АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ДЛЯ БАЛЬНИОЛОГИИ И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ПОСЕЛКЕ КОСИНО (ЗАКАРПАТСКАЯ ОБЛ., УКРАИНА) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ECONOMICAL ASPECTS

Статья поступила в редакцию 21.02.13. Ред. рег. № 1559 The article has entered in publishing office 21.02.13. Ed. reg. No. 1559

УДК 662.997 + 621.577.4

АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ДЛЯ БАЛЬНЕОЛОГИИ И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ПОСЕЛКЕ КОСИНО (ЗАКАРПАТСКАЯ ОБЛ., УКРАИНА)

М.Ю. Швец, В.Г. Олейниченко, А.А. Барило

Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net, http://www.ive.org.ua

Заключение совета рецензентов 04.03.13 Заключение совета экспертов 11.03.13 Принято к публикации 18.03.13

В работе произведен анализ комплексного использования термальной воды для открытого бассейна площадью 220 м2 и теплоснабжения бальнеологического комплекса с использованием тепловых насосов и термальной воды. Предложена технологическая схема и рассчитаны технико-экономические характеристики её функционирования.

Ключевые слова: бальнеологический комплекс, термальная вода, теплоснабжение, тепловой насос, технико-экономические показатели.

ANALYSIS OF COMPLEX USE OF THERMAL WATERS FOR SPA COMPLEX AND HEAT SUPPLY IN COSINO VILLAGE (TRANSCARPATHIAN REGION, UKRAINE)

M. Shvets, V. Oleynychenko, A. Barylo

Institute of Renewable Energy of NASU, 20A Krasnogvardeyskaya St., Kiev, 20294, Ukraine Tel/fax +38044 206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net, http://www.ive.org.ua

Referred 04.03.13 Expertise 11.03.13 Accepted 18.03.13

The paper presents an analysis of complex use of thermal waters in outdoor pools covering 220 sq. meters. It also considers heat supply issues for a spa complex based on thermal pumps and thermal waters combined utilization. A technological scheme has been suggested and performance characteristics have been estimated.

Keywords: spa complex, thermal water, heat supply, heat pump, technical and economic parameters.

Сведения об авторе: Институт возобновляемой энергетики НАНУ, отдел геотермальной энергетики, младший научный работник.

Образование: в 2004 г. закончил Национальный технический университет «Киевский политехнический институт» по специальности «теплофизика», получил квалификацию магистра энергетики.

Область научных интересов: возобновляемая энергетика, геотермальная энергетика, использование сбросных источников теплоты, использование тепловых насосов. Публикации: более 20 публикаций на тему использования геотермальных ресурсов, тепловых насосов.

Сведения об авторе: Институт возобновляемой энергетики НАНУ.

Образование: Киевский технологический институт пищевой промышленности по специальности «машины и аппараты пищевых производств», инженер-механик. Область научных интересов: возобновляемая энергетика, геотермальная энергетика, использование сбросных источников теплоты, использование тепловых насосов. Публикации: более 30 публикаций на тему использования геотермальных ресурсов, тепловых насосов.

Максим Юрьевич Швец

Валерий Георгиевич Олейниченко

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 03 (121) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

В данной работе произведена оценка технико-экономических показателей строительства и круглогодичного функционирования

бальнеологического комплекса на базе скважины 16Т Косинского месторождения термальных вод (Закарпатская область, Украина). Дебит и температура воды на устье скважины - 15 м3/час, 50°С, соответственно.

В настоящее время скважина 16-Т используется для подачи геотермальной воды в летний период в два бассейна. Подача осуществляется чугунным трубопроводом длиной 650 м и диаметром 89 мм, проложенному на глубине 0,5 м. Опыт эксплуатации системы подачи геотермальной воды показал, что температура термальной воды на входе в бассейн летом составляет 46°С. Следовательно, потеря температуры в трубопроводе в летнее время составляет 4°С, а в зимнее время может достигать 10°С.

Планируется построение круглогодичного открытого бассейна площадью 220 м2 и поддержка в нем температуры воды 36°С (при наружной температуре -10°С) и отопления административно -жилого корпуса площадью 3000 м2.

Оценка теплопотерь бассейна и выбор системы его обогрева

Основные теплопотери бассейна формируются за счет испарения воды с зеркала бассейна. При температуре наружного воздуха -10°С и средней влажности 70%, с 220 м2 испаряется около 270 литров в час. При этом теплопотери составляют 180 кВт.

Общие тепловые потери бассейна на 25-30% выше, чем потери на испарение, и составляют:

Qp = (1,25..1,3) • Q6 = 225 кВт. (1)

Для компенсации тепловых потерь предлагается использовать термальную воду, которая напрямую подается в бассейн, а излишки воды сливаются в дренаж и могут в дальнейшем использоваться или сбрасываться в канализацию. Была определена минимальная температура термальной воды, подающейся в бассейн, для покрытия его тепловых потерь при температуре воздуха -10°С и максимальном дебите скважины (15 м3/год):

б = 'б +

Q6

■ = 36 +

225кВт

с • G 4,2кДж/ (кг • К) 4,17кг/ с

= 49 "С,

(2)

где О - расход термальной воды, кг/с; с -

теплоемкость воды 4,2 кДж/(кг-К); , б -

температуры воды в бассейне и на входе в бассейн, С.

Такую температуру термальной воды возможно получить при использовании предварительно изолированных труб. Оценим потери температуры при использовании полиэтиленовой трубы диаметром 110 мм с толщиной стенки 6 мм, изолированную пенополиуретаном толщиной 45 мм:

k =

a +RCT1 +RCT2 + a

-1

= 0,82

Вт

м2 К

(3)

где «1 и «2 - коэффициенты теплоотдачи термальной воды и воздуха, Вт/(м2 К); ^стг ^СТ2

- термические сопротивления стенок трубопровода, (м2К)/ Вт.

п• d • l • k (' -' ) 'вых = 'ex____W Г )

с • G

3.14 • 0.2 • 750 • 0.82-(50 - 5) 0

= 50--i-'- = 49,1 °С

4200 • 4.17

(4)

где I, й - длина и диаметр трубопровода, м;

температуры термальной воды на

'вых ' 'ex

выходе и входе в трубопровод, °С; О - расход термальной воды, кг/с; к - коэффициент, Вт/(м2К); с - теплоемкость воды.

То есть для функционирования открытого бассейна температуры и расхода термальной воды скважины 16-Т достаточно.

Рассчитаем необходимое количество термальной воды для нагрева бассейна в зависимости от температуры окружающей среды. Для этого приведем климатические характеристики

Закарпатской области. Среднегодовая температура воздуха составляет 9,7°С, наиболее низкая она в январе (-2,8°С), наиболее высокая - в июле (19,9°С). Климатические данные приведены в табл. 1.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Таблица 1.

Средняя температура (°С) и влажность (%) воздуха по месяцам в Закарпатской области [1, 2]

Table 1.

Average temperature (°C) and humidity (%) of the air by months in Transcarpathian region [1, 2]

Параметры Месяцы в году

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Средняя температура, °С Суточная -2,8 -0,2 4,7 10,7 15,6 18,5 19,9 19,4 15,5 10,3 4,6 -0,4

Дневная -1 2 7 16 20 25 26 25 21 15 8 2

Ночная -6 -3 1 6 9 13 14 13 10 6 3 -2

Средняя влажность, % 82 77 69 63 65 67 67 69 72 75 81 84

Были рассчитаны тепловые потери и необходимый расход термальной воды для подержания температуры в бассейне 36°С, а также изменение температуры в бассейне при максимальном расходе при разных температурах наружного воздуха. Результаты приведены на рис. 1.

2. Стоимость оборудования тепловой части бассейна и его установки составляет 35 тыс. €.

3. Эксплуатационные расходы состоят из расходов на электроэнергию и заработную плату персонала и оцениваются в 15 тыс. € в год. Расходы на ремонты - 3 тыс. € в год.

4. Амортизация рассчитывается по линейной схеме в течение 5 лет.

Суммарные издержки на производство теплоты, €/г, определяется по формуле:

И„ = ЕГ • S +а +ß +ФГ„ • (1 + Т С.н е ам р ОТ

гГ

а ) ,(5) пр

где ЕС н - годовой расход электроэнергии на

собственные нужды, МВт-ч.; электроэнергии, €/(МВт-ч);

S

а

ам

цена годовая

Рис. 1. Тепловые потери и необходимый расход термальной воды для подержания температуры в бассейне при разных

температурах наружного воздуха Fig. 1. Heat losses and required flow rate of thermal water for the pool at different outdoor temperatures

С помощью данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 1, были оценены годовые теплопотери бассейна, которые составляют 1400 Гкал (1600 МВтч).

Расчет экономических показателей функционирования бассейна

Расчет экономических показателей

функционирования бассейна выполнен на основе методики, изложенной в [3].

При расчетах экономических показателей были приняты следующие исходные данные:

1. Срок эксплуатации бассейна - 25 лет, трубопроводов, подающих термальную воду - 25 лет, скважинного насоса - 5 лет.

амортизация оборудования, €; в^ - годовые затраты

Г

на ремонты оборудования, €; Ф^ ^ - годовой фонд оплаты труда, €; а^ - коэффициент, учитывающий

суммарные другие расходы (принимается 0,5). Расчетная суммарная годовая расход на производство теплоты ИТ=42 тыс. €/год.

Себестоимость теплоты, €/Гкал определяется по формуле:

И

=

Т

Т Q

(6)

ГОД

где Ягод - годовое количество использованной

теплоты для подогрева бассейна, Гкал.

Расчетные технико-экономические

характеристики показателей функционирования бассейна приведены в таблице 2.

е

126

ШЛМ

Таблица 2.

Расчетные технико-экономические характеристики показателей функционирования бассейна (тепловой части)

Table 2.

Calculation of technical and economic characteristics of the operation of the pool (the heat part)

насосом НВ в испарители тепловых насосов ТН1, 2, где охлаждается и сбрасывается в систему утилизации термального теплоносителя.

Параметр

Установленная мощность, кВт 250

Годовое количество использованной 1400

теплоты, Гкал (МВтч) (1600)

Капиталовложения, тыс. €. 35

Амортизация (20%), тис. €. 7

Годовые затраты на ремонты, тыс. €. 5

Годовой расход электроэнергии, МВтч 9

Фонд оплаты труда, тыс. € 15

Себестоимость теплоты, €/Гкал 30

Обоснование целесообразности использования низкопотенциальной термальной воды для отопления и ГВС административно-жилого корпуса

Оценены целесообразность использования сбросной термальной воды для отопления и ГВС здания административно-жилого корпуса площадью 3000 м2.

Согласно [4], удельные теплопотери энергосберегающего здания составляют до 60 Вт/м2. Тогда расчетная мощность системы отопления бальнеологического комплекса равна:

Q = q ■ S = 60 Вт / м2 • 3000 м2 = 180 кВт (7) от от

Средняя мощность систем ГВС здания составляет 25 кВт, а душевых бассейна - 25 кВт. Суммарная мощность систем теплоснабжения составляет 230 кВт.

В связи с отсутствием возможности подключения данного здания к системам газоснабжения, устройство систем отопления и ГВС возможно в следующих вариантах:

- традиционная. Система электрических теплых полов, электрических радиаторов (фанкойлов) и электрических бойлеров для ГВС;

- энергоэффективная. Система гидравлических теплых полов, фанкойлов и бойлеров косвенного обогрева, подогреваемые тепловым насосом «вода-вода», которые используют низкопотенциальную термальную воду. Для этого варианта предложена технологическая схема, которая показана на рис. 2.

Согласно схеме, термальная вода с температурой 50°С, поступающая из скважины 16-Т, насосом НС подается через предизолированный трубопровод в открытый бассейн, где поддерживается температура воды 36°С. Вода сливается из бассейна, подается

Рис. 2. Технологическая схема теплоснабжения бальнеологического комплекса с помощью ТН, использующие низкопотенциальную термальную воду: Б -

бассейн; БЕ - бойлер электрический; БК - бойлер косвенного нагрева; Е - буферная емкость; НБ, НВ, НН, НО, НС - насосы: бойлера косвенного нагрева, испарителя ТН, буферной емкости, системы отопления, скважинный, соответственно; РТ0 - регулятор температуры системы отопления, П - потребители теплоты; ТН1, 2 - два тепловых насоса; ГВ, ХВ - горячее и холодное водоснабжение, соответственно Fig. 2. Technological scheme of heat supply for spa complex

based on thermal pumps and thermal waters combined utilization: Б - pool, Бе - electric boiler, БК - indirect heating boiler, E - buffer capacity, НБ, НВ, НН, НО, НС - pumps: boiler indirect, heating evaporator НР, buffer capacity, heating system, well; RT0 - temperature control of the heating system, П - heat consumers; TH1, 2 - two heat pumps; ГВ, ХВ - hot and cold water, respectively

Тепловые насосы используются для нагрева оборотной воды, которая используется для отопления и нагрева ГВС в бойлере косвенного нагрева.

Оценим каждый вариант и найдем оптимальный. Для этого сравним капиталовложения и эксплуатационные расходы. Капиталовложения:

1. Электрорадиатор - 8 €/м2; электробойлер для ГВС мощностью 40 кВт (1000 л) (2 шт.) (для покрытия неравномерности использования горячей воды) - 10 тыс. €; электрический трансформатор (мощностью 400-500 кВА) - 6 тыс. €. Монтаж системы теплоснабжения - 4 тыс. €.

Суммарные капиталовложения составят около 4548 тыс. €.

2. Два тепловых насоса (ТН-80) - 40 тыс. €; буферная емкость и бойлер косвенного нагрева (1000 л) - 5 тыс. €; циркуляционные насосы (4 шт) - 4 тыс €; электробойлер для ГВС мощностью 25 кВт -3 тыс. €.; электрический трансформатор (мощностью 200-250 кВА) - 4 тыс. €. Монтаж системы теплоснабжения (теплых полов) - 20 тыс. €.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Суммарные капиталовложения составят около 7580 тыс. €.

Эксплуатационные расходы: Для расчета эксплуатационных расходов необходимо построить расчетный график тепловых нагрузок здания, опираясь на климатические характеристики Закарпатской области:

а) температура окружающего воздуха во время отопительного периода, °С:

Время стояния температур Periods of ambient

- Абсолютный минимум - (-28);

- Расчетная для отопления - (-18);

- Средняя во время отопительного периода - 1,6; б) продолжительность отопительного периода,

часов - 3888;

Время стояния температур окружающего воздуха приведены в таблице 3.

Таблица 3.

окружающего воздуха [2]

Table 3

air temperature [2]

Температура наружного воздуха, °С -24,9 4- -20 -19,9 4 -15 -14,9 4 -10 -9,9 4 -5 -4,9 4 0 0,1 4 +5 +5,1 4 +8

Время стояния 2 18 55 404 919 1484 1006

Был избран температурный график для проектирования системы отопления (рис. 3а) и, согласно исходным данным и климатическими характеристиками региона, были проведены расчеты

тепловых нагрузок потребителей (рис. 3б), где линия 1 - тепловые нагрузки системы отопления, 2 -нагрузка систем горячего водоснабжения.

л—

:- i----1 ------- L

—^ Температура на вькоде с ТН2 -it- Температура на еькоде с ТН1 ——Температура обрэмой вады

21

Tet,ine|Kiiy|><T воздуха,

Рис. 3. Совмещенный температурный и график тепловых нагрузок потребителей: 1 - график тепловых нагрузок систем

отопления, 2 - тепловые нагрузки системы ГВС Fig. 3. Combined temperature and heat load chart of consumers: 1 - graph of thermal loads of heating systems, 2 - thermal loads of

hot water

Согласно графику тепловых нагрузок, оценочное необходимое годовое количество теплоты составляет 770 МВт час (670 Гкал).

Для оценки коэффициента трансформации для теплового насоса используем формулу для идеального цикла Карно [5, 6] и полуэмпирическую формулу Мартыновского [7]:

ф = к ■

1

T - T 1 2

(8)

ф = 0,74

T T -2--(0,0032T2 + 0,765—) + 0,9; (9)

T1- T2 2 T1

где Т1, Т2 - температуры в конденсаторе и

испарителе теплового насоса, К; к - отношение реального коэффициента трансформации к идеальному, в современных тепловых насосах находится в пределах 0,45-0,6 (принято 0,5).

ф■WTH

T1 = ов + —+hTK, (10)

2 с GC.B

(ф- 1)WTH

T2 = TTB --ATB, (11)

2 c GTB

128

ШЛМ

где тов , ттв

температура обратной сетевой и

TU TH

термальной воды, К; Qt , W

мощность

тепловая и привода компрессора теплового

насосу, Вт; G

С.В'

G

ТВ

- расход сетевой и

термальной воды через ТН, кг/с; ДГ„, -

К в

температурный напор конденсатора и испарителя ТН, К, принятый 5 К.

На рис. 4 приведены результаты расчетов средних коэффициентов трансформации для обеих ТН от температуры окружающего воздуха по формуле (9).

х 6

II 5,5 а s

& 5 fr

х 4,5

га

4

§■ 3,5 t 3

-18 -12 -6 0 6 Температура воздуха, 0С

12

Рис. 4. Зависимость средних коэффициентов трансформации для обоих ТН от температуры окружающего воздуха

Fig. 4. Dependence of COP for both НР on ambient temperature

Расчетное количество электроэнергии, необходимое для компрессоров ТН, составляет около 150 МВт час.

Мощность, необходимую для насосного оборудования, найдем по формуле [8, 9]:

N = У N ГО У

G-ар Р -п

в но

(12)

где О - расход воды, кг/с; Ар - потери давления на гидравлическое сопротивление, Па; р - плотность

воды, кг/м3; п - КПД насосу, принятый 0,85. н.о

Мощность насосного оборудования в зимний период составит около 4 кВт, а в летний - 1,5 кВт. Тогда необходимое количество электроэнергии для насосного оборудования системы теплоснабжения составит около 23 МВтчас.

Приведем в табл. 3, расчетные технико-экономические характеристики показателей систем теплоснабжения: традиционной с использованием электрокотлов и энергоэффективной с ТН.

Таблица 3.

Расчетные технико-экономические характеристики показателей систем теплоснабжения

Table 3.

Estimated technical and economic characteristics of heating systems indices

Параметр Традиционная (электрокотлы) Эффективная (ТН)

Установленная мощность, кВт 230

Годовое количество использованной теплоты, Гкал (МВт-год) 670 (770)

Капиталовложения, тыс. €. 45-48 75-80

Амортизация (20%), тыс. €. 9 16

Годовые затраты на ремонты, тыс. €. 2,5 5

Годовой расход электроэнергии, МВтч 800 180

Фонд оплаты труда, тыс. € 9,5 15

Годовые издержки, тыс.€ (Тариф электроэнергии 0,1 €/кВтч) 100 54

Себестоимость теплоты, €/Гкал 150 80

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 03 (121) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

На рис. 5а, б приведена зависимость себестоимости теплоты от цены электроэнергии для обеих систем теплоснабжения, а также срок

окупаемости внедрения энергоэффективной системы отопления с использованием ТН.

Рис. 5. а - зависимость себестоимости теплоты от цены электроэнергии для обеих систем теплоснабжения, б - срок

окупаемости внедрения ТН.

Fig. 5. a - dependence of heat cost on electricity price for both heat supply systems, b - payback time of introducing HP.

Выводы

В работе предложена схема теплоснабжения бальнеологического комплекса с использованием тепловых насосов и термальной воды, а также рассчитаны технико-экономические характеристики бальнеологического комплекса в с. Косино Закарпатской области.

Показана целесообразность использования термальной воды для подогрева бассейна и дальнейшее использование сбросной термальной воды в качестве низкопотенциального источника теплоты для ТН, используемого для теплоснабжения жилого корпуса.

При тарифе на электроэнергию больше 0,030 €/кВт-ч выгоднее использовать ТН, чем электроотопление жилого корпуса. При современных тарифах на электроэнергию для юридических лиц срок окупаемости внедрения ТН составляет около 1,5 лет.

Список литературы

1. Климат Ужгорода [Электронный ресурс] / Вишневский В.И. // Режим доступа: http://www.meteoprog.ua/ua/climate/Uzhgorod/ (20.12.12).

2. Апарцев М.М. Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения // Справочное пособие. М.: Энергоиздат, 1983, 202 с.

3. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы. Справочник / Под общ. ред.

A.В. Клименко, В.М. Зорина. 3-е изд., перераб. М.: МЭИ, 1999. 528 с.

4. Швец М.Ю. Анализ эффективности использования различных видов электрического отопления помещений // Вщновлювана енергетика. 2006. № 4. С. 23-27

5. Теплотехника: Шдрубник. 2-е вид., перероб. i доп./ Щд ред. Б.Х.Драганова. К.: «1НКОС», 2005. 400 с.

6. Heat pumps. How they work [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.ochsner.com/die-waermepumpe/funktionsweise/ (10.12.12).

7. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред.

B.М. Бродянского. М: Энергия, 1979. 288 с.

8. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. А.В. Клименко, В.М. Зорина. М.: МЭИ, 2001. 564 с.

9. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975.

130

тлт