Энергосбережение образовательных учреждений: на примере Нерюнгринского района Республики Саха (Якутия)

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова 
 
 
 
 
 
 
 
Д. В. Антоненков, Е. Ю. Сизганова, А. Ю. Южанников 
 
 
 
 
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ: 
НА ПРИМЕРЕ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА  
РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ) 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

УДК 621.316:37.07 
ББК 31.19-42 
А724 
 
 
Рецензенты: 
С. В. Власьевский, доктор технических наук, профессор, профессор  
кафедры «Электротехника, электроника и электромеханика» ДГУПС; 
Н. Н. Гриб, доктор технических наук, профессор, заместитель директора 
по научной работе Технического института (ф) СВФУ

 
 
Антоненков, Д. В. 
А724 
 
Энергосбережение образовательных учреждений: на примере 
Нерюнгринского района Республики Саха (Якутия) : монография / 
Д. В. Антоненков, Е. Ю. Сизганова, А. Ю. Южанников. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 156 с. 
ISBN 978-5-7638-3397-3 
 
 
Рассмотрены вопросы применения теории техноценологических исследований в электротехнических системах и комплексах. Раскрыты особенности ранговых исследований для анализа электропотребления бюджетных организаций. Исходя из полученных результатов анализа, разработана 
методика определения потенциала энергосбережения бюджетных организаций на примере образовательных учреждений Нерюнгринского района Республики Саха (Якутия). 
Монография будет интересна и полезна студентам электроэнергетических специальностей, менеджерам по направлениям энергетики, инженернотехническим и научным работникам в области электроэнергетики. 
 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.316:37.07 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 31.19-42 
 
 
 
 
 
© Антоненков Д. В., 2015 
© Сизганова Е. Ю., 2015 
© Южанников А. Ю., 2015 
 
ISBN 978-5-7638-3397-3 
© Сибирский федеральный 
университет, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6 

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ   
В БЮДЖЕТНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ............ 8 

2. ПЕРВИЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ   
ПО ИНФРАСТРУКТУРЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ  
НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ......................................................................... 19 

2.1. Подготовка данных ..................................................................................... 19 
2.2. Получение табулированного рангового распределения ......................... 20 
2.3. Графическое представление данных ......................................................... 21 
2.4. Определение рангов для каждого объекта ................................................ 22 
2.5. Вычисление коэффициента конкордации ................................................. 23 

3. ПРОВЕРКА ДАННЫХ НА СООТВЕТСТВИЕ КРИТЕРИЯМ  
Н-РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ........................................................................................... 26 

3.1. Подготовка данных ..................................................................................... 26 
3.2. Проверка гипотезы о несоответствии генеральной совокупности  
нормальному распределению по критерию Пирсона ..................................... 27 
3.3. Проверка гипотезы о нормальном распределении  
методом спрямленных диаграмм ...................................................................... 30 
3.4. Проверка взаимосвязанности данных с помощью коэффициента 
конкордации ........................................................................................................ 31 
3.5. Проверка с помощью выборочного коэффициента  
ранговой корреляции Кендалла ........................................................................ 33 
3.6. Проверка с помощью выборочного коэффициента  
ранговой корреляции Спирмена ....................................................................... 36 
3.7. Проверка с использованием выборочного коэффициента  
линейной корреляции ......................................................................................... 38 
3.8. Оценка результатов ..................................................................................... 41 

4. АППРОКСИМАЦИЯ РАНГОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ............................. 42 

4.1. Аппроксимация методом наименьших модулей ...................................... 42 
4.2. Аппроксимация линейным методом наименьших квадратов ................ 44 
4.3. Аппроксимация методом наименьших квадратов ................................... 45 
4.4. Оценка результатов аппроксимации ......................................................... 47 

5. ИНТЕРВАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ  
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ ............................................................. 49 

5.1. Подготовка и линеаризация данных .......................................................... 49 

5.2. Определение доверительного интервала распределения ........................ 50 
5.3. Выявление объектов с аномальным электропотреблением .................... 53 

6. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ В ИНФРАСТРУКТУРЕ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ... 55 

6.1. Подготовка данных ..................................................................................... 55 
6.2. Кластерный анализ объектов по электропотреблению ........................... 55 
6.3. Нормирование объектов в кластерах ........................................................ 58 
6.4. Определение прогнозируемых норм для объектов .................................. 61 

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕКТОВ ИНФРАСТРУКТУРЫ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА 
ДЛЯ УГЛУБЛЕННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ...................................................... 64 

7.1. Подготовка данных ..................................................................................... 65 
7.2. Расчет электропотребления техноценоза .................................................. 65 
7.3. Расчет индекса жизнеспособности объектов по электропотреблению . 67 

8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ  
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ Z-МЕТОДОМ  
НА ОСНОВЕ ТЕХНОЦЕНОЛОГИЧЕСКОЙ МЕТОДОЛОГИИ ..................... 71 

8.1. Подготовка данных для прогнозирования ................................................ 71 
8.2. Прогнозирование электропотребления объектами ноевой касты .......... 75 
8.3. Прогнозирование электропотребления объектами пойнтер-касты ....... 78 
8.4. Прогнозирование электропотребления объектами саранчовой касты .. 81 
8.5. Прогноз электропотребления техноценозом в целом.............................. 82 

9. G-МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ  
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ... 84 

9.1. Подготовка данных ..................................................................................... 85 
9.2. Анализ сезонности данных ......................................................................... 86 
9.3. Определение статистических характеристик электропотребления ....... 87 
9.4. Прогнозирование электропотребления  
на следующий временной шаг .......................................................................... 88 
9.5. Анализ результатов прогноза на гауссовость........................................... 91 

10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ 
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА 
МЕТОДОМ АНАЛИЗА ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТ ......................................... 94 

10.1. Подготовка данных ................................................................................... 95 
10.2. Развертка одномерного ряда в многомерный ......................................... 96 
10.3. Сингулярное разложение траекторной матрицы ................................... 98 
10.4. Рекуррентное SSA-прогнозирование электропотребления ................ 102 
10.5. Векторное SSA-прогнозирование электропотребления ...................... 104 

10.6. Анализ собственных векторов временного ряда ................................. 108 
10.7. Анализ собственных векторов временного ряда  
через двумерные проекции .............................................................................. 109 

11. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ  
НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ПО ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЮ ............... 111 

11.1. Подготовка данных ................................................................................. 112 
11.2. Определение оптимального количества элементов в кортеже ........... 113 
11.3. Классификация техноценоза .................................................................. 119 

12. ОБРАБОТКА РАНГОВОЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ  
МЕТОДОМ Singular Spectrum Analysis ............................................................. 122 

12.1. Подготовка данных ................................................................................. 123 
12.2. Преобразование матрицы данных  с помощью сдвиговой  
процедуры в траекторную матрицу ................................................................ 125 
12.3. Исследование траекторной матрицы  с помощью анализа главных 
компонент .......................................................................................................... 126 
12.4. Восстановление исходной матрицы  по выбранным главным 
компонентам ..................................................................................................... 128 

13. ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ   
ИНФРАСТРУКТУРЫ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ  
НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА ....................................................................... 132 

13.1. Подготовка данных ................................................................................. 133 
13.2. Интерполяция норм электропотребления ............................................. 133 
13.3. Модельная реализация стохастических значений  
электропотребления ......................................................................................... 138 

14. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ  
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА   
НА ОСНОВЕ СРЕДНЕСРОЧНОГО ИНТЕРВАЛА ......................................... 142 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................... 145 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 147 

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1. ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ БЮДЖЕТНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ  
НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА (КВТ·Ч) ........................................................ 151 

ПРИЛОЖЕНИЕ № 2. МЕСЯЧНОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ  
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ БЮДЖЕТНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ  
НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА (КВТ·Ч) ........................................................ 153 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
 
Понятие энергоэффективности подразумевает под собой рациональное использование энергетических ресурсов. Для этого могут проводиться различные мероприятия: замена морально устаревшего оборудования, использование вторичных энергоресурсов, создание условий для уменьшения потребления энергии, контроль расхода энергии. 
Внедрение этих мероприятий благоприятно отражается в финансовом 
плане, ведь уменьшение потребления ресурсов приводит к снижению 
расходов на оплату услуг. Поэтому повышение энергоэффективности – 
задача, актуальность которой не подлежит сомнению. 
Отправной точкой развития программы повышения энергетической эффективности любой организации, в свете Федерального закона 
Российской Федерации № 261-ФЗ, является энергоаудит, который дает фиксируемую картину текущего состояния энергоэффективности, 
позволяет проанализировать использование энергетических ресурсов, 
затраты на них, выявить места нерационального использования ресурсов, разработать программу энергосберегающих мероприятий  
и проектов. 
Высокие расходы энергии в бюджетной сфере определяются 
тем, что значительная часть объектов изношена, требует капитального ремонта и имеет низкий уровень благоустройства. Около 5 % детей 
обучается в учреждениях образования, находящихся в аварийном состоянии, 42 % – в учреждениях, требующих капитального ремонта,  
20 % – в учреждениях, не имеющих всех видов благоустройства. 
Способом определения в составе инфраструктуры бюджетных 
образовательных учреждений объектов, в течение длительного времени аномально потребляющих электроэнергию и поэтому требующих первоочередного энергетического обследования, может 
служить одна из важнейших аналитических процедур рангового 
анализа [4, 13, 23, 26, 33, 34] – интервальное оценивание параметрического рангового распределения [3]. 
Цели энергосбережения совпадают и с другими целями муниципальных образований, такими как улучшение экологической ситуации, повышение экономичности систем энергоснабжения и др. 
Решение задач повышения энергоэффективности на сегодняшнем этапе, когда существует большой резерв малозатратных меро

приятий, также совпадает с большинством стратегических целей Республики Саха (Якутии), государства и хозяйствующих субъектов. 
Исследования в монографии посвящены разработке методики 
для своевременного выявления первоочередных объектов для углубленного энергетического обследования для реализации проектов повышения эффективности использования электроэнергии на объектах 
бюджетной сферы. 
Выражаем признательность специалистам Нерюнгринского отделения Энергосбыта за предоставление возможности проведения 
объемного и комплексного исследования. 
 
 

1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПОТЕНЦИАЛ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ  
В БЮДЖЕТНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ НЕРЮНГРИНСКОГО РАЙОНА 
 
 
 
Низкая эффективность энергоиспользования обусловлена энергетической государственной политикой заниженных цен на энергоресурсы (в бюджетную сферу ресурсы отдавались по тарифам в 3 раза 
ниже себестоимости). Энергоемкость ВВП в России остается длительное время в 2–3 раза выше, чем в США, в 3,5 раза превышает 
энергоемкость ВВП Западной Европы, а эффективность использования электрической энергии в России – в 6 раз ниже, чем в Японии;  
в 2 раза ниже, чем в США; и даже в 1,4 раза ниже, чем в Индии  
и Китае [3]. 
Затраты на энергоносители в бюджетной и коммунальной сфере 
выросли многократно. Тенденция к дальнейшему повышению энергозатрат в ближайшей перспективе сохранится. Уравнивание внутренних и мировых цен – государственная политика в области цен на 
энергоносители. Это неизбежно приведет к дальнейшему повышению 
оплаты энергоресурсов.  
Бюджетные организации, предприятия и учреждения являются 
крупными потребителями топливно-энергетических ресурсов. Они вынуждены осуществлять мероприятия по повышению энергетической 
эффективности, поскольку энергосбережению в России стали уделять 
большое внимание. Расходы бюджетов всех уровней на энергозатраты 
составляют значительную часть всех бюджетных расходов. Поэтому 
одной из важнейших задач в области энергосбережения является проведение мероприятий, обеспечивающих снижение величины бюджетных средств, направляемых на дотирование энергопотребления организаций. 
Общая для подавляющего большинства муниципальных образований структура электропотребления бюджетных организаций и учреждений представлена на рис. 1.1 (на примере Нерюнгринского района). Самый энергоемкий объект из представленных на диаграмме – 
жилищно-коммунальное хозяйство (76 % потребления электроэнергии); на втором месте – образовательные учреждения (13 %). 
В условиях дефицита бюджетных средств исполнительные  
власти РФ предпринимают меры для сокращения расходов энергоресурсов бюджетными организациями, вводя лимиты на потребление 

энергетических ресурсов. Лимиты определяются на основе норм 
удельных показателей электропотребления с учетом обеспечения безаварийного функционирования организаций и возможностей оплаты 
за потребляемые энергоресурсы. 
Применяемые способы определения лимитов имеют низкую 
точность расчетов параметров электропотребления и не учитывают 
большинство факторов, определяющих энергозатраты, поэтому они 
не могут считаться научно обоснованными. Большинство действующих методик по лимитированию, нормированию электропотребления 
бюджетных организаций следуют классическим представлениям 
электротехники, которые основаны на расчете режимов работы электрооборудования, а именно на данных по отдельным электроприемникам с учетом числа токоприемников одинаковой мощности и числа 
таких групп, коэффициентов одновременности и использования,  
времени работы. Существует и подход, основанный на норме на единицу площади, объема здания или численности персонала. При этом 
не учитывается, что удельные показатели, являющиеся среднеотраслевыми оценками уровня потребности в электроэнергии и ее электроэффективности, не распространяются на все бюджетные организации 
министерства, т. е. не учитываются ценологические свойства [24, 33] 
инфраструктуры бюджетных организаций. Иначе говоря, среднее может быть неприменимо к конкретному объекту, давая ошибку на 50, 
100 % и более. 
 

 
 
Рис. 1.1. Структура электропотребления бюджетных 
организаций и учреждений Нерюнгринского района 

Таким образом, существующую нормативную базу по электропотреблению нельзя корректно использовать для решения конкретных практических задач по энергосбережению. По существу сейчас 
все сводится к написанию некоторых чисел, приборно (по счетчику) 
не проверяемых, а получаемых в результате торга-соглашения между 
потребителем электроэнергии и тем, кто контролирует ее расход  
[26, 33]. 
Понятие энергосбережения бюджетных организаций должно 
создаваться не на применении среднеотраслевых параметров электропотребления и распространении их на все учреждения министерства и 
ведомства, а на рыночной ценологической оценке электроэффективности, основанной на переходе от энергетических обследований отдельной организации к системному энергоаудиту всех учреждений 
выделенного класса объектов. Это уменьшит число энергетических 
аудитов, которые являются трудоемкой и затратной составляющей 
управления энергосбережением бюджетных организаций. 
Фактически каждая бюджетная организация проявляет ценологические свойства. Это выражается в несоответствии схемы электроснабжения и учета электроэнергии административно-хозяйственному 
делению (структуре соподчинения и организационной деятельности) 
и генеральному плану (планировке помещений). Число отдельных 
электроприемников (включая освещение, нагревательные приборы, 
вентиляцию, специальные приборы и оборудование) настолько велико, что практически невозможно составить их перечень с указанием 
режима работы в течение года. Закономерности электропотребления 
каждой организации индивидуальны. Его необходимо лимитировать 
по 
статистическим 
данным 
на 
уровне 
раздела 
организацияэнергосистема, применяя некоторые техноценологические положения. 
В частности, нормирование параметров электропотребления по электроприемникам не должно быть «расчетным» снизу, а затем агрегироваться на более высокие иерархические уровни. 
Таким образом, в условиях жесткого государственного лимитирования бюджетных организаций особую актуальность приобретают 
работы по объективной оценке эффективности энергопотребления. 
Сотрудниками кафедр «Электротехнические комплексы и системы» Сибирского федерального университета и «Электропривод  
и автоматизация производственных процессов» Технического института (филиала) Северо-Восточного федерального университета был 
проведен 
анализ 
электропотребления 
бюджетных 
организаций  

Нерюнгринского района на примере инфраструктуры образовательных 
учреждений. Динамика электропотребления представлена на рис. 1.2. 
Координаты по оси X – объект исследования, по оси Y – значение 
электрической энергии, израсходованной за i-й месяц, по оси Z – временной интервал (месяц).  
Трудно перечислить все прямые и косвенные факторы, которые 
оказывают влияние на уровень электропотребления. Проанализировать и учесть влияние каждого из этих факторов практически невозможно из-за отсутствия численных показателей большинства из них. 
Все это чрезмерно увеличивает сложность модели. 
 
 

 
 
Рис. 1.2. Динамика электропотребления инфраструктуры  
образовательных учреждений Нерюнгринского района 
 
 
Сглаживание статистических данных об электропотреблении 
объектов 
инфраструктуры 
выполнено 
методом 
наименьших 
квадратов 
(МНК) 
[3, 
32], 
в 
качестве 
аппроксимирующих 
зависимостей использованы степенная, логарифмическая, экспоненциальная функции и полином четвертой степени. Получены коэффи

циенты аппроксимирующих зависимостей. Для оценки качества 
сглаживания рассчитаны величины коэффициента детерминации  
и суммы квадратов остатков. Низкие значения коэффициентов детерминации и сравнительно высокие величины сумм квадратов остатков 
не позволяют использовать полученные модели для анализа и прогнозирования параметров электропотребления предприятия с приемлемой точностью. 
В то же время, если проранжировать потребление электрической 
энергии в порядке убывания величины (рис. 1.3) и применить для 
анализа полученного рангового распределения тот же математический аппарат, то качество регрессионных моделей существенно повышается. 
Эффективность процесса энергосбережения инфраструктуры образовательных учреждений Нерюнгринского района по результатам моделирования оценена сопоставлением двух интегральных показателей, 
один из которых характеризует получаемый положительный эффект,  
а второй – затраты. 
 

 
 
Рис. 1.3. Ранговая поверхность электропотребления инфраструктуры  
образовательных учреждений Нерюнгринского района 

Положительный эффект, получаемый от внедрения методологии 
оптимального управления электропотреблением, оценивается интегральным показателем вида: 
 

 
 
 
      (1.1) 

 
где 
 – ранговое параметрическое распределение образовательных учреждений по электропотреблению, построенное в результате 
имитационного моделирования, при условии отсутствия управляющего воздействия, направленного на энергосбережение; 
 – ранговое параметрическое распределение образовательных учреждений по 
электропотреблению, полученное при наличии управляющего воздействия. 
Затраты на внедрение методологии оптимального управления 
электропотреблением также оцениваются интегральным показателем 
техноценологического типа: 
 

 
 
 
 
     (1.2) 

 
где 
 – ранговое параметрическое распределение образовательных учреждений по затратам на внедрение энергосберегающих технологий, построенное по результатам моделирования; 
 – ранговое параметрическое распределение образовательных учреждений по 
затратам на оплату за потребленную электроэнергию применительно 
к варианту без управляющих воздействий. 
Критерием эффективности техноценологического типа здесь  
является максимизация интегрального показателя эффективности: 
 

                                      (1.3) 

,
dr
)r(
W

dr
)r(
W
dr
)r(
W
IP

0
1

0
2
0
1

w












)r(
W1

)r(
W2

,
dr
)r(
Z

dr
)r(
Z
1
IP

0
1

0
2

z











)r(
Z2

)r(
Z1

max,
IP
IP
IP
]
n
,1[
k
z

w






