Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,441

ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Слесаренко И.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»
В работе представлены результаты исследований, подтверждающие высокую экономическую и технологическую эффективность применения гелиоустановок для обеспечения теплоснабжения жилых зданий и социальных объектов. Оценка эффективности использования гелиоустановок позволит правильно оценить практическую значимость их использования в разных регионах и климатических условиях. В работе методы анализа и интерпретации результатов прогнозов, разработанные на основе прогнозируемой методологии разработки программного обеспечения, применялись для исследования характеристик системы теплоснабжения на предпроектном уровне для обоснования применения гелиоустановок на социальных и промышленных объектах Дальневосточного региона. В работе приведена апробированная методика оценки технико-экономических показателей систем теплоснабжения, конструируемых на основе применения гелиоустановок, агрегатов для утилизации и накопления тепловой энергии, современных средств автоматизации и регулирования. Представлены результаты исследований, подтверждающие высокую экономическую и технологическую эффективность применения гелиоустановок для обеспечения теплоснабжения жилых зданий и социальных объектов Дальневосточного региона. Выполненная сравнительная оценка технико-экономических и эксплуатационных показателей систем теплоснабжения с различными источниками первичной энергии (газовыми, дизельными и угольными котельными, электрокотлами, солнечными установками, тепловыми насосами) подтверждает целесообразность применения солнечных водонагревательных установок при создании систем энергообеспечения социальных и промышленных объектов.
гелиоустановки
экономические показатели
срок окупаемости
эффективность
1. Асланян Г.С. Финансовые аспекты расширения использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии / Г.С. Асланян, С.Д. Молодцов // Теплоэнергетика. – 2001. – № 2. – С. 34–39.
2. Безруких П.П., Дегтярев В.В. Елистратов В.В. и др. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива. – М.: «ИАЦ Энергия», 2007. – 272 с.
3. Безруких П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П.П. Безруких и др. – СПб.: Наука, 2002. – 314 с.
4. Бутузов B.A. Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Энергосбережение. – 2009. – № 3. – С. 70–72.
5. Бутузов В.А. Анализ энергетических и экономических показателей гелиоустановок горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. – 2001. – № 10. – С. 54–61.
6. Валов М.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения: монография / М.И. Валов, Б.И. Казанджан. – М.: Изд-во МЭИ, 1991. – 140 с.
7. Ковалев О.П., Волков, В.В. Лощенков, Казанцев П.А. Cолнечная энергия – решение экологических и социальных проблем / Архитектура и строительство Дальнего Востока. – 2007. – № 7–8 (53). – С. 25–27.
8. Методические указания по оценке экономической эффективности и расчёту экономии органического топлива при использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии. АН СССР. – М., 1987. – 56 с.
9. Попель О.С. Обобщение показатели типичной индивидуальной солнечной водонагревательной установки в климатических условиях различных регионов России / О.С. Попель, Е. Фрид, Э.Э. Шпильрайн // Теплоэнергетика. – 2003. – № 1. – C. 12–18.
10. Слесаренко И.В. Выбор установок возобновляемой энергетики для локальных систем энергоснабжения / В.В. Слесаренко, А.Н. Гульков, И.В. Слесаренко // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск № 3. Нефть и газ. – 2013. – С. 190–196.
11. Слесаренко В.В., Копылов В.В., Княжев В.В. Оценка эффективности установок солнечной энергетики в системах теплоснабжения // Вестник ДВО РАН. – 2010. – № 3. – С. 119–124.
12. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.

Ежегодно в России увеличиваются расходы на эксплуатацию тепловых сетей и котельных установок. Известные проблемы эксплуатации централизованного теплоснабжения настоятельно требуют ускоренного внедрения нетрадиционных методов энергообеспечения [3, 4, 6, 11, 9]. Анализ работы действующих на территории России гелиоустановок показывает [5, 7, 10, 12], что использование гелиотехники для целей отопления требует решения ряда проблем. Практически значимым и перспективным является применение солнечных водонагревательных установок (СВНУ) в целях горячего водоснабжения. Это определяется, прежде всего, климатическими условиями РФ, причем к системам горячего водоснабжения не предъявляются жесткие требования по надежности, как к системам отопления.

Применение традиционных типов солнечных водонагревательных установок позволяет покрыть до 60 % потребностей потребителей в теплоте, используемой в системе ГВС. В то же время при разработке комбинированных СВНУ доля ГВС от гелиосистем может достигать 100 %, а эффективное использование тепловых насосов (ТН) и систем аккумуляции теплоты (САТ) позволяет покрыть за счет возобновляемых источников энергии (ВИЭ) 30–50 % отопительной нагрузки, поэтому использование СВНУ в Дальневосточном регионе является актуальной проблемой. При оценке технико-экономических показателей гелиоустановок для данного региона обычно устанавливается, что применение гелиотехники экономически целесообразно при заданном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги и т.д. [1, 2, 5, 8].

По имеющимся данным в 2014 г. в Приморском крае 25 % населения не обеспечивалось централизованно тепловой энергией. Эксплуатируются 140 тысяч частных домов, 150 тысяч дачных участков и 2500 фермерских хозяйств. На отопление этих потребителей ежегодно расходуется более 500 тыс. тонн угля, до 50 тыс. тонн жидкого топлива. В Приморском крае работают более 1100 котельных, имеющих КПД значительно ниже 85 %. Большое количество малых производственных предприятий в городе и сельской местности не обеспечивалось вне отопительного периода тепловой энергией в виде ГВС.

Значительная часть социальных объектов обеспечивается горячим водоснабжением в летний период только от электробойлеров или котлов на жидком топливе с высокими тарифами на отпускаемую тепловую энергию. При этом имеет место ежегодный рост тарифов на 10–15 %. Часть этих объектов целесообразно оснащать СВНУ и тепловыми насосами. По укрупненным расчетам, суммарная потребность Приморского края в солнечных коллекторах в перспективе составляет до 1 млн м2. При этом может быть обеспечена годовая экономия органического топлива в объеме до 100000 т.у.т. и значительно сокращены выбросы вредных веществ в атмосферу. Кроме этого, улучшаются социально-бытовые условия жизни населения и экономятся непосредственные затраты труда на отопление и горячее водоснабжение.

Цель исследования состоит в разработке методики оценки технико-экономических показателей (ТЭП) эффективности использования СВНУ в системах горячего водоснабжения для различных климатических регионов. Для решения поставленной проблемы рассмотрены и решены следующие задачи:

– проведен анализ показателей действующих на территории России гелиоустановок по средней выработке тепловой энергии 600–800 кВт·ч/м2 в год (максимальная до 1050 кВт·ч/м2 в год), по экономии органического топлива: около 100 кг у.т./м2 (установка с площадью солнечных коллекторов 30 м2 в целом экономит около 3-х тонн у.т.), по снижению выбросов: 0,6–0,7 кг СО2 на 1 кВт·ч выработанной тепловой энергии (1 м2 солнечного коллектора предотвращает выброс 350–730 кг углекислого газа в год);

– в результате проведенного анализа разработана методология для оценки технико-экономических показателей гелиосистем с учетом климатических, экологических и экономических факторов;

– разработано программное обеспечение для исследования характеристик системы теплоснабжения для социальных и промышленных объектов на предпроектном уровне.

Материалы и методы исследования

Для определения характеристик системы теплоснабжения, включающей СВНУ с тепловым аккумулятором, разработана программа для персонального компьютера (ПК), позволяющая рассчитывать основные параметры гелиосистемы и рассчитывать ее ТЭП при проведении предпроектных изысканий. Разработанная программа использовалась для обоснования применения СВНУ на ряде социальных и промышленных объектов Дальневосточного региона [12].

Оценка ТЭП выполнена в процессе проектирования и внедрения СВНУ для горячего водоснабжения многоквартирного жилого дома, расположенного в микрорайоне «Снеговая падь» г. Владивостока (рис. 1).

Характеристика объекта. Объект представляет собой многоэтажное 90-квартирное жилое здание. Крыша здания – плоская эксплуатируемая. Альтернативный источник тепла для нагрева горячей воды: электрокотел. Географические координаты: широта – 43,1°N; долгота –131,9°E.

Структура и ТЭП установки. СВНУ состоит из трубчатых вакуумных коллекторов с общей площадью поглощающего слоя 96,4 м2 (40 коллекторов ES-30-58-1800), развернутых на юг под углом 60° к горизонту, бака-аккумулятора (емкостного накопителя) объемом 10 м3, электрического отопительного котла, теплообменника греющего контура, циркуляционных насосов, системы автоматизации и соединительных трубопроводов. В качестве теплоносителя в контуре солнечных коллекторов использована незамерзающая жидкость на основе пропиленгликоля. Режим работы установки – круглогодичный в автоматическом режиме. Место размещения коллекторов – крыша здания, размещение емкостного накопителя – на техническом этаже. Результаты расчета ТЭП системы ГВС с СВНУ приведены на рис. 2 и 3. Годовая выработка тепловой энергии СВНУ составляет 137208 кВт?ч/год (около 2,2 тыс. т горячей воды в год) при среднегодовой суточной выработке 7,12 т/сут. При нормативном потреблении для жилых домов 105 л/чел. в сутки внедрение СВНУ позволяет полностью обеспечить горячей водой до 68 человек. Замещение тепловой энергии солнечной водонагревательной установкой, требуемой для подогрева воды, равно 19 %.

Результаты исследования и их обсуждение

Расчет срока окупаемости СВНУ. Сравнительная оценка технико-экономических показателей процесса ГВС при применении различных систем теплоснабжения и при заданной тепловой нагрузке для Дальневосточного региона приведена в таблице. Расход теплоты в системе теплоснабжения составил 268 Гдж/год при отпуске воды 1825 м3/год. При расчете ТЭП указанных вариантов приняты текущие средние фиксированные стоимости энергоресурсов (угля, газа, электроэнергии и дизельного топлива), а также тариф на тепловую энергию. При этом стоимость 1 м3 горячей воды от дизельного котла СД является наиболее дорогой (таблица), поэтому она выбрана для дальнейшего сравнительного расчета ТЭП в качестве базовой максимальной стоимости.

pic_84.tif

а б

Рис. 1. Общий вид здания после монтажа СВНУ (а) и принципиальная схема установки (б) для горячего водоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – емкостный теплоизолированный накопитель; 3 – электрический котел; 4 – теплообменник; 5–7 – циркуляционные насосы

pic_85.wmf

Рис. 2. Ожидаемые теплопотребление и теплопоступление от СВНУ

pic_87.wmf

Рис. 3. Средний суточный объем воды, нагреваемой СВНУ по месяцам в течение года до температуры не менее 55 °С

Сравнение ТЭП систем теплоснабжения при расходе горячей воды 5 т/сутки

№ п/п

Наименование

СВНУ

СВНУ с ТН

Электрокотел

Теплосеть

Котел на угле

Котел на жидком топливе

Котел на газе

1

Стоимость оборудования, тыс. руб.

740

524

45

100

290

110

175

2

КПД оборудования

0,9

0,9

0,83

0,91

0,85

3

Годовой расход энергии, ГДж/кВт?ч

1489

9795

82717

324

293

315

4

Калорийность топлива ГДж/т; ГДж/м3?103

10,8

32,82

24,6

5

Расход топлива т/год, тыс. м3/год

30

9

12,8

6

Затраты на теплоту, электроэнергию, топливо, руб./год

3767

24782

209273

274024

139672

348466

66282

7

Ежегодное среднее удорожание используемого ресурса

10 %

10 %

5 %

9 %

3 %

17 %

8

Эксплуатационные затраты, руб./год

11380

10480

818

2000

5280

2200

2500

9

Отчисления на окупаемость, руб./год

147940

104800

8996

20000

58080

22000

38491

10

Итого затраты, руб./год

163087

140067

210091

296024

198532

335466

102474

11

Стоимость 1 м3 горячей воды, руб./м3

89

76

120/87*

173

109

196

77

Примечание. *при работе электрокотла на ночном тарифе.

Исходя из базовой стоимости затрат на 1 м3 горячей воды, можно определить потенциально сэкономленную сумму Э за год:

Э = (СД – СА) GГВ,

где СД, СА ? стоимость 1м3 горячей воды за счет традиционного и альтернативного источника соответственно; GГВ – годовой расход горячей воды.

Учитывая, что минимальный срок эксплуатации каждой из приведенных установок составляет не менее 15 лет, расчет чистой стоимости производится условно на период 15 лет. Следующие показатели в значительной степени влияют на расчет ТЭП и могут варьироваться в зависимости от внешних факторов:

1. Удорожание стоимости тарифа на электроэнергию, подачу горячей воды от теплосети, стоимость угля, газа и жидкого топлива для потребителей.

2. При известной тепловой нагрузке (расходе горячей воды) на объекте производится расчет показателей теплоснабжающей установки. В расчете средняя стоимость основного оборудования СОБ приведена исходя из предлагаемых на рынке вариантов. Полная стоимость оборудования при внедрении установки

СУ = СОБ + СДО.

3. Стоимость проектных работ, дополнительных материалов, монтажа оборудования и сопутствующих процессу внедрения затрат принимается по коэффициентам, рекомендуемым для укрупненных сметных расчетов:

slesar001.wmf

4. Отчисления на окупаемость включаются в стоимость 1 м3 горячей воды только в течение установленного желаемого периода окупаемости базовых инвестиций.

5. При определении ТЭП каждого из вариантов (таблица) в течение жизненного цикла находится чистая текущая стоимость проекта (ЧТС) с применением коэффициента дисконтирования:

slesar002.wmf

где n – количество лет действия проекта; EД – норма дисконта, EД = 12 %.

slesar003.wmf

где Пi – прибыль i-го года, руб.; Иi – инвестиции в i-м году, руб.

pic_88.tif

Рис. 4. Изменение ЧТС проектов с различными типами тепловых установок

Тогда величина чистой текущей стоимости проекта равна

slesar004.wmf

С учетом приведенных показателей выполнена интегральная оценка рассмотренных инвестиционных проектов. Результаты расчетов приведены на рис. 4. Как видно из графиков, проект системы теплоснабжения с использованием СВНУ может окупаться за 5 лет. Через 6–9 лет такая установка будет более выгодной по сравнению с прочими типами источников тепловой энергии с точки зрения экономии денежных средств.

В работе рассмотрен вариант использования СВНУ совместно с тепловым насосом. При замещении тепловым насосом 50 % тепловой нагрузки СВНУ эффективность работы системы теплоснабжения значительно возрастает. Соответственно, срок окупаемости сокращается до 3 лет.

Совместно с Центром энергоэффективности и мониторинга энергоресурсов ДВФУ и Лабораторией нетрадиционной энергетики ДВО РАН обследовано более 25 объектов, подготовлены рекомендации по применению комбинированных СВНУ с ТН при модернизации систем теплоснабжения.

Выводы

1. Проведенный анализ показал, что в Приморском крае существует значительное количество социальных объектов, для которых характерно обеспечение горячей водой от электрических бойлеров или котельных на дорогостоящем жидком топливе.

2. Для сравнительной оценки ТЭП различных вариантов систем теплоснабжения использована специально разработанная программа для расчетов на ПК.

3. Установлено, что в случае применения солнечных водонагревательных установок совместно с тепловыми насосами для горячего водоснабжения исследованных объектов расходы на теплоснабжение снижаются на 30–50 %, что позволяет сократить срок окупаемости СВНУ до трех лет.


Библиографическая ссылка

Слесаренко И.В. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 12-4. – С. 828-833;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39632 (дата обращения: 20.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074