Выгодно ли использовать тепловые насосы для отопления?

Технико-экономическое обоснование на применение тепловых насосов Electrolux

Содержание

1. Оценка возможных условий применения воздушных тепло-насосных систем
2. Расчет энергетической эффективности для различных регионов
3. Расчет сроков окупаемости для различных регионов
4. Заключение

1. Оценка возможных условий применения воздушных тепло-насосных систем

Возможные условия применения определяются тремя основными факторами:

А) Минимально-возможной наружной температурой применения;

Б) Принципиальной экономической выгодой применения;

В) Максимальной единичной тепловой мощностью системы;

Таким образом для тепло-насосных систем типа ESVMO-SF можно выделить следующие ограничения к применению потрем перечисленным факторам:

А) Минимально-возможная температура применения теплонасосных систем −25'С. Следовательно, целесообразность применения данной системы ограничивается регионами, где общее время стояния температуры ниже −25'С, будет таким, чтобы срок окупаемости для данной системы не превысил половину планируемого срока службы (определяется практикой эксплуатации и средне-статистической необходимостью замены периферийных элементов системы). Планируемый срок службы системы определяется ресурсом компрессора (по практике эксплуатации порядка 10 лет). Таким образом при расчете срока окупаемости системы для разных регионов, ограничиваем максимальную цифру пятью годами.

Резюме: Применимо только для регионов, где годовое время работы данной системы обеспечивает срок окупаемости не более 5-ти лет (см. раздел 3)

Б) Применимо для мест с отсутствием центрального газоснабжения, так как средняя стоимость газа по стране 5,5 руб/м³ при теплотворной способности газа 33 310 кДж/м³ и среднем КПД его использования 0,7. Таким образом, можем посчитать стоимость одного кВт*ч тепла при газовом отоплении: С_газ=5,5*3600/(33310*0,7)=0,85 руб/(кВт*ч). Один кВт*ч при электрическом отоплении при этом будет стоить, при среднем тарифе по стране 4,04 руб/кВт*ч. Максимальный коэффициент трансформации тепла для воздушных тепловых насосов 4,45. Таким образом получаем:

4,04/0,85=4,75<4,45

Следовательно, при наличии газа мы не можем физически получить выгоду при применении теплового насоса с учетом того, что коэффициент трансформации будет ниже для минимальных температур.

Резюме: Применять только для мест с отсутствием централизованного газоснабжения.

В) Максимальная единичная тепловая мощность тепло-насосной системы 15,5кВт. Количество данных систем должно быть не более того, которое обеспечит вероятность выхода из строя одной из систем 10%. С тем расчетом, чтобы производить ремонт в самом худшем случае не чаще одного раза в год (исходя из среднего срока службы 10лет).

Вероятность выхода из строя компрессорного оборудования (самого ненадежного элемента системы) составляет порядка 2% (из практики эксплуатации). Следовательно количество систем, для того, чтобы обеспечить вероятность выхода из строя одной из них, не более 10%, должно составлять: 10/2=5.

Резюме: Целесообразность применения данной системы ограничивается необходимой тепловой мощностью 80 кВт.

2. Расчет энергетической эффективности для различных регионов

Для полного охвата диапазона климатических данных страны возьмем четыре основных региона:

1. Москва
2. Краснодар
3. Мурманск
4. Якутск
5. Новосибирск

Рассчитаем для данных регионов экономию потребления электрической энергии на один кВт*ч выработки тепловой энергии по сравнению с электрическим отоплением с учетом изменения сезонных нагрузок, фактически по средне-сезонным нагрузкам.

Средне-сезонные нагрузки будут рассчитаны по периодам работы системы отопления для различных регионов. Периоды определялись исходя из минимальных градиентов температур (не более 3С между соседними периодами). В расчет по каждому региону берутся все периоды, среднемесячная температура которых ниже 8'С согласно СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Таким образом для различных регионов можем определить:

Таблица 1 — Параметры периодов работы системы отопления по регионам

* - продолжительность периода рассчитывается за вычетом наиболее холодной пятидневки

Теперь можно рассчитать расчет времени работы системы отопления при каждой температуре наружного воздуха. Расчет будет производится по следующей зависимости:

Где:

β — количество дискретных шагов температуры (например: от −30С до −28С, принимается температура −30С — β при этом равно 2, от −6С до 0С, принимается температура −6С — β при этом равно 6 и т.д.);

γ_Т — суточный весовой коэффициент смещения времени стояния температуры (принимается для каждой температуры в зависимости от периода года см. приложения 1, 2, 3, 4, 5 для различных регионов).

Суммирование производится только по тем периодам, в диапазон которых попадает искомая температура.

Таблица 2 — Время работы системы холодоснабжения при каждой температуре в течении года для различных регионов

Примечание: Нижняя граница определена температурой наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,98 исходя из СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Продолжительность данного периода принимается всегда 5 суток и данное время вычитается из общей продолжительности наиболее холодного периода для каждого региона

Точность проведенного расчета составляет не менее 15% при погрешности исключительно в сторону более низких температур (введение коэффициента β обоснованно именно обеспечением однозначности смещения погрешности). Данной погрешностью также объясняется невязка количества часов в периоде при совпадении общего количества часов в году.

Теперь зная число часов работы системы отопления при каждой температуре, можем вычислить число часов возможной работы в отопительном периоде, теплового насоса, исходя из данных фактора «А» п.1, со значениями коэффициента трансформации. Коэффициенты трансформации будут пересчитаны от базовых для каждого значения температуры наружного воздуха по следующей формуле:

COP_р=COP* T_{конд.реал} / T_{конд.расч} (2)

Где:

COP — коэффициент трансформации по данным производителя (при температуре 20С по сухому термометру согласно стандарту JIS B8615-1);

T_{исп.расч} — расчетная температура испарения (278,15К);

T_{исп.реал} — температура испарения в текущем режиме работы, К;

Также можно рассчитать соотношение затрат энергии при использовании теплового насоса, к затратам энергии при электрическом отоплении по следующему соотношению:

Q_отн=COP_р/0,9 (3)

Где:

0,9 — реальный КПД электрической системы отопления (включая потери на передачу эл. Энергии);

Таким образом общая годовая экономия при работе в каждом режиме, на один кВт подключаемой тепловой мощности, составит:

Э= τ_Т (Т_эл -Т_эл/ Q_отн) (4)

Где:

Т_эл — тариф на эл. Энергию (средний по стране), 4,04 руб/кВт*ч;

τ_Т — число часов работы при данной температуре;

Таблица 3 — Суммарная годовая экономия на каждый кВт реальной тепловой мощности системы отопления при применении теплового насоса

Из таблицы 3 получены следующие результаты:

Примерная годовая экономия для центрального региона России (Воронеж-Москва-Санкт-Петербург) на каждый кВт реальной отопительной мощности: 12782,15 руб/кВт;

Примерная годовая экономия для южного региона России (Ростов на дону — Краснодар) на каждый кВт реальной отопительной мощности: 10568,11 руб/кВт;

Примерная годовая экономия для северо-западного региона России (Мурманск-Архангельск) на каждый кВт реальной отопительной мощности: 17637,07 руб/кВт;

Примерная годовая экономия для уральского-западно-сибирского региона России (Новосибирск-Челябинск-Екатеринбург) на каждый кВт реальной отопительной мощности: 14754,85 руб/кВт;

Примерная годовая экономия для северо-восточного региона России (Иркутск-Якутск) на каждый кВт реальной отопительной мощности: 10199,14 руб/кВт;

3. Расчет сроков окупаемости для различных регионов

Из данных п.2, для каждой величины отопительной мощности возможно рассчитать срок окупаемости системы с тепловым насосом:

Таблица 4 — Сроки окупаемости системы с тепловым насосом

4. Заключение

1. Исходя из проведенных расчетов, делаем вывод, что не смотря на ограничение температуры эксплуатации системы до −25С, система с тепловыми насосами имеет перспективы применения во всех регионах России.
2. Для южных регионов и регионов северо-востока страны система имеет ограниченное применение на тепловых мощностях ниже 10 кВт, так как срок окупаемости значительно превышает 5 лет.
3. Система, на данный момент, имеет перспективы применения только для регионов с отсутствием центрального газоснабжения.
4. Целесообразность применения данной системы ограничивается тепловой мощностью 80 кВт.