.). Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2007. 996 pp.

8. Клименко В.В., Микушина О.В. Изменение природно-климатической обстановки на севере России в первой половине XXI столетия // Энергетическая политика. 2001. Вып. 5. С.35-42.

9. Клименко В.В., ХрусталевЛ.Н., Микушина О.В., Емельянова Л.В., Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Терешин А.Г. Изменения климата и динамика толщ многолетнемерзлых пород на северо-западе России в ближайшие 300 лет// Криосфера Земли. 2007. Т. XI, № 3. С.3-13.

10. Хрусталев Л.Н., Клименко В.В., Емельянова Л.В., Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Микушина О.В., Терешин А.Г. Динамика состояния многолетнемерзлых пород в зоне островной мерзлоты в условиях глобального изменения климата // Криосфера Земли. 2008. Т. XII, № 1. С. 3-11.

Размещено на Allbest.ru