ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ В ТЕПЛИЦАХ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрен вопрос технико-экономической и энергетической эффективности применения лучистого отопления в агроклиматических системах закрытого типа на примере производственной теплицы. Выполнено сравнение системы лучистого отопления с традиционными системами обогрева помещений. Представлен технико-экономический расчет целесообразности перевода производственной теплицы с конвективного воздушно-водяного отопления на лучистое отопление для условий города Вологды. Технико-экономический расчет выполнен в три этапа: расчет капитальных затрат (по укрупненным показателям) для осуществления мероприятия по внедрению системы лучистого отопления; нахождение экономического эффекта от реализации предложенного мероприятия; определение срока окупаемости. Выполнена оценка потенциала энергосбережения предлагаемого мероприятия и определен годовой перерасход невозобновляемых топливных ресурсов при существующем способе теплофикации рассматриваемого объекта. Представленные расчеты базируются на действующих нормативных документах страны.

Ключевые слова:
технико-экономическая оценка, лучистое отопление, инфракрасный излучатель, агроклиматическая система, теплица, капитальные затраты, экономический эффект
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение. Лучистое отопление представляет собой один из наиболее совершенных способов обогрева помещений зданий различного назначения. В последнее время этот вид отопления вновь привлек к себе пристальное внимание в связи с проблемой эффективного использования теплоты и экономии энергии. С новыми технологиями обогрева вносятся дополнения и поправки в существующие строительные нормы и правила [1] или создаются новые стандарты [2], регламентирующие проектирование и эксплуатацию лучистого отопления, ремонт и обслуживание сопутствующего ему оборудования.

Термин «лучистое отопление» относится к системам потолочного отопления, в которых теплоотдача происходит в большей мере путем излучения [3]. Лучистая передача энергии при прочих равных условиях более эффективна, чем конвективная, поскольку при инфракрасном обогреве энергия беспрепятственно переносится на большие расстояния в объеме помещения [4]. Поэтому отопительные приборы можно располагать под потолком, в конструкциях ограждений. Возникает возможность в широких пределах варьировать температуру поверхности нагревателей: от очень низкой 25–30 °С до очень высокой – 1000 °С и более. Кроме того, при лучистом отоплении [2]: создается возможность без ухудшения условий теплового комфорта снизить температуру воздуха по сравнению с нормируемой для традиционных систем отопления; обеспечивается равномерность распределения температуры воздуха в объеме обслуживаемого помещения; сокращается перенос пыли и вредных выделений в помещение за счет более низкой подвижности воздуха.

Сравнение системы лучистого отопления с другими системами обогрева. Если сравнивать лучистое отопление с другими системами обогрева, то здесь можно выделить отдельно водяное, газовое и воздушное отопление. Рассмотрим и сопоставим их с точки зрения эффективности применения в агроклиматических системах закрытого типа на примере производственной теплицы (рис. 1).

Рис. 1. Графическое представление тепловых
 режимов конвективного и лучистого отопления в
закрытом помещении на примере
 производственной теплицы

 

Водяная отопительная система отопления включает в себя водогрейный котел с отводом продуктов сгорания в атмосферу. Теплоноситель циркулирует по трубам, отдавая теплоту отопительным приборам, которые в свою очередь отдают его теплице. Как правило, в такой системе используются несколько контуров: для нагрева воздуха; для нагрева бойлерной установки; для обогрева почвы. Недостатком такой системы является принцип работы, так как нагретый теплый воздух устремляется вверх, что приводит к охлаждению почвы. Это является неэффективным расходованием средств как на посев растений, который может не дополучить теплоту, так и для использования самого котла, который будет нерационально потреблять топливные ресурсы. Систему газового отопления, включающую в себя воздухопроводы, регулирующую арматуру, автоматические контрольно-измерительные приборы безопасности пользования газом, использовать с точки зрения экологии небезопасно, так как в случае утечки газа может возникнуть аварийная ситуации или вся продукция пропитается вредоносным для человека веществом. Воздушное отопление вызывает сухость воздуха в помещении, что является губительным для некоторых видов растений.

Инфракрасные излучатели работают по принципу солнечного обогрева, т. е. посылают инфракрасные тепловые лучи, которые накапливаются окружающими предметами (в том числе почвой), а последние отдают накопленную (аккумулированную) теплоту в окружающую среду. Таким образом, теплоотдача происходит посредством излучения. По своей природе инфракрасные лучи имеют такую же природу, что и видимый солнечный свет. Они абсолютно безвредны для человека и растений и в естественной среде могут выделяться всеми нагретыми телами – как твердыми, так и жидкими. Лучи инфракрасного излучения свободно проходят через воздух (рассеивание в воздушной среде пренебрежимо мало). В результате теплота, производимая инфракрасным обогревателем, достигает расположенных в зоне его действия предметов и поглощается ими с последующим нагревом. Эти особенности делают инфракрасное (лучистое) отопление удобным и выгодным видом поддержания теплового режима. При работе инфракрасный излучатель тратит на обогрев воздуха не более 7-10 % от производимой энергии, в то время как у конвекторного прибора этот показатель может составлять 50-60 %. Нагрев помещений происходит гораздо быстрее, нежели при использовании иных видов отопительных приборов. Отдельно следует сказать и о том, что инфракрасные лучи способны благотворно воздействовать на растения. Поглощение растениями инфракрасных лучей и выделение их в пространство являются формой полезного теплового воздействия на растение, как на живой организм. Обогреватели сами по себе не выжигают кислород и не сушат воздух, при использовании их в теплицах следует учитывать повышенную влажность, необходимую для нормального роста и развития растений. Инфракрасные обогреватели – это наиболее перспективный вид отопительных приборов, который является оптимальным выбором для отопления теплиц в холодный период года.

На основании выше изложенного перечислим преимущества применения инфракрасных излучателей в сельском хозяйстве:

1) перевод традиционной централизованной системы водяного отопления на местное газовое отопление, по мнению многих специалистов, дает снижение затрат на теплоснабжение в 2-4 раза;

2) в помещениях с высокими потолками при традиционных способах отопления нагретый воздух скапливается в верхней зоне, аккумулируя поступающую теплоту. При лучистом отоплении вся теплота с помощью отражателя передается в рабочую зону, т. е. туда, где оно непосредственно необходимо, прогревая почву, стены и оборудование. В свою очередь эти поверхности отдают полученную теплоту воздуху в помещении, при этом исключается образование воздушной «тепловой подушки» под потолком и перегрев кровли;

3) современные системы электрического отопления работают в автоматическом режиме, практически не требуют внимания со стороны эксплуатационного персонала. После установки и наладки системы в течение 15 лет можно ограничиться периодическими осмотрами – сервисным обслуживанием;

4) при работе в режиме автоматического управления, при очень малой инерционности управления, характерной для системы электрического отопления, можно точно выдерживать заданный температурный режим в отапливаемом помещении;

5) при отоплении инфракрасными излучателями используется существующий в природе принцип солнечного излучения. Инфракрасное излучение полностью соответствует тепловому излучению солнца, которое необходимо растениям;

6) обеспечивают возможность зонального отопления и отопления по сменам;

7) относительно высокий коэффициент полезного действия (до 94 %), надежность и безопасность.

Одним из способов лучистого отопления производственных и сельскохозяйственных объектов является применение газовых и электрических излучателей различной мощности и типоразмеров (рис. 2). К основным техническим характеристикам инфракрасных обогревателей относятся: мощность (Вт), напряжение (В) и сила тока (А). Как правило, в паспорте устройства приводятся его габариты, максимальная и минимальная высота подвеса (м), отапливаемая площадь помещения при различных вариантах отопления (м2).

 

 

Рис. 2. Газовые (слева) и электрические (справа) инфракрасные излучатели

 

 

Несмотря на преимущества лучистого отопления в сравнении с традиционными системами отопления, для каждого отдельного случая необходимо проводить оценку применения или перевода с того или иного вида обогрева по критериям экономической и энергосберегающей целесообразности.

Основная часть. В работе представлено технико-экономическое обоснование по укрупненным показателям перевода сельскохозяйственного объекта на примере производственной теплицы (рис. 3) с традиционного конвективного воздушно-водяного отопления на лучистое отопление для условий города Вологды.

 

 

Рис. 3. Фотографии теплицы в городе Вологде

 

 

Производственная теплица (объект теплопотребления) (рис. 3) подключена к системе централизованного теплоснабжения от районной отопительной котельной, которая является также собственностью организации (ОАО «Совхоз «Заречье»», г. Вологда). В качестве теплоносителя в системе используется вода из городского водопровода. Отопление теплиц осуществляется за счет системы теплоснабжения с дополнительным водообеспечением из баков тепличного комбината. Котельная установка подключена к магистральному газопроводу среднего давления. Водяная тепловая сеть двухтрубная, по типу прокладки трубопроводов (теплопроводов) – подземная в непроходных каналах марки КЛ. Регулирование подачи теплоты в системе – качественное, водогрейные котлы работают по режимной карте. График работы котельной – 130/70 при температуре наружного воздуха tн.о = -32 °С [5].

Общая площадь теплицы составляет
F = 980 м2, суммарный строительный объем по наружному обмеру V = 3200 м3. Габариты 14 х 70 х 1,4 (5 м – у конька теплицы) теплицы установлены с помощью инфракрасного дальномера Fluke 421D.

Технико-экономический расчет выполнен в три этапа: расчет капитальных затрат для осуществления технического решения (по укрупненным показателям); нахождение экономического эффекта от реализации предложенного проекта; определение срока окупаемости.

Капитальные затраты. В качестве источников инфракрасного излучения в теплицах, оранжереях, «зимних садах» большую популярность получили электрические обогреватели компании «Эколайн». Оптимальным вариантом для локального отопления агроклиматической системы (теплицы) служит промышленный обогреватель марки ЭЛ 30R с удельной отапливаемой площадью помещения f = 30 м2. Согласно прайс-листу компании (на IV квартал 2018 года), цена единицы продукции с учетом НДС составляет Цоб = 8480 руб. Денежные затраты на приобретение оборудования можно оценить по формуле, руб:

.                     (1)

Стоимость инфракрасных излучателей, согласно (1), составит Стоб = 8480·(980/30) = 277013 руб. (количество приборов округлено до целого значения в большую сторону). Денежные затраты на транспортные перевозки минимальны (компания имеет филиал внутри города) и поэтому в расчете не учитываются.

Стоимость проектных работ Стп.р – до 10 % от стоимости строительно-монтажных работ. Стоимость строительно-монтажных работ Стс-м.р – 25-30 % от стоимости оборудования. Стоимость пуско-наладочных работ Стп-н.р – 3-5 % от стоимости оборудования. В итоге суммарные капиталовложения (по максимальной стоимости видов работ) равны, руб:

.  (2)

Тогда по (2) суммарные инвестиции на реализацию энергосберегающего мероприятия по внедрению источников инфракрасного излучения в теплицах составят К = 1,38·277013 = 382278 руб.

Экономический эффект. Экономический эффект от применения инфракрасных излучателей достигается за счет следующих факторов:

1) снижение потребления топлива благодаря локализации зоны отопления помещения теплицы;

2) уменьшение потребления топлива из-за равномерного распределения теплоты в воздушном объеме помещения теплицы;

3) устранение тепловых потерь по теплотрассе;

4) сокращение потребления электрической энергии на циркуляцию теплоносителя в системе теплоснабжения.

Максимальный расчетный расход тепловой энергии на отопление строительного объекта (здания) по укрупненным показателям Qо, Гкал/ч, определяется по формуле [6]:

,       (3)

где β – коэффициент, учитывающий затраты теплоты на инфильтрацию в производственные здания, ориентировочно принимается 0,1-0,3;
at – поправочный коэффициент к отопительной характеристике, зависит от температуры наружного воздуха; qо – удельная отопительная характеристика здания, ккал/(м3·ч·°С); V – объем теплицы по наружному обмеру, 3200 м3; tвн – средняя температура воздуха в отапливаемом помещении, °С; tн.о – расчетная температура наружного воздуха, °С.

Поправочный коэффициент at дает поправку на отопительную нагрузку здания с учетом расчетной наружной температуры региона. По данным [5], расчетная температура наиболее холодной пятидневки для условий города Вологды, составляет tн.о = -32 °С. Тогда, согласно [7], поправочный коэффициент для города Вологды, будет равен at = 0,94.

Температура воздуха, поддерживаемая внутри теплицы для выращивания растений, в среднем за отопительный период имеет величину tвн = 23 °С с целью обеспечения температуры почвы 21 °С.

Фактическая удельная тепловая характеристика здания любого назначения определяется по формуле Н. С. Ермолаева [8], ккал/(м3·ч·°С):

, (4)

где p – периметр здания, равный 168 м; A – площадь поверхности здания, равная 2367,4 м2;
η – коэффициент, учитывающий остекление объекта (отношение площади остекления к площади ограждения), по расчетам составил 4,9;
kст, kок, kпт, kпл – коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций в виде стен, окон, потолка, пола соответственно, Вт/(м2·°С);
H – высота здания (среднее значение по ширине), равная 3,2 м.

Коэффициенты теплопередачи ki, Вт/(м2·°С), ограждающих конструкций теплицы для (4) по данным [9] представлены в табл. 1.

Тогда с учетом табл. 1 фактическая удельная отопительная характеристика теплицы по формуле (4) равна qо = 1,81 ккал/(м3·ч·°С). Максимальная расчетная тепловая нагрузка на здание, согласно формулы (3) составит Qо = 0,360 Гкал/ч.

Таблица 1

Значения коэффициентов теплопередачи ограждающих конструкций теплицы

Тип ограждающей конструкции теплицы

ki, Вт/(м2·°С)

1. Наружная стена

2,92

2. Оконные светопрозрачные ограждения

6,40

3. Кровля

6,40

4. Пол

0,50

Для определения годовых затрат теплоты на отопление производственного объекта [10] можно воспользоваться формулой, Гкал:

,                (5)

где tо.п – средняя температура наружного воздуха за отопительный период, по данным [5] для города Вологды -4,1 °С; zо.п – продолжительность отопительного периода, для города Вологды 5540 ч.

Годовые затраты энергии на нужды отопления теплицы по формуле (5) равны DQго =
 982,7 Гкал.

Среднегодовое количество теплоты, Гкал, теряемое в тепловой сети при транспортировке теплоносителя от источника теплоснабжения до теплицы при существующей системе отопления, определим по выражению:

,        (6)

где qпт.с и qот.с – плотность теплового потока через подающий и обратный теплопроводы, ккал/(м·ч); lуч – общая протяженность теплопровода от котельной установки до теплицы, м.

Теплица подключена к отдельной распределительной магистрали тепловой сети, которая имеет один участок между котельной и теплицей. Диаметр теплопровода dy = 100 мм, длина участка теплопровода lуч = 58 м. Теплопроводы проложены в непроходных каналах марки КЛ, снаружи теплоизолированы пенополиуретаном. Согласно [11], линейные тепловые потери через подающий и обратный теплопроводы будут равны qпт.с = 55,8 ккал/(м·ч) и qот.с = 17,5 ккал/(м·ч).

Тогда годовые тепловые потери от теплопроводов в окружающую среду, согласно формуле (6), равны DQгт.с. = 23,55 Гкал.

В котельной работают четыре сетевых насоса марки НК 90/85 и 1Д200/90. Основной функцией сетевых насосов является бесперебойная циркуляция теплоносителя в системе. Давление на выходе из котельной 6 кгс/см2, на входе – 2 кгс/см2 (избыточное давление в сети Dp = 392,4 кПа). Объемный расход теплоносителя на нужды отопления теплицы составляет V = 65,3 м3/ч. Коэффициент полезного действия сетевых насосов ηн = 80 %. Тогда годовые затраты электрической энергии на циркуляцию теплоносителя рассчитываются по формуле, кВт·ч:

.             (7)

По уравнению (7) получаем затраты электроэнергии DQгн = 49330 кВт·ч.

Годовые денежные затраты при существующей отопительной системе определим по формуле, руб./год:

,       (8)

где Qнр – низшая теплота сгорания природного газа, 7,2·10-3 Гкал/м3; ηка – коэффициент полезного действия, 91 % для КВГ-4.65-150; Тг – тариф на природный газ, руб./м3; Тэ – тариф на электрическую энергию, руб./(кВт·ч).

Для города Вологды на IV квартал 2018 года тариф на природный газ составляет 5422 руб. за 1000 м3, на электрическую энергию – 4,44 руб./(кВт·ч). Таким образом, годовые денежные затраты на отопление теплицы при существующей системе отопления по (8) будут равны
З1 = 1051731 руб./год.

Годовые денежные затраты при реализации лучистой системы отопления, работающей на полную мощность, можно вычислить по формуле, руб./год:

,                    (9)

где Nп – потребляемая электрическая мощность одним инфракрасным прибором, 3 кВт; n – количество установленных единиц, по результатам расчета 33.

Годовые денежные затраты на лучистый обогрев теплицы по (9) составят З2 =
1199871 руб./год.

Экономический эффект от внедрения энергоэффективных технологий в виде системы лучистого отопления в теплице находится через выражение, руб./год:

.                         (10)

Срок окупаемости. Согласно (10) мероприятие по внедрению электрических инфракрасных излучателей является нецелесообразным, так как дополнительные денежные затраты на их обслуживание составят 148140 руб./год. Это связано с доминированием стоимости единицы теплоты, производимой электрическим обогревателем 5170 руб./Гкал, над денежными затратами при использовании газообразного вида топлива 985 руб./Гкал с учетом снижения расхода условного топлива до DB = 132,9 т.у.т/год (88,7 % от первоначального значения). Как следствие, электрическое лучистое отопление при производстве 1 Гкал обойдется дороже конвективного воздушно-водяного более чем в 5 раза. Поэтому сейчас локальное лучистое отопление, как правило, используют в качестве дополнительного обогрева при пиковых отопительных нагрузках [12].

Выводы. По результатам расчетов применение инфракрасных излучателей для отопления агроклиматических систем закрытого типа (теплиц, оранжерей, «зимних садов») может приносить доход при определенных количественно-качественных условиях [13]. Экономического эффекта можно добиться либо путем снижения потребляемой мощности инфракрасного излучателя (это возможно реализовать при установке регулятора температуры, например, излучателя марки Эколайн ЭЛТР16) с 3 кВт до 1 кВт, либо благодаря сокращению количества инфракрасных излучателей с 33 до 10 единиц. Первая альтернатива номинальной работы излучателей является предпочтительней. Кроме того, возможен комбинированный вариант. Однако, в любом случае лучистое отопление с указанными выше параметрами функционирования невозможно в качестве единственного источника теплоты, так как это негативно отразится на тепловом режиме сельскохозяйственного объекта и на эффективности его работы.

Подводя итог, отметим, что лучистое отопление с использованием газовых инфракрасных излучателей является максимально выгодным с экономической точки зрения способом обогрева теплицы. Годовые удельные денежные затраты на энергообеспечение теплицы в 4 раза меньше, чем при традиционном (воздушно-водяном) отоплении. Электрическое инфракрасное отопление теплицы инфракрасными излучателями является максимально дорогостоящим вариантом обогрева теплицы (дороже газового более чем в 6 раз, и дороже традиционного в 1,4 раза).

Список литературы

1. СП 60.13330.2016. Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха: актуализированная редакция СНиП 41-01-2003: утв. Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 16.12.2016 № 968/пр. Введ. 17.06.2017. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2016. 104 с.

2. СТО НП АВОК 4.1.5-2006. Стандарт организации. Системы отопления и обогрева с газовыми инфракрасными излучателями: утв. приказом Президента НП «АВОК». Введ. 30.11.2006. М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. 12 с.

3. Миссенар Ф.А. Лучистое отопление и охлаждение: пер. с франц. М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1961. 320 с.

4. Мачкаши А., Банхиди Л. Лучистое отопление: пер. с венг. М.: Стройиздат, 1985. 464 с.

5. СП 131.13330.2012. Свод правил. Строительная климатология: актуализированная редакция СНиП 23-02-99*: утв. Минрегионом России от 30.06.2012 № 275. Введ. 01.01.2013. М.: ФАУ «ФЦС», 2015. 120 с.

6. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б., Манюк А.И., Ильин В.К. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: справочник. 4-е изд. М.: Либроком, 2009. 432 с.

7. Тихомиров А.К. Теплоснабжение района города: учеб. пособие. Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского государственного ун-та, 2006. 135 с.

8. Еремкин А.И., Королева Т.И. Тепловой режим зданий: учеб. пособие для вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2008. 363 с.

9. Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воз-духа объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства: учебник для вузов. СПб.: Политехника, 2008. 428 с.

10. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: учеб. для вузов. М.: АСВ, 2002. 576 с.

11. Методика определения фактических потерь тепловой энергии через тепловую изоляцию трубопроводов водяных тепловых сетей систем централизованного теплоснабжения / сост. А.А. Тищенко, А.П. Щербаков; под ред. В.Г. Семенова. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. 34 с.

12. Taylor T.M. Secrets to a success-ful greenhouse business // Mother Earth News. 1992. No. 135. Pp. 38-45.

13. Kavga A., Konstas I., Panidis T. Assessment of infrared heating benefits in a production green-house // Applied Engineering in Agriculture. 2015. Vol. 31 (1). Pp. 143-151.


Войти или Создать
* Забыли пароль?