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:

  • 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.

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.