Скупой платит дважды, или Чем грозит установка морально устаревающего оборудования?

Тогда помещение можно было рассматривать как гомогенную систему. За последние 10–15 лет состояние окружающей среды существенно ухудшилось. Ухудшение качества внутреннего воздуха дополнительно усугубляется использованием при строительстве и отделке современных материалов, в том числе с высокоразвитой поверхностью (пористой структурой). Закономерным результатом может стать неконтролируемый процесс образования внутри помещения различных химических соединений вплоть до таких, которые нельзя получить обычным аналитическим путем. За рубежом сформировалось даже такое понятие, как «синдром больных зданий». К большому сожалению, данные процессы еще недостаточно изучены и описаны. Но с каждым годом становится все более очевидной необходимость улучшения воздушной среды в помещениях, где мы работаем и живем. И, если раньше при создании СКВ и СВ преобладал принцип экономической целесообразности, то сегодня крайне актуальным становится вопрос строгого поддержания физико-химических параметров воздуха. Если помещение является гетерогенной системой, то загрязнение воздуха необходимо рассматривать уже на ионно-молекулярном уровне. Один из главных параметров, влияющих на объемные, а, следовательно, на поверхностные концентрации компонентов в помещении — расход наружного воздуха. Очевидна необходимость его увеличения. Но это, в свою очередь, приведет к резкому повышению энергопотребления, что диктует необходимость внедрения энергоэффективных технологий при создании СВ. Специалисты, занятые в нашей сфере, более или менее отдают себе в этом отчет. Но как убедить заказчика в пользу выбора энергоэффективного оборудования из более высокого ценового сегмента, чем сумма, на которую он рассчитывал изначально? Обозначим расход наружного воздуха, обеспечиваемый СВ, — L (м³/ч). Количество тепла, которое необходимо подать на границу раздела между наружным и приточным воздухом для нагрева поступающего воздуха за время работы СВ, можно определить как: Q= 2,78 •10^–4 ρL(I₁ – I₂)Т, (1) где: ρ— плотность воздуха, кг/м³; L— расход наружного воздуха, м³/ч; I₁ — удельная энтальпия приточного воздуха, кДж/(кг ˙с.в.); I₂ — удельная энтальпия наружного воздуха, кДж/(кг ˙с.в.); Q— количество тепла, необходимое для нагрева наружного воздуха за время работыСВ, кВт ˙ч; Т — время работы СВ, ч. Если СВ в течение отопительного периода работает круглосуточно (Т = T_отоп), то для расчета энергопотребления, необходимого на нагрев наружного воздуха, можно воспользоваться другим методом расчета — i–d-диаграммой и таблицей средней продолжительности температуры воздуха различных градаций в часах для конкретного населенного пункта [1].Например, СВ с расходом воздуха L = 1000 м₃/ч в условиях климата г. Сыктывкара на нагрев наружного воздуха до температуры 18°С за отопительный период необходимо Q = 48 575 кВт ˙ч тепловой энергии (табл. 1.). То есть для фиксированной температуры приточного воздуха и промежутка времени работы СВ, равного отопительному периоду, количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в условиях климата Сыктывкара, прямопропорционально расходу наружного воздуха, тогда выражение (2) можно представить в виде: Q= К_qL, (2) где К_qL — коэффициент пропорциональности, [(кВт ˙ч /м³)˙ч]; Q — среднее количество тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха в течение отопительного периода для СВ с расходом наружного воздуха L, кВт ˙ч. Определим коэффициент пропорциональности для различных температур приточного воздуха (табл. 2). Как следует из многолетних метеорологических наблюдений [2], основное потребление энергии — до 85,4% — приходится на январь, февраль, март, октябрь, ноябрь и декабрь (табл. 3) с разницей между дневным и ночным периодом суток в 2%, поэтому можно считать потребление тепловой энергии СВ в течение суток во время отопительного периода равномерным. Поделим правую и левую части выражения (2) на количество часов отопительного периода (T_отоп), тогда среднее почасовое потребление тепловой энергии Q ´= Q/ T_отоп за отопительный период будет составлять: Q ´= К_qL/T_отоп, (3) где T_отоп— отопительный период в часах, Q ´— среднее почасовое количество тепла (кВт ˙ч), необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период для СВ с расходом наружного воздуха L, м³/ч. Следовательно, в условиях климата Сыктывкара на нагрев 1 м³/ч наружного воздуха до температуры 20°С, в среднем в течение отопительного периода (в нашем примере это 5856 ч) потребуется тепловой энергии Q ´= 52,534/5856 = 8,97 •10–3 кВт ˙ч. Если обозначить К ´_q = К_q/ T_отоп, то выражение (2) будет иметь вид: Q= К ´_qL T_отоп. (4) Для того, чтобы учесть использование вторичных энергетических ресурсов, количество тепловой энергии, подаваемой на границу раздела между наружным и приточным воздухом, представим в виде: Q=Q_пр + Q_Вт, (5) где Q_пр— количество тепла, получаемого при прямом нагреве наружного воздуха; Q_Вт— количество тепла, получаемого за счет вторичных энергетических ресурсов. Введем коэффициент использования вторичных энергетических ресурсов, равный: η´= η/100, (6) где η— коэффициент утилизации (например, для пластинчатого утилизатора η= 50%, роторного η= 80%), %. Тогда количество тепла Q_Вт, получаемого за счет тепловых вторичных энергетических ресурсов, в общем потреблении энергии, необходимой на нагрев наружного воздуха, будет составлять Q_Вт= η´Q (7). Учитывая, что заказчик оплачивает расход энергии только на прямой нагрев Q_пр= Q – Q_Вт (8), подставив в (8) выражения (4) и (7), получим Q_пр= (1– η´)К´_qL T_отоп (9). Если отопительный период разбить на режим работы офиса — рабочее и нерабочее время, то T_отоп= T_р + T_н, (10) где T_р— время работы офиса в течение отопительного периода, T_н— нерабочее время. Если в (10) применить выражение (9), получим, что Q_пр = (1 – η´)( T_р + T_н) К´_qL, (11) Пусть расход воздуха в рабочее время суток составляет L = L_р, а в нерабочее L = L_н тогда: Q_пр= (1 – η´)(L_рT_р + L_нT_н)К´_q , (12) Если L_р= К_LL_н, то Q_пр= (1 – η´)(T_р + К´_LT_н) К´_qL_р, (13) где К´_qL = 1/К_qL — коэффициент пропорциональности расхода наружного воздуха в рабочее и нерабочее время или: Q_пр= (1 – η´)( T_р + К´_L T_н)•К_qL_р /(T_р + T_н). (14) Качество воздуха в помещении существенно зависит от воздухообмена в нерабочее время, т.н.фоновой вентиляции [3, 4]. Будем подразумевать под фоновой вентиляцией воздухообмен, достаточный для предотвращения образования химических соединений на высокоразвитых поверхностях в помещениях, внутри СКВ и СВ и удаления вредных веществ из помещения. Сравним энергопотребление различными СВ в одинаковых условиях (К´_L, К_q) за отопительный период. Для этого введем обозначение: К_общ = ( T_р + К´_L T_н)К_q/(T_р + T_н), тогда Q_пр= (1 – η´) К_общL_р. (15) Пусть есть две СВ с потреблением тепловой энергии Q_1пр и Q_2пр. Разница в потребности тепла, необходимого для нагрева наружного воздуха за отопительный период, составит: ∆Q_пр = Q_1пр– Q_2пр= (η´₂ – η´₁)К_общL_р. (16) Если рассматривать системы вентиляции с переменным расходом воздуха, одна из которых прямоточная (η´₁= 0), а вторая— с утилизацией удаляемого воздуха, то экономия энергии за отопительный период составит: ∆Q_пр= К_общ η´₂L_р. (17) Сравнивая между собой системы вентиляции с естественным побуждением (η´₁=0, К´_L = 1) и утилизацией удаляемого воздуха, экономию энергии в течение отопительного периода можно вычислить по следующей формуле: ∆Q_пр= К_qL_р – (1 – η´₂)К_общL_р. (18) Пример Предположим, что в г. Сыктывкаре есть некое помещение, непроницаемое для воздуха, где регулируемая система отопления поддерживает температуру равную 20°С.Необходимо обеспечить расход наружного воздуха в объеме L_р, фоновую вентиляцию L_н = 0,25 •L_р при условии восьмичасового рабочего дня и пятидневной рабочей недели, температура приточного воздуха –20°С, т.е. К_q = 52,534 [(кВт ˙ч/м³)˙ч]; Т_отоп = 5856 ч; рабочее время T_р = 1301 ч; нерабочее время T_н = 4555 ч; коэффициент утилизации η= 80% или η´= 0,8; К_общ= 21,887 [(кВт ˙ч/м³)˙ч]. Экономия энергии за отопительный период для СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к прямоточной системе по выражению (17) составит: ∆Q_пр=К_общη´₂L_р = 17,51• L_р, (19), а СВ с утилизацией удаляемого воздуха по отношению к СВ с естественным побуждением: ∆Q_пр= К_qL_р – (1 – η´₂) К_общL_р = 48,16•L_р. (20) Если расчетное потребление тепловой энергии, необходимой на прямой нагрев наружного воздуха СВ с естественным побуждением (К´_L= 1, η´= 0), принять за 100%, то расчетный расход тепловой энергии различными системами вентиляции относительно ее (14) составит: ❏ для механической прямоточной с переменным расходом воздуха — 41,67%; ❏ для механической с 50%-й утилизацией удаляемого воздуха и переменным расходом воздуха— 20,83%; ❏ для механической с 80%-й утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха— 8,33%. Для интереса посчитаем, какое количество энергии (кВт˙ч) будет затрачено различными системами вентиляции для обеспечения воздухом одного рабочего места за 10 лет эксплуатации. Примерное потребление тепловой энергии для прямого нагрева наружного воздуха на одно постоянное рабочее место, приняв расход наружного воздуха в рабочее время (L_р) за 60 мн)— 15м³/(ч˙чел) составит: ❏ системой с естественным побуждением— 31 520,40; ❏ механической прямоточной с переменным расходом воздуха— 13 132,20; ❏ механической с 50%-й утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха— 6566,10; ❏ механической с 80%-й утилизацией удаляемого воздуха с переменным расходом воздуха— 2626,44. Уже сейчас существуют объективные предпосылки к изменению сегодняшних нормативов расхода наружного воздуха, т.к. до сих пор мы при расчетах закладываем цифры, которые были адекватны много лет назад. Сегодня совершенно другие строительные технологии, конструкции и отделочные материалы, да и качество наружного воздуха оставляет желать лучшего. Например, Ю.Д. Губернский, проведя ряд исследований в этом направлении, пришел к выводу [5] о необходимости увеличения планки оптимального воздухообмена до 200 м³/( ч˙чел). Рассмотрим различные расходы воздуха: 60; 90 и 120 м³/( ч˙чел), при фоновой вентиляции до 25%. Предположим, что одна из этих величин может быть принята как будущий норматив (в том, что она изменится в большую сторону и произойдет это относительно скоро, сомнений практически нет). Просчитаем (18) экономию тепловой энергии (кВт˙ч), необходимой для прямого нагрева наружного воздуха за 10 лет эксплуатации на одно постоянное рабочее место, для СВ с утилизацией удаляемого воздуха с коэффициентом рекуперации 80% относительно СВ с естественным побуждением или механической прямоточной системой с постоянным расходом воздуха (К´_L=1, η´= 0): ❏при 60 м3/ч на человека — 28 893,96; ❏при 90 м3/ч на человека — 43 340,94; ❏при 120 м3/ч на человека — 57 787,92. Из (13) или (14) следует, что снизить энергопотребление СВ, не уменьшая расхода наружного воздуха (при обеспечении надлежащего качества воздуха в помещении), возможно за счет утилизации тепловой энергии. Полную стоимость климатической системы можно выразить так: С_пол = С_кап + ∑Q_прZ_i + ∑С_i, (21) где i = 0,…, Т; С_кап— стоимость величины единовременных затрат; Т_экспл— расчетный срок эксплуатации климатической системы, лет; Z_i — ежегодный тариф за кВт˙ч тепловой энергии за время эксплуатации установки; ∑С_i— стоимость остальных эксплуатационных затрат. Представим себе две системы с полной стоимостью С_1пол и С_2пол, с условием, что через 10 лет эксплуатации С_1пол будет равна С_2пол, т.е.: С_1кап + ∑Q_1прZ_i + ∑С_1i = С_2кап + ∑Q_2прZ_i + ∑С_2i. (22) Допустим, что в обоих случаях выбирается вентиляционное оборудование одного класса или, например, одного производителя. Тогда можно считать, что ∑С_1i=∑С_2i, а: С_1кап+ Q_1прZ_срТ_экспл = С_2кап+ Q_2прZ_срТ_экспл, (23) или ∆С_кап = С_2кап – С_1кап = Т_эксплZ_ср ( Q_1пр – Q_2пр). (24) Учитывая (19) и прогнозируя повышение тарифов на тепловую энергию один раз в год и только на 10% (это очень оптимистичное предположение, на самом деле реальное повышение тарифов может быть существенно больше), средняя цена за 10 лет эксплуатации составит Z_ср = 0,64 руб/ кВт˙ч тепловой энергии (табл. 4). Вычислим единовременные затраты на СВ с переменным расходом воздуха, сравнение проведем между системой с 80%-й утилизацией удаляемого воздуха и прямоточной системой за 10 лет эксплуатации (Т_экспл = 10 лет). ∆С_кап= 10•0,64•17,5•Lр = 112•Lр, руб. (25) т.е. разница затрат только на нагрев 1 м3/ч наружного воздуха за 10 лет эксплуатации составит не менее 112 руб.! Преобразуем уравнение (24): С_2кап(1 – С_1кап/С_2кап)= Т_эксплZ_ср∆Q_пр. (26) Обозначим К_с = С_1кап/С_2кап, тогда: С_2кап(1 – К_с)= Т_эксплZ_ср∆Q_пр. (27) Пусть величина Кс принимает значение 0 ≤ К_с≤ 1, при К_с= 0, С_1кап = 0. С_2кап= Т_эксплZ_ср∆Q_пр= 112•Lр, руб. (28) Эту же точку можно считать точкой отсчета в сравнении между вентиляцией с утилизацией удаляемого воздуха относительно системы с естественным побуждением (20). ∆Q_{прям.пр}Z_i= С_2кап + ∑Q_2пр Z_i + ∑С_2i, С_2кап= Т_эксплZ_ср∆Q_пр– ∑ С_2i, (29) С_2кап= 308,22•Lр –∑С_2i. При К_с= 1 или С_2кап= С_1кап СВ с утилизацией удаляемого воздуха с момента ввода ее в эксплуатацию (Т = 0) приносит доход относительно прямоточной системы. При 0 < К_с < 1 если известны С_1капи С_2кап (например, из коммерческих предложений), то из уравнения (28) можно определить срок окупаемости СВ с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы: Т_окуп = (1 – К_с) С_2кап/(Z_ср∆Q_пр). (30) Рассмотрим следующий пример: Пусть система воздухораспределения для прямоточной СВ и системы с утилизацией удаляемого воздуха в одних и тех же помещениях одинаковая, Проектировщик предоставил заказчику результат расчета воздухообмена — L_р = 10 000 м³/ч при А₁ = ( L_р – L_min)/ L_min = 0, где L_min— нормативный расход наружного воздуха. Заказчик подтвердил, что данный воздухообмен его устраивает, определил режим работы СВ К´_L= 0,25. Проектировщик предоставил заказчику технические характеристики необходимого оборудования. Изучив рынок, заказчик установил, что стоимость вентиляционного оборудования с техническими характеристиками, обозначенными проектировщиком, для прямоточной СВ, которая не относится к энергоэффективному оборудованию, по сравнению с системой утилизации удаляемого воздуха, в два раза ниже. Условно, С_1кап= 561 000 руб., а С_2кап= = 1 122 000 руб. Общепринято, что расчетный срок эксплуатации системы принимают равным 10 годам (Т_экспл = 10 лет). При равных затратах (24) стоимость единовременных затрат на приобретение системы с утилизацией удаляемого воздуха должна составить: С₂ = С_1кап+ Т_экспл Z_ср∆Q_пр = 561 000 + 112•10 000 = 1 681 000 руб. (31) Данную величину можно считать обоснованием для выделения финансовых средств на оборудование и внедрение энергоэффективных систем вентиляции, так как величина: С_1пол = С_1кап+ ∑Q_1пр Z_i+ ∑С_1i (32) носит для заказчика характер неизбежных затрат. Но энергоэффективная установка с коэффициентом рекуперации η= 80%,производительностью 10 000 м³/ч, с программно настраиваемым расходом воздуха в течение суток с шагом в 200 м³/ч, независимо как приточного вентилятора, так и вытяжного реально стоит не более 1 122 000 руб.Тогда срок окупаемости (рис. 1) системы вентиляции с утилизацией удаляемого воздуха относительно прямоточной системы (30) составит: Т_окуп = (1 – К_с)С_2кап/ Z_ср∆Q_пр = 0,5•1 122 000•0,64•17,5•10000 = 5 лет. (33) Используя выражения (15) и (21), можно рассчитать, что за 10 лет эксплуатации полная стоимость прямоточной СВ по отношению к СВ с 80%-й утилизацией удаляемого воздуха ∑С_1i= ∑С_2iсоставит: С_1пол = 561 000 + 10•0,64•21,887•10 000 = 1 961 768 руб., а С_2пол = 1 122 000 + 10•0,64•0,2•21,887•10 000 = 1 402 153,60 руб.— разница больше полумиллиона рублей! При этом обратите внимание заказчика, что мы в расчеты закладывали минимально возможное повышение тарифов на энергоносители, а если за время эксплуатации системы они будут расти более чем на 10% в год, то можно считать сумму ∆С_кап = 561 000 руб. гарантированно выгодным вложением — за 10 лет процент прироста составит более чем 8% годовых. Конечно, у нас нет права принимать окончательное решение, но согласитесь, что яркие доводы и аргументированные факты и расчеты, приведенные нами, способны убедить заказчика отдать предпочтение более эффективной системе вентиляции?

1. Справочное пособие к СНиП. Строительная климатология. Научно-исследовательский институт строительной физики Госстроя СССР. 2. Под редакцией д.г.н. Швер Ц.А. Климат Сыктывкара. — Л.: «Гидрометиоиздат», 1986. 3. ТР АВОК 4-2004.Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома.— М.:АВОК-ПРЕСС,2004. 4. Ливчак И.Ф., Наумов А.Л., Вентиляция многоэтажных жилых зданий (текст). — И.Ф. Ливчак, А.Л.Наумов.— М.: АВОК-Пресс, 2005. 5. Губернский Ю.Д.Экологические аспекты кондиционирования воздуха. Материалы международного Форума по проблемам проектирования и монтажа систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения.HEAT&VENT’2003 Moscow, Москва 2003. — ITE Group PLC. * В продолжение статьи «Климатическое оборудование новое, а качество микроклимата по-прежнему неудовлетворительное— случайность или закономерность?», «C.O.K.»,№4/2006.