CC BY
21
УДК 536+621.31
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОФИКАЦИИ КАМЧАТСКОГО КРАЯ
А.Р. Ляндзберг (КамчатГТУ)
Рассмотрена экономическая эффективность получения тепловой энергии с помощью различных систем обогрева в условиях Камчатского края. Установлено, что в настоящее время наиболее эффективно использование печи на твердом топливе.
The author considers cost-effectiveness of heat energy obtained by usage of difference heating systems in Kamchatka region in local conditions. The article proves that the usage of solid fuel stove is the most effective means of heating.
Энергоснабжение Камчатского края обладает рядом уникальных особенностей. Некоторые из них были показаны нами в работе [4], где установлено, что получение механической энергии более эффективно при использовании двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а не электродвигателя, как в большинстве других регионов страны. Это связано со структурой сложившегося на полуострове баланса цен на жидкое топливо и электроэнергию и основано на принятой схеме энергообеспечения: доставка танкерами жидкого топлива (тяжелых мазутных фракций нефти) и сжигание его на ТЭС.
Отметим, что на ТЭС централизованно производится и электрическая, и тепловая энергия. Следовательно, установленные нами ранее для электрической энергии зависимости (непропорционально высокая цена и, как следствие, нерентабельность использования электропривода) могут оказаться верными и для энергии тепловой. Сформулируем вопрос так: является ли централизованное водяное отопление в условиях Камчатки экономически выгодным и какова его эффективность по сравнению с другими способами получения тепла?
Для ответа необходимо рассчитать стоимость получения единицы тепловой энергии различными способами. Рассмотрим некоторые виды получения тепла, а именно:
- электрообогрев;
- использование теплонасосной установки (ТНУ);
- отопление индивидуальным бойлером;
- прямое сжигание твердого топлива в печи;
- центральное водяное отопление.
За расчетную единицу получаемой тепловой энергии примем 1 МДж. При этом число N в расчетах - переменная (количество МДж), которая вводится для сравнения эффективности обогревательных систем во времени. Кроме текущих расходов подсчитаем также разовые капитальные затраты на создание (приобретение) соответствующей отопительной системы с условной величиной теплопроизводительности в 1 кВт. Таким образом, мы сможем комплексно сравнить системы обогрева и одновременно рассчитать срок относительной окупаемости каждой. Все указанные в тексте цены принимались для г. Петропавловска-Камчатского по состоянию на март -апрель 2006 г. согласно данным крупнейших поставщиков.
1. Электрообогрев
Стоимость получения тепловой энергии при прямом электрообогреве определяется как
<$ЭЛ = <$ОБ + NЦЭЛ / 3,6 , (1)
где SOT - стоимость электрообогревателя, руб.;
ЦЭЛ - отпускная цена 1 кВт • ч электроэнергии, руб/кВт • ч;
3,6 - переводной коэффициент из кВт • ч в МДж (1 кВт • ч = 3,6 МДж).
Стоимость электрообогревателей принималась по обобщенному уровню цен на данный вид товаров сети магазинов «Техносеть» и составляет:
- для тепловентиляторов (мощность тепловыделения 1 кВт) порядка 1 000 руб.;
- для масляных радиаторов (мощность тепловыделения 2 кВт) порядка 2 000 руб.;
- для тепловых пушек (мощность тепловыделения 15 000-25 000 ккал/ч, или 17,4-29 кВт) порядка 15 000-20 000 руб.
Таким образом, величина капитальных затрат при данном виде обогрева Sob ~ 1 000 руб/кВт -для населения и SOT ~ 700 руб/кВт - для предприятий. Отпускная цена 1 кВт • ч электроэнергии принималась по данным расчетного отдела АО «Камчатскэнерго» отдельно для населения
и промышленных предприятий Петропавловска-Камчатского. Она составляет 2,5 руб/кВт • ч для населения и колеблется в диапазоне 3,38-4,25-5,01 руб/кВт • ч для предприятий в зависимости от вольтажа (высокий - средний - низкий). Примем для предприятий наилучший вариант (наиболее дешевую электроэнергию). Тогда стоимость 1 МДж тепловой энергии для населения составит 0,694 руб/МДж, для предприятий - 0,939 руб/МДж.
2. Обогрев с использованием теплонасосной установки (ТНУ)
Расчет стоимости получения тепловой энергии при использовании ТНУ аналогичен формуле для электрообогрева с учетом так называемого теплового коэффициента. В холодильных машинах, к числу которых относится ТНУ, количество тепла, выделяющегося на конденсаторе, больше количества потребляемой компрессором энергии. Это превышение, т. е. отношение полученного тепла к затраченной энергии, и описывается безразмерным тепловым коэффициентом. С его учетом формула расчета стоимости тепловой энергии при использовании ТНУ выглядит так:
<$ТН = <$ТНУ
+ Щэл / 3,6ц, (2)
где 5”ТНУ - стоимость монтажа ТНУ, руб.;
ц - тепловой коэффициент ТНУ.
Стоимость монтажа ТНУ принималась согласно данным поставщиков холодильной техники, предлагающих услуги по проектированию и монтажу тепловых насосов (фирм «Ледяная линия» и «Технохолод»). Согласно их прайс-листам средняя стоимость теплонасосной установки ^ТНУ ~ 30 000 руб/кВт. Тепловой коэффициент для различных типов ТНУ составляет 4-6, принимаем ц = 5 [5]. Тогда стоимость 1 МДж тепловой энергии колеблется от 0,139 руб/МДж (для населения) до 0,188 руб/МДж (для предприятий). Дифференциация, как и в п. 1, связана с различной розничной ценой электроэнергии.
3. Отопление индивидуальным бойлером
Стоимость получения тепловой энергии при сжигании жидкого топлива (бойлерное отопление) определяется как
5Ж = <$пж + 1 000МЦжт/(?жтПпж6жт) , (3)
где 5”ПЖ - стоимость печи на жидком топливе (бойлера), руб.;
ЦЖТ - цена жидкого топлива, руб/м3;
£ЖТ - плотность жидкого топлива, кг/м3;
ППЖ - КПД печи на жидком топливе;
QжТ - теплотворная способность (теплота сгорания) жидкого топлива, кДж/кг.
Стоимость печи на жидком топливе принималась согласно обобщенному уровню цен на бойлеры ТД «Ода»: ^ПЖ ~ 1 070-1 430 руб/кВт в зависимости от производительности (40-20 кВт).
Рабочее топливо бойлеров - это смесь керосина и дизельного топлива (соляра) в соотношении 1:1. Возможно и более высокое содержание керосина, но это экономически невыгодно. Отпускная цена топлива принималась согласно данным коммерческого отдела ОАО «Камчатнефте-продукт» для мелкооптовых покупателей: дизтопливо - 16 400 руб/м3, керосин - 17 300 руб/м3. Плотность топлива составляет 1 000 кг/м3 у дизельного топлива, 800 кг/м3 у керосина. Теплотворная способность дизельного топлива QТОП = 43 900 кДж/кг, керосина QТОП = 46 500 кДж/кг [1]. При осреднении данных цифр стоимость рабочей смеси будет составлять 18,5 руб/кг при теплотворной способности 45 200 кДж/кг.
КПД бойлера составляет 0,85-0,88 (85-88%) согласно данным таблиц технических характеристик бойлеров. Принимаем пПЖ = 0,87. Тогда стоимость 1 МДж тепловой энергии составит
0,470 руб/МДж.
4. Отопление путем сжигания твердого топлива
Стоимость получения тепловой энергии при сжигании твердого топлива (печь на твердом топливе) определяется как
5Т = <$Пт + 1 000NЦтт/(gттЦптkQтт), (4)
где 5”ПТ - стоимость печи на твердом топливе, руб.;
ЦТТ - цена твердого топлива, руб/м3;
£ТТ - плотность твердого топлива, кг/м3;
ППТ - КПД печи на твердом топливе;
k - коэффициент (плотность) укладки твердого топлива;
QТТ - теплотворная способность (теплота сгорания) твердого топлива, кДж/кг.
В качестве конструкции печи на твердом топливе выберем железно-сварную. Стоимость и технические характеристики печи принимались согласно данным ТД «Сибирь» для печей ООО «Термофор» (г. Новосибирск) и составляют примерно 5 000 руб. для печей-буржуек (теплоизлучением 5-6 кВт и КПД печи 70%) и 10 000 руб. для печей с развитой конвективной системой (теплоизлучением 9-10 кВт и КПД печи 85%). Таким образом, удельная стоимость печи на единицу тепловыделения 5Пт ~ 1 000 руб/кВт.
Стоимость твердого топлива (дров) при плотной укладке (к ~ 0,95) составляет: лиственница -500 руб/м3, береза - 700 руб/м3. Плотность хвойных пород дерева равна 350 кг/м3, тяжелых лиственных (бук, дуб) - 450 кг/м3. Теплотворная способность сосновых и березовых дров QТОП = 11 200 кДж/кг [1]. Соотношение ЦТОП/gТОП для хвойных и лиственных пород получается близким и приблизительно равным 1,5 руб/кг. Тогда стоимость 1 МДж тепловой энергии в зависимости от КПД печи составляет 0,166-0,201 руб/МДж.
5. Обогрев с использованием центрального водяного отопления
Стоимость центрального водяного отопления рассчитать весьма сложно. С одной стороны, большинство конечных потребителей г. Петропавловска-Камчатского, проживающие в многоквартирных домах, уже имеют установленную систему центрального водяного отопления, т. е. капитальные затраты на ее создание не требуются (равны нулю). С другой стороны, точная теплоотдача этой системы не может быть просчитана, так как зависит от множества неопределенных переменных (температуры и скорости движения теплоносителя; степени чистоты внутренней поверхности труб; марки, количества секций, особенностей установки батарей и т. п.).
Поэтому проделаем оценочный расчет для зимних условий:
- средняя наружная зимняя температура составляет 10°С [3];
- средняя зимняя температура в помещении составляет 23°С [2].
Тогда расчетная зимняя разность температур At = 33°С.
Подсчитаем удельный теплоотток через 1 м2 наружной стены, для чего воспользуемся формулой Ньютона в виде
Q/F = k • At. (5)
Коэффициент теплопередачи k рассчитывается по формуле
k=т-Ьг • (6)
----1---1--
% а 2
где а - коэффициент теплоотдачи поверхности, Вт/(м2 • °С): для внутренней поверхности стены (спокойная конвекция) принимаем а1 = 8 Вт/(м2 • °С), для наружной поверхности стены (вынужденная конвекция) принимаем а2 = 30 Вт/(м2 • °С);
h - толщина стенки, м (принимаем h = 0,3 м);
X - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м • °С).
Для бетона в зависимости от типа и марки коэффициент теплопроводности лежит в пределах 0,7-1,4 Вт/(м • °С).
Соответственно для шлакобетона и пористого бетона принимаем А = 1 Вт/(м • °С).
Тогда k = 2,18 Вт/(м • °С), что при At = 33°С дает теплоотток Q = 72 Вт/м2. Это составляет
186.624 МДж/м2 в месяц (30 дней).
Глубина стандартных многоквартирных домов равна 10 м, высота этажа - 3 м, т. е. жилая площадь 10 м2 соответствует площади наружных стен, равной 3 м2. Согласно данным МУП «Центральное», нормативная оплата за теплоснабжение составляет 26,62 руб/м2 жилой площади в месяц, что при пересчете на площадь стен дает 88,73 руб/м2 наружных стен. Другими словами, стоимость
186.624 МДж тепловой энергии составляет 88,73 руб, что эквивалентно 0,475 руб/МДж.
Полученные результаты в сводной форме представлены на рисунке. По оси х отложено количество полученных МДж тепловой энергии либо время энергопотребления (в годах) при по-
стоянной потребляемой мощности 1 кВт; по оси у - ее стоимость. При этом начальное значение по оси у (при х = 0) - это капитальные затраты на создание (приобретение) системы отопления.
руб.
200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 о
Сравнительная эффективность обогревательных устройств различного типа:
1 - электрообогрев (население/предприятия); 2 - теплонасосная установка (население/предприятия);
3 - бойлерное отопление; 4 - печь на твердом топливе; 5 - центральное водяное отопление
Из анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:
1. Наименее эффективным способом получения тепла является прямой электрообогрев.
2. Эффективность системы центрального отопления и бойлерной установки приблизительно одинакова, но уступает эффективности ТНУ и печи на твердом топливе.
3. Наиболее эффективными теплоисточниками для условий Камчатского края являются:
- для населения - печь на твердом топливе (использование теплонасосной установки населением затруднительно из-за высоких капитальных затрат на ее монтаж);
- для фирм и предприятий - теплонасосная установка, причем повышенные расходы на ее приобретение и монтаж окупаются, как показывает график, приблизительно через 3 года по сравнению с системой центрального отопления или бойлером.
Литература
1. Артеменко А.И., Малеванный В.А., Тикунова И.В. Справочное руководство по химии: Справочное пособие. - М.: Высш. шк., 1990. - 303 с.
2. Баркалов Б.В., Каргис Е.Е. Кондиционирование воздуха в промышленных, общественных и жилых зданиях. - М.: Стройиздат, 1982. - 312 с.
3. Кондратюк В.И. Климат Петропавловска-Камчатского. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. -168 с.
4. Ляндзберг А.Р. Особенности получения механической энергии в условиях Камчатской области // Вестник Камчатского государственного технического университета. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - № 3. - С. 95-98.
5. Рэй Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы / Пер. с англ. - М.: Энергоиздат, 1982. - 224 с.
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
