Определение оптимальной толщины тепловой изоляции ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

6. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов. — М. : Высшая школа, 1967. — 775 с.

7. Новожилов, А. Н. Способ защиты обмотки ротора синхронного генератора от витковых замыканий на двух индукционных преобразователях / А. Н. Новожилов, В. Н. Горюнов, В. И. Полищук, М. П. Воликова, Т. А. Новожилов // Электричество. - 2010. - № 8. - С. 64-67.

8. Андреев, В. А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения / В. А. Андреев. - М. : Высшая школа. -1991. - 495 с.

НОВОЖИЛОВ Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры электроэнергетики Павлодарского государственного университета им. С. Торайгырова, Республика Казахстан.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теоретической и общей электротехники ОмГТУ. МАЛИНИН Никита Витальевич, студент гр. КЗИ-141 радиотехнического факультета ОмГТУ.

НОВОЖИЛОВ Тимофей Александрович, аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: timokvey@mail.ru

Статья поступила в редакцию 17.09.2015 г. © Т. А. Новожилов, А. Н. Новожилов, А. П. Попов, Н. В. Малинин

УДК 699865 П. В. ПЕТРОВ

Е. М. РЕЗАНОВ В. Р. ВЕДРУЧЕНКО А. П. СТАРИКОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ ПРИ КАПИТАЛЬНОМ РЕМОНТЕ

Предложена методика и алгоритм определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания при капитальном ремонте. Научная разработка учитывает нормативные документы по тепловой защите зданий и обоснование применяемых экономических решений. Обоснована целесообразность применения предложенного алгоритма, позволяющего снизить приведенные затраты теплосберегающих мероприятий при капитальном ремонте зданий.

Ключевые слова: эффективность, затраты, тепловая энергия, теплопередача, толщина ограждений, температура.

В настоящее время в сфере жилищного фонда обострилась проблема капитального ремонта с проведением активной энергосберегающей политики, целью которой является одновременное снижение капитальных затрат и энергоресурсов.

Указанное направление базируется на Федеральных законах РФ № 399-Ф3 «О внесении изменений в Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...» от 28 декабря 2013 года и № 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» от 30 декабря 2009 года.

Главным условием эффективности теплосбере-жения в зданиях при капитальном ремонте является повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций. Данные тепловизионных обследова-

ний зданий позволяют заключить, что на наружные стены приходится до 30 % потерь тепловой энергии, на светопрозрачные ограждения — 25 %, на пол и потолок — 5 % и 40 % — расход тепла на нагрев инфильтруемого наружного воздуха [1].

Применение теплозащитных материалов способствует снижению тепловых потерь, но отсутствие методологии оптимального выбора толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте приводит к повышенным приведенным затратам.

Предложенный в работе [2] принцип формирования математической модели оптимизации оптимального выбора толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций зданий при капитальном ремонте не имеет методической завершенности.

С другой стороны, выбор толщины утеплителя ограждающих конструкций зданий с технико-экономической позиции, должен осуществляться при определении минимума приведенных затрат в условиях экономической динамики.

Представленная математическая модель оптимизации в [2] для капитального ремонта зданий требует доработки с учетом нормативных документов по тепловой защите зданий и экономическому обоснованию применяемых экономических решений [3-5].

Принципиально важным методическим положением является выбор сопоставимых условий оптимизации: соблюдение заданных параметров в помещении здания, выходных параметров, надежности работы систем и т.п., определяемых характерными особенностями конкретной задачи.

Оценку эффективности того или иного решения производят по критерию оптимальности. Формирование критериев эффективности является актуальным и перспективным направлением в области технико-экономического анализа. Критерий оптимальности (функция цели) является выражением результата действия процесса. Значение критерия оптимальности численно характеризует свойство одного из наиболее важных технико-экономических показателей проектируемого объекта. Этот критерий, показывающий относительное предпочтение одного варианта по отношению к другим, определяет цель проектирования и вместе с управляемыми параметрами и описанием допустимой области их изменения образует математическую модель принятия решений в задаче оптимального проектирования здания при капитальном ремонте. При математическом моделировании критерий оптимальности должен быть выражен математически, как функция внешних и внутренних параметров. Критерий оптимальности должен быть количественным, иметь ясный физический смысл, должен быть эффективным с точки зрения достижения цели.

Сравнительная эффективность инноваций в экономической теории, согласно положениям методики капитальных вложений, является основной количественной оценкой при выборе оптимального варианта [6], р./год:

И = С + К • Е,

Е

1 _ БХР(-г • Ток )'

где АЭ — доход за счет экономии энергоресурсов в течение срока эксплуатации проведенного мероприятия (экономический эффект), р./год.

Экономический эффект за счет утепления ограждающих конструкций здания можно определить по выражению, р.:

АЭ = Цт •

(5)

где Цт — тариф на тепловую энергию, р./Дж; АО — экономия тепловой энергии за счет энергосберегающего мероприятия [8], Дж/год:

ДQ = 0,0864406 • Dd • F • (Ц — к2),

(6)

где — градусо-сутки отопительного периода [3], °С • сут; к1, к2 — приведенные коэффициенты теплопередачи здания до и после внедрения мероприятия, Вт/(м2 • °С); F — площадь поверхности наружных ограждающих конструкций здания, м2.

Приведенный коэффициент теплопередачи через ограждающие конструкции можно определить по формуле, Вт/(м2 • °С):

к =

1

1

Ко-» (± + ^ + ±) а^ А, а

(7)

где — осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче выделенной ограждающей конструкции [3], (м2 • °С)/Вт; г0 — коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции, учитывающий влияние стыков, откосов проемов, обрамляющих ребер, гибких связей и других теплопроводных включений [3, 4]; а1, а2 — коэффициенты теплоотдачи внутренней и внешней поверхности ограждающих конструкций [3], Вт/(м2 • °С); 5. — толщина 1-го слоя ограждающей конструкции, м; X. — теплопроводность 1-го слоя ограждающей конструкции, Вт/(м • °С).

Выражение для капиталовложений в теплосберегающие мероприятия по утеплению ограждающих конструкции здания можно представить в виде, р.:

К = Ц • 5 • F + Ц б • F,

|ут ут 'раб '

(8)

(1)

где И — приведенные дисконтированные затраты, р./год; С — ежегодные эксплуатационные расходы, р./год; К — инвестиции в мероприятия (капитальные вложения), р.; Е — коэффициент эффективности инвестиций, 1/год:

где Цут — стоимость 1 м3 утепляющего материала, р./м3; Цраб — стоимость 1 м2 работ по утеплению ограждающих конструкций здания с учетом прочих расходов, р./м2; 5ут — толщина утепляющего материала, м.

Подставив выражения (5) — (8) в уравнение (4), получим бездисконтный срок окупаемости инвестиций в утепление ограждающих конструкций здания, лет:

(2)

(Цут -Зут • +Цраб) • ((Куст) • Го + (Куст )• ! : )

,_К ут

0,0864106 • Б^ • Цт • ((Куст)• [г» -1] + г» • )

где г — норма дисконта [7], Ток — срок окупаемости с учетом инфляционной составляющей [2], лет:

(9)

Т = - ■

ок

1п(1 - Т0 • (-))

0 1оо ■

1п( 1 + (—)) 100

где V

теплопроводность утепляющего слоя

(3) ограждающей конструкции, Вт/(м • °С); Rуст — установленное сопротивление теплопередаче однородной ограждающей конструкции здания, (м2 • °С)/Вт:

где 1 — процент инфляционной составляющей, %; Т0 — бездисконтный срок окупаемости инвестиций за счет номинальной величины дохода [6], лет:

Т =

1 п

К

АЭ'

К _

уст ■

1 ^ 6уст 1 ■1 ХУ 0.2

(10)

где 8уст — толщина (1-го) слоя установленной ограждающей конструкции, м; ^уст — теплопроводность

г

(мо) слоя установленной ограждающей конструкции, Вт/(м • °С).

Ежегодные эксплуатационные расходы по утеплению ограждающих конструкций здания при капитальном ремонте обусловлены потерями тепловой энергии, отчислениями на амортизационную реновацию и обслуживание, определяются из уравнения [6], р./год:

С = З +З +З ,

З = Q • Ц ,

(12)

З +З = Н • К,

а о огр '

И = о • Ц +К • (Е + Н ).

огр 'т > огс'

частных производных функции по оптимизируемому параметру:

дИ

д8„

= 0

(18)

(11)

После решения производной функции (17) по оптимизируемому параметру, получены выражения для определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающей конструкции здания, м:

где Зт — затраты, обусловленные потерями тепловой энергии через ограждающие конструкции здания, р./год; За — амортизационные отчисления на реновацию, р./год; З0 — стоимость ежегодного обслуживания, р./год.

Затраты обусловленные потерями тепловой энергии через ограждающие конструкции здания определяются из выражения [6], р./год:

5 опт ут =

- Ь + с

2 • а

где

а = Оо)2 • (Е + Иогр) • Цут,

Ь = 2 • Я уст • а •Х ут,

с = (Го •Х ут • Я уст )2 • (Е + ИогР ) х

(19)

(20) (21)

где О — годовой объем тепловой энергии рассеиваемой в окружающую среду от ограждающих конструкций здания, Дж/год.

Амортизационные отчисления на реновацию и стоимость ежегодного обслуживания ограждающих конструкций здания нормируется в виде определенного процента от капитальных вложений [6], р./год:

* (Цут +

Ц

Х ут Я уст

) -

Хут • Цт • 0,0864406 • Б, +

+ Г0 • Яуст • (Е + Иогр) • Цраб

(22)

(13)

где Ногр — норма отчислений в относительных единицах на амортизацию и ежегодное обслуживание ограждающих конструкций здания, 1/год.

Подставим выражения (11)-(13) в уравнение (1), получим, дисконтированные затраты по утеплению ограждающих конструкций здания Иогр, р./год:

Для соблюдения норм необходимо определять требуемую толщину утепляющего слоя ограждающих конструкций здания, удельную характеристику расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции [3]:

Я

~ _ Яуст ) ут , Гп

х0

(14)

Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции здания с учетом утепляющего слоя можно представить в виде, (м2 • °С)/Вт:

q =

дt =

24-

V - Б, ■

(t1 - 12 ) Я - а1

(23)

(24)

(25)

я = Г0 • (яус, +■ 21 )

(15)

тогда годовой объем тепловой энергии рассеиваемой в окружающую среду от ограждающих конструкций здания определяется из выражения, Дж/год:

0,0864 106 • Ба

§ '

Г0 • (Яуст + ^)

(16)

Подставим выражения (8) и (16) в (14), получим:

0,0864-106 • Б, • Г • Ц

^ =-1-т +

Г0 • (Яуст + )

V

+ (Цут-бут • Г + Цраб • Г)• (Е + И )

(17)

Значение оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающей конструкции здания можно найти исходя из минимума суммарных дисконтированных издержек Иогр (16), при приравнивании к нулю

где 5тр — требуемая толщина утепляющего слоя ограждающих конструкций здания, м; Я — нормативное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции здания [3], (м2 • °С)/Вт; q — удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию, Вт/(м3 • °С); Qh — общие тепловые потери здания за отопительный период [3], Вт; V — отапливаемый объем здания, м3; At — температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С; ^ — расчетная температура внутреннего воздуха здания [3], °С; t2 — расчетная температура наружного воздуха в холодный период года [9], °С.

На основании полученных выражений (2), (3), (8)-(10), (14)-(25) и блок-схемы (рис. 1) нами разработаны методика и алгоритм, определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания при капитальном ремонте, с учетом нормативных документов по тепловой защите зданий и экономического обоснования принятых решений.

Проведенные исследования показали, что значение оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания 8™, определен-

Г

8

ф

Таблица 1

Сравнительные результаты разработанной методики расчета применительно к ограждающим конструкциям стен и условиям эксплуатации жилого пятиэтажного панельного здания в г. Омске

Данные, результаты Наименование обозначения Обозначение Размерность Значение

1 2 3 4 5

Экономические параметры Норма дисконта г — 0,15

Норма отчислений на амортизацию и ежегодное обслуживание Ногр 1/год 0,011

Процент инфляционной составляющей 1 % 8

Стоимость 1 м3 утепляющего материала Цут р./м3 2000

Стоимость 1 м2 работ по утеплению ограждающих конструкций здания Ч„,б р./м2 2500

Тариф на тепловую энергию Цт р./Дж 3,583Ч10-7

Теплотехнические параметры Теплопроводность утепляющего слоя X Вт/(м°С) 0,04

Установленное сопротивление теплопередаче к (м2-°С)/Вт 0,617

Установленная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию ч Вт/м30С 0,494

Нормативное сопротивление теплопередаче кнор (м2-°С)/Вт 3,5

Нормативная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию чнор Вт/м30С 0,359

Нормируемый температурный перепад Д1 °С 4

Градусо-сутки отопительного периода ^ °С-сут 6069,6

Коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции г0 — 0,902

Параметры, предлагаемые при капитальном ремонте Толщина утепляющего слоя 5^ м 0,05/0,1/0,15

Сопротивление теплопередаче Я (м2-°С)/Вт 1,66/2,8/3,93

Приведенные дисконтированные затраты Иогр 105Чр./год 7,52/7,11/7,08

Бездисконтный срок окупаемости инвестиций Т0 лет 13,8/11,8/11,4

Срок окупаемости с учетом инфляции Ток лет -/37,5/31,8

Коэффициент эффективности инвестиций Е 1/год 0,151

Температурный перепад Д1 °С 2/1,2/0,8

Удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию ч Вт/м30С 0,38/0,34/0,32

Параметры по предложенной методике Оптимальная толщина утепляющего слоя 5„„ м 0,135

Сопротивление теплопередаче Я (м2-°С)/Вт 3,6

Требуемая толщина утепляющего слоя 5 тр м 0,131

Температурный перепад Д1 °С 0,9

Приведенные дисконтированные затраты Иогр 105Чр./год 7,06

Коэффициент эффективности инвестиций Е 1/год 0,154

Бездисконтный срок окупаемости инвестиций Т0 лет 11,5

Срок окупаемости с учетом инфляции Ток лет 32,5

Удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию ч Вт/м30С 0,324

ное по выражению (18), отвечает минимуму целевой функции (рис. 2).

Сравнительные результаты расчета применения предложенных разработок применительно к ограждающим конструкциям стен и условиям эксплуатации жилого пятиэтажного панельного здания

в г. Омске (отапливаемый объем 8200 м3, отапливаемая площадь 2545 м2), представлены в табл. 1.

Выводы. Разработана методика и алгоритм определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания при капитальном ремонте, с учетом нормативных докумен-

Рис. 1. Блок-схема определения оптимальной толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций здания: А1нор — нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции [3], °С; qнор — нормативная удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию [3], Вт/(м3^°С).

Р-

год 7,6

7,3

\

\

и „ ОГр = Г(5)

)

0.04 0.06 0.08 0,1

0.12 б

0,14 0,16 0,18

0,22

Рис. 2. Зависимость дисконтированных затрат от толщины утепляющего слоя ограждающих конструкций стен жилого здания

тов по тепловой защите зданий и экономическому обоснованию применяемых экономических решений. Результаты исследования подтверждают целесообразность его использования при проведении капитального ремонта.

Библиографический список

1. Основные направления совершенствования тепловой работы зданий и сооружений при капитальном ремонте [Текст] / П. В. Петров [и др.] // КС Энергетика и ЖКХ. -2015. - № 3 (34). - С. 30-33.

2. Ковалев, И. Н. Рациональные решения при экономическом обосновании теплозащиты зданий [Текст] / И. Н. Ковалев // Энергосбережение. - 2014. - № 8. - С. 14-19.

3. СП 50.13330.2012. Тепловая защита зданий (Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003) [Текст]. - Введ. 201307-01. - М. : ФАУ «ФЦС», 2012. - 96 с.

4. ГОСТ Р 54851-2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Конструкции строительные ограждающие неоднородные [Текст]. - Введ. - 2012-05-01. - М. : Стан-дартинформ, 2012. - 24 с.

5. Горшков, А. С. Об окупаемости инвестиций на утепление фасадов существующих зданий [Текст] / А. С. Горшков // Энергосбережение. - 2014. - № 4. - С. 12-19.

6. Шилкин, Н. В. Методы1 повышения тепловой эффективности зданий и их экономическая оценка [Текст] : дис. ... канд. архитектуры. - Н. Новгород, 2007. - 174 с.

7. Камнев, И. М. Методы обоснования ставки дисконтирования [Текст] / И. М. Камнев, А. Ю. Жулина // Проблемы учета и финансов. - 2012. - № 2 (6). - С. 30-35.

8. Совершенствование методики энергетического обследования систем теплопотребления зданий бюджетных учреждений [Текст] / Е. М. Резанов [и др.] // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2013. - № 3 (123). - С. 227-230.

9. СП 131.13330.2012. Строительная климатология (Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*) [Текст]. - Введ. 2013-01-01. - М. : НИИСФ РААСН, 2012. - 109 с.

ПЕТРОВ Павел Владимирович, аспирант кафедры теплоэнергетики Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС); заместитель директора ООО «Сибирская проектная компания», г. Омск.

РЕЗАНОВ Евгений Михайлович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики ОмГУПС.

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры теплоэнергетики ОмГУПС.

СТАРИКОВ Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой теплоэнергетики ОмГУПС. Адрес для переписки: rezanove1@mail.ru

Статья поступила в редакцию 03.09.2015 г. © П. В. Петров, Е. М. Резанов, В. Р. Ведрученко, А. П. Стариков