Тема 8. Расчет экономической эффективности применения тепловых насосов

 

Ключевыепонятия: тепловой насос, тепловые вторичные энергетиче-ские ресурсы (ТВЭР), потенциал ТВЭР, теплоснабжение, горячее водоснабже-ние, отопление энергетическая эффективность, окупаемость, доходность.

 

Цель работы:

 

 

1. Определение энергетической эффективности применения тепловых насосов для утилизации тепловых вторичных энергетических ресур-сов.

2. Определение срока окупаемости и величины доходности внедрения теплового насоса в систему горячего водоснабжения.

 

Содержание работы

 

1. Ознакомиться с теоретической частью, основными понятиями и опре-делениями.

2. На основании полученных теоретических знаний выполнить необхо-димые расчеты.

3. Внеаудиторная работа предполагает дополнительную проработку тео-ретических вопросов, а также доработку и оформление результатов практических занятий.

 

Общие сведения

 

 

Тепловые насосы являются наиболее эффективным оборудованием, спо-собствующим увеличению объема и глубины использования ТВЭР промыш-ленных предприятий. Для определения технической возможности и эффектив-ности их применения необходимо иметь достоверную информацию о парамет-рах и режимах выхода ТВЭР, тепловых нагрузках и их продолжительности, по-казателях замещаемых теплоисточников, тенденциях изменения стоимости энергоносителей, ожидаемой технологической и экологической эффективности от внедрения систем утилизации и др.

При оценке технических показателей применения тепловых насосов теп-ловой потенциал ТВЭР классифицируется на расчетный, используемый без ущерба для технологии и окружающей среды в течение часа (Qртвэр, кВт) и рас-полагаемый, используемый за год (QГТВЭР, ГД Ж). Их величины определяются по выражениям:

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 83 Qртвэр = Gij · ρ · Ci · Δtij · Rij / 3600; (1)

 

QГТВЭР =∑3,6·10-3 Qртвэр · nij; (2)

j

где Gij — объем ТВЭР i-ro вида в j -ый период года, м3/ч;

о

Δtij — средняя за j -ый период года глубина охлаждения потока ТВЭР i-ro вида, С;

ρ — плотность вещества, составляющего поток ТВЭР i-ro вида, кг/м3; Ci — теплоемкость потока ТВЭР i-ro вида, кДж/(кг·оС);

Rij — коэффициент, характеризующий доступность утилизации ТВЭР i-ro вида в j-ый период года;

nij — продолжительность использования расчетного теплового потенциа-ла ТВЭР i-ro вида в j -ый период года, час.

При укрупненных расчетах теплопроизводительность тепловых насосов в системах утилизации ТВЭР (Qpтн, кВт и Qгтн, ГДж) при покрытии ими тепловых нагрузок различных видов определяется из соотношений:

—отопительно-вентиляционной нагрузки

 

г

Qpтн = 1,45 · Qртвэр; (3) Q тн = 1,33 · QГТВЭР; (4)

 

 

—нагрузки горячего водоснабжения

 

г

Qpтн = 1,4 · Qртвэр; (5) Q тн = 1,45 · QГТВЭР; (6)

 

 

г

—при передаче теплоты в системы централизованного теплоснабжения Qpтн = 1,45 · Qртвэр; (7) Q тн = 1,4 · QГТВЭР; (8)

 

 

тн

Потребляемая мощность компрессора теплового насоса (Р, кВт) и годо-вой расход электрической энергии (Эгтн, МВт·ч) на выработку теплоты Qгтн оп-ределяются известными соотношениями:

г

Ртн =Qpтн ─ Qртвэр; (9) Этн = (Q тн ─ QГТВЭР)/3,6. (10)

 

 

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов рас-считывается по величине ожидаемой ежегодной экономии первичного топлива (ΔВ,%), определяемой по выражению

ΔВ = [1─ (ηти·ηтс /(ηэн·ηэс·ε))] · 100 %, (11) где ηти — КПД действующего источника теплоснабжения;

ηтс — КПД тепловой сети;

ηэн — КПД источника электрической энергии;

ηэс — КПД передачи и трансформации электрической энергии;

ε — среднегодовой отопительный коэффициент теплового насоса.

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 84

 

Экономическую эффективность применения тепловых насосов м ож-но определять по величине приведенных затрат, сроку окупаемости, уровню рентабельности, величине доходности и др.

Наиболее значимыми составляющими в расчетах экономической эффек-тивности являются величины необходимых капитальных вложений на внедре-ние тепловых насосов и ожидаемой экономии ежегодных расходов на тепло-снабжение.

Укрупненно затраты на приобретение и подсоединение тепловых насосов (Ктну) различных типов и теплопроизводительности (Qpтн), включая и перифе-рийного оборудования, к теплосети можно определять по следующим выраже-ниям:

1. для системы с тепловым насосом «вода-вода» и с винтовым компрессо-ром

40000 + 152·Qpтн при 0 < Qpтн < 1044 кВт

p p p

Ктну = (12) 200000 + 128·Q тн ·(Q тн – 1044) при Q тн ≥ 1044 кВт;

2. для системы с тепловым насосом «вода-вода» и с поршневым компрессо-ром

Ктну = 58000 + 58·Qpтн при Qpтн ≤ 700 кВт; (13)

3. для системы с тепловым насосом «вода-вода/воздух» и с поршневым компрессором

Ктну = 70000 + 13·Qpтн при Qpтн ≤ 500 кВт; (14)

4. для системы с тепловым насосом «воздух-вода» и со спиральным ком-прессором

Ктну = 6540 + 263·Qpтн при Qpтн ≤ 100 кВт; (15)

5. для системы с тепловым насосом «вода-вода» и со спиральным компрес-сором

Ктну = 7700 + 115·Qpтн при Qpтн ≤ 300 кВт; (16)

 

 

Величина ожидаемой ежегодной экономии расходов (Эг) при внедрении тепловых насосов определяется величиной тепловой нагрузки (Q), продолжи-тельностью использования расчетной теплопроизводительности тепловых на-сосов (n), стоимостью энергоносителей (С) и др.

p

Укрупненно величина Эг = Этр ─ Этн. (17) Величина Этр определяется по выражению:

Этр = 3,385·n·СQ·Q тн / 1000, (18) где СQ − стоимость тепловой энергии, у.е./ГДж;

n − продолжительность использования расчетного теплового потенциала ТВЭР в течении года.

p

Величина Этн определяется по выражению:

Этн = 0,286·n·Сэ·Q тн, (19) где Сэ − стоимость тепловой энергии, у.е./кВт·ч.

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 85

 

г

Используя значения Ктну и Эг и задаваясь величиной процентной ставки по кредиту (А), равной не более 0,5 ставки рефинансирования Национального банка, по нижеприведенным выражениям можно определить срок окупаемости (Ток) и доходность (Д) внедрения тепловых насосов:

г

Ток = Ктну / Э; (20) Д = 100·Э / (Ктну.·(1+А/100)) (21)

 

Пример решения задачи по расчету оценки энергетической и экономиче-ской эффективности применения тепловых насосов

 

Задача 1. Рассчитать и дать оценку энергетической и экономической эф-фективности применения теплового насоса (ТН) в системе утилизации теплоты сточных (оборотных) вод. Потребитель теплоты, выработанной ТН − горячее водоснабжение предприятия и прилегающих объектов. Используется ТН типа «вода-вода» со спиральным компрессором.

Исходные данные:

1. Объем ТВЭР (сточных вод) составляет G = 40 м3/ч; 2. глубина охлаждения потока ТВЭР Δt = 4 оС;

3. коэффициент доступности утилизации ТВЭР равен R = 0,9; 4. расчетная продолжительность использования

теплового потенциала ТВЭР n = 5000 ч.; 5. среднегодовой отопительный коэффициент

ТН составляет ε = 3,5; 6. коэффициент полезного действия (КПД)

действующего источника теплоснабжения равен ηти = 0,85; 7. КПД тепловой сети ηтс = 0,9; 8. КПД источника электрической энергии ηэн = 0,33; 9. КПД передачи и трансформации

электрической энергии ηэс = 0,9;

10 стоимость электрической энергии Сэ= 0,035 у.е./кВт·ч; 11 стоимость тепловой энергии СQ = 8,35 у.е./ГДж; 12 процентная ставка по кредиту А = 15%.

 

 

Решение

 

 

1. Определим тепловой потенциал ТВЭР: − расчетный, используемый в течение часа

 

Qртвэр = G · ρ · C · Δt · R / 3600 = 40·1000·4,19·4·0,9 / 3600 = 167,6 кВт; − располагаемый, используемый в течение года

QГТВЭР =3,6·10-3·Qртвэр · n = 3,6·10-3 ·167,6·5000=3017ГД Ж;

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 86

 

2. Определим теплопроизводительность теплового насоса в системе утилизации ТВЭР при покрытии им тепловой нагрузки горячего водо-снабжения

Qpтн = 1,4 · Qртвэр = 1,4 · 167,6 = 234,6 кВт;

 

Qгтн = 1,45 · Qгтвэр = 1,45 · 3017 = 4375 ГДж;

 

3. Определим потребляемую мощность компрессора теплового насоса Ртн = Qpтн ─ Qртвэр = 234,6 ─ 167,6 = 67 кВт.

4. Находим годовой расход электрической энергии на выработку тепло-ты

Этн = (Qгтн ─ Qгтвэр) / 3,6 = (4375 ─ 3017) / 3,6 = 377,2 МВт·ч.

 

5. Энергетическую эффективность применения ТН определим по вели-чине ожидаемой ежегодной экономии первичного топлива

ΔВ = [1─ (ηти·ηтс /(ηэн·ηэс·ε))] · 100 = [1─ (0,85·0,9 / (0,33·0,9·3,5))] · 100 = 26,4%.

6. Определим Укрупненно затраты на приобретение и подсоединение ТН и периферийного оборудования к теплосети. Для теплового насо-са типа «вода-вода» со спиральным компрессором

г

Ктну = 7700 + 115·Qpтн = 7700 + 115·234,6 = 34679 у.е.

7. Определим величину ожидаемой ежегодной экономии расходов Э

 

при внедрении теплового насоса Эг = Этр ─ Этн.

Значение Этр определим по выражению

 

Этр = 3,385·n·СQ·Qpтн / 1000 = 3,385·5000·8,35·234,6/1000 = 33154 у.е. Значение Этн определим соответственно по выражению

Этн = 0,286·n·Сэ·Qpтн = 0,286·5000·0,035·234,6 = 11741 у.е. отсюда

Эг = Этр ─ Этн = 33154 ─ 11741 = 21413 у.е. 8. Срок окупаемости теплового насоса равен

Ток = Ктну / Эг = 34679 / 21413 = 1,62 года

9. Величина доходности Д от внедрения ТН в систему горячего водо-

 

снабжения предприятия составит

 

Д = 100·Эг / (Ктну.·(1+А/100)) = 100·21413 / (34679·(1+15/100)) = 53,7%.

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 87 Как следует из приведенного примера, применение теплового насоса

 

энергетически и экономически обосновано, т.к. ΔВ = 26,4%, Ток = 1,62 года, Д = 53,7%.

 

 

Задача для решения

 

 

Задача 2. Рассчитать и дать оценку энергетической и экономической эф-фективности применения теплового насоса (ТН) в системе утилизации теплоты сточных (оборотных) вод. Потребитель теплоты, выработанной ТН − горячее водоснабжение предприятия и прилегающих объектов.

Исходные данные, необходимые для расчетов, представлены в табл. 1. Условные обозначения, используемые в этой задаче, одинаковы с преды-

дущей задачей 1.

 

 

Таблица 1 Исходные данные для расчета

№ п/п	Пара-метры	Раз-мер-ность	Варианты
I	II	III	IV	V
	G	м3/ч
	Δt	оС
	R	−	0,8	0,85	0,7	0,95	0,75
	n	ч
	ε	−	3,5	4,0	4,5	5,0	4,5
	ηти	−	0,85	0,8	0,87	0,750	0,7
	ηтс	−	0,9	0,85	0,9	0,85	0,8
	ηэн	−	0,33	0,35	0,34	0,36	0,32
	ηэс	−	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
	Сэ	у.е./кВт·ч	0,035	0,04	0,03	0,025	0,045
	СQ	у.е./ГДж	8,3	9,3	6,5	6,0	10,0
	А	%
	Тип ТН и тип комп-рессора	−	вода-вода с поршне-вым	вода-вода/ воздух с поршне-вым	вода-вода с винто-вым	вода-вода/ воздух с поршне-вым	вода-вода со спирадь-ным

ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ 88