Оценка экономической эффективности геотермальных тепловых насосов для отопления зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка экономической эффективности геотермальных тепловых насосов для отопления зданий

Шаталов А.М., Псаров С.А.

ТОГУ, г. Хабаровск, Россия

Абстракт

тепловой насос экономический

В работе приведено исследование экономической эффективности геотермальных тепловых насосов, используемых для систем отопления зданий. Показано, что даже при использовании относительно дешевых тепловых насосов DanHeat отечественного производства, оборудованных качественными компрессорами Copeland, устройстве скважин до первого водного горизонта, не требующих согласования и имеющих минимально возможную стоимость бурения, окупаемость тепловых насосов возможна только при благоприятном инвестиционном климате. При этом срок окупаемости составляет не менее 15 лет. При среднем темпе инфляции с 2007 по 2017 год составляющем около 9% столь долгосрочные инвестиции, как инструмент сбережения денежных средств, представляется ненадежным из-за высоких рисков. Это приводит к нестабильности рынка геотермальных тепловых насосов и полному отсутствию рынка вспомогательного и сопутствующего оборудования.

Ключевые слова: геотермальный тепловой насос, срок окупаемости, норма дисконта, стоимость электрической энергии.

Abstract

Economic efficiency evaluation of geothermal heat pumps for heating buildings

Shatalov A. M., Psarov S. A.

PNU, Khabarovsk, Russia

The paper presents a study of the economic efficiency of geothermal heat pumps used for buildings' heating systems. It has been shown that even using relatively cheap DanHeat heat pumps of domestic production, equipped with high-quality Copeland compressors, and arranging boreholes to the first water horizon that do not require coordination and have the lowest possible drilling cost, the payback of heat pumps is possible only in a favorable investment climate. In this case the payback period includes at least 15 years.

This leads to the instability of the market of geothermal heat pumps and the complete absence of the market for auxiliary and related equipment. Analysis of the operation of heat pumps shows that in the warm season it is necessary to carry out measures to restore the heat of the soil. Otherwise, during several heating periods, the soil freezes, an emergency shutdown or failure of the heat pump compressor occurs.

The most promising for the restoration of soil warmth are solar collectors of a special design. However, now only solar collectors designed to produce hot water are widely represented on the market. At an average inflation rate from 2007 to 2017 of about 9%, such long-term investments as a cash-saving instrument do not seem reliable due to high risks. One of the ways to improve the investment climate could be government participation in the implementation of geothermal heat pumps.

The form of providing tax benefits to consumers and manufacturers of this equipment is the one of possible example. Foreign experience shows that such a strategy has a beneficial effect on the heat pump market.

Keywords: geothermal heat pump, payback period, discount rate, electric energy cost.

Постановка проблемы

Тепловой насос - это холодильная машина, которая отбирает теплоту от источника с низкой температурой (наружного воздуха, грунта, грунтовых вод и т.д.) и передает эту теплоту накопителю с более высокой температурой, пригодной для использования в системах отопления (обычно плюс 40-45 °С для систем отопления типа «теплый пол»). При этом тепловой насос, потребляя 1 кВт-ч электрической энергии, получает от источника с низкой температурой 2-3 кВт-ч тепловой энергии и передает суммарное количество энергии 34 кВт-ч накопителю. Отношение переданной накопителю тепловой энергии к затраченной электрической энергии называется коэффициентом трансформации теплоты или coefficient of performance (СОР) в англоязычной литературе. Чем больше значение СОР, тем эффективнее работает тепловой насос.

Несмотря на перспективность применения тепловых насосов для отопления зданий, в России существуют единичные примеры их реального положительного использования. Это связано с двумя основными причинами: техническими и экономическими. К техническим причинам можно отнести неправильное проектирование систем отопления на базе теплового насоса, использование дешевого и ненадежного оборудования, завышение показателей тепловых насосов и так да- лее[1]. Однако при правильном проектировании и контроле монтажа все технические проблемы являются устранимыми.

Экономические причины отсутствия массового внедрения тепловых насосов являются более неоднозначными. Инвестиционный рынок России по- прежнему остается сильно недооцененным. Краткосрочные и среднесрочные инвестиции в России могут приносить существенно больший доход, чем аналогичные инвестиции, например, в Европе, или США. Однако, в области долгосрочных инвестиций (сроком 10 и более лет), в связи с высоким риском неполучения запланированного дохода и наличием относительно недавнего негативного опыта, наблюдается довольно низкая активность инвесторов. В связи с этим, экономическая оценка эффективности инвестиций в инновационные решения является одним из важнейших этапов внедрения инновационных технологий. От результата экономической оценки зависит привлекательность технологии для инвестора и конечного потребителя. В связи с этим, к методу экономической оценки предъявляются достаточно высокие требования. Он должен учитывать все наиболее важные экономические аспекты на каждом этапе инвестирования, в том числе на этапе эксплуатации.

Методика оценки экономической эффективности

Одним из распространенных методов экономической оценки эффективности инвестиций является метод расчета чистого дисконтированного дохода и периода окупаемости [2]. Дисконтирование - это приведение будущих (разновременных) поступлений к стоимости сегодняшнего дня с помощью нормы дисконта Е. Норма дисконта Е представляет собой величину, учитывающую альтернативную, безрисковую доходность инвестиций, темп инфляции и поправки на риск.

Безрисковая составляющая нормы дисконта учитывает альтернативную, безрисковую доходность инвестиций (депозитные ставки банков 1 категории надежности, либо ставки по государственным облигациям) и может быть оценена на уровне 5%.

Темп инфляции является более сложной для определения величиной, поскольку зависит от увеличения цен на энергоресурсы, структуры затрат конкретной семьи, предприятия, рассматривающего инвестирование в энергосберегающие технологии и так далее. Поэтому инфляционную составляющую нормы дисконта можно предполагать в пределах от 0 до 6%.

Рисковая составляющая учитывает риски, связанные с внешней и внутренней политикой государства, с недобросовестностью подрядчиков, с неполучением запланированного дохода, с недостатками инновационной технологии, выявленной в ходе эксплуатации. При инвестировании в системы отопления на базе тепловых насосов рисковая составляющая может быть принята равной нулю или даже отрицательной величине, поскольку основой теплового насоса является компрессор, срок службы которого составляет от 30 до 50 лет. В целом все системы отопления на базе теплового насоса: теплый пол, геотермальные скважины и т.д. имеют срок службы не менее 30 лет.

Таким образом, норма дисконта Е при инвестировании в системы отопления на базе тепловых насосов может оцениваться в диапазоне от 5 до 11%.

При неравномерном поступлении денежных средств, расчет срока окупаемости предполагает пошаговое вычитание из общей суммы инвестиций годовых дисконтированных сумм денежных поступлений до тех пор, пока результат не будет равен нулю. Дисконтированная сумма денежных поступлений ЧДД за период определяется по формуле:

где И - сумма инвестиций, ДП - сумма денежных поступлений за г'-й период, п-- количество рассчитываемых периодов (лет).

Как было указано, для геотермальных тепловых насосов сроком жизни инвестиционного проекта можно считать минимальный срок эксплуатации компрессора - 30 лет.

Сумма инвестиций складывается из стоимости оборудования и стоимости монтажных работ. На текущий момент, промышленность выпускает тепловые насосы, ценовой диапазон которых начинается от 80 тысяч рублей. В зависимости от мощности и производителя, стоимость оборудования может доходить до нескольких миллионов рублей. Кроме того, значительной статьей расхода, порой превышающей стоимость самого теплового насоса, является устройство поля геотермальных скважин (источника теплоты низкого потенциала). Бурение одного погонного метра обходится от 1800 рублей в зависимости от типа грунта, параметров и количества скважин. В данной статье рассматриваются только грунтовые тепловые насосы с глубиной скважин 40 метров, как наиболее надежные источники тепловой энергии. Использование более глубоких скважин, артезианской воды, водоемов в качестве источника тепловой энергии может привести к нарушению требований Закона о недрах. Использование наружного воздуха в качестве источника теплоты в условиях дальневосточного климата также нецелесообразно, так как при понижении температуры наружного воздуха существенно уменьшается производительность теплового насоса.

Экономический эффект от эксплуатации инновационных инженерных систем возникает вследствие экономии денежных средств при эксплуатации данной системы по сравнению с эксплуатационными расходами традиционной системы. Эффект от использования геотермальной тепло-насосной системы возникает вследствие экономии электрической энергии при ее эксплуатации по сравнению с системой отопления, использующей в качестве источника тепловой энергии электрический котел.

Таким образом, результат экономической оценки зависит от многих факторов, в том числе от суммы инвестиций, то есть от выбора оборудования и от стоимости монтажных работ. Поэтому, говорить об эффективности, либо неэффективности инвестирования в геотермальные тепло-насосные системы можно лишь в контексте конкретных условий, исходных данных, заложенных в проект геотермальной тепло-насосной установки.

Исходные данные для расчета

Для наглядности в статье была произведена оценка экономической эффективности геотермальной тепло-насосной системы для хорошо утепленного одноэтажного жилого дома площадью 95 кв. м. Трансмиссионные тепловые потери здания через наружные ограждающие конструкции при расчетных параметрах составляют 5,99 кВт. В жилом доме запроектирована приточно-вытяжная система вентиляции ElectroluxEPVS-200 с рекуперацией теплоты удаляемого воздуха и предварительным нагревом приточного воздуха до минус 15 °С. Тепловые потери на нагрев вентиляционного воздуха с учетом рекуперации теплоты и предварительного нагрева составляют 1,50 кВт.

В данной работе было рассмотрено отопление жилого дома с помощью электрического котла ZOTA-9 «Lux» мощностью 9 кВт (стоимость 20600 руб.), либо с помощью геотермальной тепло-насосной установки DanHeat, которая при температуре грунта не ниже 0 °С и температуре в системе отопления плюс 45 °С имеет коэффициент преобразования теплоты равный 3,5. Стоимость теплового насоса с компрессором CopelandScroll составляет 149500 руб.

В качестве источника теплоты, согласно расчету, было принято поле из четырех геотермальных скважин глубиной 40 м. Грунт - суглинок. Стоимость бурения 1800 рублей за погонный метр. Работы по оборудованию скважин и подключению к тепловому насосу - 80 000 рублей.

Размер первоначальных инвестиций определялся, как разность совокупной стоимости оборудования для каждого варианта и составил 497000 руб. При этом из расчета была исключена стоимость оборудования и работ, характерных для обоих вариантов.

Результаты расчета и их анализ

В случае использования электрического котла, расчетный годовой расход электрической энергии на отопление составил 16710 кВт-ч. В случае использования теплового насоса, расчетный годовой расход электрической энергии на отопление составил 4607 кВт-ч. В обоих случаях рассматривается постоянная работа оборудования без длительных перерывов, перевода оборудования в дежурный режим отопления и других мероприятий, позволяющих экономить электрическую энергию.

Сумма денежных поступлений за год определялась как разница между потреблением электрической энергии с использованием электрического котла и теплового насоса (12103 кВт-ч/год), умноженная на стоимость электрической энергии. Стоимость электрической энергии для Хабаровского края и ближайших соседей во втором полугодии 2019 года находится в пределах от 2,8 руб/кВт-ч (городское население ЕАО) до 4,00 (садово-огороднические товарищества ЕАО) и 4,24 руб/кВт-ч (население Сахалинской области).

На рис. 1 приведена зависимость чистого дисконтированного дохода от периода эксплуатации для двух предельных случаев: минимальной ставки дисконта 5% и наибольшей стоимости электрической энергии 4,24 руб/кВт-ч (верхняя кривая) и максимальной ставки дисконта 11% и наименьшей стоимости электрической энергии 2,8 руб/кВт-ч (нижняя кривая).

Рис. 1. Дисконтированный доход для двух предельных случаев в зависимости от периода эксплуатации

На рис. 1 видно, что при минимальной ставке дисконта 5% и наибольшей стоимости электрической энергии 4,24 руб/кВт-ч срок окупаемости теплового насоса составляет приблизительно 13 лет, а при максимальной ставке дисконта 11% и наименьшей стоимости электрической энергии 2,8 руб/кВт-ч тепловой насос не окупается.

На рис. 2 показана зависимость требуемой стоимости электрической энергии от срока окупаемости для различных норм дисконта. По графикам, приведенным на рис. 2, видно, что даже при использовании относительно дешевых тепловых насосов DanHeat отечественного производства, имеющих, тем не менее, качественные компрессоры Copeland, устройстве скважин до первого водного горизонта, не требующих согласования и имеющих минимально возможную стоимость бурения, окупаемость тепловых насосов возможна только при благоприятном инвестиционном климате. При этом срок окупаемости составляет не менее 15 лет.

Рис. 2. Требуемая стоимость электрической энергии в зависимости от срока окупаемости для норм дисконта: 5% (нижняя кривая), 7%, 9%, 11% (верхняя кривая)

Заключение

За период с 2007 по 2017 год темп инфляции в России составил 92.5%, то есть 9.25% в год. На фоне снижения ставки рефинансирования в последние годы наблюдается снижение темпа инфляции, однако, инвестиционный климат в стране оставляет желать лучшего. Долгосрочные инвестиции, как инструмент сбережения денежных средств представляется ненадежным из-за высоких рисков.

Одним из путей улучшения инвестиционного климата могло бы стать участие государства в вопросе внедрения грунтовых тепловых насосов. Например, в виде предоставления налоговых льгот потребителям и производителям данного оборудования. Зарубежный опыт показывает, что подобная стратегия благотворно сказывается на рынке тепловых насосов. В Японии, при поддержке правительства страны, продажи геотермальных тепловых насосов в 2010 году вышли на уровень более 500 000 в год. Китай, где рост рынка был обусловлен введением государственной поддержки и подготовкой к прошедшей Олимпиаде 2008 года на сегодняшний день также занимает одну из лидирующих позиций.

Библиографические ссылки на источники

1. Москаленко И.В. Тепловые насосы. Практический опыт внедрения и проблемы рынка // Сантехника, отопление, кондиционирование. - 2018. - № 3. - С. 54-67.

2. Экономическая оценка инвестиций : учеб.пособие / Н. В. Воронина.- 2-е изд., перераб. и доп,- Хабаровск : Изд-воТихоокеан. гос. ун-та, 2015.-241 с. ISBN 978-5-73891628-1.

3. Bertram Е. Heat pump systems with vertical ground heat exchanger and uncovered solar thermal collectors. - MV-WISSENSCHAFT, 2015. - 258 p.

Размещено на Allbest.ru