Анализ сроков окупаемости пластинчатого и роторного теплоутилизаторов
УДК 664
Анализ сроков окупаемости пластинчатого и роторного теплоутилизаторов
Д.т.н. Иванов О.П., магистрант Тихомиров С.А.
Выполнен сравнительный анализ сроков окупаемости теплообменников-
утилизаторов пластинчатого и роторного типов для систем вентиляции и
кондиционирования (СВ И СК) для объектов, расположенных в
климатических регионах Северо-Запада (Санкт-Петербург). При расчете
блоков утилизации необходимо иметь надежную и корректно заданную
информацию о наружных климатических параметрах региона [1]
На практике известно 4 способа представления наружных условий:
1. Расчетные температура
t
р н
и энтальпия
hнр
для холодного и теплого
периодов года согласно СНиП 2.04.05-91* “Отопление, вентиляция и
кондиционирование”
2. Средние
расчетные
температура
t
р н
и
относительная
влажность
ϕ
р н
согласно
СНиП
23-01-99
“Строительная
климатология”
3. Среднемесячные значения температуры наружного воздуха согласно
СНиП 23-01-99 “Строительная климатология”
4. Задаются параметры наружного климата по повторяемости температур в
течение года (пособие к СНиП 2.01.01-82 “Строительная климатология”).
продолжительность стояния, час
-35 -25 -15
450 400 350 300 250 200 150 100
50 0
-5 5
15 25
температура наружного воздуха
35
Рис.1 Продолжительность стояния температур наружного воздуха в течение года для Санкт-Петербурга
Для дальнейших расчетов наружных условий выбирается четвертый метод с учетом продолжительности стояния температур как наиболее информативный и объективный [2]
Примем производительность установки 10000 м3/ч (Lпр=Lв). Расчитаем затраты теплоты на нагрев наружного воздуха в системе без теплоутилизатора:
Q
i р
= Vρ
1 3600 c р (tпр
−
t
i н
)τ
i
,
кВт
ч
(1)
где V – расход наружного воздуха, м3/ч; ρ – плотность наружного воздуха, кг/м3; ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг К); tпр – температура приточного воздуха, °С; tн – температура наружного воздуха, °С. τ – продолжительность стояния температуры наружного воздуха, час
Годовые затраты тепла:
Qр
=
∑Q
i р
,
кВт
ч/год
i
(2)
Расчитаем сроки окупаемости и экономию энергии при включении в состав приточно-вытяжной установки роторного регенератора стоимостью Пут=158000 руб. Температуру приточного воздуха примем tпр=18°С, температуру удаляемого из помещения воздуха tу1=22°С. Расчеты будем повторять, меняя эффективность в диапазоне ε=60…90% и период работы системы вентиляции в течение суток (24, 12 или 8 часов). В данной работе ведется расчет сроков оккупаемости теплоутилизаторов в зависимости от достигнутой температурной эффективности, при этом не рассматриваются способы достижения заданной эффективности. Температура воздуха на выходе из роторного регенератора:
t
i н
2
=
t
i н1
+ ε (t у1
−
t
i н1
)
,
°С
(3)
Количество теплоты, необходимое на догрев наружного воздуха от температуры на выходе из регенератора до параметров на притоке:
Qi р, ут
= Vρ
1 3600 c р (tпр
−
t
i н
2
)τ
i
,
кВт
ч
(4)
∑Qр,ут =
Qi р, ут
,
кВт
ч/год
i
(5)
Количество сэкономленной энергии
∆Q = Qр − Qр,ут , кВт ч/год
(6)
Затраты энергии на вращение ротора:
N = Nпрτ , кВт ч
(7)
где Nпр – установленная мощность привода ротора, кВт; τ – период работы системы вентиляции, час/год
τ = ∑τ i , час/год
i
(8)
Стоимость сэкономленной энергии:
Э = ∆Q × П * −N × Пэл , руб/год
(9)
где П* - стоимость электрической или тепловой энергии в зависимости от
типа используемого калорифера, руб/(кВт ч); Пэл – стоимость электрической
энергии, руб/кВт ч
Срок окупаемости теплоутилизатора:
τ = П ут , год
Э
(10)
Результаты расчетов представим в графической форме:
100
эффективность, %
90
80
70
60
50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
срок окупаемости, лет
электр. 24 часа вода 12 час
вода 24 часа электр. 8 час
электр. 12 час вода 8 час
Рис.2 Срок окупаемости роторного теплоутилизатора в зависимости от его эффективности, типа теплоносителя и режима работы системы вентиляции в течение суток
Как видно, быстрее всего окупается система, в которой в качестве калорифера догрева наружного воздуха до расчетных параметров используется электрический нагреватель. Однако после полной окупаемости теплоутилизатора эксплуатация системы с электрическим нагревателем будет обходиться дороже ввиду того, что электрическая энергия значительно дороже тепловой. Поэтому система с водяным калорифером оказывается более предпочтительной.
При установке пластинчатого теплоутилизатора при низких температурах наружного воздуха возможно выпадение конденсата со стороны удаляемого воздуха и его замерзание, что негативно сказывается на работе теплообменника. Как показывает практика, при температуре удаляемого воздуха 20 °С и относительной влажности 40% для утилизатора с эффективностью ε=60% существует опасность обмерзания при температурах наружного воздуха ниже -5°С (данные по теплообменникам Hoval). Проведем расчет сроков окупаемости при установке в систему обработки воздуха пластинчатого рекуператора стоимостью 108000 руб, при этом в качестве меры по предотвращению обмерзания теплообменника выберем установку дополнительного калорифера преднагрева наружного воздуха стоимостью 30000 руб в случае, если его температура будет ниже -5 °С.
Проведем аналогичный расчет, однако учтем затраты теплоты на преднагрев наружного воздуха от расчетных параметров до -5°С. Следует заметить, что при установке пластинчатого теплоутилизатора отсутствуют затраты энергии на привод, поскольку у данного типа теплообменника отсутствуют движущиеся части. Результаты расчетов представим графически:
100
90
эффективность, %
80
70
60
50 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
срок окупаемости, лет
электр. 24 часа вода 12 час
вода 24 часа электр. 8 час
электр. 12 час вода 8 час
Рис.3 Срок окупаемости пластинчатого теплоутилизатора в зависимости от его эффективности, типа теплоносителя и режима работы системы вентиляции в течение суток
эффективность, %
Проанализируем полученные результаты. Для этого построим суммарную зависимость периода окупаемости теплообменников в зависимости от достигнутой эффективности [3,4]
100
90
80
70
60
50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 период окупаемости, лет
роторный утилизатор (эл.калорифер) роторный утилизатор (водяной калорифер) пластинчатый утилизатор (эл. калориферы) пластинчатый утилизатор (водяные калориферы)
Рис.4 Сравнительная характеристика срок окупаемости пластинчатого и роторного утилизаторов (система вентиляции работает 8 часов в сутки)
В результате проведенного расчета можно сделать следующие выводы: 1. Период окупаемости пластинчатого утилизатора практически равен
периоду окупаемости роторного регенератора. К тому же конструкция пластинчатого рекуператора значительно проще, нет движущихся частей в
отличие от роторного регенератора. Пластинчатый рекуператор при надежной системе защиты от обмерзания не требует обслуживания. Также пластинчатый рекуператор ввиду отсутствия перетечек воздуха может использоваться в тех системах, где недопустимо попадание вытяжного воздуха в приточный. 2. Системы с водяным калорифером окупаются значительно дольше, но в то же время значительно дешевле в эксплуатации нежели системы с электрическим калорифером ввиду более низкой стоимости тепловой энергии. 3. Чем больше период эксплуатации системы вентиляции в течение суток, тем быстрее окупается установка теплоутилизатора. 4. Повышение эффективности утилизатора (степени рекуперации) приводит к снижению срока окупаемости системы (особенно в системах с водяным калорифером). Однако в области высоких значений эффективности повышение степени рекуперации ведет лишь к незначительному уменьшению сроков окупаемости. Поскольку повышение эффективности теплообменника как правило связано с конструктивными изменениями, а следовательно с увеличением себестоимости утилизатора, оптимальным значением достигаемой эффективности следует считать ε=80…85%.
Следует отметить, что в расчете не учитывались единовременные затраты на доставку, монтаж, затраты на сервисное обслуживание, амортизационные отчисления и другие расходы, связанные с включением в схему обработки воздуха роторного или пластинчатого утилизаторов. Расчет производился только с позиций экономии энергии. Поэтому в реальности срок окупаемости утилизатора может быть значительно выше, однако общая закономерность останется той же.
Список литературы
1. Иванов О.П. Выбор оборудования для утилизации тепла и холода в системах кондиционирования. – Холодильная техника, 1982, №2, с.12-15
2. Иванов О.П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. Л.: Машиностроение, 1980. – 162 с.
3. Иванов О.П., Рымкевич А.А. Методика комплексной оценки эффективности использования утилизации тепла и холода в системах кондиционирования воздуха. – Холодильная техника, 1980, №3, с.34-38
4. Колюнов О.А, Иванов О.П. Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования за счет применения утилизации теплоты удаляемого воздуха. – Сб. научных трудов СПбГУНиПТ, Холодильная и криогенная техника, 2003, №1.
5. Колюнов О.А., Иванов О.П. Уточненная методика расчета основных аппаратов обращенной тепловой машины с учетом климатических условий работы СКВ. – СПб, Межвузовский сборник научных трудов, Известия СПбГУНиПТ, 2003, №1(5), с.26-27
Анализ сроков окупаемости пластинчатого и роторного теплоутилизаторов
Д.т.н. Иванов О.П., магистрант Тихомиров С.А.
Выполнен сравнительный анализ сроков окупаемости теплообменников-
утилизаторов пластинчатого и роторного типов для систем вентиляции и
кондиционирования (СВ И СК) для объектов, расположенных в
климатических регионах Северо-Запада (Санкт-Петербург). При расчете
блоков утилизации необходимо иметь надежную и корректно заданную
информацию о наружных климатических параметрах региона [1]
На практике известно 4 способа представления наружных условий:
1. Расчетные температура
t
р н
и энтальпия
hнр
для холодного и теплого
периодов года согласно СНиП 2.04.05-91* “Отопление, вентиляция и
кондиционирование”
2. Средние
расчетные
температура
t
р н
и
относительная
влажность
ϕ
р н
согласно
СНиП
23-01-99
“Строительная
климатология”
3. Среднемесячные значения температуры наружного воздуха согласно
СНиП 23-01-99 “Строительная климатология”
4. Задаются параметры наружного климата по повторяемости температур в
течение года (пособие к СНиП 2.01.01-82 “Строительная климатология”).
продолжительность стояния, час
-35 -25 -15
450 400 350 300 250 200 150 100
50 0
-5 5
15 25
температура наружного воздуха
35
Рис.1 Продолжительность стояния температур наружного воздуха в течение года для Санкт-Петербурга
Для дальнейших расчетов наружных условий выбирается четвертый метод с учетом продолжительности стояния температур как наиболее информативный и объективный [2]
Примем производительность установки 10000 м3/ч (Lпр=Lв). Расчитаем затраты теплоты на нагрев наружного воздуха в системе без теплоутилизатора:
Q
i р
= Vρ
1 3600 c р (tпр
−
t
i н
)τ
i
,
кВт
ч
(1)
где V – расход наружного воздуха, м3/ч; ρ – плотность наружного воздуха, кг/м3; ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг К); tпр – температура приточного воздуха, °С; tн – температура наружного воздуха, °С. τ – продолжительность стояния температуры наружного воздуха, час
Годовые затраты тепла:
Qр
=
∑Q
i р
,
кВт
ч/год
i
(2)
Расчитаем сроки окупаемости и экономию энергии при включении в состав приточно-вытяжной установки роторного регенератора стоимостью Пут=158000 руб. Температуру приточного воздуха примем tпр=18°С, температуру удаляемого из помещения воздуха tу1=22°С. Расчеты будем повторять, меняя эффективность в диапазоне ε=60…90% и период работы системы вентиляции в течение суток (24, 12 или 8 часов). В данной работе ведется расчет сроков оккупаемости теплоутилизаторов в зависимости от достигнутой температурной эффективности, при этом не рассматриваются способы достижения заданной эффективности. Температура воздуха на выходе из роторного регенератора:
t
i н
2
=
t
i н1
+ ε (t у1
−
t
i н1
)
,
°С
(3)
Количество теплоты, необходимое на догрев наружного воздуха от температуры на выходе из регенератора до параметров на притоке:
Qi р, ут
= Vρ
1 3600 c р (tпр
−
t
i н
2
)τ
i
,
кВт
ч
(4)
∑Qр,ут =
Qi р, ут
,
кВт
ч/год
i
(5)
Количество сэкономленной энергии
∆Q = Qр − Qр,ут , кВт ч/год
(6)
Затраты энергии на вращение ротора:
N = Nпрτ , кВт ч
(7)
где Nпр – установленная мощность привода ротора, кВт; τ – период работы системы вентиляции, час/год
τ = ∑τ i , час/год
i
(8)
Стоимость сэкономленной энергии:
Э = ∆Q × П * −N × Пэл , руб/год
(9)
где П* - стоимость электрической или тепловой энергии в зависимости от
типа используемого калорифера, руб/(кВт ч); Пэл – стоимость электрической
энергии, руб/кВт ч
Срок окупаемости теплоутилизатора:
τ = П ут , год
Э
(10)
Результаты расчетов представим в графической форме:
100
эффективность, %
90
80
70
60
50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50
срок окупаемости, лет
электр. 24 часа вода 12 час
вода 24 часа электр. 8 час
электр. 12 час вода 8 час
Рис.2 Срок окупаемости роторного теплоутилизатора в зависимости от его эффективности, типа теплоносителя и режима работы системы вентиляции в течение суток
Как видно, быстрее всего окупается система, в которой в качестве калорифера догрева наружного воздуха до расчетных параметров используется электрический нагреватель. Однако после полной окупаемости теплоутилизатора эксплуатация системы с электрическим нагревателем будет обходиться дороже ввиду того, что электрическая энергия значительно дороже тепловой. Поэтому система с водяным калорифером оказывается более предпочтительной.
При установке пластинчатого теплоутилизатора при низких температурах наружного воздуха возможно выпадение конденсата со стороны удаляемого воздуха и его замерзание, что негативно сказывается на работе теплообменника. Как показывает практика, при температуре удаляемого воздуха 20 °С и относительной влажности 40% для утилизатора с эффективностью ε=60% существует опасность обмерзания при температурах наружного воздуха ниже -5°С (данные по теплообменникам Hoval). Проведем расчет сроков окупаемости при установке в систему обработки воздуха пластинчатого рекуператора стоимостью 108000 руб, при этом в качестве меры по предотвращению обмерзания теплообменника выберем установку дополнительного калорифера преднагрева наружного воздуха стоимостью 30000 руб в случае, если его температура будет ниже -5 °С.
Проведем аналогичный расчет, однако учтем затраты теплоты на преднагрев наружного воздуха от расчетных параметров до -5°С. Следует заметить, что при установке пластинчатого теплоутилизатора отсутствуют затраты энергии на привод, поскольку у данного типа теплообменника отсутствуют движущиеся части. Результаты расчетов представим графически:
100
90
эффективность, %
80
70
60
50 0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
срок окупаемости, лет
электр. 24 часа вода 12 час
вода 24 часа электр. 8 час
электр. 12 час вода 8 час
Рис.3 Срок окупаемости пластинчатого теплоутилизатора в зависимости от его эффективности, типа теплоносителя и режима работы системы вентиляции в течение суток
эффективность, %
Проанализируем полученные результаты. Для этого построим суммарную зависимость периода окупаемости теплообменников в зависимости от достигнутой эффективности [3,4]
100
90
80
70
60
50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 период окупаемости, лет
роторный утилизатор (эл.калорифер) роторный утилизатор (водяной калорифер) пластинчатый утилизатор (эл. калориферы) пластинчатый утилизатор (водяные калориферы)
Рис.4 Сравнительная характеристика срок окупаемости пластинчатого и роторного утилизаторов (система вентиляции работает 8 часов в сутки)
В результате проведенного расчета можно сделать следующие выводы: 1. Период окупаемости пластинчатого утилизатора практически равен
периоду окупаемости роторного регенератора. К тому же конструкция пластинчатого рекуператора значительно проще, нет движущихся частей в
отличие от роторного регенератора. Пластинчатый рекуператор при надежной системе защиты от обмерзания не требует обслуживания. Также пластинчатый рекуператор ввиду отсутствия перетечек воздуха может использоваться в тех системах, где недопустимо попадание вытяжного воздуха в приточный. 2. Системы с водяным калорифером окупаются значительно дольше, но в то же время значительно дешевле в эксплуатации нежели системы с электрическим калорифером ввиду более низкой стоимости тепловой энергии. 3. Чем больше период эксплуатации системы вентиляции в течение суток, тем быстрее окупается установка теплоутилизатора. 4. Повышение эффективности утилизатора (степени рекуперации) приводит к снижению срока окупаемости системы (особенно в системах с водяным калорифером). Однако в области высоких значений эффективности повышение степени рекуперации ведет лишь к незначительному уменьшению сроков окупаемости. Поскольку повышение эффективности теплообменника как правило связано с конструктивными изменениями, а следовательно с увеличением себестоимости утилизатора, оптимальным значением достигаемой эффективности следует считать ε=80…85%.
Следует отметить, что в расчете не учитывались единовременные затраты на доставку, монтаж, затраты на сервисное обслуживание, амортизационные отчисления и другие расходы, связанные с включением в схему обработки воздуха роторного или пластинчатого утилизаторов. Расчет производился только с позиций экономии энергии. Поэтому в реальности срок окупаемости утилизатора может быть значительно выше, однако общая закономерность останется той же.
Список литературы
1. Иванов О.П. Выбор оборудования для утилизации тепла и холода в системах кондиционирования. – Холодильная техника, 1982, №2, с.12-15
2. Иванов О.П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. Л.: Машиностроение, 1980. – 162 с.
3. Иванов О.П., Рымкевич А.А. Методика комплексной оценки эффективности использования утилизации тепла и холода в системах кондиционирования воздуха. – Холодильная техника, 1980, №3, с.34-38
4. Колюнов О.А, Иванов О.П. Энергосбережение в системах вентиляции и кондиционирования за счет применения утилизации теплоты удаляемого воздуха. – Сб. научных трудов СПбГУНиПТ, Холодильная и криогенная техника, 2003, №1.
5. Колюнов О.А., Иванов О.П. Уточненная методика расчета основных аппаратов обращенной тепловой машины с учетом климатических условий работы СКВ. – СПб, Межвузовский сборник научных трудов, Известия СПбГУНиПТ, 2003, №1(5), с.26-27