Оценка границ технико-экономической эффективности применения тепловых насосов

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

УДК 621.577

ОЦЕНКА ГРАНИЦ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

С.Л. Елистратов г. Новосибирск, ИТ СО РАН

THE ESTIMATE OF THE LIMITS OF TECHNICAL AND ECONOMICAL EFFICIENCY OF HEAT PUMP APPLICATION

S.L. Elistratov Novosibirsk, IT SB RAS

Представлена методика определения технико-экономической эффективности тепловых насосов парокомпрессионного и абсорбционного типов в сравнении с электрокотлами и топливными котельными.

Ключевые слова: тепловой насос, экономическая эффективность, инвестиционный проект.

A simple method for determination of technical and economical efficiency of va-por-compression and absorption heat pumps is shown in comparison with electric boilers and fuel boiler houses.

Keywords: heat pump, economical efficiency, project investment.

Практическое замещение с помощью тепловых насосов (ТН) ископаемых видов топлива на низкопотенциальное (до 40 °С) тепло возобновляемых и вторичных источников: воды рек, озер, питьевой воды, промышленных и хозяйственнобытовых сточных вод, систем оборотного водоснабжения, окружающего воздуха, грунта и т. п. источников, - является важным направлением энергосбережения и охраны окружающей природной среды.

Для принятия решения об использовании ТН полезными могут быть предварительные оценки границ их технико-экономической эффективности. Ниже изложена простая методика поэтапного определения экономической эффективности, неразрывно связанная с энергетическими, экологическими и другими показателями работы ТН и теплоисточников на их основе.

Целью первого этапа оценки является установление самых общих граничных показателей целесообразности применения ТН на основе наглядного графического представления (рис. 1) уравнения для чистого дисконтированного дохода [1]:

чдд = в1~{1+_~) Т -К0,

Е

где К0 - единовременные капитальные затраты; В - ежегодные чистые сбережения, получаемые благодаря ТН; Т - технический срок службы оборудования; Е - ежегодная норма дисконта.

При ЧДД= 0 уравнение (1) дает семейство граничных кривых, представляющих внутреннюю норму доходности ВНД. Область параметров экономически эффективного применения ТН будет располагаться под соответствующими кривыми (см. рис. 1). Например, параметры т. А на верхней кривой имеют значения: Т = 20, ВНД = 0,288 и К0/В = 3,4. Для области под этой кривой (см. т. С, И и Т7) ЧДД> 0 и проекты применения ТН будут приносить доход, а выше нее (см. т. В и 5) ЧДД < 0, что свидетельствует об их убыточности. В области ЧДД> 0 при неизменном отношении К0/В с целью обеспечения безубыточности проекта при ТР<ТВ<ТА необходимо уменьшать допустимую норму дисконта Е с уменьшением срока службы Т. При этом безразмерный комплекс К0/В характеризует допустимый предельный уровень отношения капиталовложений и годовой чистой прибыли (без налогов и амортизации) для рассматриваемого варианта применения ТН.

Елистратов С.Л.

к

5

X

Ф

X

Ф

2

X

3

X

X

о

ф

ш

X

5

5

6 О X

ш

5

Ё

ф

8-

-8-

о

>5

О

*

О

ф

Т

5

О

X

§

о

к

5

X

Ф

т

ш

X

ю

ф

л

я

о.

о

5

а.

ол

оо

о

40

о

ол

о

СП

<э

оГ

Альтернативные источники энергии

На втором этапе для выявления допустимых границ отпускной цены на продукцию, производимую ТН, воспользуемся возможностями непрерывной модели денежных потоков [2]. Переход от дискретных потоков, характерных для большинства работающих систем теплоснабжения, к непрерывным позволяет представить любой денежный поток в виде т

т),

где Т ит- соответственно полный период и текущее время осуществления проекта, г - непрерывная норма дисконта. Связь между годовой и непрерывной нормами дисконта определяется простым уравнением:

1 + Е = ег.

Из (3) следует, что г<Е, но если Е невелико, то разница между ними незначительна.

Аналитическая формула [2] для расчета интегрального эффекта инвестиционного проекта производства, отпускающего в непрерывном режиме потребителю продукцию £? по цене Р при годовых эксплуатационных издержках С, имеет вид:

ЧДД = [Р

1-ё

-гТ

-К„

ег8-1

Л?

-гТ

--V

-К

+т1и0_т1 я)"

г2Т

1+гТ 1-е “Лп

ег8-1

гБ

-гТ

-у +

гТ

Здесь К и Кн - соответственно капитализируемые и некапитализируемые инвестиции в проект, равномерно производимые в предпусковой период продолжительностью £; Т - продолжительность эксплуатации объекта; V, г\и и г|и -соответственно ставки налогов на добавленную стоимость, прибыль и имущество. В пределах временного отрезка осуществления инвестиционного проекта -Б < т < Т значение = 0 соответствует завершению инвестиций и началу производства продукции. В момент начала эксплуатации осуществляется единовременный возврат НДС и до завершения проекта начинает осуществляться налогообложение прибыли и капитализированного имущества.

Применительно к проектам применения ТН различного типа выражение (4) можно представить как ЧДД = [(бг^т +ОхРх+ ¥РСОг) -

1-е

-ХВД-Пп)

к=1

-

-гТ

КР

п 'У*-1

(1 + у)-------V

в^-1

гБ

— у +

+'Пи

е~гТ -1 + гТ

г2Т

“-'Пп'

1-е

-гТ

гТ

Здесь К3д - капитальные затраты на строительство зданий и сооружений для размещения ТН; Ков - капитальные вложения в приобретение оборудования ТН и технические системы для обеспечения их работы; КР - некапитализируемые затраты, связанные с работами по проектированию, монтажными, пуско-наладочными и т. п. работами до ввода ТН в эксплуатацию.

В качестве возможных доходов от использования ТН в (5) учтены: тепловая энергия , отпускаемая по цене Рт; одновременно с тепловой энергией вырабатываемый холод для кондиционирования или охлаждения технологических потоков £х, отпускаемый по цене Рх; специфический экологический товар [3] - квоты на выбросы углекислого газа Ч*, продажа которых может быть произведена на международном рынке по цене РСОг.

Годовые эксплуатационные затраты в (5) можно представить в виде суммы равномерно распределенных затрат:

т

£#* = иэ +И А +(И-П> +ИЗП +И0 +Ипроч )+

Ь=1

+иос +ин +ИКР .

Здесь Иэ - энергетические затраты (приобретение топлива, высокопотенциального тепла и/или электроэнергии); ИА =(£дД 'Кзд +£АБ-К^) - амортизационные отчисления; Итр =АТР ИА- отчисления на текущий ремонт; Изп = 12гФ(1 + Р)- годовые отчисления на зарплату обслуживающего персонала; И0 = &0(ИА+ИТр+Изп) - расходы на содержание инфраструктуры; = кпрочЩ -

прочие непредвиденные расходы; - издержки на охрану окружающей среды, в том числе плата за вредные выбросы и сбросы; Ин - издержки на повышение надежности работы теплоисточника; Икр - плата за кредит; г - количество обслуживающего персонала; Ф - среднемесячная зарплата одного работающего; кА, , к0, кпроч, р - со-

ответственно безразмерные коэффициенты амортизационных отчислений на реновацию и капитальный ремонт, текущий ремонт, на содержание инфраструктуры теплового хозяйства, прочих неучтенных расходов, норматив отчислений в социальные фонды.

Упростим задачу, приняв во внимание в (5) в качестве единственного вида полезного дохода средства от продажи тепловой энергии, а в качестве затрат только энергозатраты. Годовую выработку тепловой энергии теплоисточником можно представить как

е = 24-од,

Елистратов С.Л.

где 0? - расчетная паспортная теплопроизводи-тельность оборудования; кГ0Д - коэффициент годовой загрузки его установленной мощности, характеризующий конкретный эксплуатационный режим работы.

Тогда для наиболее распространенных на практике парокомпрессионных с электроприводом и абсорбционных ТН выражение (5) с учетом (7) преобразуется соответственно к виду:

ЧДД = ЯРхТ0ЛкТ0Л[РТ-Тэл /ф]

1-е

-гТ

-К,

е"5-!

гБ

„'Я

-<Кзп+Ков)Ш+у)-

гБ

-у +

+ЛИ0-ЛП)

е~гГ -1 + гТ

г2Т

'_Лп'

1-ё

-гТ

гТ

ЧДД = еРтГ0Л0Д[Рт -Т-х /(М'Лген)]х —

-гТ

х

(1-+-V)-

1

-гТ

+т1и(1“т1п)'

гБ 1 + гТ

-У +

— V

г2Т

Лп'

1-е

-гТ

гТ

Здесь ф и |д - коэффициенты преобразования и трансформации соответственно для парокомпрессионных и абсорбционных ТН; г|ГЕН - КПД генератора абсорбционного ТН; Гэл и 0Т - соответственно цены на электроэнергию для электропривода и на высокопотенциальное тепло для генератора абсорбционного ТН.

При ЧДД = 0 выражения (8) и (9) позволяют определить граничные значения отпускных цен на производимую тепловую энергию. В качестве

примера рассмотрим ТН с 2Р = 1,0 МВт при работе в составе системы отопления при продолжительности отопительного периода 5500 ч, для которой, следуя рекомендациям работы [4], примем ктод = 0,32. Результаты расчетов представлены на

рис. 2 и 3 для следующих фиксированных значений параметров: КОЕ = 5000,0 тыс. руб.;

К3д = 1000,0 тыс. руб.; Кр = 1000,0 тыс. руб.; £ = 1,0 год; Т = 20 лет, V = 0,18; х\п = 0,24; Ли = 0,022. Значения других параметров указаны на рисунках.

Точки пересечения кривых с осью ЧДД=0 определяют предельные отпускные цены />ттт на тепловую энергию. При Рт > Р^п применение ТН экономически эффективно, так как ЧДД>0, и наоборот, отпуск тепловой энергии по цене Рт < Р™п становится убыточным. Относительному увеличению значений Р™т способствуют увеличение нормы прибыли г, действующих тарифов Тэл и 0Т, а также снижение сроков Т технической эксплуатации ТН. С увеличением загрузки оборудования, т.е. с ростом параметра

£год, происходит относительное снижение Р™п и увеличение эффективности вложения инвестиций. Учет в формуле (5) значений (<2х^х) и (¥ • РШ2), а также снижение капитальных затрат КОБ, К3д и КР также уменьшают Р™т. Учет других эксплуатационных затрат в (6), напротив приводит к росту Р™п.

На основе анализа выражений (8) и (9), а также зависимостей на рис. 2 и 3 можно сделать вывод о том, что увеличение показателей энергетической эффективности ф и \х способно привести к

значительному снижению Р™т, а следовательно к повышению конкурентоспособности теплонасосных технологий. При выполнении предельного условия безубыточности ЧДД= 0 и неизменных первоначальных капитальных затратах это приводит к увеличению соотношения К/В и/или снижению норм дисконта г и Е. На рис. 1 эта тенденция при неизмененном значении срока службы Т соответствует увеличению текущих значений К0/ В с уменьшением значений годовой нормы дисконта Е . Принимая К0 = К3д + Ков +К? и г = Е можно показать, что т. G (К0/В =0,66; £ = 0,13) на рис. 1 соответствует

значение Р™п = 1040 руб./Гкал, тогда как т. А (К0/ В = 3,4; Е = 0,29) соответствует относительно

более высокое значение /^шп =1740 руб./Гкал. Таким образом, с увеличением энергетической эффективности ТН, т.е. с увеличением ф и \х уменьшается относительное влияние капиталовложений в инвестиционные проекты применения ТН.

На третьем этапе целесообразно выполнить оценки сравнительной эффективности. Аналогично вышеизложенному могут быть произведены оценки эффективности традиционных технологий производства тепловой энергии:

- для топливных (газовых, угольных, мазутных и т.п.) котлов по уравнению:

Вестник ЮУрГУ, № 15, 2009

О)

ЧДД, млн руб.

тэл = 2,0 руб./кВтч

Рис. 2. Предельные значения отпускной цены на тепловую энергию для г = 0,02.

Парокомпрессионный ТН с электроприводом: 1-ф = 5,0; 2 - ф = 3,0; 3-(р = 2,0;

абсорбционный ТН (Г|ген= 0,8 и ц * 2,2): 4 - 7т  284 руб./Гкал (природный газ),

5 - 7т « 370 руб Ж кал (пар от ТЭЦ), 6 - 7т * 690 руб./Г кал (пар от угольной котельной);

7 - угольная котельная (Г* 7 лет, Тік  0,5, Цт = 2,5 т. рубіт у.т., Ко б = 1200 т. руб./МВт, Кзд я 0, КР  240 т. руб.);

8 - электрокотел

Цена/>, рубУТкал

___I____

2000

Альтернативные источники энергии

Серия «Энергетика», выпуск 11

ЧДД, млн руб.

Цена Рт, руб./Гкап

Рис. 3. Предельные значения отпускной цены на тепловую энергию для г = 0,13.

Парокомпрессионный ТН с электроприводом: 1- ф =5,0; 2- ф "3,0; 3- ф =2,0; абсорбционный ТН (Г|геН * 0,8 и ц * 2,2): 4 - Гт = 370 руб./Гкал (пар от ТЭЦ),

5 - Тт  284 руб./Гкал (природный газ), 6 - 7*т = 690 руб./Гкал (пар от угольной котельной);

7 - угольная котельная (Г* 7 лет, г|к - 0,5, Цг = 2,5 т. руб.Аг у.т., К0 Б «1200 т. руб./МВт, Кзд =0, 240 т. руб.);

8 - электрокотел

"О

С

£

£

і

і

0

со

1

£

О

о

о

о

ш

Елистратов СЛ. Оценка границ технико-экономической эффективности

Альтернативные источники энергии

ЧДД = Qpxrmkroa[PT - дт/г/Лк]х

х

1-е

,-гТ

-К,

erS-l

rS

~{K3a+K0b)Ul+v)

erS-l

rS

-v +

„ .e~rT-1 + rT 1 - e~rT

+т1и0-т1п) JZ Лп'

rLT

rT

- для электрокотлов согласно: ЧДД = QP • ТГ0Д • ктод - Тэя / Т1эл.к 1х

1-ё

-гТ

— К*

Х

-

л леГ8~1 (1 + v)-- ---V

rS

erS-l

rS

-v +

erT-\ + rT r2T

'Лп*

1-ё

rT

rT

Здесь г]к и Лэл.к ~ соответственно КПД топливных котлов и электрокотлов; Цт - цена условного топлива; Я = 0,1428 т у.т./Гкал.

Согласно зарубежным и отечественным данным [5, 6] средний технический срок службы ТН составляет 15...20 лет. Для котельного оборудования, несмотря на его относительно меньшую по сравнению с ТН стоимость, необходимо учитывать более короткий по сравнению с ТН технический срок службы, официально ограниченный нормативными сроками (Г = 7...10 лет) амортизации [7] и несоблюдением на практике паспортных режимов эксплуатации и сервисного обслуживания. Сокращение сроков эксплуатации приводит (см. рис. 1) к уменьшению области экономически эффективных параметров работы. Для малых угольных котельных в сельской местности, для которых г|к <0,5 , а доставка топлива сопряжена с высокими транспортными расходами, значения

Р™т при низких тарифах на электроэнергию могут быть выше не только по отношению к ТН (см. рис. 2 и 3), но и к электрокотельным установкам. Например, такая ситуация характерна для коммунального хозяйства Иркутской области, где на долю электрокотельных приходится почти 10 % вырабатываемой тепловой энергии, а тарифы на электроэнергию традиционно являются одними из самых низких в России.

Таким образом, следуя вышеизложенной поэтапной схеме можно на стадии предварительных оценок с учетом требуемого уровня конкретизации широкого спектра технических, энергетических, режимных, экономических и экологических параметров определить сравнительную эффективность проектов применения теплонасосных технологий.

Литература

1. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов / под. ред. В.В. Косова, В.Н. Лившица, А.Г. Шахназарова. — М.: Экономика, 2000. — 421 с.

2. Виленский, П.Л. Оценка эффективности инвестиционных проектов: теория и практика / П.Л. Виленский, В.Н. Лившиц, С.А. Смоляк. - М.: Дело, 2002. - 888 с.

3. Елистратов, СЛ. Экологические аспекты применения парокомпрессионных тепловых насосов/ С.Л. Елистратов, В.Е. Накоряков // Известия РАН. Энергетика. - 2007. -№ 4-С. 76-83.

4. Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е.Я. Соколов. - М.: Издательство МЭИ, 1999. -472 с.

5. Antonio Briganti. Тепловые насосы в жилых помещениях //АВОК. - 2001. - № 6. - С. 32-38.

6. Абсорбционные преобразователи теплоты / А.В. Бараненко, Л.С. Тимофеевский, А.Г. Долотов, А.В. Попов. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2005.- 338 с.

7. Все об амортизации основных средств: пособие по практическому применению «Классификации основных средств, включаемых в амортизационные группы» / под ред. С.В. Белоусовой. - М. : Вершина, 2006. -176 с.

Поступила в редакцию 10,04.2009 г.

Елистратов Сергей Львович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории процессов переноса Учреждения Российской академии наук. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН), г. Новосибирск. Область научных интересов: тепловые насосы и энергосбережение.

Контактный телефон: 8-(383) 335-65-77.

Elistratov Sergey Lvovich - Candidat of technical sciences, senior scientific employee of Laboratory of transfer processes of Kutateladze Institute of Thermophysics Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IT SB RAS). The field of scientific interests is heat pumps and energy saving.

Contact telephone: 8-(383) 335-65-77.