CC BY
31
строительная теплофизика и энергосбережение
Вопросы оптимизации сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников
А.Г. Гиндоян, К.В. Авдеев
В настоящее время нормативные требования к уровню теплозащиты ограждающих конструкций зданий холодильников регламентируются СНиП 2.11.02-87, разработанным в 1986 году институтами «ЦНИИП-ромзданий» и «ГИПРОХОЛОД» с учетом применяемых тогда типовых ограждающих конструкций, теплоизоляционных материалов, с коэффициентом теплопроводности X = 0,05 Вт/(м, °С) и более, а также в условиях стабильных цен на производство единиц тепла, холода и других факторов определяющих единовременные и эксплуатационные расходы, сроки окупаемости капитальных вложений.
Между тем, за истекший период, в строительную практику были внедрены новые эффективные теплоизоляционные материалы с коэффициентами теплопроводности X = 0,025—0,03 Вт/(м, °С), новые гидро-пароизоляционные материалы, легкие металлические ограждающие конструкции (ЛМК) с теплоизоляционным слоем из эффективных утеплителей, а так же произошло существенное изменение экономической базы, определяющей ценообразу-ющие показатели (коэффициент дисконтирования, срок окупаемости капитальных вложений, процентная ставка банковского кредита и др.).
Отсутствие новых норм теплозащиты ограждающих конструкций зданий холодильников отражающих современные достижения в строительной технике и новых ценообразующих факторов, требований по энергосбережению приводит к огромному ущербу при строительстве и эксплуатации объектов холодильной промышленности. Достаточно отметить, что с 1998 года нормы теплозащиты ограждающих конструкций отапливаемых зданий были увеличены в 2—3 раза [1], тогда как нормы теплозащиты ограждающих конструкций зданий холодильников не были пересмотрены, несмотря на то, что стоимость производства единицы холода в 2—3 раза больше стоимости единицы тепловой энергии. Отмеченные положения требуют разработки новых норм теплозащиты ограждающих конструкций зданий холодильников на основе решения задачи оптимизации единовременных и эксплуатационных затрат, с учетом современных ценообразующих факторов.
Решить такую задачу возможно лишь при наличии методики определения сопротивления теплопередаче, учитывающей комплекс физико-техничес-
ких и экономических факторов, характерных для условий возведения и эксплуатации ограждающих конструкций зданий холодильников.
Первые исследования в области нахождения оптимальной толщины теплоизоляции были проведены в 50-60-х годах прошлого века И. С. Бадыль-кесом, P.A. Леоновой, И.Ф. Душиным [2,4]. Однако авторы находили оптимальную толщину теплоизоляции исходя из минимума лишь эксплуатационных затрат.
В конце 60-х годов прошлого века B.A. Фанш-тейн впервые выводит формулу определения коэффициента теплопередаче конструкции стен холодильников, исходя из приведенных затрат [5]. При этом, наряду с эксплуатационными расходами, учитывают единовременные затраты, связанные с возведением конструкции и установкой холодильного оборудования, однако она все равно имела ряд недостатков. В результате на основе всех этих исследований в конце 70-х годов прошлого века А.Г. Гиндояном, Э.А. Наргизяном, В.Т. Ходыревой была разработана методика, которая основывалась на определении оптимального сопротивления теплопередачи из условий минимизации приведенных затрат на изготовление и эксплуатацию ограждающих конструкций [6].
П = Е К + Э = min,
(1)
где Ен — коэффициент эффективности капитальных вложений (Е^ = 0,15);
К — единовременные затраты на наружное ограждение и систему холодоснабжения; Э — годовые эксплуатационные расходы.
Величина капитальных вложений, связанных с возведением наружных ограждений зданий холодильников может выражена суммой следующих основных слагаемых единовременных затрат.
К = К + К + К + К , + К ,
ПУТ п'
(2)
где Кп — стоимость теплоизолирующей части ограждения, руб/м2;
Кх — капитальные вложения в устройство системы холодоснабжения или стоимость дополнительного холодильного оборудования, необходимого для
строительная теплофизика и энергосбережение
выработки холода на компенсацию теплопритоков через ограждения, руб/м2;
Кт — капитальные вложения в устройство системы отопления или стоимость отопительного оборудования, необходимого для выработки тепла на компенсацию холодопритоков через ограждения, руб/м2; Коб — капитальные вложения на устройство системы обогрева конструкции пола или других мероприятий, связанных с исключением промерзания грунтов оснований, руб/м2;
Кп — стоимость конструктивной части ограждения, независящая от толщины теплоизоляции, но меняющаяся в зависимости от вида теплоизоляции и типа конструкции, руб/м2.
Величина годовых эксплуатационных расходов складывается из следующих основных элементов и определяется по формуле
Э = Э + Э + Э й + Э + Э руб/м2, (3)
х т оо ус К.р II' ^ '
где Эх — затраты на производство холода, расходуемого на компенсацию теплопритоков через ограждающие конструкции;
Эт — затраты на тепло, расходуемое на компенсацию холодопритоков через ограждающие конструкции; Эоо — затраты на тепло, идущее для обогрева грунта; Эус — стоимость потерь в весе хранимых продуктов в результате их усушки;
Эк — затраты на капитальный ремонт конструкции.
После дифференцирования условия 1 была получена формула определения оптимальных значений сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников и на ее основе были получены нормативные требования к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников приведенные в СНиП 2.11.02-87.
&опт =
Ен « - \а )Ьх
ЕнСиз Кзг
1
2ЩЭн,Р, - *к ^оСт^10
,-6
(4)
ЕнСиз Каг
где Ен — нормативный коэффициент эффективности капвложений принимаемый равным 0,12; ^НтаХСУМ — суммарная максимальная температура наружного воздуха;
Ьх — удельная установочная стоимость холодильного оборудования, руб/Вт; tк — температура воздуха в камере, °С; tзн срг — эквивалентная суммарная среднегодовая температура наружного воздуха;
— стоимость теплоизоляции, руб/м3; Сх — стоимость производства ГДж холода, руб/ГДж; Ъ — продолжительность охлаждения камер, час. а — коэффициент, учитывающий потери в трубопроводах;
т — коэффициент перевода рабочих ГДж холода в нормальные;
£ — коэффициент использования полезной емкости камер, принимаемый равным 0,9; ^из — коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции, Вт/(м °С);
г — коэффициент уплотнения материала теплоизоляции.
Один из недостатков СНиП 2.11.02-87 заключается в том, что оценка внешних климатических воздействий производится по средне годовым температурам наружного воздуха, по трем климатическим зонам, а именно: —2 °С и ниже, от 2 до 7 °С и выше 7 °С, что недостаточно характеризует климатические особенности конкретного района строительства, не указывается степень воздействия солнечной радиации в летних условиях на ограждающие конструкций. Более точной является оценка внешних климатических воздействий по величинам градусо-суток охлаждаемого периода в зависимости от расчетных температур в камере. Методика определения количества градусо-суток с учетом влияния солнечной радиации приводится в нашей работе [10]. Для выявления предельных величин изменения количества градусо-суток охлаждаемого периода зданий холодильников в климатических зонах Российской федерации были рассмотрены города со среднегодовой наружного воздуха минус 5,6 °С (Иркутская обл. г. Бодайбо) и г.Сочи со среднегодовой температурой 14,1 °С. Было установлено, что количество градусо-суток охлаждаемого периода изменяется от 200 до 20,0 тыс., между тем СНиП 2.11.02-87 охватывает зону в пределах от 700 до 10220, то есть целые климатические зоны остаются вне нормативных требований.
Таким образом для развития нормативной базы проектирования зданий холодильников следует, во-первых оценить внешние климатические воздействия производств по величине градусо-суток охлаждаемого периода и во—вторых установить экономическое обоснование оптимальных значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций &оПТ, м2 °С/Вт, и определить настолько надо увеличить нормативные сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций Я , приведенных в СНиП 2.11.02-87.
Как уже отмечалось, методика определения нормативных значений сопротивления теплопередаче
строительная теплофизика и энергосбережение
ограждающих конструкции здании холодильников сводилась к минимизации суммы единовременных затрат с учетом срока окупаемости и эксплуатационных затрат. Для существовавшей экономики со стабильными ценовыми факторами на достаточно продолжительный период времени, данныИ подход был оптимален и использовался как для здании холодильников, так и для отапливаемых зданиИ [7].
За последние двадцать лет экономическая ситуация в нашеИ стране в корне изменилась. С начала 90-х годов в стране деИствует рыночная экономика, которая установила свои новые экономические условия, в том числе и в строительном секторе. ИнфляционныИ коэффициент по отношению к базе цен 1984 г. на настоящиИ момент составляет 279,11 для г. Москва, но и он не дает полноИ эко-номическоИ оценки изменению ценовых факторов, используемых для определения нормативных значениИ сопротивления теплопередаче ограждающих конструкциИ зданиИ холодильников.
В данноИ статье нами предлагается следующиИ подход для определения оптимальных сопротивления теплопередаче, которыИ основывается на эко-номическоИ целесообразности увеличения нормативных значениИ теплопередаче ограждающих конструкциИ зданиИ холодильников Кн [8] с учетом внешних температурных воздеИствиИ раИонов строительства на всеИ территории РФ. При этом оптимальное значение определяется по формуле:
АО, кВтч/м
К = К п,
ОПТ н
(5)
где п — коэффициент повышения уровня теплозащиты в п раз.
Внешние температурные воздеИствия на изоляционные конструкции зданиИ холодильников для конкретного раИона строительства определяются величиноИ йох — градусо-сутки охлаждаемого периода, °С • сут [10].
й = (/ - \)1
ох 4 эн.ср.г к' <
(6)
Внешние теплопритоки в помещения (камеры) здания холодильника Оох, кВт ч/м2 являются одними из основных факторов, определяющих мощность холодильного оборудования.
О = (18й 10-3)/К,
пх 4 пх ' '
(7)
60 50 40 30 20 10
/ /; ....
/ /
1 1 •' / —
1 /
123456789 10
п = 1...10
0ох = 1000 Оох = 10000 0„, = 20000
■■— йох = 5000 ........ = 15000
Рисунок 1.
АО = 18й10-3[(п - 1)/Кнп)] .
(8)
где 18 — количество часов работы холодильного оборудования в сутки.
Уменьшение количества внешних теплопритоков за счет увеличения сопротивления теплопередаче АО , кВт ч/м2 определяется следующим образом:
Уменьшение внешних теплопритоков АОох представляет собоИ функцию от переменноИ п. Изменение АОох относительно п при выбранных значениях йох = 1000, 5000, 10000, 15000, 20000 приведен на рис. 1. Нормативное значение сопротивления теплопередаче [8] с учетом величины градусо-су-ток охлаждаемого периода определяется форму-лоИ К = 0,0002й + 2,27.
н ох
Как видно из графика, для указанных й суще-ственныИ рост значениИ уменьшения внешних тепло-притоков АОох наблюдается в интервале увеличения нормативных значениИ от 1 до 4, в дальнеИшем рост существенно замедляется и разница между соседними значениями п стремиться к нулю, так как Кн обратно пропорционально АОох. Например, йох = 1000 при увеличении п от 1 до 4 уменьшение внешних теплопритоков составляет АОох = 5,47 кВтч/м2, а при увеличении п от 4 до 10 АО составляет 0,73 кВтч/м2. Уточнение оптимального значения п необходимо осуществлять исходя из экономических параметров.
Экономическая эффективность от снижения расхода энергии холода определяется на основании сравнения единовременных затрат при увеличении со-
строительная теплофизика и энергосбережение
противления теплопередаче до и эксплуатационных расходов на охлаждение при и при сопротивлений теплопередачи ограждающих конструкций зданий холодильников. Снижение эксплуатационных расходов получается за счет снижения внешних теплопритоков через ограждающие конструкции здания, и уменьшения установочной стоимости оборудования здания холодильника.
Экономический расчет основан на положениях «Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов» М., 2000 г. (утверждены Минэкономразвития РФ, Минфин РФ, Госстрой РФ) с использованием технико-экономических показателей ограждающих конструкций зданий холодильников.
Для оценки экономической эффективности применяется метод дисконтирования экономической эффективности увеличения уровня теплозащиты в и затрат в пределах расчетного периода (горизонт расчета), в качестве которого принимается 10 лет. Шаг расчета принимается равным одному году.
Срок окупаемости инвестиций в современных экономических условиях составляет 10 лет. Это определяется оптимальным сроком окупаемости инвестиций и сроком эксплуатации ограждающих конструкций холодильников. В настоящее время массовое применение в качестве ограждающих конструкций зданий холодильников получили «сэндвич-панели» с эффективными утеплителями. Особенностью панелей является то, что для их ремонта или устранения дефектов практически всегда необходим полный демонтаж панелей с последующей их заменой. По данным современных производителей срок эксплуатации панелей составляет порядка 20—30 лет.
Коэффициент дисконтирования при переменной во времени норме дисконта определяется по формуле:
(9)
где а — коэффициент дисконтирования на шаге 1; Е( — норма дисконта на шаге расчета t, доли ед.; t — номер шага расчета, t = 1,2... Т; Т — горизонт расчета, годы. В качестве нормы дисконта принимается сумма прогнозируемой ставки рефинансирования Центрального банка и ставки за риск.
Оценка экономической эффективности производится при помощи величины чистого дисконтированного дохода ЧДД. Интегральный ИЧДД за расчетный период определяется по формуле:
ичдд = £ (ээ, - з, )а, , (10)
,=0
где ЭЭ{ — энергетический эффект, получаемый при увеличении сопротивления теплопередаче на шаге расчетного периода 1, руб/м2;
3( — затраты на увеличение уровня теплозащиты, на шаге расчетного периода 1, руб/м2.
Критерием эффективности проекта является значение индекса доходности дисконтированных инвестиций, который должен быть больше единицы и определяется по формуле:
ИДД = 1 + ИЧДД £ К, а, ,
(11)
, =0
где — инвестиции на шаге / расчетного периода, руб.
Положительное значение интегрального чистого дисконтированного дохода за рассматриваемый период (10 лет) свидетельствует об эффективности увеличения уровня теплозащиты, то есть суммарный дисконтированный энергетический эффект превышает суммарные дисконтированные затраты на увеличение уровня теплозащиты. Об этом же свидетельствует значение индекса доходности дисконтированных инвестиций большее единицы.
Определим энергетический эффект от повышения уровня теплозащиты в п раз на основе снижений эксплуатационных и единовременных затрат.
ЭЭ) = ЭЭ, + ээ2,
(12)
где ЭЭ1 — снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию за счет снижения теплопритоков через ограждающие конструкции здания холодильников руб/м2;
ЭЭ2 — снижение единовременных затрат на установочную мощность оборудования здания холодильника.
Снижение эксплуатационных затрат на электроэнергию за счет снижения теплопритоков через ограждающие конструкции зданий холодильников определяется следующей формулой:
ЭЭ. = ДОС ,
(13)
где Сх — стоимость единицы энергии производства холода, руб/кВтч.
С = ут/2,5 , (14)
где } — тариф на электроэнергию, руб/кВт ч;
строительная теплофизика и энергосбережение
№ п/п Температура воздуха в камерах •К! С Коэффициент перевода т Коэффициент, учитывающий потери в трубопроводах а Изменение стоимости системы охлаждения руб/Вт
1 Минус 30 4,5 1,1 45
2 Минус 20 2,8 1,07 34,5
3 Минус 10 2,1 1,06 13,5
4 Минус 5 1,8 1,05 12
5 0 1,4 1,03 10,5
Таблица 1.
т — коэффициент перевода рабочих кВтч холода в нормальные (см. табл. 1);
1 /2,5 — коэффициент учитывающий отношение расхода 1 кВт электроэнергии на 1 кВт внешних теп-лопритоков.
Снижение единовременных затрат на установочную мощность оборудования определяется по формуле:
ЭЭ2 = Ба (тах
эн.ср.г —
( п —
V ^п
, (15)
где 5 — удельная установочная стоимость системы охлаждения руб/Вт, таблица 1.
Затраты на увеличение уровня теплозащиты в п раз — сумма единовременных и эксплуатационных затрат:.
3, = 3, + 32 .
Единовременные затраты на дополнительное увеличение слоя теплоизоляции:
3< = *(п - 1)1Сг,
(16)
1 н ' ут
где г — расчетный коэффициент теплотехнической однородности.
Эксплуатационные затраты на потребление энергии холода после увеличения R до R
32 =
18Ро*Ю
(17)
Литература
1. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
2. Бадылькес И.С. Выбор рациональной толщины изоляции в холодильных сооружениях. — Холодильная техника, 1952 г, №4.
3. Леонова Р.Л. Оптимальная изоляция стен холодильных сооружений, М. — 1953 г.
4. Душин И.Ф. Современные системы обогрева грунта под холодильниками. М., 1965 г.
5. Файнштейн В.А. Экономический расчет теплоизоляции охлаждаемых помещений. — Пром. стр-во, 1967, №3.
6. А.Г. Гиндоян, Э.А.Наргизян, В.Т. Ходырева. Методика определения оптимального сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций охлаждающих помещений, ГОССТРОЙ СССР, ЦНИ-ИПромзданий труды института, Москва, 1979 г.
7. Л.Д. Богуславский. Технико-экономические расчеты при проектировании наружных ограждающих конструкций зданий. Издательство «Высшая школа». Москва. — 1969 г.
8. СНиП 2.11.02-87. «Холодильники».
9. www.prom-holod.ru
10. В.В. Гранев, А.Г. Гиндоян, К.В. Авдеев. О температурных воздействиях на ограждающие конструкции зданий холодильников. Пром. и гражд. стр-во. 2009. 11. Стр. 64-67.
11. В.Г. Гагарин. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты огражадющих конструкций зданий. АВОК. 2009. 1-3.
Вышеизложенная методика определения экономически эффективного повышения до Rопт принимается в основу определения зависимости Копт от 0ох, которая будет выражена в табличной форме. В дальнейшем предполагается использовать полученную зависимость для определения нормативных значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников.
Вопросы оптимизации сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников
Отсутствие новых норм теплозащиты ограждающих конструкций зданий холодильников отражающих современные достижения в строительной технике приводит к огромному ущербу при строительстве и эксплуатации объектов холодильной промышленности.
строительная теплофизика и энергосбережение
Определение оптимальных сопротивления теплопередаче основывается на экономической целесообразности увеличения нормативных значений теплопередаче ограждающих конструкций зданий холодильников.
The questions of optimization of resistance to the heat transfer of refrigerator buildings protecting designs by A.G. Gindoyan, K.V. Avdeev No new rules building envelope thermal insulation of refrigerators reflect modern advances in construction techniques resulting in massive damage
during the construction and operation of the refrigeration industry.
Determination of optimal heat transfer resistance is based on the economic feasibility of increasing the normative values of heat transfer building envelope refrigerators.
Ключевые слова: сопротивление теплопередаче, ограждающие конструкции, здания холодильников.
Keywords: heat transfer resistance, building envelope, refrigerators.
