Введение

Вопрос о целесообразной теплозащите зданий и влиянии на неё технических и экономических факторов с различных сторон рассматривается в современных публикациях, например [1, 2]. В предлагаемой статье выбор целесообразной теплозащиты офисного здания различного объёма в Москве осуществляется на основе сравнения совокупных дисконтированных затрат для различных вариантов теплозащиты зданий при различных стоимостных показателях самого утепления и средств поддержания микроклимата в помещениях здания в течение всего года.

Потребность здания в теплоте и холоде для поддержания заданного температурного режима помещений в условиях города Москвы определялась [3] расчётом нестационарного суточного теплового режима офисных помещений при различных значениях температуры наружного воздуха. Температура офисных помещений поддерживалась в пределах допустимых норм по [4].

Рассматриваемые варианты зданий

Варианты размеров здания отличались друг от друга различной длиной и различной этажностью. Ширина здания принята во всех случаях одинаковой и равной 20,2 м по наружному обмеру. Все торцевые стены глухие (без окон).

Рассматривались здания следующих длин: 20,2; 40,8; 61,2 м. При увеличении длины здания растёт как площадь продольных стен, так и площадь покрытий. Площади глухих торцевых стен сохраняются неизменными. Рассматривались здания в три и 12 этажей. Доля остекления продольных стен представлена в трёх вариантах: 0,25; 0,326; 0,55. Окна достаточно плотные, чтобы не учитывать инфильтрацию. В зданиях находятся офисные помещения одинаковых размеров h (д × ш × в), равных 10,1 × 6,8 × 3,9 м.

Причём рассматривались помещения четырёх видов: рядовые на промежуточных этажах, рядовые на верхнем этаже, угловые на промежуточных этажах, угловые на верхнем этаже. Помещения имеют большую глубину (10,1 м), что приводит к значительному разбросу тепловыделений, приходящихся на единицу площади наружных ограждающих конструкций. Например, в рядовых помещениях на среднем этаже наружные ограждения имеют суммарную площадь 26,5 м2, а в угловых помещениях на верхнем этаже составляют 134,6 м2.

Были рассмотрены три варианта теплозащиты здания, отличающиеся друг от друга сопротивлением теплопередаче наружной стены и покрытия.

Для первого варианта сопротивление теплопередаче наружной стены и покрытия приближается к нормируемым формулой (5.4) Свода Правил [5] по санитарно-гигиеническим условиям. Третий вариант теплозащиты соответствует нормам исходя из энергосбережения по табл. 3 [5]. Для второго варианта сопротивления теплопередаче наружных стен и покрытий рассчитаны по формуле (5.1) того же СП [5] с применением понижающего коэффициента 0,63 для стен и 0,8 для покрытия по отношению к третьему варианту.

Величины сопротивлений теплопередаче [м2·°C/Вт] для наружных ограждающих конструкций, соответствующие первому, второму и третьему вариантам по нормативам города Москвы, следующие: для стен — 1,25; 1,8; 2,6; для покрытий — 1,4; 2,9; 3,6. Сопротивление теплопередаче окон во всех вариантах принято равным 0,54 м2·°C/Вт. Теплопоступления в офисные помещения выбраны на трёх уровнях: 30, 50 и 70 Вт/м2. Причём в эту величину входит и проникающая через окна солнечная радиация.

На мощность отопления при любой температуре наружного воздуха накладываются два ограничения. Во-первых, она не должна превосходить мощность отопления, поддерживающего круглосуточно в помещении температуру 20 °C. Во-вторых, температура помещения к началу рабочего дня не должна быть ниже 18 °C, а к концу рабочего времени — выше 24 °C. Потоки охлаждения подбирались для каждого конкретного варианта расчёта индивидуально. При этом температура помещения в течение всего дня не превышала 24 °C.

Результаты расчёта годового энергопотребления здания

На теплопотребление здания больше всего влияют теплозащита и особенно, как элемент теплозащиты, размер окна. Например, при одинаковых значениях общих коэффициентов здания теплопередачи величина удельного энергопотребления при остеклённости фасада 0,55 в полтора раза больше, чем при остеклённости 0,25. Чем теплозащита меньше (больше общий коэффициент теплопередачи), тем больше теплопотребление на отопление здания. При теплозащите по санитарно-гигиеническим условиям (вариант теплозащиты 1) годовая потребность в теплоте здания по варианту 4 в семь раз больше, чем при базовой теплозащите (вариант теплозащиты 3) при тепловыделениях в 50 Вт/м2. На энергопотребление здания большое влияние оказывают тепловыделения внутри него. При отоплении теплопоступления играют положительную роль. В течение рабочего дня они компенсируют часть или все теплопотери. Поэтому при теплопоступлениях 70 Вт/м2 пола помещения теплопотребление ниже относящихся к теплопоступлениям 50 и 30 Вт/м2.

Что касается охлаждения, то тепловыделения в здании играют отрицательную роль, и удельная потребность в холоде возрастает с увеличением удельных тепловыделений.

В годовом разрезе нагрузка на системы машинного и свободного охлаждения меньше в зданиях с наименьшей теплозащитой (вариант теплозащиты 1) и при меньших теплопоступлениях в помещение. Интересно, что нагрузка на охлаждение меньше при большей остеклённости фасада, так как при этом теплозащита здания снижается, что подтверждает предыдущий тезис. При экономическом сравнении самые большие сезонные нагрузки на охлаждение возникают в вариантах нормативной теплозащиты (вариант 3).

Экономическое сравнение вариантов утепления здания

Для ответа на вопрос о целесообразности степени утепления офисного здания недостаточно полученных энергетических оценок. Следует выполнить экономические сравнения, которые представлены в данной статье.

Для экономической оценки вариантов утепления здания выбраны совокупные дисконтированные затраты (СДЗ) [6]. При этом значения СДЗ приняты на горизонте 10 лет, так как срок службы холодильного оборудования равен приблизительно этому промежутку времени. Кроме того, если окупаемость вложенных средств не укладывается в этот срок, то вариант нельзя считать выгодным. Этот тезис подтверждается тем, что в советские времена срок окупаемости в экономических расчётах для строительства был принят равным Т = 10 лет.

В качестве единовременных затрат в СДЗ учитываются: стоимость утеплителя с учётом его транспорта и монтажа; стоимость системы отопления, включающей в себя не только трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой и отопительные приборы, но и циркуляционный насос, теплообменник и сетчатый фильтр [7], стоимость оборудования для свободного и машинного охлаждения [8], стоимость присоединения к тепловым и электрическим сетям.

Эксплуатационные расходы состоят из стоимости теплоты, холода и амортизационных отчислений. Так как все составляющие капитальных и эксплуатационных затрат могут изменяться в значительных пределах, для расчётов выбраны диапазоны изменения каждого из них:

Определение экономически целесообразной теплозащиты офисного здания со значительными теплоизбытками . 2/2017. Фото 1

  • стоимость утеплителя от 9000 до 22 000 руб/м3;
  • стоимость систем отопления от 15 000 до 100 000 руб/кВт мощности системы отопления;
  • стоимость системы машинного охлаждения от 29 400 до 32 100 руб/кВт мощности системы машинного охлаждения;
  • стоимость системы свободного охлаждения от 9700 до 21 000 руб/кВт мощности системы свободного охлаждения;
  • стоимость присоединения к тепловым сетям от 550 до 50 000 руб/кВт;
  • стоимость присоединения к электросетям от 550 до 100 000 руб/кВт;
  • стоимость теплоты от 1,81 до 3,0 руб/ (кВт·ч);
  • стоимость электроэнергии от 3,61 до 5,68 руб/(кВт·ч);
  • ставка дисконта изменялась от 5 до 10 %.

На рис. 1 приведены некоторые результаты расчётов. Данные расчёты были осуществлены при различной стоимости [систем отопления — 60 000 руб/ кВт; систем свободного охлаждения — 10 500 руб/кВт; машинного охлаждения — 27 600 руб/кВт мощности каждой системы; тепловой энергии — 3,0 руб/(кВт·ч); машинного холода — 1,95 руб/(кВт·ч); свободного холода — 0,76 руб/(кВт·ч); утепления — 22 000 руб/м3; присоединения к электросетям — 100 000 руб/кВт] в зависимости:

а. от стоимости присоединения к теплосетям при стоимости электроэнергии 5,68 руб/(кВт·ч) для трёхэтажного здания размером 40,8 х 20,2 м с остеклённостью фасада 0,25;

б. то же для 12-этажного здания размером 61,2 х 20,2 м с остеклённостью фасада 0,55;

в. от стоимости электроэнергии при стоимости присоединения к тепловым сетям 50 000 руб/кВт для трёхэтажного здания размером 40,8 х 20,2 м с остеклённостью фасада 0,25;

г. то же для 12-этажного здания размером 61,2 х 20,2 м с остеклённостью фасада 0,55.

Определение экономически целесообразной теплозащиты офисного здания со значительными теплоизбытками . 2/2017. Фото 2

Анализ влияния отдельных факторов на соотношение совокупных дисконтированных затрат при различном утеплении для условий города Москвы выявил следующие тенденции.

При принятых диапазонах изменения стоимостных показателей возрастание ставки дисконта с 5 до 10 °% практически не влияет на выбор экономически целесообразного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций офисного здания.

Влияние размера здания подтвердило существующее мнение, что здания меньшего объёма следует утеплять сильнее.

Возрастание стоимости утеплителя с учётом монтажа от 9000 до 22 000 руб/м3 приводит к значительному увеличению величины СДЗ.

Изменение стоимости системы отопления в диапазоне 15 000-100 000 руб/кВт мощности системы вызывает увеличение СДЗ для всех вариантов сначала интенсивное, а выше 60 000 руб/кВт мощности системы отопления увеличение СДЗ затухает и растёт медленно. Для низких стоимостей системы отопления выгодным вариантом теплозащиты здания является утепление по санитарно-гигиеническим условиям, для высоких — по базовому варианту.

Изменение стоимости систем охлаждения в диапазонах, указанных выше, вызывает увеличение СДЗ для всех вариантов сначала медленное, а выше 20 500 руб. за 1 кВт мощности систем охлаждения увеличение СДЗ интенсифицируется. Для низких стоимостей систем выгодным вариантом теплозащиты здания является утепление по санитарно-гигиеническим условиям, для высоких — по базовому варианту.

Возрастание стоимости теплоты приводит к равномерному, практически линейному возрастанию СДЗ. При этом более дешёвая теплота способствует выгоде утепления по санитарно-гигиеническим нормам, а дорогая — по базовому варианту.

Увеличение стоимости электроэнергии приводит к незначительному увеличению СДЗ.

Рост стоимости присоединения к электросетям также вызывает рост СДЗ, причём до 70 000 руб/кВт присоединяемой мощности это увеличение идёт интенсивно, а выше — замедляется.

Увеличение стоимости присоединения к тепловым сетям носит тот же характер, что и к электрическим.

Вывод

Исследование подтвердило, что здания малого объёма (три этажа и менее) целесообразно утеплять более основательно, чем здания большого объёма. Здания в 12 этажей чаще выгодно утеплять по санитарно-гигиеническим нормам. Однако для того, чтобы выделить области сочетаний стоимостей отдельных составляющих капитальных и эксплуатационных затрат и размеров офисных зданий, при которых выгодны те или другие варианты утепления, необходимо провести дальнейшее исследование.