Пути повышения энергоэффективности эксплуатируемых зданий

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, член-корр. РААСН

В. И. Ливчак, канд. техн. наук, Мосгосэкспертиза

В. Г. Гагарин, доктор техн. наук, профессор, НИИСФ

Н. В. Шилкин, канд. техн. наук, МАрхИ

 

В статье на примере капитального ремонта с модернизацией жилых зданий, который в настоящее время проводится в Москве, демонстрируется технико-экономическая оценка эффективности энергосберегающих мероприятий.

Жилые здания массовых типовых серий строительства до 2000 года отличались относительно низкими показателями теплозащиты, избыточной инфильтрацией наружного воздуха и, следовательно, увеличенным расходом тепловой энергии на его нагрев, а также низкой эффективностью регулирования отопления. В настоящее время среди специалистов есть понимание необходимости проведения капитального ремонта вместе с модернизацией зданий с целью повышения тепловой эффективности, следствием чего должно быть снижение теплопотерь. Так, например, в Москве в 2008 году был осуществлен переход от выборочного капитального ремонта жилых зданий, предусматривающего замену кровли, изношенных трубопроводов инженерных систем, при необходимости замену электропроводки и устранение дефектов наружных стен, к комплексному капитальному ремонту с модернизацией, предполагающему, помимо выполнения перечисленных выше работ, осуществление следующих энергосберегающих мероприятий:

– утепление наружных ограждающих конструкций зданий;

– утепление совмещенных кровель или чердачных перекрытий;

– замену оконных и балконных блоков на энергоэффективные менее воздухопроницаемые;

– остекление лоджий и балконов;

– внедрение автоматизированных узлов управления теплопотреблением зданий на отопление;

– индивидуальное регулирование теплоотдачи каждого отопительного прибора с помощью термостатов;

– установка автоматических балансировочных клапанов на стояках и ветках системы отопления.

Технико-экономическая оценка эффективности перечисленных выше энергосберегающих мероприятий выполнена НП «АВОК» по заданию Департамента капитального ремонта г. Москвы.

Расчетное теплопотребление определялось по методике, разработанной в НП «АВОК», которая учитывает теплопотери через наружные ограждающие конструкции здания с учетом проектных значений сопротивления теплопередаче, расхода тепловой энергии на нагрев наружного воздуха в объеме нормативного воздухообмена и инфильтрации, бытовых тепловыделений и теплопоступлений с солнечной радиацией, эффективности авторегулирования системы отопления и т. д. Сроки окупаемости энергосберегающих мероприятий рассчитывались по методике, разработанной проф., доктором техн. наук В. Г. Гагариным.

Теплотехническая оценка эффективности энергосберегающих мероприятий

Оценка потенциала экономии энергии в результате реализации указанных выше энергосберегающих мероприятий осуществлялась на примере базовых вариантов зданий – представителей наиболее распространенных типовых серий второго (II-18-01/12, II-49-04/9) и третьего (П3/16, П44/16) поколений индустриального домостроения.

Показатели теплозащиты ограждающих конструкций здания и принятая схема присоединения системы отопления к тепловым сетям до и после проведения капитального ремонта приведены в табл. 1.

Таблица 1 (подробнее) Сравнительные показатели теплозащиты ограждающих конструкций здания и схемы присоединения системы отопления к тепловым сетям до и после проведения капитального ремонта

Расчетное удельное теплопотребление здания на отопление за отопительный период до и после капитального ремонта и ожидаемая экономия энергии приведены в табл. 2. Значения удельного теплопотребления здания за отопительный период, приведенные в таблице, даны с учетом теплопоступлений от солнечной радиации в соответствии с требованиями МГСН 2.01–99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению». Однако здания-представители, выбранные в качестве базовых вариантов, не имеют определенной ориентации, поэтому при расчетах использовались усредненные

Таблица 2 (подробнее) Удельное теплопотребление здания за отопительный период до и после капитального ремонта, кВт•ч/м2, и экономия энергии, %

В табл. 3 приведена ожидаемая экономия энергии за отопительный период после капитального ремонта по отдельным энергосберегающим мероприятиям.

Таблица 3 (подробнее) Экономия энергии в процентах за отопительный период после капитального ремонта по отдельным энергосберегающим мероприятиям

Таким образом, можно сделать вывод о том, что увеличение в ходе капитального ремонта сопротивления теплопередаче стен до величины R₀ = 3,13 м²•°С/Вт, сопротивления теплопередаче окон до величины R₀ = 0,54 м²•°С/Вт 0,9 м²•ч/кг, а также устройство автоматизированного узла управления системой отопления и установка термостатов на отопительных приборах позволяют достичь следующих результатов в части снижения удельного расхода тепловой энергии системой отопления зданий за отопительный период:

– без применения автоматизированного узла управления системой отопления – 41 %;

– с автоматизированным узлом управления системой отопления – 59 %.

Эта дополнительная экономия достигается за счет учета в режиме подачи тепловой энергии на отопление увеличенния доли бытовых тепловыделений в тепловом балансе жилого дома с повышением температуры наружного воздуха, о чем более подробно сказано в [1].

После выполнения комплексного капитального ремонта в соответствии с требованиями существующих норм потери тепловой энергии на подогрев наружного воздуха для вентиляции жилых зданий в нормативном объеме в среднем равны теплопотерям через наружные ограждающие конструкции. Необходимо иметь в виду, что искусственное снижение воздухообмена приведет к нарушению санитарно-гигиенических условий. Для экономии энергии на подогрев вентиляционного воздуха возможно применение утилизации теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного, что связано с переходом на механические системы вентиляции.

В составе потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции доля потерь тепловой энергии через покрытия, чердачные и цокольные перекрытия ничтожно мала – 3–4 %, и даже в 9-этажном доме не превышает 6 %, что говорит о нецелесообразности повышения теплозащиты этих ограждений. Доля теплопотерь через стены составляет 14–19 % в тепловом балансе здания, но еще большую долю составляют теплопотери через окна – 25–31 %. Если увеличение толщины утеплителя в стенах связано с трудностями крепления материала утеплителя и покровного слоя, что может повлечь снижение теплотехнической однородности конструкции, то увеличение сопротивления теплопередаче окон возможно до 0,8–1,05 м²·°С/Вт (есть примеры реализации таких решений в практике московского строительства), то есть в 1,5–2 раза.

Вопрос дальнейшего повышения сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций решается в большей степени экономическими методами, но при этом следует помнить в отношении окон, что здесь не только достигается дополнительная экономия тепловой энергии, но и снижается зона дискомфорта вблизи окон.

А вот, как показали расчеты, остекление лоджий и балконов практически не способствует сокращению теплопотерь, так как в их ограждениях низкая герметичность и они продуваются наружным воздухом. Более того, в некоторых случаях, когда жители застекленных лоджий и балконов превращают их в жилые помещения, это приводит к перерасходу тепловой энергии. Если остекление лоджий (только с одной стороны) не так дорого и не нарушает архитектурного стиля здания, то остекление балкона с трех сторон, как показано на фото, довольно дорого (стоимость остекления балконов в здании II-18-01/12 сравнима со стоимостью замены окон) и в условиях дефицита средств вряд ли оправдано.

Не оправдана также установка автоматических балансировочных клапанов в основании каждого стояка. Максимальная длина плеча в секционных системах отопления не превышает 15 м, и существуют специальные приемы гидравлического расчета системы отопления, предотвращающие гидравлическую разрегулировку, особенно в однотрубных системах отопления.

Следует отметить перенасыщенность излишними приборами автоматического регулирования и контроля узла подключения системы отопления к тепловым сетям. Упрощение схемы существенно повышает его надежность, облегчает эксплуатацию и снижает стоимость. Рекомендуется дальнейшая модернизация системы управления отоплением и горячим водоснабжением путем замены автоматизированных узлов управления на индивидуальные тепловые пункты, в которых наряду с системой управления отоплением, имеется узел приготовления воды на горячее водоснабжение. В результате перемещения узла приготовления воды на горячее водоснабжение из центрального теплового пункта в индивидуальный тепловой пункт ликвидируются сети горячего водоснабжения от ЦТП до здания, что приводит к снижению потерь тепла в наружных сетях от ЦТП до здания, снижению аварийности и ремонта сетей. Такое решение обеспечивает сокращение расхода электрической энергии на перекачку горячей воды и упрощает схему учета тепловой энергии потребляемой зданием, а также ликвидирует избыточную насыщенность приборами контроля, автоматического управления и учета.

Кроме достижения существенного снижения удельного расхода тепловой энергии системой отопления зданий за отопительный период также обеспечивается повышение качества микроклимата в помещениях за счет возможности индивидуального регулирования температуры воздуха в квартирах с помощью термостатов.

Расчет сроков окупаемости энергосберегающих мероприятий

Экономическая эффективность повышения теплозащиты ограждающих конструкций определяется на основании сравнения единовременных затрат и эксплуатационных расходов для ограждающей конструкции с повышенным уровнем теплозащиты по сравнению с базовой конструкцией. Снижение эксплуатационных расходов получается за счет снижения теплопотерь через ограждающие конструкции здания. Дополнительные единовременные затраты определяются ценой устройства теплоизоляционного фасада или установки оконного блока. Расчет экономической эффективности основан на положениях «Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов», М., 2000 [2] (утверждены Минэкономразвития РФ, Минфин РФ, Госстроем РФ), СНиП 23-02–2003 «Тепловая защита зданий» [3] и использовании технико-экономических показателей, предоставленных заказчиком.

При проведении технико-экономической оценки эффективности энергосберегающих мероприятий исследовались два варианта внедрения комплекса энергосберегающих мероприятий.

Вариант 1:

• повышение теплозащиты наружных стен за счет устройства навесной фасадной системы с вентилируемой воздушной прослойкой;

• повышение теплозащиты оконных блоков;

• повышение сопротивления воздухопроницания оконных блоков;

• использование системы регулирования отопления с элеваторным узлом.

Вариант 2. Как и в варианте 1, но вместо системы регулирования отопления с элеваторным узлом – использование автоматизированного узла управления системой отопления.

Технико-экономическая оценка эффективности энергосберегающих мероприятий, выполняемых при проведении капитального ремонта жилых зданий, а также оценка экологической эффективности проводилась на примере здания серии II-18-01/12.

В качестве критериев экономической эффективности применения энергосберегающих мероприятий используются следующие показатели:

– Период окупаемости – показатель, представляющий собой период времени, в течение которого затраты окупаются.

– Интегральный чистый дисконтированный доход (ЧДД) – величина накопленного дисконтированного дохода за период срока службы инвестиционного оборудования за вычетом первоначальных затрат.

– Индекс доходности – показатель экономической эффективности вложения средств, характеризующий относительную отдачу единицы затрат.

Положительное значение интегрального чистого дисконтированного дохода за рассматриваемый период свидетельствует об экономической эффективности инвестиций: суммарные дисконтированные доходы превышают суммарные дисконтированные затраты. Об этом же свидетельствует значение индекса доходности дисконтированных инвестиций, большее единицы.

Экономия энергии на отопление здания приводит к снижению выбросов в атмосферу углерода в виде углекислого газа. Снижение эмиссии углерода вследствие экономии энергии на отопление зданий является вкладом в соблюдение Россией требований Киотского протокола.

При расчетах принималось, что в первом варианте при использовании системы регулирования отопления с элеваторным узлом снижение расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период составляет 360 911 кВт·ч, а стоимость энергосберегающих мероприятий составляет 14 510 тыс. руб. Во втором варианте снижение расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период составляет 503 735 кВт·ч, а стоимость энергосберегающих мероприятий составляет 15 210 тыс. руб.

Расчеты проводились для двух значений стоимости тепловой энергии:

– 0,822 руб./кВт·ч;

– 0,986 руб./кВт·ч.

При расчетах учитывалось изменение стоимости тепловой энергии в расчетный период. Принимались три варианта прогноза изменения банковской учетной ставки – пессимистичный, средний и оптимистичный. Прогнозное изменение банковской учетной ставки в течение расчетного периода принималось: по пессимистичному варианту – 0,16 в течение всего расчетного периода; по среднему варианту – от 0,16 до 0,10; по оптимистичному варианту – от 0,16 до 0,05. Расчеты проводились с учетом дисконтирования предстоящих результатов и затрат в пределах расчетного периода (горизонт расчета), в качестве которого принимался период 30 лет. Шаг расчета принимался равным одному году. В качестве примера в табл. 4 приведены результаты расчета экономических показателей эффективности энергосберегающих мероприятий, включая установку автоматизированного узла управления системой отопления, при стоимости тепловой энергии 0,986 руб./кВт·ч.

Таблица 4 (подробнее) Экономические показатели эффективности энергосберегающих мероприятий, выполняемых при проведении капитального ремонта жилого здания серии II-18-01/12 c установкой автоматизированного узла управления системой отопления

Далее проводилась технико-экономическая оценка эффективности внедрения отдельных энергосберегающих мероприятий. При этом исследовались четыре варианта внедрения отдельных энергосберегающих мероприятий.

Исследованию подлежали следующие конструктивные решения наружных ограждающих конструкций:

– теплоизоляционный фасад с тонким штукатурным слоем (сметная стоимость 4 050 руб./м²);

– навесная фасадная система с вентилируемой воздушной прослойкой (система 1, сметная стоимость 5 702 руб./м²);

– навесная фасадная система с вентилируемой воздушной прослойкой (система 2, сметная стоимость 4 452 руб./м²);

– оконные блоки с повышенными значениями сопротивления теплопередаче и сопротивления воздухопроницанию (сметная стоимость 5 487 руб./м²).

Сметные стоимости внедрения отдельных энергосберегающих мероприятий приняты по данным фирм-производителей.

В качестве примера в табл. 5 приведены экономические показатели повышения эффективности теплозащиты стены здания при монтаже теплоизоляционного фасада с тонким штукатурным слоем (сметная стоимость 4 050 руб/м²) при стоимости тепловой энергии 0,986 руб./кВт·ч.

Таблица 5 (подробнее) Экономические показатели повышения эффективности теплозащиты стены здания при монтаже теплоизоляционного фасада с тонким штукатурным слоем (сметная стоимость 4 050 руб./м2, стоимость тепловой энергии 0,986 руб./кВт•ч)

Таблица 6 (подробнее) Сроки окупаемости комплекса энергосберегающих мероприятий, лет (стоимость тепловой энергии 0,986 руб./кВт•ч)

Сроки окупаемости комплекса энергосберегающих мероприятий сведены в табл. 6. Сроки окупаемости отдельных энергосберегающих мероприятий сведены в табл. 7

Таблица 7 (подробнее) Сроки окупаемости отдельных энергосберегающих мероприятий, лет (стоимость тепловой энергии 0,986 руб./кВт•ч)

Главная причина длительной окупаемости мероприятий по энергосбережению заключается в большой учетной ставке по кредитам банка. Величина этой ставки определяется объективными факторами экономического состояния страны и не может понизиться в течение короткого периода времени. Поэтому в ближайшие годы нельзя ожидать быстрой окупаемости вложенных средств.

Следует отметить, что аналогичные исследования проводятся в настоящее время и в других странах, и в части оценки экономической эффективности результаты аналогичны – сроки окупаемости достаточно длительные. Например, результаты работы по утеплению зданий и снижению теплопотребления в Германии, в странах Балтии (Латвия, Литва, Эстония), в Польше обобщены в отчете [4].

В этом отчете приведены следующие сроки окупаемости утепления стен и замены окон: для Германии – 24,81 года, для Латвии – 40,38 лет. Далее авторы отчета делают важный вывод: «В то время как в условиях Германии (уровень цен на энергию, условия финансирования) первичные энергосберегающие мероприятия являются практически рентабельными, в Латвии (и других странах проекта BEEN) наблюдается совершенно другая ситуация. Поэтому в новых странах ЕС необходима целевая финансовая поддержка».

Снижение периода окупаемости комплекса энергосберегающих решений в условиях нашей страны возможно путем снижения, в первую очередь, стоимости конструкции фасадных систем. Учитывая, что величина стоимости самого утеплителя в этих системах не превышает 10 % от стоимости конструкции, необходимо пересмотреть структуру формирования стоимости фасадных систем, заменяя некоторые конструктивные элементы более дешевыми, не снижая их долговечности.

Целесообразно обратить особое внимание на долговечность используемых систем, проведя проверку документации по исследованию долговечности элементов систем, и провести при необходимости дополнительные исследования.

Несмотря на длительные сроки окупаемости комплекса энергосберегающих мероприятий при капитальном ремонте жилых домов типовых серий массового индустриального домостроения, его реализация позволяет обеспечить в краткосрочной перспективе:

– Значительную экономию энергии, которая может быть использована для теплоснабжения зданий в новом строительстве без привлечения дополнительных мощностей. Например, утепление двух зданий рассматриваемой серии II-18-01/12 площадью 3 618 м² позволяет обеспечить теплопотребление в отопительном периоде одного вновь построенного здания такой же площади.

– Защиту окружающей среды за счет существенного снижения эмиссии углерода и углекислого газа.

Выводы

1. Экономия тепловой энергии при внедрении энергосберегающих мероприятий достигает по рассмотренным домам типовых серий в среднем 59 %, в том числе:

– 25 % – за счет повышения теплозащиты наружных стен и чердачных перекрытий в холодных чердаках;

– 10 % – за счет повышения теплозащиты окон;

– 6 % – за счет сокращения избыточного воздухообмена в квартирах;

– 18 % – за счет устройства автоматизированного узла управления системой отопления и установки термостатов на отопительных приборах.

Кроме того, обеспечивается повышение комфорта для проживающих за счет возможности индивидуального регулирования температуры воздуха в квартирах.

2. Экономия энергии на отопление здания приводит к снижению выбросов в атмосферу углерода в виде углекислого газа. 

Так, например, только при проведении капитального ремонта жилого здания серии II-18-01/12 снижение эмиссии углерода за период 30 лет составляет 889 т, углекислого газа 3 263 т.

3. Технико-экономический анализ эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий должен основываться на рассмотрении теплового баланса здания как единой энергетической системы. Если рассматривать здание как совокупность отдельных элементов и рассматривать повышение тепловой эффективности здания как внедрение отдельных энергосберегающих мероприятий, при оценке их эффективности может быть получена существенная погрешность. В данной работе в качестве методической основы проведения расчетов было использовано «Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» АВОК–8–2007, которое построено с соблюдением принципов системности, а также созданная на его основе программы по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий.

4. При снижении затрат энергии на климатизацию зданий в результате внедрения этих мероприятий происходит высвобождение энергогенерирующих мощностей. Это позволяет обеспечить энергопотребление новых зданий без затрат на ввод в эксплуатацию новых мощностей. Последнее обстоятельство существенно влияет на снижение сроков окупаемости.

5. Представляется целесообразной разработка и утверждение на государственном уровне методики технико-экономической оценки эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий, учитывающей экономический эффект от снижения потребности во вводе в строй новых энергогенерирующих мощностей, и стоимостную оценку экологического эффекта от снижения эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу.

Литература

1. Ливчак В. И., Табунщиков Ю. А., Экспресс-энергоаудит теплопотребления жилых зданий: особенности проведения // Энергосбережение. – 2009. – №2.

2. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. – М., 2000.

3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

4. BEEN. Baltic Energy Efficiency Network for the Building Stock. Прибалтийская сеть энергосбережения в жилищном фонде. Результаты проекта BEEN с подробными выводами и рекомендациями. – Берлин, 2007.

5. Руководство АВОК–8–2007. Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий.

6. Постановление Правительства Москвы от 6 ноября 2007 г. № 963-ПП. Об утверждении цен, ставок и тарифов на жилищно-коммунальные услуги для населения на 2008 год.

7. Гагарин В. Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // АВОК. – 2009. – №№1–3.

8. Дмитриев А. Н., Ковалев И. Н., Табунщиков Ю. А., Шилкин Н. В. Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2005.