Пример решения задачи по расчету оценки энергетической и экономической эффективности применения тепловых насосов

Задача 1. Рассчитать и дать оценку энергетической и экономической эффективности 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 η_ти = 0,85;

7. КПД тепловой сети η_тс = 0,9;

8. КПД источника электрической энергии η_эн = 0,33;

9. КПД передачи и трансформации электрической энергии η_эс = 0,9;

10.  Стоимость электрической энергии С_э = 0,035 у.е./кВт∙ч;

11. Стоимость тепловой энергии С_Q = 8,35 у.е./ГДж;

12. Процентная ставка по кредиту А = 15%.

Решение

1. Определим тепловой потенциал ТВЭР:

− расчетный, используемый в течение часа

Q^р_твэр = G ∙ ρ ∙ C ∙ Δt ∙ R / 3600 = 40∙1000∙4,19∙4∙0,9 / 3600 = 167,6 кВт;

− располагаемый, используемый в течение года

Q^г_твэр = 3,6∙10^-3∙ Q^р_твэр ∙ n = 3,6∙10^-3 ∙167,6∙5000 = 3017 ГДж;

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

Q^p_тн = 1,4 ∙ Q^р_твэр = 1,4 ∙ 167,6 = 234,6 кВт;

Q^г_тн = 1,45 ∙ Q^г_твэр = 1,45 ∙ 3017 = 4375 ГДж;

3. Определим потребляемую мощность компрессора теплового насоса

р_тн = Q^p_тн – Q^р_твэр = 234,6 – 167,6 = 67 кВт.

4. Находим годовой расход электрической энергии на выработку теплоты

Э_тн = (Q^г_тн – Q^г_твэр) / 3,6 = (4375 – 3017) / 3,6 = 377,2 МВт∙ч.

5. Энергетическую эффективность применения ТН определим по величине ожидаемой ежегодной экономии первичного топлива

ΔВ = [1– (η_ти∙η_тс /(η_эн∙η_эс∙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 насоса типа «вода-вода» со спиральным компрессором

К_тну = 7700 + 115∙Q^p_тн = 7700 + 115∙234,6 = 34679 у.е.

7. Определим величину ожидаемой ежегодной экономии расходов Э^г при внедрении теплового насоса

Э^г = Э_тр – Э_тн .

Значение Э_тр определим по выражению

Э_тр = 3,385∙n∙С_Q∙Q^p_тн / 1000 = 3,385∙5000∙8,35∙234,6/1000 = 33154 у.е.

Значение Э_тн определим соответственно по выражению

Э_тн = 0,286∙n∙С_э∙Q^p_тн = 0,286∙5000∙0,035∙234,6 = 11741 у.е., отсюда

Э^г = Э_тр ─ Э_тн = 33154 ─ 11741 = 21413 у.е.

8. Срок окупаемости теплового насоса равен

Т_ок = К_тну / Э^г = 34679 / 21413 = 1,62 года

9. Величина доходности Д от внедрения ТН в систему горячего водоснабжения предприятия составит

Д = 100∙Э^г / (К_тну.∙(1+А/100)) = 100∙21413 / (34679∙(1+15/100)) = 53,7%.

Как следует из приведенного примера, применение теплового насоса энергетически и экономически обосновано, т.к. ΔВ = 26,4%, Т_ок = 1,62 года, Д = 53,7%.