Рис. 1. График изменения среднемесячной температуры наружного воздуха tн на метеостанции ВВЦ (г. Москва) в различные отопительные периоды
Рис. 2. Зависимость дисконтированного срока окупаемости комплекса энергосберегающих мероприятий Ток от фактической величины Dd
Табл. 1. Дисконтированный срок окупаемости Ток*
В этой статье рассмотрено влияние изменения фактических параметров наружного климата на срок окупаемости инженерных решений по снижению энергопотребления в гражданских зданиях. Представлены данные наблюдений на метеостанции ВВЦ (Москва) в течение отопительных сезонов 2001–2002 и 2006–2007 годов в сопоставлении со СНиП 23–01. Приведены результаты вычисления дисконтированного срока окупаемости оптимального комплекса энергосберегающих мероприятий для группы общественных зданий в зависимости от фактического значения градусо-сутки отопительного периода.
Дан анализ полученной зависимости и предложены рекомендации по учету среднесрочных и долгосрочных прогнозов изменения климатических и стоимостных факторов при технико-экономическом обосновании проектных решений. Как известно, в принятом в 2005 году стандарте Российского научно-технического общества (РНТО) строителей РФ «Нормы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций и оценки энергоэффективности зданий» [1], в разработке которого автор настоящей статьи принимал активное участие, было предложено, и в ряде других работ автора, в первую очередь в [2], обосновано применение следующего комплекса малозатратных энергосберегающих мероприятий в гражданских зданиях: утепление несветопрозрачных наружных ограждений до оптимального уровня; замена остекления на более энергоэффективное; утилизация теплоты вытяжного воздуха.
Наименее затратным является применение схемы с промежуточным теплоносителем; установка в системах горячего водоснабжения (ГВС) индивидуальных водосчетчиков, смесителей с левым расположением крана горячей воды и кранов с регулируемым напором, а также применение теплонасосных установок (ТНУ) для подогрева воды; установка автоматических терморегуляторов у отопительных приборов, позволяющая учесть бытовые тепловыделения, а также теплопоступления от солнечной радиации через окна.
Представляет все же интерес техникоэкономическое сравнение предлагаемого в [1] комплекса энергосберегающих мероприятий с результатами реализации требований действующих нормативных документов [3, 4]. Будем считать, что данные требования сводятся к выбору теплозащиты несветопрозрачных ограждений и заполнений светопроемов по табл. 4 [4], применению автоматических терморегуляторов у отопительных приборов для использования внутренних тепловыделений и отсутствию утилизации теплоты вытяжного воздуха.
Последняя по [3] не является обязательной, а в методике оценки энергопотребления по [4] ее учет непосредственно не предусмотрен. В этом случае, используя составленную автором программу в Compaq Visual Fortran 6.6, можно оценить разность капитальных затрат на реализацию энергосберегающих решений по сравниваемым вариантам и различие потребления тепловой энергии за отопительный сезон. Разумеется, расходы на установку терморегуляторов будут совпадать, поскольку они предусматриваются в обоих случаях.
По остальным составляющим можно сказать, что в нормативном варианте будут выше затраты на теплоизоляцию, так как при прочих равных условиях термические сопротивления несветопрозрачных ограждений для климатических условий Москвы при этом будут больше на 15–25 % [2]. Расходы на остекление здесь, наоборот, будут меньше, поскольку мы получили, что оптимальный уровень теплозащиты заполнений светопроемов выше нормативного примерно на 20–25 % [2].
Наконец, теплоутилизация присутствует только в предлагаемом (альтернативном) варианте, поэтому в нормативном наборе решений соответствующая статья затрат также выразится отрицательной величиной. Следовательно, основной вопрос здесь в соотношении между перечисленными составляющими расходов. Вычисления выполнялись при действующем среднерыночном уровне цен и тарифов для объектов экономического класса.
В частности, стоимость дополнительных единовременных затрат сверх стоимости материала утеплителя принималась равной Ср = 120 руб/м2, стоимость утеплителя (плиты минераловатные П-125) в деле Сут = 1150 руб/м3 (здесь и далее цены 2008 года), а его теплопроводность λут = 0,042 Вт/(м⋅К). Удельные затраты на утилизацию теплоты вычислялись, исходя из стоимости приточных вентиляционных установок при заданном расчетном воздухообмене по данным ООО «ВЕЗА», или примерно 14 руб. за 1 м3/ч воздухопроизводительности.
Тариф на тепловую энергию был использован в размере Cт = 215,5 руб/ГДж (после пересчета в единицы СИ) по данным ОАО «МОЭК» для нежилых зданий. Только удорожание окон для наглядности принято максимально возможным при имеющейся стоимости теплоизоляции, а именно 1200 руб/м2 при удвоении сопротивления теплопередаче. Дисконтированный срок окупаемости дополнительных капитальных затрат Ток [годы], для варианта, где они больше, можно определить по формуле (5).
Она учитывает упущенную выгоду от того, что дополнительные средства вложены в энергосбережение вместо размещения под проценты в банке. В работе [5] предлагается принимать р = 10 %, что примерно соответствует ставке рефинансирования ЦБ РФ в последние два года. Детальное обоснование данного выражения и его анализ приводится в работе [6]. В то же время необходимо иметь в виду следующие условия.
Расчетные параметры наружного климата, на основании которых осуществляется выбор теплозащиты светопрозрачных и несветопрозрачных ограждений, практически фиксированы, поскольку пересмотр соответствующих нормативных документов осуществляется не чаще, чем через 10–15 лет [7, 8]. Поэтому объем теплоизоляционного материала в конструкциях, увеличение стоимости заполнений светопроемов и соответственно дополнительные капитальные затраты на осуществление мероприятий по утеплению также оказываются заданными.
Расчетный воздухообмен в здании вообще мало зависит от климатических параметров в районе строительства, а определяется в основном функциональным назначением помещений, их строительным объемом и характером теплои влагопоступлений. Следовательно, расходы на устройство утилизации теплоты в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, пропорциональные воздухообмену, тоже являются заранее определенными.
Однако фактическое потребление теплоты системами обеспечения микроклимата в течение отопительного периода, а, следовательно, и основная составляющая годовых эксплуатационных издержек, связанная с величиной такого потребления, зависят непосредственно от текущих погодных условий. Таким образом, в условиях постепенного изменения климата, которое стало особенно заметным в последние 20 лет [9], прогнозирование окупаемости энергосберегающих мероприятий на достаточно длительную перспективу становится весьма затруднительным.
Дело здесь главным образом в том, что фактическая наружная температура и продолжительность ее стояния все более отклоняются от нормативных значений, рассчитанных по данным метеорологических наблюдений за предыдущие периоды. Причем это отклонение носит систематический характер в сторону сокращения продолжительности отопительного периода и повышения его средней температуры. На рис. 1 показаны графики среднемесячной температуры наружного воздуха на метеостанции ВВЦ в Москве в течение отопительного сезона 2001–2002 и 2006–2007 годов [10].
Эти интервалы были выбраны как наиболее теплые за последние 10 лет, не считая зимы 2007– 2008 годов, для которой в упомянутом источнике сведения пока отсутствуют. Нетрудно подсчитать, что реальная продолжительность отопительного периода здесь сокращается до 199 и 175 суток, а средняя температура наружного воздуха при этом составит всего –0,8 и –0,5 °C. Следовательно, количество градусо-суток отопительного периода Dd для рассматриваемых сезонов при средней величине температуры внутреннего воздуха tв = 18 °C будет равно 3749 и 3245 К⋅сут., соответственно, что составляет всего 83 и 72 % от нормативной величины 4515, вычисленной по [7].
Ясно, что в такой же пропорции уменьшатся и годовые затраты на тепловую энергию, а значит, и ее экономия за счет дополнительного утепления и замены остекления, поскольку при фиксированной разнице сопротивлений теплопередаче между сравниваемыми вариантами устройства теплоизоляции эта экономия также будет пропорциональна величине Dd. То же самое относится и к теплоутилизации. Поэтому реальная продолжительность срока окупаемости всего комплекса энергосберегающих мероприятий в силу приведенной выше формулы для Ток будет увеличиваться.
Это наглядно показывает рис. 2, на котором построена кривая зависимости среднего значения Ток от Dd для исследованной группы из 18 общественных зданий различного назначения и размеров при норме дисконта р = 12 % годовых. В табл. 1 приведены значения Ток для каждого здания из всей рассмотренной совокупности. Конечно, в данном случае срок окупаемости везде остается очень небольшим и не выходит за пределы, характерные для малозатратных и быстроокупаемых мероприятий.
Но все же при уменьшении Dd на 28 % Ток возрастает уже на 42 %, то есть в полтора раза быстрее, и, судя по поведению кривой на рис. 2, при дальнейшем потеплении этот рост будет ускоряться. Значение срока окупаемости, равное нулю (Ток = 0) в табл. 1 означает, что в данном случае имеет место абсолютная окупаемость, то есть предлагаемый альтернативный вариант характеризуется не только более низким энергопотреблением, но и меньшими капитальными затратами, в основном из-за того, что экономия на теплоизоляции будет значительнее, чем дополнительные расходы на замену остекления и на устройство теплоутилизации.
В целом, полученный результат подтверждает выявленную ранее [11] зависимость, только здесь изменение климатических характеристик рассматривается не по территории страны для определенного момента, а для одного и того же региона, но с течением времени. Следует также учитывать, что наблюдаемая в последнее время тенденция к потеплению климата характеризуется в основном повышением среднемесячной температуры и сокращением продолжительности отопительного сезона.
В то же время расчетные значения, например, средней температуры наиболее холодной пятидневки, пока реально остаются на прежнем уровне, что наглядно показала зима 2005–2006 годов [12], когда в период 17–21 января 2006 года в Москве были, в самом деле, достигнуты условия, соответствующие [7]. Поэтому особое значение приобретает технико-экономическое обоснование принимаемых решений с учетом среднесрочных и долгосрочных прогнозов изменения климатических и стоимостных факторов.
Также представляется целесообразной более оперативная корректировка нормативных и справочных документов типа [7] с использованием рядов метеорологических наблюдений за последние годы. Тогда рассмотренная проблема, вызванная рассогласованием расчетных и фактических параметров наружного климата, будет в значительной мере решена, что приведет к значительной экономии материальных и энергетических ресурсов.
