Расчет удельной стоимости теплоты для систем горячего

Ýíåðãîñáåðåæåíèå
ÓÄÊ 621.577.42:696.48-65
Â.Ì. Àðñåíüåâ, ê.ò.í., äîö., Þ.Ñ.Ìåðçëÿêîâ, àñïèðàíò (Ñóìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò)
Ðàñ÷åò óäåëüíîé ñòîèìîñòè òåïëîòû
äëÿ ñèñòåì ãîðÿ÷åãî âîäîñíàáæåíèÿ ñ
ïðèìåíåíèåì áèâàëåíòíîé òåïëîíàñîñíîé
òåõíîëîãèè
Предложен показатель удельной стоимости теплоты в качестве универсального инструмента для оценки эффективности теплонасосных установок. Приведен алгоритм расчета показателя.
Ключевые слова: теплота, тепловой насос, горячее водоснабжение, расчет, алгоритм.
Запропонований показник питомої вартості теплоти як універсального інструмента для оцінки ефективності теплонасосних установок. Приведений алгоритм розрахунку показника.
Ключові слова: теплота, тепловий насос, гаряче водопостачання, розрахунок, алгоритм.
The index of specific cost of warmth is offered as an universal instrument for the estimation ofefficiency warmly pumpings
settings. The algorithm of calculation of index is resulted.
Keywords: warmth, heat-pump, hot water-supply, calculation, algorithm.
И
сследование рынка тепловых насосов (ТН)
показало, что не каждый тепловой насос
способен обеспечить необходимую температуру воды в условиях промышленных систем горячего водоснабжения (ГВС), что связано с требованиями конечных температур 60÷80°C и невозможностью
обеспечения таких температур тепловыми насосами
[1]. В связи с этим, возникает необходимость дополнительных методов использования тепловых насосов
в комбинации с другими видами теплогенерирующего оборудования для систем ГВС, так называемой,
бивалентной теплонасосной технологии. Однако,
как оказалось, методик расчета бивалентных систем очень мало и лишь некоторые из них приемлемы
[2, 3].
При внедрении теплонасосной установки необходима оценка не только эффективности использования теплонасосного оборудования и выбора
низкопотенциального источника, а также объема капиталовложений и срока окупаемости новой технологии. В данном случае инвестиции и окупаемость при
реализации системы ГВС связаны с техническими и
экономическими характеристиками предлагаемого
оборудования на современном рынке теплонасосной техники. Тепловые насосы западноевропейского рынка характеризуются высокими техническими
показателями и одновременно высокой стоимостью,
составляющей 200÷250 Евро за 1кВт теплопроизводительности (0,0008598 Гкал/ час). Стоимость тепловых насосов российского производства составляет
200÷300$ США за 1кВт [1].
Постановка задачи
Необходимо разработать методику оптимизационных расчетов, которая включает экономические и
термодинамические параметры вначале и на любом
24
этапе проведения сравнительного анализа традиционных и теплонасосных систем теплоснабжения.
Связь термодинамических и стоимостных характеристик теплонасосной системы ГВС предлагается в
виде показателя удельной стоимости теплоты, затрачиваемой на реализацию требуемого нагрева воды.
Алгоритм определения удельной стоимости
теплоты для теплонасосной установки с бивалентным режимом работы (БТНУ)
Для БТНУ, состоящей из теплового насоса и электрокотла, величина удельной стоимости теплоты определяется как сумма эксплуатационных затрат, отнесенная к теплопроизводительности, грн/кВт∙час
(1)
где ∑
– стоимость часа полных затрат на тепловой насос, электрокотел и холодную
воду, грн/ час;
– общая теплопроизводительность
системы ГВС, кВт.
Для теплового насоса, грн/час
(2)
где
cэ/э
–
стоимость
электроэнергии,
грн/
кВт∙час; NTH – мощность теплового насоса, кВт;
– стоимость часа инвестиционных затрат, рассматриваемая как дисконтируемое отчисление в амортизационный фонд предприятия или инвестору, грн/час; К0,ТН – первоначальная стоимость
капитальных затрат с учетом сопутствующих составляющих (транспортировка, монтаж, разработка
ТЭО), грн;
– расчетное число часов работы систе-
Êîìïðåññîðíîå è ýíåðãåòè÷åñêîå ìàøèíîñòðîåíèå
¹1 (23) ìàðò 2011
мы ГВС в сутки, час; PWF – фактор текущей дисконтируемой стоимости, учитывающий динамические
свойства инвестиционного капитала
(3)
(10)
где RA – ежегодное отчисление инвестору (либо в амортизационный фонд) с учетом дисконтирования стоимости, грн
(11)
где q=1+d – фактор дисконтирования; d – годовая ставка дисконта;
– количество лет возврата инвестиций
(амортизационных отчислений).
Для электрокотлов учет инвестиционных затрат не
приводим, ввиду их принадлежности к базовой системе ГВС.
Общая теплопроизводительность системы ГВС с
БТНУ, кВт
(4)
С другой стороны
(5)
Введем в рассмотрение величину , которая представляет собой долю теплопроизводительности теплового насоса в общей тепловой нагрузке
Откуда
(12)
Из (11) следует, что чем ниже значение фактора
PWF, тем больше сумма ежегодных отчислений RA и
тем больше разность K-K0,TH при выбранном значении
. При использовании оборотных средств K=K0,TH растет и амортизационный взнос
Оптимальным экономическим условием будет равенство срока окупаемости и срока выплаты кредита,
т.е.
(13)
Для рассматриваемой системы ГВС
(6)
С учетом всех подстановок, уравнение (1) принимает расчетную формулу
(14)
где
– годовая экономия финансовых затрат на
энергоносители, грн
(15)
Равенство (10) и (14) позволяет записать
(16)
(7)
где СОР – коэффициент преобразования ТН;
ао.с.=1,05 – коэффициент потерь теплоты в окружающую среду для электрокотлов; k0,TH – удельная стоимость
ТН, грн/т; cхв – стоимость единицы массы холодной
санитарной воды, грн/т; cf – удельная теплоемкость
нагреваемой санитарной воды в интервале температур
t2n и t1n, кДж/кг∙К; t1n – температура холодной воды на
входе в конденсатор ТН, К; t2n – температура воды после конденсатора ТН, К.
Удельная стоимость теплоты для базовой схемы
ГВС, грн/кВт∙час
(8)
Годовая выработка теплоты,
(9)
где nгод – число рабочих дней в году;
Алгоритм оптимизации срока окупаемости
При инвестиции капитала сроком на
лет при
постоянной ставке дисконта, необходимо выплатить
инвестору сумму, грн
С учетом (11)
(17)
Обозначив
к виду
, уравнение (13) приводится
(18)
Результаты применения методики расчета
Рассмотрим реальный пример оптимизационного
расчета, объектом которого была система ГВС цеха №1
ОАО «СМНПО им. М.В. Фрунзе» (рис.).
Базовая схема системы ГВС содержит комплекс из
семи электрокотлов, обеспечивающих потребность в
горячей воде в количестве 45 тонн в сутки с потреблением электроэнергии 2600 кВт∙час в сутки (2,2 Гкал).
Для возможности нагрева водопроводной воды в
системе ГВС с помощью теплового насоса предлагается использовать в качестве низкопотенциального источника теплоту технической воды, которая охлаждает
печи литейного цеха. Ввиду того, что качество указанной технической воды не соответствует требованиям
ее применения непосредственно в испарителе тепло-
25
Рисунок. Принципиальная схема системы ГВС с применением теплового насоса:
Т – теплообменник; Н – насосы; I – контур технической воды для охлаждения печного оборудования;
ІІ – контур отвода технической воды к первичному контуру теплообменника; ІІІ – вторичный контур
теплообменника с промежуточным теплоносителем; IV – контур хладагента теплового насоса; V – контур
подвода холодной санитарной воды к конденсатору теплового насоса; VI – контур горячей санитарной воды
после теплового насоса; VIІ – контур выхода горячей санитарной воды после электрокотлов
вого насоса, в рассматриваемой схеме предусмотрен
промежуточный контур теплоносителя (контур III).
Часть технической воды (контур I) после ее нагрева
в печах, поступает на первичный контур теплообменника, в котором происходит передача теплоты промежуточному теплоносителю, циркулирующему во вторичном контуре за счет работы насоса.
В испарителе теплового насоса, за счет теплоты, отбираемой от промежуточного теплоносителя, происходит кипение хладагента, пары которого после сжатия в
компрессоре конденсируются с передачей теплоты нагреваемой водопроводной (санитарной) воде (контур V
и VI). Емкости электрокотлов, которые в настоящее
время обеспечивают работу системы ГВС, могут быть
использованы для сбора горячей воды после теплового
насоса, или при необходимости обеспечивать дополнительный подогрев горячей воды на 10-20°С.
Характерные узловые точки: 1п – точка, соответствующая термодинамическому состоянию холодной
санитарной воды; 2`п, 2п – точки, соответствующие
термодинамическому состоянию нагреваемой санитарной воды в конденсаторе теплового насоса и в электрокотлах системы ГВС; 1у, 2у – точки, соответствующие
26
термодинамическому состоянию утилизируемой среды
на входе и выходе теплообменника; 1w, 2w – точки, соответствующие термодинамическому состоянию промежуточного теплоносителя на входе и выходе испарителя теплового насоса.
Элементы теплового насоса: КМ – компрессор,
КД – конденсатор, РВ – регулировочный вентиль,
И – испаритель.
Для расчета удельной стоимости теплоты было выбрано три варианта, различающиеся уровнем нагрева
водопроводной воды в тепловом насосе: t2'n=35;45;60 °C.
В виду того, что цех работает в три смены, расчет выполнен для каждой смены в отдельности. Остальные
необходимые параметры приведены ниже.
Требуемая температура горячей воды –
.
Температура холодной водопроводной воды –
.
Требуемые тепловые нагрузки по сменам, приходящиеся на тепловой насос – Q1=184 , Q2=122 , Q3=38.
Время работы системы ГВС в смену – 5 час.
Температура низкопотенциального источника –
.
Стоимость электроэнергии – 0,7 грн/кВт∙час с НДС.
Стоимость холодной воды – 5 грн/т.
Для расчета 1-го варианта
были подоб-
Êîìïðåññîðíîå è ýíåðãåòè÷åñêîå ìàøèíîñòðîåíèå
¹1 (23) ìàðò 2011
Таблица. Параметры теплонасосной установки
1 вариант
2 вариант
3 вариант
Смена
Смена
Смена
1
Температура после конденсатора ТН
3
1
35
Время работы ТН по сменам
Компоновка ТН
2
2
3
1
45
2
60
4,1
4,4
2,3
4,9
4,3
4,0
4,7
4,6
5,3
WW
254+WW
232
WW
254
WW
232
WW
280+
WW 226
WW
280
WW
226
2×WW
280
WW
280+
WW
226
WW
226
154,9
96,6
58,3
189,3
142,3
47
256,4
175,2
47
–
7,25
7,62
–
5,46
5,74
4,65
–
5,74
0,94
(808,3)
0,63
(541,7)
0,55
(472,9)
Теплопроизводительность ТН
Коэффициент преобразования COP
Удельная стоимость теплоты базовой
схемы
0,83(713,67∙10-6)
Удельная стоимость теплоты БТНУ
0,71
(610,5)
Годовая экономия финансовых средств
0,71
(610,5)
0,81
(696,5)
0,62
(533,1)
0,65
(588,9)
0,68
(584,7)
199442
272030
353957
Стоимость теплового насоса
407233
463428
806774
Сумма выплат инвестору K, грн
478661
531219
955684
2,4
1,96
2,7
Срок окупаемости БТНУ
3
лет
раны два тепловых насоса фирмы «Viessmann» (Германия) типа вода-вода
WW 254:
, СОР=7,25;
WW 232:
, СОР=7,62.
Предлагаются различные схемы работы тепловых
насосов по сменам.
При сроке кредитования
и годовой
ставке дисконта d=10% удельная стоимость теплоты
по каждой смене равна
.
.
.
Для базовой схемы эта величина равна
.
Стоимость капитальных затрат
WW 254: K0,TH=24527Є.
WW 232: K0,TH=11736Є.
С учетом 1Є=11,23 грн, срок окупаемости при реконструкции системы ГВС составит
Результаты расчетов сведены в таблице.
Выводы
Полученный показатель удельной стоимости теплоты учитывает стоимость потребляемых энергоносителей, холодной санитарной воды и амортизационных
отчислений. Указанный показатель можно рассматривать для разных вариантов бивалентной теплонасосной
установки, которые могут различатся по уровню повышения температуры санитарной воды в электрокотле и,
соответственно, по соотношению тепловых нагрузок на
тепловой насос и оборудование, повышающее температуру воды. Введение инвестиционной составляющей в
удельную стоимость теплоты позволяет оптимизировать
срок окупаемости при внедрении моновалентных и бивалентных теплонасосных установок.
Список литературы
1. Бурдуков А. П. Технология использования геотермального и сбросного тепла предприятиями// Информационный сборник «Опыт проектов утилизации
сбросного тепла в промышленности стран СНГ».– Запорожье, 2007.– Вып.2.– 214 с.
2. Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы.– М.: Энергоиздат, 1982.– 224 с.
3. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения.– М.: Стройиздат, 1985.– 351с.
27