СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕПЛА И ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE TO SUPPLY HEAT AND ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее устройство относится к способу и устройству для подачи тепла и электрической энергии (далее - энергии) к теплоэнергетической установке.
Уровень техники
В домашних и производственных системах часто устанавливают несколько источников тепла или единственный источник, для которого предусмотрена возможность выполнять свою функцию различным образом. Таким образом, используются различные режимы выработки тепла. В рамках таких режимов производят тепло, используя источники, генерирующие только тепло (такие как бойлеры, работающие на нефти, газе или электричестве, солнечные панели, тепловые насосы и другие подобные устройства), а также установки комбинированной выработки (когенерации) тепла и энергии (КТЭ), позволяющие работать в различных режимах выработки тепла и энергии (такими установками могут быть, например, двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы или газовые турбины, работающие в режиме КТЭ).
КТЭ-блоки применяют для подачи тепла и энергии (обычно электрической) на домашние или производственные теплоэнергетические установки (далее - установки), такие как системы электроснабжения дома и общественного здания, а также системы воздушного и/или водяного отопления. Посредством КТЭ-блоков обеспечивают всю требуемую энергию или ее часть, причем одновременно с частичным или полным обеспечением требуемого тепла. Чтобы сгладить вариации между требуемым количеством энергии и требуемым количеством тепла, предусматривают возможность наличия средства, аккумулирующего тепло. Это позволяет в периоды высокого потребления энергии вырабатывать и накапливать тепло, расходуя указанный запас в периоды низкого потребления энергии. В комбинации с КТЭ-блоком обычно используют еще один источник тепла, например обычные бойлер и/или тепловой насос.Такой дополнительный источник применяют для увеличения количества тепла от КТЭ-блока, причем в некоторых ситуациях может оказаться желательным заменить им КТЭ-блок, в частности, когда использование последнего становится неэффективным. Как правило, установки подключают также к электрической сети для подведения электрической энергии в дополнение к энергии от КТЭ или в том случае, когда КТЭ-блок не задействован (например, когда тепло не востребовано).
Применение нескольких режимов выработки тепла приводит к необходимости определять, каким образом следует вырабатывать тепло в любой данный момент времени. Исходя из традиционных подходов эту задачу можно было бы решить в зависимости от тепловой мощности, т.е. при повышенной потребности в тепле нужно использовать источник тепла, имеющий большую тепловую мощность (обычно это наиболее эффективный режим работы). В более сложном известном способе в основу переключения режимов выработки тепла можно заложить цены на электричество. Например, выработку тепла в системе можно переключить с бойлера на КТЭ-блок, когда цены на покупку или продажу электричества поднимутся до заданного уровня, при котором принимается решение, что КТЭ-блок будет более эффективным. Эту систему обычно используют для более крупных КТЭ-блоков, таких, например, как блоки, применяемые в промышленности или в школах, поскольку более мелкие блоки могут быть не включены в электрическую коммутационную систему.
Когда одним из источников тепла является КТЭ-блок, чтобы обеспечить оптимальное использование энергии, желательно иметь возможность сделать правильный выбор источника тепла и источника энергии или правильно скомбинировать источники. Однако при наличии источника тепла, который, кроме того, может вырабатывать энергию, традиционный способ оказывается недостаточным, поскольку, если использовать КТЭ-блок для производства тепла, в производительности блока не будет учтен эффект попутного генерирования электричества. Управление такой системой дополнительно усложняется тем, что количество тепла, выработанного КТЭ-блоком, непропорционально выработке энергии, а для снабжаемой установки соотношение требуемого количества тепла и требуемого количества электричества не совпадает с соотношением электричества и тепла, вырабатываемых КТЭ-блоком. В результате вычисление наиболее эффективного режима работы системы представляет собой весьма трудную задачу.
Такие же проблемы возникают, если источник тепла потребляет электрическую энергию, как это имеет место, например, в случае теплового насоса с электрическим питанием. Цена электрической энергии, поступающей от местного или удаленного источника, может меняться. Следовательно, для сценариев, связанных с различающимися потребностями, имеют место подобные затруднения при определении того, какой источник тепла обеспечит режим выработки тепла с оптимальным расходом энергии.
Раскрытие изобретения
В соответствии со своим первым аспектом настоящее изобретение предлагает способ обеспечения работы устройства для снабжения теплоэнергетической установки теплом и энергией. Для указанного устройства предусмотрены возможность работы, по меньшей мере, в двух режимах выработки тепла и соединение с внешней электрической сетью, причем, по меньшей мере, один режим выработки тепла приводит к выработке или потреблению электричества. Способ включает: определение соотношения между стоимостью тепла и потребностью указанной установки в электрической мощности для тепла, вырабатываемого каждым режимом выработки тепла, с учетом вырабатываемой или потребляемой электрической мощности; выбор режима выработки тепла, который имеет наименьшую стоимость тепла для текущего значения требуемой электрической мощности, и применение указанного режима выработки тепла для обеспечения указанной установки теплом.
Режимы выработки тепла могут использовать различные источники тепла, такие как система с КТЭ-блоком и бойлером или с бойлером и тепловым насосом. В порядке альтернативы или дополнительно в перечень указанных режимов могут быть включены различные рабочие режимы единственного источника тепла, например КТЭ-блока, для которого предусмотрена возможность функционировать или под регулируемой нагрузкой для выработки требуемого количества электрической энергии, или при нагрузке, превышающей потребность, чтобы при удовлетворении указанной потребности продать избыточную энергию в сеть. Применение нескольких источников тепла является предпочтительным, поскольку, если на данный момент потребность в тепле превышает уровень, обеспечиваемый выбранным источником тепла, можно также использовать другие источники тепла, обеспечивающие востребованное дополнительное количество тепла.
Соотношение между стоимостью тепла и потребностью в электричестве можно представить в виде графика или кривой стоимости тепла в зависимости от меняющейся потребности в электричестве. На практике эту зависимость можно представить в компьютерной системе в виде справочной таблицы или другого подобного варианта, а также как математическую функцию или расчет для каждого режима.
Авторы изобретения пришли к выводу, что при наличии нескольких режимов выработки тепла, из которых один производит или потребляет электричество, выработку тепла можно считать главным ограничением, накладываемым на локальную систему. Действительно, тепло, удовлетворяющее потребность установки в тепле, обеспечивается исключительно локальными производителями тепла, тогда как энергию можно вырабатывать локально, получать из внешней сети электроснабжения или преобразовывать в тепло локальным производителем тепла. Таким образом, потребление и выработка электрической энергии связаны с внешней системой, которую можно использовать для перераспределения любого избыточного количества или восполнения любого дефицита, в то время как тепло для снабжения установки может вырабатываться только локально.
Поэтому способ определяет стоимость тепла, производимого различными режимами выработки тепла, а также соотношение между этой стоимостью и требуемой электрической мощностью. Далее эти соотношения используют для решения вопроса о том, какой из указанных режимов можно было бы применить при данной потребности в энергии. Следовательно, изобретение не только имеет возможность учитывать эффекты изменений цен на сетевое электричество, но также и принимать во внимание изменение "стоимости" тепла, полученного в режиме выработки тепла, при изменении потребности в электричестве. В любой момент времени установка может работать при обеспечении наименьшей стоимости тепла. Потребность в тепле на протяжении цикла его использования можно получить с использованием рабочих режимов выработки тепла в течение оптимальных периодов и/или путем выбора режима, оптимального для любого конкретного момента времени, когда тепло востребовано. Если потребность в электрической энергии превышает уровень, который можно обеспечить локально, ее можно дополнить электрической энергией из сети.
Следует отметить, что, хотя энергетическая оптимизация системы, вырабатывающей тепло и/или энергию, рассматривается с использованием стоимостных терминов, цен на топливо, электричество и т.д., настоящее изобретение имеет не только экономический аспект. Напротив цена в данном случае используется как наиболее удобный вариант представления технических характеристик системы, вырабатывающей энергию. Например, цена покупаемой и продаваемой электрической энергии определяется продавцами и поставщиками электричества, которые исходят из доступности электричества и эффективности преобразования потенциальной энергии топлива в электрическую энергию. Поэтому "стоимость" электричества имеет в своей основе технические аспекты. Подобным образом "стоимость" тепловой энергии, выработанной бойлером, зависит от преобразования потенциальной энергии топлива, например, в тепловую энергию горячей воды. Таким образом, термин "стоимость" энергии просто обеспечивает удобную и вполне понятную возможность сопоставить технические характеристики различных средств выработки тепла, а именно энергосодержание исходных видов топлива (например газа на электростанции или печного топлива, сжигаемого в бойлере), и их доступность, а также эффективности (или коэффициенты полезного действия процессов преобразования энергии и ее распределения. На основе данных о такой "стоимости" изобретение предоставляет технические средства для оптимизации производительности.
Обсуждение "стоимости" наиболее четко иллюстрирует также одно из преимуществ расхода оптимизированной энергии. Оно заключается в том, что для получения желаемого конечного продукта в виде тепла и энергии используется меньшее количество основных источников энергии. Это приносит финансовую прибыль потребителю энергии за счет понижения выплат за нее, а также благоприятно для окружающей среды. Другим достоинством настоящего изобретения является возможность автоматического определения наиболее эффективного варианта работы системы, в основу которого заложены данные о ценах, поступающие в реальном времени. Системы, известные из уровня техники, не имеют возможности так эффективно отслеживать конъюнктуру рынка, поскольку для задания точек переключения они используют данные, введенные в момент их запуска или обслуживания.
Предпочтительно определять стоимость в перерасчете на единицу тепла, например стоимость, приходящуюся 1 на кВтч выработанного тепла. Это облегчает сопоставление значений стоимости.
Учет вырабатываемой или потребляемой электрической мощности может состоять в понижении стоимости тепла, когда режим выработки тепла производит также энергию, и/или в вычислении стоимости тепла на основе стоимости электрической энергии, когда режим выработки тепла преобразует электрическую энергию в тепло.
В примере, включающем потребление электрической энергии, для одного из режимов выработки тепла используют источник тепла, превращающий в тепло электрическую энергию, а для другого - источник тепла, превращающий в тепло топливо, например печное топливо. Поэтому выбор режима выработки тепла фактически не зависит от требуемого количества энергии (т.е. он будет одинаковым для любого конкретного уровня такой потребности). Указанный выбор проводится путем сопоставления затрат на энергию, расходуемых удаленным производством/распределением электричества, и на последующее превращение электричества в тепло, с затратами на энергию при производстве топлива и на превращение топлива в тепло. В данном случае источниками тепла могли бы быть питаемый электричеством тепловой насос и бойлер.
В предпочтительном варианте осуществления в одном из режимов выработки тепла оно обеспечивается КТЭ-блоком, а в другом эту функцию может выполнять бойлер.
При применении КТЭ-блока, производящего электрическую энергию, абсолютную стоимость выработки тепла можно уменьшить, используя для удовлетворения потребностей установки электрическую энергию. В таком случае в основе указанного уменьшения лежит стоимость покупки такого же количества электричества из сети.
Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления КТЭ-блок работает под регулируемой нагрузкой, вырабатывая электрическую энергию в соответствии с потребностью, когда это приводит к понижению стоимости тепла относительно стоимости тепла, получаемого из другого режима. Точка, в которой стоимость тепла от КТЭ-блока становится ниже, чем для других вариантов, далее будет именоваться "эко-точкой" (eco-point).
Функционирование такого типа особенно эффективно, если вариант КТЭ способен отвечать потребностям установки в тепле, работая при регулируемой нагрузке. Если потребность в тепле превышает возможности КТЭ-блока, тепло можно подавать за счет работы дополнительного источника, такого как бойлер. В альтернативном варианте предусмотрена возможность работы КТЭ-блока при нагрузке, превышающей потребность установки в энергии. Тем самым вырабатывается дополнительное тепло, а также избыточная электрическая энергия. Указанный избыток, производимый КТЭ, можно продать обратно в сеть. В этом случае получают дополнительное понижение стоимости тепла, имеющее в своей основе продажную цену электрической энергии. Тогда суммарное понижение частично основывается на энергии, сэкономленной за счет того, что электричество не покупали, а частично - на величине прибыли от продажи электричества.
Так, в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения КТЭ-блок работает под нагрузкой, превышающей потребность, чтобы при удовлетворении потребности можно было продать избыточную энергию в сеть, когда это приводит к понижению стоимости тепла относительно стоимости тепла, получаемого из другого режима. Точка, в которой стоимость тепла, выработанного КТЭ-блоком, с учетом продаж энергии становится наименьшей, далее будет именоваться "эко-точкой при продажах" (sales eco-point).
При использовании КТЭ-блока наиболее эффективная выработка энергии в общем случае достигается при максимальной паспортной мощности, т.е. при полной нагрузке. Поэтому, если есть возможность продать энергию обратно в сеть, предпочтительно в рабочем режиме КТЭ-блока использовать этот блок при полной нагрузке, продавая в сеть всю энергию, превышающую потребность. Из дальнейшего обсуждения будет понятно, что такой вариант особо привлекателен, когда потребность установки в тепле превышает тепловую мощность, вырабатываемую КТЭ-блоком.
Для различных значений требуемой мощности возможно изменение наиболее дешевого рабочего режима КТЭ-блока. Так, в предпочтительном варианте осуществления изобретения двумя режимами выработки тепла являются:(1) функционирование КТЭ-блока под регулируемой нагрузкой с выработкой электрической мощности, удовлетворяющей потребность, и (2) функционирование КТЭ-блока при нагрузке, превышающей потребность, чтобы удовлетворить потребность и продать избыточную энергию в сеть. Как уже отмечалось, предпочтительно, чтобы в режиме (2) КТЭ-блок работал при полной нагрузке.
Согласно изобретению предоставляется возможность выбрать из указанных двух режимов режим с наименьшей стоимостью тепла. Однако предпочтительно при проведении такого выбора учитывать количество тепла, требуемого для установки. Если этот параметр превышает количество тепла, вырабатываемого КТЭ-блоком при регулируемой нагрузке, способ может включать выбор рабочего режима (2) без рассмотрения режима (1). Если потребность в тепле превышает уровень выработки тепла КТЭ-блоком при полной нагрузке, предусмотрена возможность применения дополнительного источника тепла, например бойлера или теплового насоса.
Конечно, после выработки количества тепла, достаточного для удовлетворения потребностей установки, т.е. когда, например, количество тепла, накопленное в установке, достигнет заданного уровня, отпадает необходимость вырабатывать избыточное тепло. Таким образом, учет потребности установки в тепле может включать выбор рабочего режима (1) без рассмотрения режима (2), когда имеется возможность удовлетворить потребность установки в тепле посредством КТЭ-блока при регулируемой нагрузке.
Два указанных рабочих режима КТЭ-блока могут представлять собой единственные доступные режимы выработки тепла. Однако в предпочтительном варианте осуществления изобретения способ включает дополнительный режим выработки тепла, использующий отдельный источник тепла. Функцию такого источника может выполнять бойлер. В этом случае для конкретной потребности в энергии выбирают стоимость тепла, наименьшую для бойлера и двух рабочих режимов КТЭ-блока. В альтернативном варианте отдельным источником тепла может быть тепловой насос. Стоимость вырабатываемого им тепла можно учесть таким же образом, как и в случае бойлера, однако, предпочтительно, чтобы тепловой насос взаимодействовал с КТЭ-блоком таким образом, как это будет описано далее.
Можно использовать бойлер вместе с тепловым насосом. Так, в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения нет КТЭ-блока, а источники тепла представляют собой бойлер и тепловой насос.
Применение дополнительного источника тепла в комбинации с различными рабочими режимами является преимуществом, поскольку при этом появляется возможность вырабатывать дополнительное тепло сверх тепла, вырабатываемого КТЭ-блоком, а это позволяет удовлетворить требования, превышающие тепловую мощность от указанного блока.
Если в формировании режимов выработки тепла участвует тепло, обеспечиваемое тепловым насосом с электропитанием и КТЭ-блоком (с одним или несколькими рабочими режимами), для питания теплового насоса можно использовать электрическую энергию от КТЭ-блока. Это приводит к дополнительному снижению стоимости тепла за счет экономии, связанной с отсутствием необходимости покупать из сети энергию для подачи на тепловой насос. Указанное снижение может быть значительным, поскольку эффективность теплового насоса превышает 100%. Предусмотрена возможность включить в способ определение итоговой стоимости тепла при совместном функционировании КТЭ и теплового насоса, причем указанное определение проводится посредством вычисления электрической мощности, "проданной" КТЭ-блоком тепловому насосу, на основе количества тепла, выработанного тепловым насосом, и стоимости выработки эквивалентного количества тепла с использованием бойлера.
Должно быть понятно, что работа теплового насоса может оказаться желательной при необходимости выработки дополнительного тепла. Таким образом, как и в предыдущих вариантах, в выбор рабочего режима предпочтительно включить также учет потребности установки в тепле. В альтернативной ситуации, в которой КТЭ-блок неспособен удовлетворить потребности в тепле при полной нагрузке, нужен дополнительный источник тепла. В этом качестве можно использовать бойлер или тепловой насос. В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ, путем сопоставления стоимости для теплового насоса и бойлера, определяет, какой дополнительный источник следует применить. Предусмотрена возможность принять во внимание также итоговую себестоимость тепла при одновременной работе КТЭ-блока и теплового насоса, как это было описано выше.
В своем втором аспекте настоящее изобретение предлагает устройство для обеспечения теплоэнергетической установки теплом и электрической энергией. Данное устройство содержит один или более источников тепла, выполненных с возможностью функционирования, по меньшей мере, в двух режимах выработки тепла, причем, по меньшей мере, один из указанных режимов производит или потребляет электричество. Кроме того, в устройстве имеются соединение с внешней электрической сетью, а также блок управления, предназначенный для решения следующих задач:
определения стоимости тепла, выработанного указанными режимами, с учетом вырабатываемой или потребляемой электрической мощности; выбора, для заданной потребности указанной установки в электрической энергии, режима выработки тепла, который имеет наименьшую стоимость тепла, и применения указанного режима выработки тепла для обеспечения указанной установки теплом.
Устройство можно выполнить с учетом особенностей, эквивалентных описанным выше предпочтительным отличительным признакам первого аспекта изобретения. В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок управления предназначен для получения данных о стоимости энергии, применяемых при определении стоимости тепла. Например, для указанного блока предусмотрена возможность получать один или более из следующих параметров: стоимости топлива для источников тепла, эффективность (кпд) источников тепла, затраты на обслуживание, цена покупаемой электрической энергии, цена продаваемой электрической энергии, а также другие переменные величины, характеризующие режимы выработки тепла (такие как переменные величины, рассмотренные далее при обсуждении предпочтительных вариантов осуществления). Указанные данные можно передавать через коммуникационную сеть, например по телефону или через Интернет. Предусмотрена возможность снабдить блок управления калькулятором или компьютером для Вычисления стоимости тепла с использованием уравнений, таких как уравнения, приведенные далее при обсуждении предпочтительных вариантов осуществления.
В предшествующем обсуждении и в приведенных далее предпочтительных вариантах осуществления источники тепла представляют собой устройства, вырабатывающие тепло, которое позволяет поддерживать в установке повышенную температуру. Однако следует отметить, что в контексте настоящего изобретения предусмотрена возможность распространить режим выработки тепла на отбор тепла из установки, т.е. на реализацию эффекта выработки отрицательного тепла. Например, в режиме выработки тепла можно было бы использовать источник "отрицательного тепла", такой как блок кондиционирования воздуха, или режим работы теплового насоса, удаляющий тепло из установки. Для оптимизации расхода энергии можно использовать те же рассуждения и вычисления, что и для "стоимости". Таким образом, на удаление единицы количества тепла из установки воздушный кондиционер или тепловой насос может израсходовать определенное количество электричества, а путем выбора надлежащего "режима выработки тепла", производящего отрицательное тепло, можно эффективным образом обеспечить желаемое уменьшение количества тепла (точно так же, как обеспечивается желаемое увеличение количества тепла, например, путем выбора бойлера или теплового насоса из двух возможных вариантов).
Краткое описание чертежей
Далее предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 приведены графики, иллюстрирующие результаты вычисления стоимости тепла для системы с КТЭ и с бойлером, причем потребность в тепле можно обеспечить КТЭ-блоком с продажей энергии обратно в сеть,
на фиг.2 приведены графики для системы по фиг.1, иллюстрирующие эффект снижения цены продаваемой электрической энергии,
на фиг.3 приведены графики экономии, получаемой за счет использования КТЭ-блока, когда расход тепла превышает максимальное количество тепла, вырабатываемого указанным блоком,
на фиг.4 приведены графики, подобные графикам по фиг.3, но с пониженной ценой продаваемой энергии,
фиг.5 иллюстрирует экономию по фиг.4, преобразованную в графики, сопоставляющие цены тепла для КТЭ-блока и бойлера,
на фиг.6 приведены графики цены тепла для системы, содержащей также тепловой насос,
фиг.7 подобна фиг.6, но относится к системе, снабженной бойлером, обеспечивающим более низкую цену тепла, и с пониженной ценой дизельного топлива,
на фиг.8 приведены те же графики, что и на фиг.7, но для работы в варианте "Т1 холодный", причем расход тепла превышает максимальную выработку тепла КТЭ-блоком.
Осуществление изобретения
В изобретении использована возможность описать блоки или системы КТЭ всех типов параметрами, полученными из набора уравнений с применением шести измеряемых переменных.
Переменные для вычислений, связанных с топливом:
Холостое потребление (кВт)
(TF)
Указанная базовая эффективность
(BI)
Указанная факторная эффективность
(FI)
Переменные для вычислений, связанных с теплом:
Тепловая эффективность при работе
(VT)
вхолостую
Указанный тепловой коэффициент
(FVI)
Потери (кВт)
Loss
Указанную эффективность (IV) вычисляют для конкретной выходной электрической мощности Ре, которая при нормальном регулируемом функционировании эквивалентна потребности установки в электрической мощности.
IV=BI-(Ре×FI).
Затем можно вычислить Pi (потребление топлива) в киловаттах следующим образом:
Pi=TF+(Pe/IV).
Выходная тепловая мощность Qv КТЭ-блока является функцией от потребления топлива и выходной электрической мощности:
Qv=VT×Pi-(Ре×IV×FVI)-Loss.
В результате получаем "тепловой коэффициент" (VF) в виде отношения Qv/Pe, т.е. частного от деления тепловой мощности на требуемую электрическую мощность. Как уже отмечалось, в блоке КТЭ нарушается пропорциональность между количеством тепла и поданной энергией.
В качестве примера приведенные уравнения использованы для дизельного блока мощностью 9 кВт. Для такого блока переменные имеют следующие значения:
TF=7 кВт; BI=0,59; FI=0,017;
VT=0,78; FVI=1,3; Loss=0,5 кВт.
Если выходная электрическая мощность отвечает, например, требуемой мощности 4 кВт, получаем следующие соотношения:
Указанная эффективность IV=0,59-(4×0,017)=0,522
Расход топлива Pi=7+(4/0,522)=14,66 кВт
Тепловая мощность Qv=0,78×14,66-(4×0,522×1,3)-0,5=8,22 кВт
Тепловой коэффициент VF=8,22/4=2,06.
Эти функции можно использовать для получения "шкалы тепловых коэффициентов", пригодной для того, чтобы определить, в какой точке стоимость энергии, выработанной КТЭ-блоком, выйдет на оптимальный уровень. Указанная точка именуется "эко-точкой", а вычисления, используемые для ее определения, дополнительно рассмотрены далее. В Таблице 1 представлены тепловые коэффициенты, вычисленные для КТЭ-блока мощностью 9 кВт и отвечающие интервалам указанной мощности, равным 1 кВт.
Приведена также "шкала топливных коэффициентов", вычисленная подобным образом в виде отношения потребления топлива к требуемой электрической мощности (т.е. в виде Pi/Pe).
Таблица 1
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тепловая мощность
5,55
6,32
7,20
8,22
9,40
10,7
12,3
14,0
15,9
→"Тепловой коэффициент"
5,55
3,16
2,40
2,06
1,88
1,79
1,75
1,75
1,77
Потребление топлива
8,75
10,6
12,6
14,7
16,9
19,3
21,9
24,6
27,6
→"Топливный коэффициент"
8,75
5,30
4,19
3,67
3,38
3,22
3,12
3,08
3,07
Таким образом, на основе шести переменных можно для любой КТЭ-системы получить шкалу тепловых коэффициентов, имеющую неограниченную градуировку. Одновременно с этим можно очень точно рассчитать количество топлива, использованное в каждом цикле, поскольку потребление в расчете на один цикл эквивалентно соотношению
(количество ватт-часов, приходящееся на цикл) × "топливный коэффициент".
Указанная процедура приводит непосредственно к операции, определяемой соотношением экономичность/цена, т.к. позволяет определить цену тепла, учитывающую расход топлива, а также другие затраты, такие как стоимость затрат на обслуживание. Таким образом, система с КТЭ-блоком и бойлером, способными подавать тепло, легко поддается управлению в плане оптимальной стоимости энергии. Следующий пример иллюстрирует, каким образом определяют цену тепла в случае уже обсуждавшегося блока мощностью 9 кВт, в достаточной степени поддерживаемого бойлером.
В данном примере для определения "стоимости" тепла использованы следующие цены (в датских кронах, ДК):
Электроэнергия:1,50 ДК/кВтч
Дизельное топливо: 6 ДК/л=0,6 ДК/кВтч
Печное топливо: 6 ДК/л=0,6 ДК/кВтч.
Затраты, связанные с обслуживанием и износом, для данного КТЭ-блока выбраны на уровне 2 ДК/ч работы.
Чтобы определить затраты на топливо и цены на тепло для КТЭ-блока, использованы следующие формулы (в данном случае цена топлива представляет собой цену дизельного топлива):
- Потребление топлива/кВтч тепловой энергии (кВтч тепла)=Pi (потребление топлива)/тепловая мощность Qv
- Стоимость топлива/кВтч тепла = (потребление топлива/кВтч тепла) (цена топлива (за 1 кВтч)
-Стоимость обслуживания/кВтч тепла = (стоимость обслуживания/ч)/тепловая мощность Qv (кВт)
- Общая стоимость/кВтч тепла = (стоимость топлива/кВтч тепла)+(стоимость обслуживания/кВтч тепла)
- Выработка энергии/кВтч тепла = 1/тепловой коэффициент VF
- Экономия энергии/кВтч тепла = выработка энергии/кВтч тепла (закупочная цена энергии
- Стоимость/кВтч тепла = (общая стоимость/кВтч тепла) - (экономия на энергии/кВтч тепла).
Должно быть понятно, что с помощью этих вычислений определяется цена тепла для КТЭ-блока, учитывающая стоимость электрической энергии, выработанной указанным блоком. Это позволяет провести прямое сопоставление применения КТЭ-блока и применения других источников тепла, в частности, как в данном случае, применение бойлера. Стоимость эквивалентного количества тепла, вырабатываемого бойлером, можно рассчитать обычным образом на основе эффективности (кпд) бойлера. В данном примере использовано типичное значение эффективности бойлера, равное 85%.
- Стоимость/кВтч тепла для бойлера = (цена печного топлива)/эффективность бойлера.
Далее экономию, полученную за счет использования КТЭ-блока вместо бойлера с целью удовлетворения потребности в тепле, можно определить следующим образом:
- Экономия/кВтч тепла = (нормальная стоимость/кВтч тепла) - (стоимость/кВтч тепла от бойлера).
Результаты этих вычислений представлены ниже в Таблице 2, причем предусмотрена возможность использовать их для определения эко-точки данной системы.
Таблица 2
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тепловая мощность
5,55
6,32
7,20
8,22
9,40
10,7
12,3
14,0
15,9
→"Тепловой коэффициент"
5,55
3,16
2,40
2,06
1,88
1,79
1,75
1,75
1,77
Потребление топлива
8,75
10,6
12,6
14,7
16,9
19,3
21,9
24,6
27,6
→"Топливный коэффициент"
8,75
5,30
4,19
3,67
3,38
3,22
3,12
3,08
3,07
Потребление топлива/кВтч тепла
1,56
1,68
1,75
1,78
1,80
1,80
1,78
1,76
1,73
Стоимость топлива/кВтч тепла
0,94
1,01
1,05
1,07
1,08
1,08
1,07
1,06
1,04
Стоимость обслуж./кВтч тепла
0,36
0,32
0,28
0,24
0,21
0,19
0,16
0,14
0,13
Общая стоимость/ кВтч тепла
1,30
1,32
1,33
1,31
1,29
1,26
1,23
1,20
1,17
Выработ. мощность/кВтч тепла
0,18
0,32
0,42
0,49
0,53
0,56
0,57
0,57
0,57
Экономия энергии/кВтч тепла
0,27
0,48
0,63
0,73
0,80
0,84
0,86
0,86
0,85
Итоговая себестоимость/кВтч тепла
1,03
0,84
0,70
0,58
0,49
0,43
0,37
0,34
0,32
Стоимость/кВтч тепла от бойлера
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
Экономия/кВтч тепла
-0,33
-0,14
0,01
0,12
0,21
0,28
0,33
0,36
0,39
Использование данного расчета цены тепла позволяет определить эко-точку как соответствующую выходной мощности несколько менее 3 кВт, поскольку именно в этой точке экономия становится положительной. Для оптимальных стоимостей энергии в такой системе КТЭ-блок следует применять для выработки тепла и энергии, когда требуемая мощность превышает эко-точку, а ниже этого уровня следует для обеспечения тепла использовать бойлер при использовании энергии из сети.
Кроме того, во многих системах предусмотрена возможность продавать энергию, выработанную КТЭ-блоком, обратно электрической сети. В таком варианте можно заставить КТЭ-блок вырабатывать больше энергии, чем требует установка, использовать тепло для удовлетворения соответствующей потребности, а всю избыточную энергию продавать. В существующей технико-экономической ситуации продажа энергии всегда означает работу КТЭ-блока при полной нагрузке, поскольку цены на энергию от нагрузки не зависят, а в режиме работы блока при полной нагрузке стоимость одного киловатт-часа вырабатываемой энергии минимальна.
Необходимо иметь в виду две фундаментально различающиеся ситуации. В простейшем случае требуемая тепловая мощность может быть получена за счет режима КТЭ при работе с нормальным регулируемым потреблением. В частности, в примере, представленном в Таблице 2, для этого нужно, чтобы при выходной мощности 1 кВт потребность в тепле составляла менее 5,6 кВт.
Такой вариант работы обозначают термином "Т1 теплый", и далее он будет рассмотрен в первую очередь. В альтернативном сценарии КТЭ-блок при работе с нормальным регулируемым потреблением не может удовлетворить потребность в тепле. Этот вариант известен как "Т1 холодный".
В обоих случаях предполагается, что требуемая установкой мощность меньше максимальной выходной мощности КТЭ-блока. Конечно, при более высоком потреблении энергии нет необходимости рассматривать возможность продажи энергии в сеть, поскольку избыточного продукта для продажи нет.
Чтобы ввести в рассмотрение эффекты, связанные с работой КТЭ-блока при полной нагрузке и с продажей энергии, использованы следующие дополнительные количественные данные и вычисления:
- Общая стоимость/кВтч тепла при полной нагрузке (т.е. в данном случае это стоимость/кВтч тепла при максимальной нагрузке 9 кВт)
- Вырабатываемая мощность/кВтч тепла при полной нагрузке
- Экономия энергии/кВтч тепла при полной нагрузке = (закупочная цена энергии)×(Ре, требуемая мощность)×(выработка энергии/кВтч тепла при полной нагрузке)/(выходная мощность при полной нагрузке)
- Продажи энергии/кВтч тепла при полной нагрузке = (цена продаваемой энергии)×[(максимальная выходная мощность) - (Ре, требуемая мощность)]×(выработка энергии/кВтч тепла при полной нагрузке)/(выходная мощность при полной нагрузке)
- Стоимость/кВтч тепла при полной нагрузке = (общая стоимость/кВтч тепла при полной нагрузке) - (экономия энергии/кВтч тепла при полной нагрузке) - (продажи энергии/кВтч тепла при полной нагрузке)
- Экономия/кВтч тепла при полной нагрузке = (стоимость/кВтч тепла при полной нагрузке) - (стоимость/кВтч тепла при получении тепла от бойлера).
В приведенной выше Таблице 2 числовые данные показывают, каким образом КТЭ-блок мощностью 9 кВт способен покрывать потребление тепла при работе с нормальным регулируемым потреблением. Этот вариант работы, известный как "Т1 теплый", указан в таблице как нормальная нагрузка. В приводимой далее Таблице 3 приведены соответствующие числовые данные, но поскольку в этом случае блоку КТЭ предоставлена возможность продавать энергию по цене 0,90 ДК/кВтч, к предыдущим данным, отвечающим работе блока при полной нагрузке, добавлен дополнительный набор числовых данных и вычислений. Выработка энергии, приходящаяся на 1 кВтч тепла при полной нагрузке, разделена на две части (одна из которых покрывает собственное потребление, а другая предназначена для продажи) с последующим перемножением на соответствующие цены.
Таблица 3
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тепловая мощность
5,55
6,32
7,20
8,22
9,40
10,7
12,3
14,0
15,9
→"Тепловой коэффициент"
5,55
3,16
2,40
2,06
1,88
1,79
1,75
1,75
1,77
Потребление топлива
8,75
10,6
12,6
14,7
16,9
19,3
21,9
24,6
27,6
→"Топливный коэффициент"
8,75
5,30
4,19
3,67
3,38
3,22
3,12
3,08
3,07
Потребление топлива/кВтч тепла
1,56
1,68
1,75
1,78
1,80
1,80
1,78
1,76
1,73
Стоим. топлива/кВтч тепла
0,94
1,01
1,05
1,07
1,08
1,08
1,07
1,06
1,04
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Стоим, обслуж./кВтч тепла
0,36
0,32
0,28
0,24
0,21
0,19
0,16
0,14
0,13
Общая стоим./кВтч тепла
1,30
1,32
1,33
1,31
1,29
1,26
1,23
1,20
1,17
Общая стоим, при полной нагрузке/кВтч тепла
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
Выработанная мощность/кВтч тепла
0,18
0,32
0,42
0,49
0,53
0,56
0,57
0,57
0,57
Выработанная мощность при полной нагрузке/кВтч тепла
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
Экономия энерг./кВтч тепла
0,27
0,48
0,63
0,73
0,80
0,84
0,86
0,86
0,85
Экономия энерг. при полной нагрузке/кВтч тепла
0,094
0,189
0,283
0,377
0,471
0,566
0,660
0,754
0,848
Продажи энергии при полной нагрузке/кВтч тепла
0,453
0,396
0,339
0,283
0,226
0,170
0,113
0,057
0,0
Стоимость при нормальной нагрузке/кВтч тепла
1,03
0,85
0,70
0,58
0,49
0,43
0,37
0,34
0,32
Стоим. при полной нагрузке/кВтч тепла
0,62
0,58
0,54
0,51
0,47
0,43
0,39
0,36
0,32
Стоимость/кВтч тепла от бойлера
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Экономия при нормальной нагрузке/кВтч тепла
-0,33
-0,14
0,01
0,12
0,21
0,28
0,33
0,36
0,39
Экономия при полной нагрузке/кВтч тепла
0,09
0,12
0,16
0,20
0,24
0,27
0,31
0,35
0,39
Из приведенного набора данных очевидно, что при работе КТЭ-блока при полной нагрузке и продаже избытка энергии оптимальная стоимость энергии будет обеспечена для всех потребностей в интервале от нуля до выходной мощности на уровне несколько ниже 6 кВт.В этой точке более эффективным становится переключение на нормальные нагрузки, т.е. без продажи избыточной энергии в сеть. Это заключение наглядно проиллюстрировано на фиг.1, где представлены графики стоимости в случае использования бойлера, режима КТЭ при нормальных нагрузках и режима КТЭ при полной нагрузке (соответственно, кривые 1, 2 и 3). Стоимость получения тепла в режиме КТЭ при полной нагрузке и продаже избыточной энергии минимальна (т.е. соответствует нижней кривой) до примерно 5,7 кВт, а далее более эффективно использовать КТЭ-блок при фактической нагрузке, соответствующей потребности установки.
Другой сценарий, функционирующий все еще в варианте "Т1 теплый", представлен на фиг.2. В данном случае проиллюстрирована ситуация для цены при продажах энергии, равной 0,65 ДК/кВтч (вместо 0,9 ДК/кВтч). Такая цена изменяет влияние стоимости для работы при полной нагрузке, уменьшая преимущество, обеспечиваемое продажей избыточной энергии обратно в сеть.
При указанном понижении продажной цены, как показано на фиг.2, для выработки тепла самым дешевым в интервале выходной мощности до примерно 1,2 кВт становится применение бойлера (с покупкой энергии из сети), в интервале от примерно 1,2 кВт до примерно 4 кВт оптимален режим КТЭ при полной нагрузке, а выше 4 кВт - режим КТЭ, функционирующий при фактической нагрузке.
Таким образом, блок выбирает рабочий режим с наименьшей ценой тепла. Следует отметить, что фиг.1 и 2 иллюстрируют также ситуацию, когда продажи невозможны. Если исключить из рассмотрения кривую 3, иллюстрирующую стоимость для режима КТЭ при полной нагрузке, точка пересечения кривой 2, иллюстрирующей стоимость для режима КТЭ при нормальной нагрузке, с кривой стоимости, соответствующей бойлеру, представляет собой эко-точку, т.е. точку, в которой можно получить экономию за счет работы КТЭ-блока.
Если возможна продажа энергии обратно в сеть, можно определить новую эко-точку, именуемую "эко-точкой при продажах". Указанная точка соответствует пересечению кривой 3, иллюстрирующей стоимость режима КТЭ при полной нагрузке, с линией 1, соответствующей цене в случае использования бойлера.
Эко-точка определяет, какой из двух блоков (КТЭ-блок или бойлер) следует задействовать. В ситуации, когда возможны продажи энергии, а требуемая электрическая мощность лежит выше эко-точки при продажах, КТЭ-блок определяет, работать ему при полной нагрузке или установить нагрузку, востребованную установкой. Указанный выбор зависит от положения точки 4 пересечения кривых для полной и нормальной нагрузки, как это показано на фиг.1 и 2.
Далее рассмотрен вариант "Т1 холодный", т.е. вариант, в котором потребность в тепле не может быть обеспечена за счет нормальной работы КТЭ-блока. Для такой ситуации требуется дополнительный расчет, т.к. требуемая тепловая мощность фактически "не ограничена", а ограничивающим фактором является эффективность КТЭ-блока по сравнению с бойлером, причем независимо от того, работает бойлер или нет.
Все тепло, выработанное КТЭ-блоком как при нормальной, так и при полной нагрузке, включается в "неограниченную" требуемую тепловую мощность. Поэтому вместо цены 1 кВтч тепла должна учитываться абсолютная величина сэкономленного количества тепла. Такая абсолютная экономия представляет собой экономию, приходящуюся на 1 кВтч тепла и умноженную на тепловую мощность или, в соответствующей ситуации, на тепловую мощность при полной нагрузке. В Таблице 4 приведены наборы числовых данных, соответствующие значениям экономии, достигаемым в данном случае. На фиг.3 значения из Таблицы 4 представлены графически в виде первой линии 5 для экономии при полной нагрузке и второй линии 6 для экономии при нормальной регулируемой нагрузке.
Таблица 4
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тепловая мощность
5,55
6,32
7,20
8,22
9,40
10,7
12,3
14,0
15,9
→"Тепловой коэффициент"
5,55
3,16
2,40
2,06
1,88
1,79
1,75
1,75
1,77
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Потребление топлива
8,75
10,6
12,6
14,7
16,9
19,3
21,9
24,6
27,6
→"Топливный коэффициент"
8,75
5,30
4,19
3,67
3,38
3,22
3,12
3,08
3,07
Потребление топлива/кВтч тепла
1,56
1,68
1,75
1,78
1,80
1,80
1,78
1,76
1,73
Стоим. топлива/кВтч тепла
0,94
1,01
1,05
1,07
1,08
1,08
1,07
1,06
1,04
Стоим. обслуж./кВтч тепла
0,36
0,32
0,28
0,24
0,21
0,19
0,16
0,14
0,13
Общая стоим./кВтч тепла
1,30
1,32
1,33
1,31
1,29
1,26
1,23
1,20
1,17
Общая стоим. при полной нагрузке/кВтч тепла
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
1,17
Выработ. мощность/кВтч тепла
0,18
0,32
0,42
0,49
0,53
0,56
0,57
0,57
0,57
Выработ. мощность при полной нагрузке/кВтч тепла
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
0,57
Экономия мощности/кВтч тепла
0,27
0,48
0,63
0,73
0,80
0,84
0,86
0,86
0,85
Экономия мощности при полной нагрузке/кВтч тепла
0,094
0,189
0,283
0,377
0,471
0,566
0,660
0,754
0,848
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Продажи энергии при полной нагрузке/кВтч тепла
0,453
0,396
0,339
0,283
0,226
0,170
0,113
0,057
0,0
Стоимость при нормальной нагрузке/кВтч тепла
1,03
0,85
0,70
0,58
0,49
0,43
0,37
0,34
0,32
Стоимость при полной нагрузке/кВтч тепла
0,62
0,58
0,54
0,51
0,47
0,43
0,39
0,36
0,32
Стоимость/кВтч тепла от бойлера
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
0,71
Экономия при нормальной нагрузке/кВтч тепла
-0,33
-0,14
0,01
0,12
0,21
0,28
0,33
0,36
0,39
Абсолютная экономия при нормальной нагрузке
-1,83
-0,90
0,04
1,01
1,99
3,01
4,04
5,10
6,17
Экономия при полной нагрузке/кВтч тепла
0,09
0,12
0,16
0,20
0,24
0,27
0,31
0,35
0,39
Абсолютная экономия при полной нагрузке
1,37
1,97
2,57
3,17
3,77
4,37
4,97
5,57
6,17
Выбирают наибольшую положительную экономию. Если экономия ниже нуля, это означает, что более эффективным является бойлер. Как можно видеть из фиг.3, для цен на энергию и ее стоимостей, использованных в данном примере, эко-точка при продажах лежит ниже уровня 0 кВт, а нормальная эко-точка примерно соответствует уровню 3 кВт. Таким образом, если есть возможность продавать энергию, а потребность в тепле превышает тепловую мощность, вырабатываемую во время нормальной регулируемой работы, во всех случаях следует использовать КТЭ-блок (при полной нагрузке). Если энергию не продают обратно в сеть, до уровня примерно 3 кВт нужно использовать бойлер, а далее более эффективным будет КТЭ-блок.
На фиг.4 представлен аналогичный набор числовых данных для ситуации, в которой продажная цена снижается до 0,65 ДК/кВтч. Так, на указанном чертеже проиллюстрированы значения экономии для варианта "Т1 холодный", соответствующие стоимостям для варианта "Т1 теплый" (см. графики на фиг.2).
Графики экономии на фиг.3 и 4 можно преобразовать в форму, непосредственно сопоставимую с графиками стоимости по фиг.1 и 2, пересчитывая числовой показатель экономии в числовой показатель стоимости тепла. Стоимости при полной нагрузке те же, что и показанные на соответствующих графиках для варианта "Т1 теплый". Однако стоимости при нормальных нагрузках нужно скорректировать с учетом того, что вследствие увеличения требуемого количества тепла приходится подавать тепло и от бойлера, чтобы довести количества тепла до уровня, соответствующего максимальному значению для КТЭ-блока. Конечно, потребность в тепле может превышать этот уровень, но для сопоставления нет необходимости принимать во внимание любое дополнительное количество требуемого тепла, т.к. в данном сценарии такое тепло можно подать только от бойлера. Вычисление скорректированной стоимости при нормальной нагрузке можно провести следующим образом:
- Стоимость при нормальной нагрузке/кВтч тепла при работе в варианте "Т1 холодный" = [(тепловая мощность Ре)×(стоимость при нормальной нагрузке/кВтч тепла)]+[(тепловая мощность при полной нагрузке - тепловая мощность Ре)×(стоимость/кВтч тепла от бойлера)].
На фиг.5 показаны результаты такого преобразования для экономии по фиг.4, т.е. при продажной цене 0,65 ДК/кВтч. Как показано на фиг.5, линия 7 стоимости для работы при нормальной нагрузке лежит выше линии 8 стоимости при работе при полной нагрузке. На чертеже представлена также линия 1 стоимости тепла, выработанного бойлером. Для работы в варианте "Т1 холодный" можно четко идентифицировать эко-точки в нормальной ситуации и при продажах.
Другим возможным дополнением к системе является тепловой насос, который для выработки тепла может использовать электрическую энергию, получаемую от КТЭ-блока или из сети. Цена тепла, полученного от теплового насоса, будет меняться в зависимости от количества энергии, которое можно подать от КТЭ-блока, и от цены энергии, получаемой из сети. Указанную цену тепла можно вычислить, используя цену энергии, эффективность теплового насоса и стоимость затрат на обслуживание/эксплуатацию.
Вычисление стоимости, приходящейся на 1 кВт тепла, когда тепловой насос получает энергию из сети, проводят путем деления стоимости энергии, потребленной и затраченной в виде эксплуатационных расходов, на количество выработанного тепла:
- Стоимость тепла, выработанного тепловым насосом (с использованием энергии сети) = [(энергия, потребленная тепловым насосом, (продажная цена энергии)+(стоимость обслуживания теплового насоса)]/(тепловая мощность от теплового насоса).
В данном примере для выработки 9 кВт тепла тепловой насос при эффективности 3 мог потреблять 3 кВт электрической энергии. Таким образом, при цене энергии сети 1,5 ДК/кВтч и стоимости обслуживания 1 ДК за час работы теплового насоса стоимость 1 кВт тепла составляет [(3×1,5)+1]/9=0,611. Конечно, как и в случае бойлера, цена тепла, полученного от теплового насоса, при изменении требуемой тепловой мощности сохраняется, однако следует иметь в виду, что у теплового насоса выработка тепла и эффективность могут изменяться в зависимости от температуры окружающей среды.
На фиг.6 в качестве примера представлены стоимости для сценария, использующего тепловой насос. В дополнение к линиям стоимости, уже рассмотренным выше, в данном случае имеются линия 9 стоимости для теплового насоса и линия 10 итоговой стоимости. Использована стоимость тепла, полученного от теплового насоса, равная 0,61 ДК/кВтч. Указанная стоимость вычислена, исходя из стоимости печного топлива 6 ДК/литр. Это ниже стоимости 0,71 ДК/кВтч для бойлера, что является аргументом для применения вместо него теплового насоса. Таким образом, стоимостями в случае теплового насоса определяются эко-точки в нормальной ситуации и при продажах, лежащие соответственно примерно при 1 кВтч и 4 кВтч, а при работе в варианте "Т1 теплый" (малая потребность в тепле) для нахождения указанной точки используют самый дешевый режим бойлера или теплового насоса.
Все вышесказанное относится к ситуации, в которой потребность установки в тепле может удовлетворить КТЭ-блок. Иногда может оказаться желательной выработка тепла путем совместной работы указанного блока и теплового насоса, т.е. в таком варианте энергия, подаваемая на тепловой насос, полностью или частично вырабатывается КТЭ-блоком. Обычно это имеет место, когда требуемая тепловая мощность велика, как, например, в рассмотренном далее варианте работы "Т1 холодный". На фиг.6 соответствующая стоимость тепла показана линией 10 итоговой стоимости. При применении данного режима работы можно получить очень низкую стоимость тепла. Вычисление итоговой стоимости проводят следующим образом.
Прежде всего, исходя из анализа стоимости работы бойлера при той же тепловой нагрузке можно рассчитать сравнительную ценность электричества, потребленного тепловым насосом. Это соответствует ценности электричества, "проданного" тепловому насосу КТЭ-блоком, и это позволяет провести сопоставление с продажной ценой сетевого электричества. Полученное значение можно скорректировать на основе энергии, поданной КТЭ-блоком на тепловой насос для обеспечения его работы, и энергии, купленной для этой же цели. В связи с тем, что обычно ценность электричества для теплового насоса выше покупной цены, при покупке энергии из сети эта ценность будет скорректирована в сторону уменьшения, поскольку более высокая продажная ценность энергии КТЭ не может быть реализована. Выработка энергии посредством КТЭ и общая стоимость определены так же, как соответствующие данные, приведенные выше в Таблицах 2 и 4, но с использованием рабочей нагрузки КТЭ в качестве эквивалента потребности, точнее с учетом работы режима КТЭ при нагрузке, эквивалентной потребности, с прибавлением энергии, переданной на тепловой насос. Затем можно определить эффективную экономию, достигнутую за счет "продажи" энергии КТЭ для удовлетворения потребности (т.е. за счет отказа от необходимости покупать энергию по продажной цене) и "продажи" энергии КТЭ тепловому насосу (т.е. за счет отказа от необходимости покупать тепло по цене тепла, полученного от бойлера), причем появляется возможность определить итоговую стоимость тепла, выработанного посредством работы КТЭ-блока и теплового насоса, питаемого энергией КТЭ.
Используемые при этом вычисления проводят следующим образом:
- Ценность электричества для теплового насоса = [(тепловая мощность от теплового насоса) × (стоимость для бойлера/кВтч тепла) - (стоимость обслуживания теплового насоса)]/(эффективность теплового насоса)
- Электрическая мощность, подаваемая КТЭ на тепловой насос = (максимальная мощность, вырабатываемая КТЭ) - (требуемая мощность), вплоть до максимума потребления тепла (в данном примере 3 кВт)
- Мощность, покупаемая для теплового насоса = (мощность, потребляемая тепловым насосом) - (мощность от КТЭ, использованная для теплового насоса)
- Скорректированная мощность теплового насоса = [(мощность, потребляемая тепловым насосом) × (стоимость электричества для теплового насоса) - (мощность, закупаемая для теплового насоса)×(цена закупаемой мощности)]/(мощность от КТЭ, использованная для теплового насоса)
- Рабочая нагрузка КТЭ = (требуемая мощность)+(мощность от КТЭ, использованная для теплового насоса)
- Мощность, вырабатываемая КТЭ/кВтч тепла = см. графы "Выработ. мощность/кВтч тепла" в Таблицах 2-4 с требуемой мощностью, соответствующей рабочей нагрузке КТЭ
- Общая стоимость для КТЭ/кВтч тепла = см графы "Общая стоимость/кВтч тепла" в Таблицах 2-4 с требуемой мощностью, соответствующей рабочей нагрузке КТЭ
- Экономия/кВтч тепла при работе теплового насоса = [(требуемая мощность) ((закупочная цена энергии)+(мощность от КТЭ, использованная для теплового насоса) ((скорректированная стоимость электричества для теплового насоса)] ((мощность, вырабываемая КТЭ)/кВтч тепла/(рабочая нагрузка КТЭ)
- Итоговая стоимость для КТЭ/кВтч тепла при использовании теплового насоса = (общая стоимость для КТЭ/кВтч тепла) - (экономия/кВтч тепла при использовании теплового насоса).
В Таблице 5 приведены результаты расчетов для теплового насоса, в которых использованы закупочная цена энергии, равная 1,5 ДК/кВтч, продажная цена энергии, равная 0,9 ДК/кВтч, цена топлива для КТЭ, равная 5 ДК/кВтч и цена печного топлива, равная 5 ДК/кВтч. Следует отметить, что цена печного топлива, определенная с использованием тех же расчетов, что и для составления Таблиц 2-4, равна стоимости для бойлера/кВтч с BI, равным 0,59.
Таблица 5
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Потребляемая мощность (кВт)
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Эффективность теплового насоса
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Тепловая мощность (кВт)
9
9
9
9
9
9
9
9
9
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Стоимость обслуж./ч
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Стоимость тепла теплового насоса/кВтч
0,61
0,61
0,61
0,61
0,61
0,61
0,61
0,61
0,61
Мощность, подаваемая к тепловому насосу/кВтч
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
Закупочная цена энергии/кВтч
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Цена при продажах энергии/кВтч
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
0,9
Тепловая мощность КТЭ для теплового насоса (кВт)
3
3
3
3
3
3
2
1
0
Мощность, покупаемая для теплового насоса (кВт)
0
0
0
0
0
0
1
2
3
Скорректированная мощность для теплового насоса/кВтч
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,43
1,40
1,30
0
Рабочая нагрузка КТЭ (кВт)
4
5
6
7
8
9
9
9
9
Мощность, вырабатываемая КТЭ/кВтч тепла
0,486
0,532
0,558
0,571
0,572
0,566
0,566
0,566
0,566
Общая стоимость для КТЭ/кВтч тепла
1,14
1,11
1,08
1,05
1,02
0,99
0,99
0,99
0,99
Требуемая мощность (кВт)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Экономия/кВтч тепла при использовании теплового насоса
0,705
0,776
0,819
0,839
0,843
0,836
0,836
0,836
Итоговая стоимость для КТЭ/кВтч тепла при использовании теплового насоса
0,430
0,336
0,266
0,215
0,180
0,157
0,157
0,157
На фиг.7 представлены построенные по данным Таблицы 5 график 9 стоимости при использовании теплового насоса и график 10 итоговой стоимости. В данном сценарии тепловой насос, получающий энергию из сети, обходится дороже бойлера, поэтому при работе в варианте "Т1 теплый" предпочтительно применять бойлер. Таким образом, в указанном режиме эко-точку определяет стоимость для бойлера.
Однако, если питание на тепловой насос подают от КТЭ-блока, достигается наименьшая стоимость тепла. Как уже отмечалось, такой режим работы обычно полезен только в варианте "Т1 холодный". Для сравнения на фиг.8 показаны стоимости этой же системы при работе в варианте "Т1 холодный", т.е. при работе КТЭ-блока с полной нагрузкой для выработки максимального количества тепла.
Поскольку в зависимости от цены сетевой энергии цена тепла в случае выработки его с использованием теплового насоса изменяется, предписания для управления работой теплового насоса, исходя из количества энергии, определяют в зависимости от уровня цены энергии, при которой тепловой насос вырабатывает тепло по той же цене, что и бойлер. Эта цена именуется критической ценой энергии для теплового насоса, причем она важна при принятии решения, применять его или нет и подавать ли энергию на тепловой насос из сети (стоимостный эквивалент цены энергии) или в виде избыточной энергии КТЭ-блока (в альтернативном варианте продаваемой обратно в сеть).
Для критической цены энергии, питающей тепловой насос, с учетом изменения цен на энергию, возможны три основные ситуации:
1. критическая цена энергии для теплового насоса выше закупочной цены энергии,
2. критическая цена энергии для теплового насоса ниже закупочной цены энергии, но выше цены энергии при продажах, и
3. критическая цена энергии для теплового насоса ниже цены энергии при продажах.
В первом случае работа теплового насоса по сравнению с бойлером будет обходиться дешевле. Это приведет к формированию новой эко-точки, основанной на цене для теплового насоса, например, как на фиг.6. Тепловой насос также будет работать в варианте "Т1 холодный", причем независимо от одновременного потребления энергии и, в возможной ситуации, одновременной работы КТЭ. Таким образом, при выработке тепла применение теплового насоса для увеличения количества тепла от КТЭ-блока предпочтительней применения бойлера, когда во время нормальной регулируемой работы потребность в тепле превысит его указанное количество. Конечно, для снабжения теплового насоса энергией можно использовать КТЭ-блок вместо того, чтобы продавать ее в сеть, причем такая возможность сохраняется до тех пор, пока требуемая для установки мощность меньше максимальной мощности, вырабатываемой КТЭ.
Вторая ситуация приводит к такой работе теплового насоса, при которой одновременно функционирует КТЭ, а общая потребляемая мощность (т.е. мощность, требуемая для установки, плюс мощность, потребляемая тепловым насосом) меньше максимальной мощности КТЭ-блока. Таким образом, избыточную мощность КТЭ-блока можно использовать для питания теплового насоса, т.к. получаемая при этом эффективная экономия основывается на "продаже" энергии тепловому насосу по критической цене вместо продажи энергии в сеть по реальной продажной цене. Если общая потребляемая мощность превышает максимальную мощность, вырабатываемую КТЭ-блоком, для подачи питания на тепловой насос необходимо купить некоторое количество энергии из сети, причем может оказаться предпочтительным вариант с использованием бойлера вместо теплового насоса. Если потребность установки в тепле превышает максимальную мощность КТЭ-блока (т.е. если всю энергию для теплового насоса приходится подавать из сети), применение бойлера будет предпочтительным в любом случае.
В последней из указанных ситуаций тепловой насос не используют никогда, т.к. в любом случае более эффективным решением будет продажа любого количества избыточной энергии, вырабатываемой КТЭ-блоком, обратно в сеть, а также применение бойлера для удовлетворения любой потребности в тепле, которую невозможно покрыть за счет указанного блока.