Технико-экономическое обоснование применения энергосберегающих мероприятий является неотъемлемой составляющей разработки проектов инженерных решений по уменьшению энергопотребления при эксплуатации зданий и их инженерных систем. Это объясняется в первую очередь тем обстоятельством, что энергосбережение является, строго говоря, не самоцелью, а средством для снижения капитальных затрат и эксплуатационных издержек в рамках полного жизненного цикла здания.
Для реализации энергосбережения в нашей стране и за рубежом предлагаются различные мероприятия, связанные как с ограждающими конструкциями, так и с применением соответствующего климатического оборудования, а также способов его теплои холодоснабжения и управления [1–6]. Одним из наиболее эффективных способов сокращения расхода энергии при обеспечении необходимой комфортности внутреннего микроклимата помещений является автоматизация обслуживающих их систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
В работе [7] авторами было показано, что оптимальное регулирование теплообменного оборудования таких систем по пропорциональному закону оказывается достаточно малозатратным и быстроокупаемым, и даже с учётом дисконтирования затрат расчётный срок окупаемости технических средств автоматизации для большой группы общественных зданий оказывается в пределах от восьми до 13 лет. Это заведомо меньше проектного срока службы рассматриваемых систем.
Однако данный результат можно ещё улучшить, если дополнительно учесть уменьшение расчётного воздухообмена помещений за счёт введения коэффициента ассимиляции переменных теплопоступлений Касс [8]. По определению он равен отношению расчётного значения теплоизбытков, используемого при вычислении расхода воздуха, к максимальному в течение суток. Данный параметр всегда меньше единицы за счёт управляющего воздействия систем автоматизации и собственной теплоустойчивости помещения. В рассматриваемом примере для группы зданий средних школ по различным типовым проектам [9], использованной в [7], этот коэффициент можно оценить из следующих соображений.
Будем считать, что материалом слоя наружной стены, обращённого в помещения, является лёгкий бетон, покрытие пола — это линолеум, плита перекрытия — из железобетона, а внутренние ограждающие конструкции покрыты сухой штукатуркой, что достаточно типично для зданий образовательных учреждений. Тогда, в соответствии с данными [8], отношение показателя теплоусвоения ограждений к показателю конвективного теплообмена на их поверхностях Σ(YF)/Σ(αF) = 4,1, откуда по формуле (1) [8], при доле конвективной составляющей в переменных теплопоступлениях qк = 0,4, находим составляющую Касс, связанную с ассимиляцией лучистых теплоизбытков конвективным тепловым воздействием автоматизированной климатической системы:
Кроме того, из [2] определяем, что в рассматриваемых условиях удельная величина показателя теплопоглощения помещения, отнесённая к 1 м² площади всех ограждений, равна Руд = 1,61 Вт/(м²·К). В нашем случае удобно отнести её к 1 м² площади пола, поэтому, имея в виду, что поверхность потолка имеет такое же значение, а наружные стены и окна в исследуемой группе зданий в среднем имеют площадь, примерно в три раза меньшую [9], находим:
Удельные теплопоступления, также рассчитанные на 1 м² пола, можно оценить в размере 30 Вт/м² от солнечной радиации, 25 Вт/м² от искусственного освещения и 35 Вт/м² исходя из имеющегося коэффициента остекления, заполняемости учебных помещений и норм освещённости, в соответствии с действующими нормативными документами и данными справочной литературы, например [10]. Тогда суммарная величина возмущающего теплового воздействия
а амплитуда его колебаний может быть принята примерно в два раза меньше [8], то есть АQвозм = 90/2 = 45 Вт/м². Если теперь принять допустимую амплитуду колебаний температуры внутреннего воздуха по ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» равной Аtв = 2,5 К (половина диапазона для помещений второй категории, к которым относятся учебные классы), по выражению (2) [8] можно вычислить среднее значение динамического коэффициента регулирования вентиляционных систем:
Из формулы для расчётного значения теплоизбытков с учётом коэффициента ассимиляции Qрасч = AQвозм(1 + Kасс) ([8], с изменениями) нетрудно получить, что отношение принятых воздухообменов L2/L1 для разных вариантов расчёта будет равно величине:
Имея в виду, что при Rдин = 0,21 < 0,75 соотношение для коэффициента ассимиляции переменных теплопоступлений записывается как Kасс = (1 – 0,9Rдин)Bo [8], окончательно находим:
Видно, что в рассматриваемом случае это не слишком значительная величина, поэтому на типоразмеры вентиляционных установок и, следовательно, на капитальные затраты это не повлияет, однако пропорционально будут сокращаться эксплуатационные расходы Э на обработку воздуха, поскольку вырастет параметр ΔQг — уменьшение годовых затрат теплоты на обработку приточного воздуха за счёт автоматизации теплообменного оборудования. Тогда результаты расчёта для исследуемой группы зданий можно свести в табл. 1.
В данной таблице: К1 — стоимость технических средств автоматизации, которая, так же, как и в [7], принималась исходя из стоимости конкретных вентиляционных установок соответствующей воздухопроизводительности по данным [11]; Т0 и Ток — бездисконтный и дисконтированный срок окупаемости затрат на автоматизацию [8], соответственно. Уровень ΔQг рассчитывался исходя из положения о том, что оптимальное регулирование сокращает годовые затраты теплоты на 10 % [7], а сами эти затраты вычислялись для климатических условий Москвы при значении ГСОП (градусо-суток отопительного периода), равном 4515 К·сут.
Для сравнения в последней колонке таблицы приведены значения дисконтированного срока окупаемости Ток, полученного в [7] без учёта снижения расчётного воздухообмена. Видно, что такое снижение за счёт совместного воздействия автоматического регулирования и собственной теплоустойчивости помещений приводит к сокращению расчётного срока окупаемости примерно в два раза.
Таким образом, полученные результаты подтверждают, что при действующем уровне цен и тарифов на оборудование и энергоносители применение оптимального, то есть пропорционального закона регулирования для систем обеспечения микроклимата общественных зданий по сравнению с законами, включающими интегральную составляющую, не только упрощает конструкцию автоматики, но и позволяет добиться очевидного экономического эффекта.
