Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Тепловая эффективность зданий: методы расчета и оптимизации 11
1.1. Тепловая эффективность зданий. Методы расчета и нормирования 11
1.2. Современные направления повышения тепловой эффективности зданий 23
1.3. Развитие методов оценки экономической целесообразности применения энергосберегающих мероприятий 26
1.4. Выводы к главе 1 38
ГЛАВА 2. Потенциал энергосберегающих решений систем теплоснабжения и климатизации зданий 40
2.1. Повышение тепловой эффективности систем теплоснабжения зданий 40
2.2. Повышение тепловой эффективности систем отопления зданий .44
2.2.1 Регулирование расхода тепловой энергии на отдельном отопительном приборе и пофасадное регулирование 44
2.2.2. Использование периодического («прерывистого») отопления 49
2.3. Повышение тепловой эффективности систем вентиляции зданий 59
2.3.1. Способы обеспечения требуемого воздухообмена в зданиях с герметичными заполнениями световых проемов 59
2.3.2. Гигрорегулируемая вентиляция 63
2.3.3. Механическая вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного 69
2.4. Совершенствование методов нормирования и расчета тепловой эффективности зданий 74
2.4.1. Оптимизация формы здания с учетом влияния наружного климата 74
2.4.2. Минимальная удельная тепловая характеристика как нормативное значение 83
2.4.3. Особенности выбора расчетных наружных климатических параметров для высотных зданий 87
ГЛАВА 3. Основы экономической оценки энергосберегающих мероприятий 97
3.1. Критерии экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия, сравнение их с альтернативными способами использования денежных средств 97
3.1.1. Общие положения оценки доходности инвестиций 97
3.1.2. Критерии экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия 100
3.1.3. Обоснование критерия приведенных затрат 103
3.1.4. Экономическое сравнение инвестиций в энергосберегающие мероприятия и альтернативных способов использования денежных средств 106
3.2. Инженерная оперативная методика оценки экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия 113
3.2.1. Сравнение различных вариантов энергосберегающих мероприятий (этап 1) 114
3.2.2. Определение экономически оптимальных параметров выбранного варианта энергосберегающего мероприятия по принципу минимума приведенных затрат (этап 2) 116
3.2.3. Сравнение инвестиций в энергосберегающие мероприятия с другими возможностями использования денежных средств инвестора (этапЗ) 116
3.3. Положение об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции 117
3.4. Оценка нормы дисконта и тенденции ее изменения в период срока эксплуатации энергосберегающих мероприятий 119
3.5. Анализ стоимости тепловой энергии в настоящее время и прогноз изменения 119
ГЛАВА 4. Расчет критериев экономической эффективности энергосберегающих решений 123
4.1. Постановка задачи и исходные данные 124
4.2. Расчет критериев экономической эффективности 128
4.2.1. Вариант 1. Устройство индивидуального теплового пункта (ИТП) 128
4.2.2. Вариант 2. Устройство регулируемой системы отопления с терморегуляторами прямого действия на каждом отопительном приборе 131
4.2.3. Вариант 3. Устройство регулируемой системы отопления с терморегуляторами на каждом отопительном приборе с электрическим управлением 133
4.2.4. Вариант 4. Устройство авторегулируемой (гигрорегулируемой) системы вентиляции с естественным притоком через приточные клапаны и с естественной вытяжкой через гигрорегулируемые вытяжные решетки 135
4.2.5. Вариант 5. Устройство авторегулируемой (гигрорегулируемой) системы вентиляции с естественным притоком через приточные клапаны и с естественной вытяжкой через гигрорегулируемые вытяжные решетки (для 10 зданий) 137
4.2.6. Вариант 6. Устройство авторегулируемой (гигрорегулируемой) системы вентиляции с естественным притоком через приточные клапаны и с механической вытяжкой через гигрорегулируемые вытяжные решетки 138
4.2.7. Вариант 7. Устройство поквартирной механической приточно-вытяэюной вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха 142
4.2.8. Обобщенные данные 144
4.3. Зависимость сроков окупаемости инвестиций в энергосберегающие мероприятия от стоимости тепловой энергии 147
4.4. Сравнение инвестиций в энергосберегающие мероприятия с «портфельными» инвестициями 153
Заключение 156
Литература 159
- Развитие методов оценки экономической целесообразности применения энергосберегающих мероприятий
- Регулирование расхода тепловой энергии на отдельном отопительном приборе и пофасадное регулирование
- Критерии экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия
- Анализ стоимости тепловой энергии в настоящее время и прогноз изменения
Введение к работе
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В настоящее время архитектура и строительство вступают в новый этап своего развития, связанный с повышением тепловой эффективности зданий. Работы по повышению тепловой эффективности развиваются, с одной стороны, с учетом предыдущих достижений по энергосбережению в строительной отрасли, с другой стороны, используются новейшие инновационные энергосберегающие решения в системах теплоснабжения и климатизации зданий.
Актуальность энергосбережения в строительной отрасли связана со следующими обстоятельствами:
• увеличиваются объемы строительства, в связи с этим возрастает потребление энергетических ресурсов;
• особую значимость приобретает проблема экологической безопасности -уменьшения загрязнения окружающей среды в результате сжигания топлива;
• возрастает стоимость энергетических ресурсов;
• ставится задача целесообразного использования энергетических невозобновляемых ресурсов в качестве сырья для промышленности;
• ставится задача сохранения ресурсов в аспекте защиты интересов будущих поколений.
Можно выделить три этапа развития понятия «энергосбережение» в строительной отрасли. После первого энергетического кризиса в конце 1973 года термин «энергосбережение» означал поиски простейших путей снижения расхода энергии на теплоснабжение и климатизацию зданий, В начале 1990-х годов этот термин подразумевал выбор таких энергосберегающих технологий, которые одновременно способствовали повышению качества микроклимата в помещениях. В настоящее время термин «энергосбережение» связан с понятием «sustainable building», то есть со строительством таких зданий, которые обеспечивают высокое качество среды обитания людей, экологическую безопасность, сохранение естественной окружающей среды, оптимальное потребление возобновляемых источников энергии и возможность повторного использования строительных материалов и водных ресурсов.
При этом внедрение энергосберегающих решений в массовое строительство должно быть экономически обосновано. В противном случае у инвестора не будет заинтересованности во вложении средств в энергосбережение в зданиях. В связи с этим возникает необходимость в методике, позволяющей оценивать эффективность энергосберегающих мероприятий с экономических позиций. Кроме того, возникает необходимость выявления наиболее перспективных малозатратных направлений повышения тепловой эффективности для современного строительства и, в первую очередь, при реконструкции существующих зданий.
Массовому внедрению энергосберегающих мероприятий во вновь строящиеся и реконструируемые здания препятствуют главным образом следующие обстоятельства:
1. Отсутствие у инвесторов, проектировщиков и производителей оборудования экономической заинтересованности в дополнительных инвестициях в средства энергосбережения зданий.
2. Отсутствие научно обоснованной методики для оценки целесообразности внедрения мероприятий по повышению тепловой эффективности зданий.
3. Необходимость совершенствования существующей нормативной базы для обеспечения эффективного использования энергетических ресурсов.
Целью работы является обоснование перспективных направлений повышения тепловой эффективности зданий на основе технико-экономической оценки инвестиций в энергосберегающие мероприятия.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
• Проведен анализ понятия «тепловая эффективность здания» и рассмотрены методы оценки тепловой эффективности.
• Выявлены актуальные на современном этапе развития строительной индустриии энергосберегающие мероприятия в системах теплоэнергоснабжения и климатизации вновь строящихся и реконструируемых зданий, проведена оценка потенциала энергосбережения основных энергосберегающих мероприятий.
• Разработана инженерная оперативная методика технико-экономической оценки энергосберегающих мероприятий.
• С использованием полученной методики выявлены наиболее эффективные с экономической точки зрения, малозатратные и быстроокупаемые энергосберегающие мероприятия.
• Установлено влияние на срок окупаемости энергосберегающих мероприятий динамики стоимости тепловой энергии и нормы дисконта.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют:
• Методика технико-экономической оценки эффективности энергосберегающих мероприятий с учетом механизма дисконтирования и наращения (капитализации) доходов.
• Методика экономического сопоставления инвестиций в энергосберегающие мероприятия с другими способами использования денежных средств инвестора.
• Результаты экспериментальной проверки решения задачи минимизация затрат энергии на разогрев помещений.
• Методика решения задачи оптимизации формы и размеров здания методом конечных разностей.
Практическая значимость. Практическую значимость работы составляют:
• Методика решения задачи оптимизации формы и размеров здания методом конечных разностей.
Практическая значимость. Практическую значимость работы составляют:
• Разработка на основе результатов работы положения об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции и, в его дальнейшее развитие, руководства по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия.
• Выявленная экономическая эффективность внедрения ИТП, устройства регулируемой системы отопления, авторегулируемой естественной вентиляции, устройства механической вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.
• Рекомендации по оценке теплоэнергетической эффективности проектного решения оболочки здания и системы климатизации на основе расчета энергетических затрат в характерные периоды времени с учетом направленного теплоэнергетического воздействия наружного климата.
• Результаты расчета наружных климатических параметров для высотных зданий.
На защиту выносятся:
• результаты оценки эффективности основных направлений энергосбережения в строительстве, характерных для современного этапа развития строительной индустриии при строительстве и реконструкции зданий.
• методология технико-экономической оценки энергосберегающих мероприятий.
• инженерная оперативная методика технико-экономического сравнения инвестиций в энергосберегающие мероприятия с другими способами использования денежных средств инвестора.
• результаты расчета критериев экономической эффективности энергосберегающих мероприятий, наиболее часто встречающихся в практике современного российского строительства.
Результаты работы внедрены при разработке «Положения об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции», разработанного по заданию Департамента градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы и введенного в действие распоряжением Руководителя Департамента, руководств АВОК-8-2005 и АВОК-8-2007 «Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий», МГСН 4.19-2005 «Проектирование многофункциональных 2. Научно-техническая конференция «Строительная физика в XXI веке», НИИСФ РААСН, Москва, 2006 г.
3. XXII конференция и выставка «Москва - энергоэффективный город», Москва, 2005.
4. Международный форум по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки HEAT&VENT 2004 Moscow, Москва, 7-8 апреля 2004 г.
5. Научно-практическая конференция «Внедрение природоохранных технологий и оборудования в коммунальное хозяйство», Москва, 28 мая 2003 г.
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 33 работы, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, и 2 монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 175 источников, в том числе 8 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 174 страницах, включая 25 иллюстраций, 43 таблицы.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Ю. А. Табунщикову за предложенную интересную тему исследований, помощь и внимательное отношение на всех этапах работы над диссертацией. Автор благодарит М. М. Бродач за подробные консультации по задаче оптимизации формы здания и удельных теплоэнергетических показателей здания, обсуждение полученных результатов исследований, ценные замечания и рекомендации в изложении материала. Автор благодарит кандидата техн. наук И. Н. Ковалева, в соавторстве с которым и на основе его теоретических разработок была создана методика технико-экономической оценки эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. Автор искренне благодарит В. И. Ливчака и А. Л. Наумова за предоставленные данные по оценке потенциала энергосберегающих решений, подробные консультации и ценные замечания по содержанию работы.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен анализ понятия «тепловая эффективность здания» и методов оценки тепловой эффективности. Рассмотрены требования к тепловой эффективности зданий в различных нормативных документах. Выделены основные направления повышения тепловой эффективности зданий, характерные для нашей страны на современном этапе развития строительной индустриии. Представлен обзор работ, посвященных вопросам экономической оптимизации тепловой защиты ограждающих конструкций.
В разные годы над проблемой тепловой эффективности зданий работали многие специалисты, среди которых следует особенно отметить ученых, занимавшихся экономическим обоснованием повышения тепловой эффективности. Это В. Н. Богословский, Л. Д. Богуславский, М. М. Бродач, И. Н. Бутовский, О. Е. Власов, В. Г. Гагарин, М. М. Грудзинский, Л. А. Гулабянц, А. Н. Дмитриев, В. В. Затван, Г. С. Иванов, О. Я. Кокорин, Ю. Я. Кувшинов, И. Ф. Ливчак, В. И. Ливчак, Е. Г. Малявина, Ю. А. Матросов, A. Л. Наумов, М. Я. Поз, В. И. Прохоров, В. К. Савин, А. Н. Сканави, Ю. А. Табунщиков, М. Г. Тарабанов, В. П. Титов, Ф. В. Ушков, К. Ф. Фокин, B. М. Чаплин, И. С. Шаповалов, Д. Д. Шемякин, Е. О. Шилькрот, А. М. Шкловер, Л. К. Юргенсон и многие другие.
Во второй главе обоснованы основные направления повышения тепловой эффективности зданий и приведена оценка ожидаемой экономии энергии.
Рассмотрены следующие направления повышения тепловой эффективности зданий:
• Снижение затрат тепловой энергии на климатизацию здания за счет повышения тепловой эффективности систем теплоснабжения;
• Снижение затрат энергии на климатизацию зданий за счет повышения тепловой эффективности систем отопления;
• Снижение затрат энергии на климатизацию зданий за счет повышения тепловой эффективности систем вентиляции;
• Совершенствование методов нормирования и расчета тепловой эффективности зданий.
В третьей главе приведены основные принципы и разработана методика технико-экономической оценки эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия. Предложено несколько критериев экономической эффективности, которые позволяют принимать решение о целесообразности инвестиций. Методологическая новизна этих критериев основана на существовании в современных экономических условиях понятий прибыль, инфляция, процентные и кредитные ставки, а также на необходимости достоверно прогнозировать динамику этих показателей.
В процессе принятия решения о направлении денежных средств инвесторами рассматривается несколько вариантов капитальных вложений: использовать имеющиеся средства на энергосберегающие мероприятия или вложить их в так называемые «портфельные» инвестиции (различные виды «дачи взаймы» денежных средств под процент). В данной главе приведена методика сравнения инвестиций в энергосберегающие мероприятия с другими возможностями использования денежных средств инвестора.
Экономическая эффективность инвестиций в энергосберегающие мероприятия находится в прямой зависимости от стоимости энергии: чем выше стоимость энергии, тем быстрее окупаются технические решения, позволяющие снижать энергопотребление зданий. Энергосберегающие мероприятия в зданиях рассчитаны, как правило, на достаточно длительный период эксплуатации (например, для рассматриваемых в настоящей главе примерах срок службы всех энергосберегающих мероприятий составляет примерно 20 лет), поэтому в данной главе приведена оценка изменения стоимости энергии в период эксплуатации данного энергосберегающего мероприятия.
В четвертой главе приведены примеры технико-экономической оценки энергосберегающих мероприятий систем теплоснабжения и климатизации зданий на основе практического расчета критериев экономической эффективности. Для расчетов были приняты семь вариантов энергосберегающих мероприятий, в числе которых устройство индивидуального теплового пункта (ИТП), устройство регулируемой системы отопления, устройство регулируемой системы вентиляции, устройство вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха.
Кроме этого, рассмотрена зависимость сроков окупаемости инвестиций от стоимости тепловой энергии. Для оценки этой зависимости в данной главе приведены расчеты сроков окупаемости выбранных вариантов при различных значениях стоимости тепловой энергии.
В Приложении к диссертации приведено разработанное при участии автора «Положение об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции».
Развитие методов оценки экономической целесообразности применения энергосберегающих мероприятий
Изменение схемы централизованного теплоснабжения, связанное с отказом от применения центральных тепловых пунктов (ЦТП) и внедрением индивидуальных тепловых пунктов (ИТП); в результате такого изменения схемы централизованного теплоснабжения появляется возможность регулирования и учета теплопотребления на каждом конкретном объекте;
Еще одно из возможных направлений экономии энергии в строительстве -оптимизация тепловой защиты ограждающих конструкций. Глубокие исследования в этой области выполнены Г. С. Ивановым [38] и В. Г. Гагариным [30]. Эти исследования показали, что при существующей в нашей Снижение затрат энергии на климатизацию помещений за счет совершенствования систем отопления: регулирование расхода тепловой энергии на отдельном отопительном приборе в соответствии с объемно-планировочными решениями помещения и тепловой защитой ограждающих конструкций, режимом эксплуатации и фактическими значениями наружной температуры, скорости и направления ветра, то есть с учетом фактического теплового баланса помещения; использование периодического («прерывистого») отопления, то есть понижение температуры внутреннего воздуха ниже нормативного значения в течение части суток, допускаемое в таких зданиях, как административные, школы, театры и т. д.; Снижение затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха при одновременном повышении качества микроклимата за счет использования механических, естественных или гибридных регулируемых систем вентиляции; Оптимальное использование положительного и минимизация отрицательного влияния наружного климата в тепловом балансе здания. Дальнейшее совершенствование методов нормирования и расчета энергетической эффективности зданий. По каждому из этих направлений необходимо провести оценку потенциала энергосбережения. стране стоимости тепловой энергии, стоимости теплоизоляционных материалов повышение уровня тепловой защиты не окупается, и в настоящей работе эти вопросы подробно не рассматриваются. Также не рассматривается такое перспективное направление экономии энергии в строительной отрасли, как использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Глубокие исследования в этой области выполнены Г. П. Васильевым [21]иО.С.Попелем[88]. Следует отметить, что повышение тепловой эффективности зданий должно основываться на системном анализе здания как единой энергетической системы [121, 115]. Простое «суммирование» независимых инновационных решений нарушает принципы системности и приводит к потере тепловой эффективности проекта. Из этого следует, что существенная экономия энергоресурсов может быть достигнута только при внедрении комплекса энергосберегающих мероприятий. Так, например, при устройстве в здании авторегулируемой (гигрорегулируемой) вентиляции экономия энергоресурсов может быть достигнута только в случае использования одновременно с регулируемой вентиляцией и регулируемой системы отопления, поскольку при снижении теплопотерь за счет вентиляционного воздухообмена необходимо соответственно уменьшить теплоотдачу отопительных приборов; в противном случае возможен перегрев помещений. В свою очередь, устройство регулируемой системы отопления требует специальных технических решений по теплоснабжению зданий и т.д.
Развитие методов расчета оптимизации тепловой защиты зданий. Одно из возможных направлений экономии энергии в строительной отрасли -экономическая оптимизация тепловой защиты ограждающих конструкций, заключающаяся в обеспечении минимальных затрат на возведение и эксплуатацию наружных ограждений. Более полный обзор отечественного и зарубежного опыта проектирования тепловой защиты зданий с учетом минимальных затрат на ее устройство и эксплуатацию обобщен И. Н. Бутовским, Ю. А. Табунщиковым и Е. И. Рыбаловым в работе «Оптимизация теплозащиты зданий» [19].
В соответствии с этим обзором, оптимизация тепловой защиты зданий представляет собой комплексную задачу, эффективное решение которой зависит от правильного учета различных факторов: учета расхода тепловой энергии на изготовление теплоизоляционных материалов и ограждающих конструкций, анализа затрат, связанных с устройством системы теплоснабжения зданий, влияние качества строительства на действительные теплопотери через наружные ограждающие конструкции.
Сооружение зданий с хорошей тепловой защитой помещений от наружных климатических воздействий является рациональным с точки зрения уменьшения расходов на отопление. Однако увеличение термического сопротивления ограждающих конструкций всегда сопровождается повышением их стоимости, то есть уменьшение расходов на отопление или охлаждение помещений связано с повышением стоимости сооружения здания. Следовательно, термическое сопротивление ограждающих конструкций должно определяться с учетом стоимости как самих конструкций, так и расходов, связанных с поддержанием температуры в помещениях. Вопросами экономической оценки теплоизоляции наружных ограждений в СССР начали заниматься достаточно давно. Первое упоминание по этому вопросу в отечественной литературе советского периода относится к 1924 г. Проф. В. М. Чаплин сделал попытку установить экономически целесообразную толщину кирпичной стены.
Наглядный пример подхода к вопросу оптимизации тепловой защиты здания, отражающий суть экономической оптимизации в материальном выражении, показан Л. К. Юргенсоном, который рассматривает деревянный жилой дом, отапливаемый дровами, то есть в данном случае возведение ограждений и отопление здания осуществляется с помощью одного и того же материала. Это позволило при упрощенном подходе к расчету (без учета всех расходов на возведение ограждения и отопление здания) заменить денежные затраты на создание оптимальной толщины теплоизоляции оптимальным значением расхода древесины. Для этого расход древесины на ограждение и отопление приведен кім2 стены. В частности, показано, что при сроке службы ограждения 10 лет наиболее экономичной оказывается деревянная стена толщиной 40 см.
Теоретические основы оптимизации тепловой защиты здании впервые были изложены О. Е. Власовым и А. М. Шкловером [25,160].
Исходный основополагающий принципом оптимизации тепловой защиты зданий является минимум приведенных затрат, представляющих собой сумму необходимых капитальных вложений и эксплуатационных расходов в течение нормативного срока окупаемости капитальных вложений или сумму капитальных и эксплуатационных затрат, приведенных к одному году эксплуатации здания.
Анализируя структуру приведенных затрат (полных годовых расходов) применительно к 1 м2 наружной ограждающей конструкции и учитывая, что с увеличением толщины ограждения капитальные затраты увеличиваются пропорционально толщине, О. Е. Власов получил формулу для определения экономически целесообразного сопротивления теплопередаче, то есть сопротивления теплопередаче конструкции для случая, когда толщина изолирующего слоя будет оптимальной [25].
Было показано, что чем выше сопротивление теплопередаче стены, тем меньше экономическая эффективность дополнительного ее утепления. Так, дополнительное утепление стены в один кирпич минераловатными матами толщиной 6 см позволяло в тех экономических условиях сэкономить 0,94 руб./м в год, добавление второго слоя 0,08 руб./м, третьего -0,04 руб./м2, четвертый слой не дает экономического эффекта.
Регулирование расхода тепловой энергии на отдельном отопительном приборе и пофасадное регулирование
Кроме того, в указанной работе приведены данные зарубежных специалистов, показавших, что экономическая эффективность увеличения тепловой защиты стен достигается только при определенных коэффициентах теплопередачи окон. В работе [19] также указано, что при расчетах экономически целесообразного сопротивления теплопередаче следует учитывать комплексную тепловую эффективность наружных ограждающих конструкций, учитывающую не только эксплуатационные затраты тепловой энергии на отопление, но и энергоемкость производства материалов конструкции, а также расход тепловой энергии, затраченной на ее изготовление. Кроме того, в связи с уменьшением расходе тепловой энергии при оптимизации тепловой защиты зданий снижается не только расход топлива на отопление, но и затраты на систему теплоснабжения зданий. Возникает необходимость при расчете экономически целесообразного сопротивления теплопередаче учета капитальных вложений и эксплуатационных затрет на систему отопления зданий, котельные (или ТЭЦ), внутренние и наружные тепловые сети. Для учета затрат на систему отопления при определении экономически целесообразного сопротивления теплопередаче специальные формулы были предложены А. М. Шкловером и В. Н. Богословским. Наиболее полно вопросы учета затрат на систему теплоснабжения здания при расчете экономически целесообразного сопротивления теплопередаче рассмотрены Л. Д. Богуславским [7, 8]. В этих работах приводятся примеры по определению различных видов затрат и отчислений, входящих в расчетное выражение для определения экономически целесообразной толщины ограждения, а также анализ экономических факторов, характерных для полносборного домостроения. В работе [19] отмечено, что в ряде работ, как отечественных, так и зарубежных [57, 117, 172], предложен совершенно новый подход к оптимизации теплозащитных качеств ограждающих конструкций. Традиционный подход характерен двумя основными допущениями: теплопередача через ограждающую конструкцию рассматривается в отрыве от общего теплового режиме помещения; режим передачи тепла через ограждающую конструкцию предполагается квазистационарным (т.е. не учитывается теплоемкость конструкции). Последнее, в частности, и позволяет рассматривать теплоизоляционный слой отдельно от остальной конструкции и оптимизировать его толщину.
Кроме того, традиционный подход к оценке эффективности ограждающих конструкций предполагает раздельное рассмотрение зимних и летних условий (в частности, на таких методах базируются и нормативные документы). Между тем известно, что требования к ограждающим конструкциям по летним и зимним условиям в значительной мере противоречивы: в зимних условиях наиболее существенны теплоизоляционные качества ограждений, в летних -теплоаккумулирующие. Конструктивные решения ограждений, ведущие к снижению расходов не отопление здания зимой (например, увеличение теплоизоляционного слоя за счет теплоаккумулирующего), могут вызвать увеличение расходов на охлаждение здания летом, и наоборот. Поэтому для полной оценки эффективности ограждающих конструкций необходим анализ их теплового состояния в годовом цикле с учетом суточных изменений климатических факторов (наружной температуры, ветра, солнечной радиации), а также с учетом режима работы системы отопления, вентиляции и кондиционирования, связанного с особенностями эксплуатации здания.
В работе проф. Ю. А. Табунщикова [117] рассматривается метод определения оптимальных теплотехнических показателей ограждающих конструкций, основанный на рассмотрении температурного режима помещения в целом при нестационарном изменении наружных климатических воздействий в годовом цикле. При этом появляется возможность определить не только экономически целесообразное сопротивление теплопередаче, но также оптимальный порядок расположения слоев в многослойном ограждении, оптимальные значения объемной плотности материалов слоев для внутренних и наружных ограждений, оптимальный коэффициент теплопропускания солнцезащитного устройства, оптимальное значение сопротивления теплопередаче заполнения светового проема и т.д.
Задача решается путем численного моделирования нестационарного теплового режима здания в годовом цикле. Система уравнений, дающая математическую постановку задачи, включает уравнение распространения тепла в ограждающих конструкциях с соответствующими граничными условиями, уравнение баланса тепла внутреннего воздуха помещения и уравнение, описывающее тепловой режим оборудования и мебели внутри помещений здания.
В работе [19] были отмечены три группы независимых параметров, определяющих величину приведенных затрат: параметры, характеризующие наружные климатические условия (температура наружного воздуха, скорость и направление ветра, интенсивность солнечной радиации); параметры, характеризующие помещение (геометрические характеристики помещения, характеристики имеющегося оборудования, характеристики режима работы помещения и др.); параметры, характеризующие наружные ограждающие конструкции. Среди третьей группы параметров отмечены следующие: толщина /-го слоя ограждающей конструкции; коэффициент теплопроводности материала /-го слоя; объемная удельная теплоемкость материала /-го слоя; степень черноты поверхности ограждения или поверхностей, ограничивающих воздушные прослойки; коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью ограждения. Так как ставится задача поиска наиболее оптимального решения ограждающей конструкции для данных климатических условий и данного В. Г. Гагариным предложен критерий, определяющий экономические условия повышения тепловой защиты ограждений зданий в стране или регионе - предельное значение для удельных единовременных затрат. Чем оно больше, тем больше средств, которые при этом окупятся, можно затратить на утепление. Этот же параметр ограничивает величины характеристики материала и конструкции ограждения и позволяет установить взаимосвязанные предельные значения этих характеристик при которых окупаются затраты на повышение сопротивления теплопередаче ограждения. Предложен критерий подобия, который позволяет проводить сопоставления повышения тепловой защиты ограждающих конструкций зданий в различных странах по условию его равновременной окупаемости. Предельное значение для удельных единовременных затрат определяет предел технико-экономических возможностей повышения тепловой защиты ограждающих конструкций в регионе или стране. Малое значение этого параметра является формальной причиной неокупаемости повышения тепловой защиты зданий в России.
Критерии экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия
Во исполнение постановления Правительства Москвы от 09 октября 2001 г. № 912-ПП «О Городской программе по энергосбережению на 2001-2003гг. в городе Москве» (раздел 1 Мероприятий городской программы по энергосбережению, п. 15) [90] с учетом постановлений Правительства Москвы от 3 декабря 2002 г. № 989-ПП «О реализации Основ политики Российской Федерации в области науки и технологий за период до 2010 г. и на дальнейшую перспективу», от 3 февраля 2004 г., № 537-ПП «О Перечне объектов экспериментального проектирования и строительства города Москвы на 2004-2006 гг.», а также МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению» [73], утвержденные Правительством Москвы постановлением от 23 февраля 1999 г. № 138 при участи автора разработано «Положение об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции» [86]. «Положение...» утверждено Департаментом градостроительной политики, развития и реконструкции города Москвы и введено в действие с 1 июня 2005 г. распоряжением руководителя Департамента от 12 мая 2005 г. №46.
Департамент рекомендовал организациям - субъектам инвестиционной деятельности в строительстве применение данного «Положения...» при заключении договоров на проектирование объектов экспериментального строительства на территории г. Москвы. «Положение...» устанавливает механизм экономического стимулирования проектирования и строительства зданий с пониженными показателями энергопотребления по сравнению с нормативными их значениями (энергоэффективных зданий).
Положение состоит из введения, трех разделов и приложения. В первом разделе «Область применения» указывается, что Положение устанавливает механизм экономического стимулирования проектирования и строительства зданий с пониженными показателями энергопотребления по сравнению с нормативными их значениями (далее - энергоэффективные здания). Положение распространяется на проектирование и строительство жилых и общественных зданий, финансируемых за счет бюджетных ассигнований и включенных в Перечень объектов экспериментального проектирования и строительства города Москвы.
Во втором разделе «Показатели энергетической эффективности зданий» указывается, что основным показателем энергетической эффективности здания является удельный расход тепловой энергии системой отопления здания за отопительный период в расчете на 1 м2 общей площади квартир в кВт-ч/м2, нормируемый по МГСН 2.01-99 (табл. 2.3) [86]. Повышение уровня энергоэффективности здания определяется степенью снижения удельного расхода энергоресурсов по сравнению со стандартным (нормативным) уровнем согласно МГСН 2.01-99 (табл. 2.6). Проектная энергоэффективность здания определяется по данным энергетического паспорта в составе утвержденного проекта строительства этого здания. Экономическому стимулированию подлежат проектирование и строительство зданий, проектная энергоэффективность которых превышает стандартный (нормативный) уровень за счет снижения удельного расхода энергоресурсов не менее чем на 15%.
В третьем разделе «Механизм экономического стимулирования проектирования и строительства энергоэффективных зданий» указывается, что экономическое стимулирование осуществляется путем применения повышающего коэффициента к стоимости проектирования энергосберегающих мероприятий, предусмотренных в утвержденном проекте здания. Размеры повышающих коэффициентов к стоимости проектирования энергосберегающих мероприятий дифференцируются в зависимости от степени снижения удельного расхода энергоресурсов по сравнению с их стандартным (нормативным) уровнем, установленным таблицей 3.6. МГСН 2.01-99, с учетом сроков окупаемости дополнительных инвестиционных средств, обеспечивающих проектируемый повышенный уровень энергоэффективности здания.
Сумма увеличения стоимости проектирования включается в смету на проектирование и выплачивается проектной организации в установленном порядке в два этапа. Расходы предприятий (разработчиков) по проектированию выпускаемых ими средств энергосбережения, примененных в проекте здания и обеспечивших повышенный уровень его проектной энергоэффективности, оплачиваются проектной организацией за счет полученной суммы повышения стоимости проектирования энергосберегающих мероприятий. Для дополнительного анализа эффективности инвестиций, направляемых на повышение стоимости проектирования энергосберегающих мероприятий, может быть рассчитан срок окупаемости этих инвестиций на основе «Методических рекомендаций по расчету срока окупаемости дополнительных инвестиций в проектирование повышенного уровня энергоэффективности зданий», которые приведены в приложении к Положению и которые носят рекомендательный характер.
В развитие «Положения об экономическом стимулировании проектирования и строительства энергоэффективных зданий и выпуска для них энергосберегающей продукции» разработано и опубликовано «Руководство по оценке экономической эффективности инвестиций в энергосберегающие мероприятия» [37].
Объективность результатов оценки сравнительной эффективности инвестиций, механизм которой рассмотрен выше, во многом зависит от корректности оценки нормы дисконта г и тенденции ее изменения в период горизонта инвестиций (срока эксплуатации энергосберегающих мероприятий Тсл).
Отечественная экономика находится в настоящее время на стадии начального экономического роста. В соответствии с этим можно приближенно оценить среднюю величину г на ближайший период в 10-15 лет.
Диапазон изменения процентной ставки рефинансирования Центробанка гр в ближайшие 10-15 лет будет ограничиваться, вероятнее всего, значениями 5-15 % (в настоящее время ставка рефинансирования принята равной 13 %). Соответствующий диапазон изменения нормы дисконта можно принять в пределах 7-18 %, поскольку всегда выполняется естественное неравенство гр г.В настоящее время средняя величина г находится на уровне 20-22 %. С другой стороны, ставка рефинансирования не опустится, вероятнее всего, ниже 5 %, учитывая малую вероятность годовой инфляции в стране в 2-3 % (такой уровень инфляции характерен для развитых стран с установившейся экономикой). В предположении варианта стабильно развивающейся экономической ситуации в стране и ориентируясь на экспоненциально понижающейся процент от высшего предела в 18-20%, получаем средний прогнозируемый уровень нормы дисконта 10% (г = 0,10). Именно эту величину нормы дисконта можно принять как ориентировочную в ближайшие годы.
Анализ стоимости тепловой энергии в настоящее время и прогноз изменения
Определены наиболее эффективные энергосберегающие мероприятия в системах теплоэнергоснабжения и климатизации зданий, характерные для современного этапа развития строительной индустрии: изменение схемы централизованного теплоснабжения, связанное с отказом от применения центральных тепловых пунктов (ЦТП) и внедрением индивидуальных тепловых пунктов (ИТП), в результате чего появляется возможность регулирования и учета теплопотребления на каждом конкретном объекте; регулирование расхода тепловой энергии на отдельном отопительном приборе с учетом фактического теплового баланса помещения; использование периодического («прерывистого») отопления -понижение температуры внутреннего воздуха ниже нормативного значения в течение части суток, допускаемое ряде зданий (школы, театры и т.д.); снижение затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха при одновременном повышении качества микроклимата за счет использования новых систем вентиляции. 2. Создана методика технико-экономической оценки энергосберегающих мероприятий с учетом различных механизмов использования поступающих в будущем доходов: при дисконтировании (если полученные в результате инвестиций в энергосберегающие мероприятия дополнительные доходы используются в качестве оборотных средств); при наращении (капитализации - если полученные в результате инвестиций в энергосберегающие мероприятия дополнительные доходы используется в виде «портфельных» инвестиций). Методика учитывает необходимость достоверного прогнозирования динамики изменения стоимости тепловой энергии и нормы дисконта в течение всего срока эксплуатации энергосберегающего мероприятия. Использование данной методики позволяет: проводить сравнение различных вариантов энергосберегающих решений с экономических позиций; осуществлять выбор наиболее эффективного в указанном смысле решения; проводить экономическое сравнение инвестиций в энергосберегающие мероприятия с альтернативными способами использования денежных средств инвестора. 3. Установлено, что переход от ЦТП на системы теплоснабжения с ИТП обеспечивает снижение потребления тепловой энергии до 25 %; помимо этого, переход на ИТП вместо ЦТП позволяет сократить капитальные затраты на систему теплоснабжения за счет уменьшения количества внутриквартальных трубопроводов, ликвидации ЦТП и замены посекционной разводки трубопроводов отопления в зданиях на 25-30 %. 4. Установлено, что оснащение отопительных приборов индивидуальными автоматическими регуляторами теплового потока (термостатами) позволяет уменьшить расход тепловой энергии на отопление на 10-20%. Индивидуальное авторегулирование теплоотдачи отопительных приборов следует дополнять авторегулированием подачи тепла на отопление на вводе в здание, в том числе и пофасадным. За счет автоматического регулирования подачи тепловой энергии на отопление достигается экономия тепла 15 % и выше от годового потребления. В случае комплексного оборудования системы отопления не только индивидуальными термостатами, но и регуляторами у источника тепловой энергии или в ИТП, достигается экономия тепловой энергии на отопление до 25-35 %. 5. Проведено экспериментальное исследование, которое подтвердило существенно высокие величины экономии энергии (более 50 %) в случае оптимального управления ее расходом на разогрев помещения в соответствии с решением, состоящим в том, что минимизация затрат энергии на разогрев помещений может быть достигнута при выполнении следующих двух положений: разогрев помещений должен производиться с использованием максимальной мощности отопительного оборудования; разогрев помещений необходимо начинать с разогрева наиболее теплоемких частей помещения. 6. Установлено, что в климатических условиях Москвы снижение затрат тепловой энергии на отопление и вентиляцию многоэтажного жилого здания в результате использования гигрорегулируемых приточных устройств можно оценить в 12-17 %, еще большее снижение затрат тепловой энергии возможно при использовании в дополнение к регулируемому притоку и регулируемой вытяжки. Снижение затрат тепловой энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период в случае оборудования здания механической приточно вытяжной вентиляцией с индивидуальными поквартирными теплоутилизаторами можно оценить в 20-30 %, а в зданиях с повышенными теплозащитными характеристиками еще выше. 7. Разработана методика экономического сравнения инвестиций в энергосберегающие мероприятия и альтернативных способов использования денежных средств инвестора, учитывающая то обстоятельство, что в современных условиях в процессе принятия решения о направлении денежных средств инвесторами рассматривается несколько вариантов капитальных вложений, физических (внедрение энергосберегающих мероприятий) и «портфельных» (различные виды «дачи взаймы» денежных средств под процент). Разработанная методика позволяет сравнить данные варианты капитальных вложений по степени доходности. Для такого сравнения разработаны специальные номограммы. 8. Даны рекомендации по оценке изменения стоимости тепловой энергии и нормы дисконта в течение всего срока службы энергосберегающих мероприятий в зданиях (с учетом того, что срок эксплуатации вновь строящегося здания составляет более 50 лет, а инженерного оборудования более 10-15 лет). Поскольку внедрение энергосберегающих мероприятий предполагает освоение долгосрочных инвестиций, то оценка их экономической эффективности с ориентировкой на текущие заниженные тарифы на энергоносители и текущий высокий (прежде всего из-за высокой инфляции) уровень нормы дисконта приведет к тому, что многие энергосберегающие мероприятия ошибочно окажутся неоправданными. Проведены расчеты экономической эффективности семи вариантов энергосберегающих мероприятий для экспериментального объекта (многоэтажного жилого здания), которые подтвердили практическую применимость предложенной методики и показали: При существующей стоимости тепловой энергии бездисконтный срок окупаемости инвестиций для трех вариантов превышает срок эксплуатации энергосберегающих мероприятий, для остальных составляет более 10 лет, что даже по нормативам плановой экономики не является экономически целесообразным; срок окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования для всех вариантов превышает срок эксплуатации энергосберегающих мероприятий и также свидетельствует об экономической нецелесообразности инвестиций; срок окупаемости инвестиций с учетом наращения для трех вариантов меньше 10 лет и может рассматриваться в качестве экономически целесообразного. При увеличении стоимости тепловой энергии до 0,77 рубУкВт-ч величины сроков окупаемости выглядят более привлекательными для инвестора. При высокой стоимости тепловой энергии, равной 2,15 руб./кВт-ч, безусловно, инициируют инвесторов на вложение средств в энергосберегающие мероприятия. Расчеты подтвердили, что максимальный эффект от внедрения энергосберегающих мероприятий может быть достигнут только в случае их массового применения, причем при высоких значениях стоимости тепловой энергии этот эффект более выражен. Сравнение инвестиций в средства энергосбережения зданий с другими способами использования денежных средств инвестора показало, что при норме дисконта, равной 10%, в случае дисконтирования поступающих промежуточных доходов инвестиции в средства энергосбережения будут менее предпочтительны, чем «портфельные» инвестиции, даже при стоимости тепловой энергии 2,15руб./кВт-ч. В случае наращения поступающих промежуточных доходов привлекательность для инвестора инвестиций в средства энергосбережения увеличивается. При снижении нормы дисконта до 5 %, что возможно при малой годовой инфляции (2-3 %), инвестиции в энергосберегающие мероприятия становятся целесообразными уже при относительно невысоких значениях стоимости тепловой энергии.
