Технико-экономическое обоснования применения современных инженерных решений

Глава 3. Технико-экономическое обоснования применения современных инженерных решений Для проведения технико-экономического обоснования применения современных инженерных решений для повышения энергоэффективности систем отопления и вентиляции в гражданских зданиях рассматривается проект строительства здания общеобразовательной школы на 800 ученических мест в качестве объекта исследования. Предполагается, что здание школы будет построено на территории г. Санкт-Петербурга. Технико-экономическое обоснование заключается в расчете потребления тепловой и электрической энергии системами отопления и вентиляции здания при применении выбранных энергосберегающих решений и без них, определении потенциала энергосбережения и оценке экономической эффективности предложенных мероприятий, заключающееся в расчете прогнозируемого срока окупаемости. Технические и теплоэнергетические параметры, указанные в паспорте объекта, используются в качестве первого, базового варианта, с которым будет производиться сравнение. В качестве второго варианта рассматривается то же здание школы при реализации следующих энергосбрегающих мероприятий: использование современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты, использование геотермальной теплонасосной установки для получения тепловой энергии на нужды отопления здания, применение роторного утилизатора тепла в приточно-вытяжной установке системы вентиляции здания. 3.1 Климатические и теплоэнергетические параметры здания школы Для исследуемого объекта строительства, расположенного в Санкт-Петербурге, расчетная температура наружного воздуха в холодный период года tн, °C, которая в соответствии со СНИП 23-01 принимается равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92, и средняя температура наружного воздуха в течение отопительного периода tот для общественных зданий, °C, принимается согласно таблице 1 [59, c.2]: tн = -26°C ; tот = -0,9°C 63 Необходимые для теплотехнического расчета ограждающих конструкций параметры внутреннего воздуха для зданий общеобразовательных учреждений рекомендуется принимать в соответствии с таблицей 2 [59, c.2]: Таблица 2. Параметры внутреннего воздуха для зданий общеобразовательных учреждений Назначение зданий Расчетная Относительная температура влажность Точка внутреннего внутреннего воздуха росы tр, °C воздуха tв, °C φ в, % 20 55 Жилые здания, гостиницы, общежития, общеобразовательные 10,7 учреждения (школы) Значения градусо-суток отопительного периода ГСОП, °C∙сут, и продолжительность отопительного периода zот, сут, для зданий общеобразовательных школ в климатических условиях г. Санкт-Петербурга были приняты на основании данных таблицы 3 [59, с.3]: ГСОП = 4995 °C∙сут; Zот = 239 сут Значение средней за отопительный период суммарной солнечной радиации на вертикальные и горизонтальные поверхности различной ориентации при действительных условиях облачности Ii, МДж/м2, рекомендуется принимать согласно таблице 4 [59, с.3]: Таблица 3. Средняя величина солнечной суммарной радиации на горизонтальную и вертикальную поверхности при действительных условиях облачности Вертикальные поверхности с ориентацией на: Населенный Горизонтальная пункт СанктПетербург Для поверхность север 912 394 климатических условий северо-восток / восток / юго-восток / северо-запад запад юго-запад 455 650 902 Санкт-Петербурга требуемые значения юг 1009 приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, зависящие от значений градусосуток отопительного периода, определены в соответствии с таблицей 9 [59, c.10]: 64 Таблица 4. Требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций применительно к климатическим условиям Санкт-Петербурга Требуемые значения приведенного сопротивления теплопередаче , м2∙°C/Вт Покрытий Здания и помещения ГСОП Стен и Перекрытий перекрыт чердачных, над ий над неотапливаемы проездам ми подвалами Полов по грунту Окон и балкон ных дверей и Фонаре йс верт. остекле нием Школы общеобразо 4995 3,15 4,70 4,15 4,69 0,53 0,38 вательные В соответствии со СНИП 23-02-2003 [60] приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций нормируемых согласно [60], то есть должно быть не ниже требуемых значений , . Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции может быть определено по формуле: R0  где 1 H  R1  R2  ...  Rn  1 В (6) – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции; δn – толщина слоя материала в ограждении, м; λn –расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя с учетом условий эксплуатации ограждающих конструкций, Вт/м2∙°C; αн – коэффициент теплообмена на наружной поверхности стены, принимаемый согласно [60]; αв – коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности стены, принимаемый согласно [60] Согласно данным исходного проекта наружные стены выполнены из керамического полнотелого кирпича толщиной 380 мм и сэндвич-панелей типа «ТЕРМОПАНЕЛЬ65 МОНОЛИТ ПСБ-150» с негорючим базальтовым утеплителем (λб=0,045) толщиной 150 мм; перекрытия представляют собой монолитные железобетонные плиты толщиной 220 мм с локальными балками; покрытие кровли - рулонная, из 2-х слоев гидроизоляционного материала с крупнозернистой посыпкой, утеплитель - негорючие минераловатные плиты типа Rockwool Руф Баттс толщиной 200 мм, пароизоляция - пленка ПВХ. В конструкциях полов первого этажа предусмотрена звуко-теплоизоляция из пенополистирольных плит типа «Пеноплэкс-35» толщиной 50 мм, на вышележащих этажах - звукоизоляция по типу «Шуманет-100». Окна выполнены по ГОСТ 30674-99 в ПВХ профиле с двухкамерным стеклопакетом с тройным остеклением. Согласно данным производителя, приведенное сопротивление теплопередаче сэндвичпанелей «Термопанель-монолит ПСБ-150» сопротивление теплопередаче наружных стен Общее . приведенное . В соответствии с проектными данными приведенное сопротивление теплопередаче окон, витражей, фонарей , наружных дверей . Приведенное сопротивление теплопередаче конструкции покрытия (кровли) по проекту , показанной на рис.14, может быть посчитано по формуле: Rcr1  1 H  R1  R2  R3  R4  R5  R6  1 В  1 0, 01 0, 04 0, 2 0, 09 0, 02 0, 22 1 м 2  C          5, 25 12 0,17 0,93 0, 043 0,52 0,93 2, 04 8, 7 Вт (7) Рис.14. Конструкция совмещенного покрытия здания согласно проектным данным Приведенное сопротивление теплопередаче конструкции перекрытия над проездом согласно проектным данным (рис. 15) определяется по формуле: 66 Rпрr 1  1 H  R1  R2  R3  1 В  1 0, 003 0, 22 0, 27 1 м2  C      6,9 12 0, 29 2, 04 0, 041 8, 7 Вт (8) Рис. 15. Конструкция перекрытия над проездом согласно проектным данным Также рассчитывается сопротивление передаче неотапливаемым подвалом в соответствии с проектом R rf 2  1 H  R1  R2  R3  конструкции перекрытия над (рис.16): 1 В  (9) 1 0,12 0, 22 0, 003 1 м 2  C       4,31 12 0, 03 2, 04 0, 29 8, 7 Вт Рис.16. Конструкция перекрытия над неотапливаемым подвалом согласно проекту В данной диссертации предлагается проведение энергосберегающих мероприятий, направленных на уменьшение энергопотребления рассматриваемого здания. Для снижения тепловых потерь здания, наружные стены, кровлю, перекрытие над неотапливаемым подвалом, окна, описанные в исходном проекте здания, рекомендуется изменить на ограждающие конструкции с повышенным уровнем теплозащиты. Конструкции таких энергосберегающих наружных стен, покрытий и перекрытий показаны на рисунках 17, 18 и 19 соответственно. Посчитанные значения приведенного сопротивления теплопередаче составили: Rwr 2  для наружных стен: 1 H  R1  R2  R3  R4  1 В  1 0, 02 0, 20 0, 08 1 м 2  C      0,16   5,84 23 0,3 0,11 0, 022 8, 7 Вт Rcr2  для покрытия (кровли): 1 H  R1  R2  R3  R4  1 В (10)  1 0, 01 0, 05 0,17 0, 22 1 м 2  C        9,33 12 0,17 0, 042 0, 022 1,375 8, 7 Вт (11) 67 для перекрытия над подвалом: R rf 2  1 H  R1  R2  R3  R4  R5  1 В  1 0,12 0, 22 0, 03 0, 04 0, 003 1 м 2  C         7, 23 12 0, 022 1,375 0, 022 0,93 0, 29 8, 7 Вт (12) Таким образом, для расчета расхода тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода при применении современных инженерных решений, принятые значения приведенного сопротивления теплопередаче равны для: - наружных стен - покрытия ; ; - окон, витражей, фонарей - наружных дверей - перекрытий над проездами ; ; ; - перекрытий над неотапливаемым подвалом ; Рис.17. Конструкция наружной стены стандартного здания (по требованиям стандарта NBC of Finland 2010) с основанием из газобетонных блоков. [61, c.90] 68 Рис.18. Конструкция совмещенного покрытия здания с низким потреблением энергии с несущим основанием из сборных пустотных железобетонных плит. [61, c.131] Рис.19. Конструкция железобетонного перекрытия над неотапливаемым подвалом для стандартного здания (по требованиям стандарта NBC of Finland 2010) [61, c.152] 3.2 Расчет удельного энергопотребления исследуемого здания при использовании энергосберегающих ограждающих конструкций Площадь стен, включающих окна, балконные и входные двери в здание, витражи, Aw+F+ed, м2, посчитана по формуле: Aw F ed  Pst  H h  As , м2 , где (13) Pst – длина периметра внутренней поверхности наружных стен этажа, м Hh – высота отапливаемого объема здания, м, As – дополнительная площадь наружных стен, выходящих за пределы основного фасада, м2. Aw F ed  Pst1  H h1  Pst 23  H h 23  Pst зал  H h зал  As   346,89  3,9  309,58  7,5  80, 05  9, 7  109, 64  4560,84 м 2 (14) Площадь наружных стен Aw, м2, определяется по формуле: Аw  Aw F ed  AF  4560,84  807, 72  3753,12 м2 , (15) 69 где АF – площадь окон, определяется как сумма площадей всех оконных проемов.  Посчитанная площадь оконных проемов для рассматриваемого здания АF = 807,72 м2;  Площадь наружных дверей и ворот Аed равна Аed = 29,4 м2;  Площадь покрытия Ас согласно проектным данным равна Ас=3550,87 м2;  Площадь перекрытия над подвалом Af равна сумме площади первого этажа и спортивного зала: Af=2796,81+547,24=3344,05 м2;  Площадь перекрытий над проездами Апр равна Апр = 109,7 м2. Общая площадь наружных ограждающих конструкций может быть посчитана по формуле: Аesum  Aw F ed  Ac  Af  Aпр  4560,84  3550,87  3344,05  109,7  11565,46 м2 (16) Коэффициент остекленности фасадов здания f – отношение площади окон и балконных дверей к площади стен, расчитана по формуле: f  AF Aw F ed  807, 72  0,18 4560,84 (17) Отапливаемый объем здания Vh, м3, вычисляется как произведение площади этажа Ast на высоту Hh, этого объема, представляющую собой расстояние от пола первого этажа до потолка последнего этажа. Vh  Ast  H h  Ast1  H h1  Ast 23  H h 23  Astзал  H hзал   2796,81 3,9  2661,16  7,5  547, 24  9, 7  36174,78 м3 tr Приведенный трансмиссионный коэффициент теплопередачи здания K m (18) [Вт/(м2·оС)], расчитывается в соответствии с формулой (Г.5) [60]: ( K trm  A Aw AF Aed Ac Aпр  r  r  r  r  n  rf ) r Rw RF Red Rc Rпр Rf Aesum (19) 70 где n - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху согласно табл. 12 [62, c.39]; Аw , Rwr - cоответственно площадь [м2] и приведенное сопротивление теплопередаче [м2·°С/Вт] наружных стен (за исключением проемов) АF , RFr - то же, заполнений светопроемов (окон, витражей, фонарей); Аed , Redr - то же, наружных дверей и ворот; Аc , Rcr - то же, совмещенных покрытий ; Апр , Rпрr Аf , R rf Аesum - - то же, перекрытий над проездами ; - то же, перекрытий над неотапливаемым подвалом; общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций [м2]. для первого варианта (по проекту): ( K trm1  A A Aw AF A A  r  red  rc  rпр  n  rf ) r Rw1 RF 1 Red 1 Rc1 Rпр1 Rf 1 Aesum  (20) 3753,12 807, 72 29, 4 3550,87 109, 7 3344, 05 (      0, 4  ) 4, 24 0,53 1, 2 5, 25 6,9 4,31   0,305 11565, 46 для второго варианта (повышенный уровень теплозащиты): ( K trm 2  A A Aw A A A  rF  red  rc  rпр  n  rf ) r Rw 2 RF 2 Red 2 Rc 2 Rпр 2 Rf 2 Aesum  3753,12 807, 72 29, 4 3550,87 109, 7 3344, 05      0, 4  ) 5,84 0,8 1, 2 9,33 6,9 7, 23   0,195 11565, 46 ( Приведенный условный инфильтрационный коэффициент теплопередачи здания (21) K inf m [Вт/(м2·оС)] может быть определен по формуле (Г.6) [60]: K inf m  0, 28  c  na  v Vh  aht 0, 28 11, 068  0,85  36174,78 1,3   1, 033 Aesum 11565, 46 (22) 71 где с - удельная теплоемкость воздуха, принимаемая равной 1 кДж/(кг·°С); βv- коэффициент, учитывающий долю внутренних ограждающих конструкций в отапливаемом объеме здания, принимается равным 0,85; Vh - отапливаемый объем здания; ρa- средняя плотность наружного воздуха за отопительный период, принимаемая равной 1,3 кг/м3 na - средняя кратность воздухообмена здания за отопительный период, ч-1, рассчитываемая по формуле (Г.8) [60]: LV  nV na  168 где Ginf  k  ninf V Vh 38001,3 144   168   aht   3074,86  0,8  24 168 168 1,3  1, 068ч 1 0,85  36174,78 (23) Lv - количество приточного воздуха в здание, равное для детских дошкольных учреждений, школ, среднетехнических и высших учебных заведений 5Ap; Ap-для общественных и административных зданий расчетная площадь , определяемая как сумма площадей всех помещений, за исключением коридоров, тамбуров, переходов, лестничных клеток, лифтовых шахт, внутренних открытых лестниц и пандусов, а также помещений, предназначенных для размещения инженерного оборудования и сетей, м2 Lv  5  Ap  5  7600, 26  38001,3м3 / ч (24) nv - число часов работы механической вентиляции в течение недели, nv = 144; Ginf - количество инфильтрующегося воздуха, поступающего через неплотности светопрозрачных конструкций и дверей; допускается принимать для общественных зданий до трех этажей равным 0,1 βv Vh; Ginf  0,1 v Vh  0,1 0,85  36174, 78  3074,86 м3 / ч (25) 168 - число часов в неделе; k - коэффициент учета влияния встречного теплового потока в светопрозрачных конструкциях, равный для окон с двойными раздельными переплетами 0,8; ninf - число часов учета инфильтрации в течение недели, ч, равное 168-nv. 72 Общий коэффициент теплопередачи здания Кm [Вт/(м2·оС)], рассчитывется по формуле (Г.4) [60]: Km  Kmtr  Kminf (26) для первого варианта (по проекту): Km1  Kmtr1  Kminf  0,305  1, 033  1,338 (27) для второго варианта (повышенный уровень теплозащиты): Km2  Kmtr2  Kminf  0,195  1, 033  1,228 (28) Общие теплопотери здания за отопительный период Qh [МДж] могут быть посчитаны по формуле (Г.3) [60]: Qh  0,0864  Km  Dd  Aesum (29) для первого варианта (по проекту): Qh1  0,0864  Km1  Dd  Aesum  0,0864 1,338  4995 11565, 46  6678335,91 МДж (30) для второго варианта (повышенный уровень теплозащиты): Qh 2  0,0864  Km2  Dd  Aesum  0,0864 1, 228  4995 11565, 46  6129294,84 МДж (31) Бытовые теплопоступления в течение отопительного периода Qint [МДж] определяются в соответствии с формулой (Г.10) [60]: Qint  0,0864  qint  zот  Aр  0,0864 10,52  239  7600, 26  1651033,3МДж где (32) qint – величина бытовых теплопоступлений на 1 м2 расчетной площади общественного здания, Вт/м2; для общественных и административных зданий бытовые тепловыделения учитываются по расчетному числу людей, находящихся в здании, освещения (по установочной мощности) и оргтехники (10 Вт) с учетом рабочих часов в неделю zот – продолжительность отопительного периода; Ар - расчетная площадь, м2. Величина бытовых теплопоступлений на 1 м2 qint может быть посчитана в соответствии с [59, с.397] по формуле 73 n qint  ( Где q i 1 чел  nчел Ap  qосв  осв  qорг .т.  орг .т. )  kсут  kнед , (33) qчел – тепловыделения от людей(90 Вт/чел – для взрослых, 67,5 Вт/чел – для детей), Вт/чел; Nчел – расчетное количество людей, чел; qосв – удельные теплопоступления от осветительных приборов, Вт/м2, принимаются равными 25 Вт/м2; τосв – отношение продолжительности использования осветительных приборов в течение рабочего дня по отношению к общей продолжительности рабочего дня, принимается равным 0,5; qорг.т. – удельные теплопоступления от оргтехники и технологического оборудования, Вт/м2, принимается равным 10 Вт/м2; τорг.т.– отношение продолжительности использования оргтехники и технологического оборудования в течение рабочего дня по отношению к общей продолжительности рабочего дня, принимается равным 0,4; kсут – коэффициент среднесуточного использования здания, равный 0,5; kнед – коэффициент средненедельного использования здания, равный 0,857; n qint  ( ( q i 1 чел Ap  nчел  qосв  осв  qорг.т.  орг.т. )  kсут  kнед  (34) 90  80  67,5  800  25  0,5  10  0, 4)  0,5  0,857  10,52 Вт / м 2 7600, 26 Теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода Qs, МДж, для четырех фасадов проектируемого здания, ориентированных по четырем направлениям, рекомендуется рассчитывать согласно формуле (Г.11) [60]: QS   F  kF  ( AF 1  I1  AF 2  I 2  AF 3  I 3  AF 4  I 4 )   ф  kф  Аф  I ф   0, 78  0, 76  (304,68 1009  180,36  650  206,04  394  116,64  650)=344803,23 МДж где (35) τF, τф – коэффициент, учитывающий затенение светового проема соответственно окон и зенитных фонарей непрозрачными элементами заполнения; согласно табл. Л.1 Приложения Л [63] τF = 0,78; 74 kF, kф – коэффициент относительного проникания солнечной радиации для светопропускающих заполнений соответственно окон и зенитных фонарей; согласно табл. Л.1 Приложения Л [63] kF = 0,76; AF1, AF2, AF3, AF4 – площадь светопроемов фасадов здания, соответственно ориентированных по четырем направлениям, м2; I1, I2, I3, I4 – средняя за отопительный период величина солнечной радиации на вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, соответственно по четырем сторонам здания, МДж/м2, определяется по [59, с.3] В итоге, расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода Qhy , МДж, при применении современных ограждающих конструкций возможно рассчитать по уравнению баланса (Г.2) [60]: Qhy  (Qh  (Qint  QS )    )  h (36) где ν – коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций; рекомендуемое значение ν = 0,9; ξ – коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления (в двухтрубной системе отопления с термостатами и с центральным авторегулированием на вводе ξ = 0,95); βh - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное и дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения, принимаем βh = 1,13. для первого варианта (по проекту): Qhy1  (Qh1  (Qint  QS )    )   h   (6678335,91  (1651033,3  344803, 23)  0,9  0,95) 1,13  5618242,12 МДж (37) для второго варианта (повышенный уровень теплозащиты): 75 Qhy2  (Qh 2  (Qint  QS )    )   h   (6129294,84  (1651033,3  344803, 23)  0,9  0,95) 1,13  4997825,71 МДж (38) Тогда расчетный удельный расход тепловой энергии на отопление здания q , кДж/(м3∙°C·сут), определяется по формуле (Г.1) [60]: qhdes  103  Qhy Vh  Dd (39) для первого варианта (по проекту): qhdes 1  103  Qhy1 103  5618242,12 кДж   31,10 3 Vh  Dd 36174, 78  4995 м C  сут (40) для второго варианта (повышенный уровень теплозащиты): qhdes2  103  Qhy2 103  4997825,71 кДж   27, 65 3 Vh  Dd 36174, 78  4995 м C  сут (41) В соответствии с таблицей 9 [60] нормируемый удельный расход тепловой энергии на отопление трехэтажного общественного здания . Рассчитанные значения расхода тепловой энергии на отопление здания сведены в таблицу: При применении Нормируемый По проекту энергосберегающих ограждающих конструкций Удельный расход тепловой энергии на отопление 36,00 31,10 27,65 - 5618242,12 4997825,71 здания, Расход тепловой энергии на отопление , МДж Для оценки экономической эффективности применения ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты рассчитывается потенциал энергосбережения за отопительный период как разница между расходами тепловой энергии на отопление здания при двух вариантах ограждающих конструкций: 76 Qhy  Qhy1  Qhy2  5618242,12  4997825,71  620416,41 МДж (42) Таким образом, полученные значения удельного расхода тепловой энергии на отопление здания для обоих вариантов используемых ограждающих конструкций удовлетворяют требуемому нормативному значению. При этом количество тепловой энергии необходимой для отопления существенно ниже, если сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций выше. Однако, такое энергосберегающее мероприятие требует дополнительных капитальных вложений, что следует учитывать. 3.3 Определение потенциала энергосбережения при применении геотермального теплового насоса в системе отопления здания Также для снижения потребления тепловой энергии зданием школы, в частности, на отопление предлагается использовать в качестве современного инженерного решения геотермальный тепловой насос с вертикальным земляным коллектором (земляным зондом), использующий тепло грунта в качестве низкопотенциального источника энергии. Исходными данными для расчете основных характеристик теплового насоса являются: 1) расчетные тепловые мощности потребителя и годовая потребность в тепловой энергии: – расчетная мощность системы отопления; – годовая потребность тепловой энергии на отопление; 2) параметры теплоносителя системы теплоснабжения: и – расчетные температуры теплоносителя системы теплоснабжения, соответственно горячая и охлажденная 3)характеристики используемого источника низкопотенциальной теплоты: в данной диссертации рассматривается геотермальный тепловой насос с вертикальным грунтовым теплообменником (зондом) tИНТ = 5°C – температура теплоносителя низкопотенциальной теплоты на входе в испаритель В зависимости от вида потребителя тепловой энергии и расчетных температур теплоносителя принимают расчетную температуру теплоносителя на выходе из теплового насоса , соответствующую относительной теплопроизводительности ̅̅̅̅̅ . 77 Расчетная теплопроизводительность теплового насоса может быть посчитана по формуле: QТН0  QТН0  Q0Р  0,67  242, 03  162,16 кВт (43) В зависимости от источника низкопотенциальной теплоты определяют температуру кипения хладона в испарителе теплового насоса: t0  tИНТ  t0  5  5  0C (44) где ∆t0=5°C – расчетный перепад между температурой теплоносителя и температурой кипения, принимаемый согласно [59, c.86] Расчетная температура конденсации хладона в конденсаторе теплонасосной установки может быть определена как: tК  tТН  tК  50  5  55C (45) где ∆tК=5°C – расчетный перепад между температурой конденсации и температурой нагреваемого теплоносителя, принимаемый согласно[59, c.86] Определяется действительный коэффициент преобразования COP, который допускается рассчитывать по формуле: COP  TK (273+55)  Д   0,55  3,28 TK  T0 (273  55)  (273  0) (46) где Тк, Т0 – абсолютные температуры конденсации и кипения, К ηД – коэффициент, учитывающий необратимые потери действительного цикла теплового насоса по сравнению с идеальным обратным циклом Карно, для компрессоров мощностью 50-500 кВт ηД=0,5-0,65. Принимается равным 0,55. Требуемая мощность привода теплового насоса PТН, кВт может быть посчитана по формуле: РТН  QТН 162,16   49, 44 кВт СOP 3, 28 (47) По расчетной производительности QТН и потребляемой мощности привода PТН, по каталогам производителей подбирается подходящий типоразмер теплового насоса. Для рассматриваемого здания школы был выбран рассольно-водяной тепловой насос NIBE AP78 BW30-160. Эта теплонасосная установка имеет тепловую мощность при температуре рассола 0°C и при температуре подачи воды 50°C (режим работы B0/W50) с двумя компрессорами. При этом потребляемая мощность . Коэффициент преобразования теплоты установки COP при таком режиме работы равна: COP  161,8  3, 2 . 50,56 Тепловая энергия, полученная тепловым насосом, используется для нагрева воды в системе отопления. Однако, такая теплонасосная установка с мощностью Qк=161,8 кВт не может полностью обеспечить здание необходимым расходом тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, равным 4997825,71 МДж = 1388284,9 кВт∙ч = 242,03 кВт. Поэтому для данного объекта годовая выработка тепловой энергии теплонасосной установкой составляет 67% суммарного годового расхода тепловой энергии (161,8 кВт = 3341105,28 МДж), требуемого на отопление. Другую часть 33% этого расхода (80,23 кВт = 1656720,43 МДж) здание получает за счет теплоснабжения от городской тепловой сети. В связи с тем, что выбранный тепловой насос при режиме работы В0/W50 имеет максимальную температуру подачи 50°C, этот теплоноситель смешивается с теплоносителем из центральной тепловой сети для повышения его температуры перед подачей в систему отопления. При рассмотрении варианта использования горизонтального земляного коллектора в качестве источника тепла для теплового насоса оказалось, что для размещения трубных контуров в грунте с удельным отбором мощности qe=20 Вт/м2 (для влажной песчаной почвы) [64] требуется большая площадь участка, на котором не должно быть строений для регенерации тепловой энергии за счет солнечной радиации. При расчете необходимая площадь составила Fe= 5562 м2. При укладке трубного контура в два яруса с расстоянием по высоте 0,5-0,7 м требуемая площадь уменьшится в 2 раза: Fe= 2781 м2. Однако, даже в этом случае могут возникнуть трудности с размещением земляного коллектора на территории строительства, а стоимость земляных работ будет высокой. Поэтому для данного объекта земляной вертикальный зонд был принят в качестве источника тепла для теплового насоса. Двойной U-образный трубчатый зонд состоит из двух двойных U-образных петель полимерного трубопровода, расположенных в одной скважине. Промежуточный объем между грунтом и трубами заполнен специальным материалом - бетонитом, который обладает высокой теплопроводностью. Рекомендуемое расстояние между двумя вертикальными 79 зондами глубиной до 50 м составляет минимум 5 м, для зондов с глубиной до 100 м минимум 6 м [64]. Земляные зонды могут быть произведены с помощью буровых устройств или копров. Строительный проект, в котором предусмотрено устройство вертикальных земляных зондов, должен быть согласован, а также для таких теплонасосных установок необходимо получить разрешение согласно законодательству по охране водных ресурсов. Для расчета требуемой длины зонда необходимо определить холодопроизводительность Qк теплового насоса, которая представляет собой разность между его тепловой мощностью Qтн и его потребляемой мощностью Pтн: Qк= Qтн- Pтн=161,8-50,56= 111,24 кВт (48) Требуемая длина трубчатого зонда может быть посчитана по формуле: I Qк 111, 24 1000   3178,3 м  3200 м qe 35 , (49) где qe – удельный отбор мощности для двойных U-образных трубчатых зондов в зависимости от типа грунта. В соответствии с [64] для приближенного расчета рекомендуется использовать значение qe = 35 Вт/м. При длине трубчатого зонда 3200 м, для устройства вертикального коллектора требуется устроить 32 скважины глубиной по 100 м. В каждой скважине устанавливается две петли трубы. Для трубчатого зонда была выбрана полиэтиленовая труба диаметра 32 мм при толщине стенки 2,9 мм (PE 32 x 2,9). Таким образом, коллектор состоит из 64 контуров по 200 м. При расположении скважин в соответствии с рис.20 площадь поля скважин составит 756 м2. Рис.20. Схема расположения скважин вертикального коллектора. 80 Стоит отметить, что точный расчет необходимой длины трубчатого зонда может быть произведен только на месте монтажных работ предприятием, выполняющим буровые работы, так как он значительно зависит от типа грунта, его состояния, водоносных слоев грунта. Таким образом, при использовании геотермального теплового насоса, в общем для работы системы отопления здания требуется 50,56 кВт электрической энергии (годовой расход энергии на привод теплонасосной установки составляет 290012,16 кВт∙ч за отопительный период) и 80,23 кВт (395,70 Гкал за отопительный период) тепловой энергии вместо 2412,03 кВт (1193,71 Гкал за отопительный период). Такая экономия энергии является существенной и может дать положительный экономический эффект в зависимости от срока эксплуатации, стоимости теплонасосного оборудования и его монтажа. 3.4 Определение потенциала энергосбережения при применении ротороного утилизатора тепла в системе вентиляции здания Реализация энергосберегающих мероприятий может значительно снизить потребление тепловой энергии зданием на вентиляцию. Для этого в качестве современного инженерного решения предлагается использовать роторный утилизатор тепла в составе приточновытяжной вентиляционной установки вместо указанной в исходном проекте прямоточной приточно-вытяжной системы вентиляции без рекуперации. Таким образом, в данной диссертации будут посчитаны суммарные энергозатраты на вентиляцию за год для обоих вариантов. При использовании рекуператора увеличатся затраты электрической энергии, так как требуется дополнительная энергия для работы двигателя, который вращает роторный утилизатор. Более того увеличивается требуемая мощность вентилятора из-за падения напора при прохождении через рекуператор, что также приводит к увеличению затрат электроэнергии. Эти обстоятельства необходимо учитывать расчете энергозатрат на вентиляцию здания. 81 3.4.1 Определение количества затрачиваемой энергии При определении количества потребляемой энергии, требуемой для нагрева наружного воздуха для подачи его в помещения в прямоточной системе вентиляции, необходимо рассчитать мощность калориферов. В приточно-вытяжной вентиляционной установке с рекуператором обычно используется догревающий калорифер для подогрева воздуха после рекуператора до требуемой температуры, однако он имеет меньшую мощность, но, с другой стороны, появляются дополнительные энергозатраты. Эффективность использования установок с рекуперационным оборудованием при сопоставлении с прямоточной системой вентиляции может быть определена уменьшением затрат энергии для работы калорифера и дополнительными энергозатратами, возникающими при эксплуатации роторного утилизатора тепла. Эти дополнительные затраты энергии состоят из необходимой для работы двигателя ротора энергии и затрат энергии при прохождении воздуха через утилизатор тепла. Рассмотрим две системы вентиляции: прямоточную (в соответствии с исходным проектом) и приточно-вытяжную с роторным утилизатором тепла. При этом произведем сравнение этих систем только на основании их отличий при неизменном расходе воздуха. Необходимая энергия для работы прямоточной системы вентиляции состоит только из затрат энергии, требуемой для нагрева наружного воздуха в калорифере. Мощность калорифера в прямоточной системе вентиляции может быть посчитана формуле: Q  L  c    (t2  t1 ) (50) где Q – мощность калорифера, Вт; L - расход воздуха; ρ - плотность воздуха; t2 – температура воздуха после нагревания (после калорифера); t1–температура воздуха до нагревания (до калорифера). Следовательно, в прямоточной системе вентиляции затраты энергии равны: Qпр  L  c    (tпр  tнар ) (51) tпр – температура приточного воздуха; 82 tнар–температура наружного воздуха. С другой стороны, энергия, затраченная при использовании роторного утилизатора тепла, определяется согласно выражению: Qрот  Qкал  Nдв  Nh (52) где Qкал - затраты энергии на догрев воздуха в калорифере; Nдв- мощность двигателя ротора; N∆h- затраты энергии, возникающие из-за потерь напора на роторе. Требуемое количество энергии для подогрева воздуха в калорифере Qкал определяется по формуле: Qкал  L  c    (tпр  t рот ) (53) где t рот  tнар    (tвн  tнар ) - температура воздуха после ротора;  t рот  tнар tвн  tнар – температурный коэффициент полезного действия роторного утилизатора тепла; tвн – температура вытяжного воздуха, допускается принимать равной расчетной температуре воздуха внутри помещения; Затраты энергии, которые появляются из-за потерь напора на роторе определяются согласно формуле: Nh  p  L (54) где ∆p - потеря давления в роторе. Значения температуры наружного воздуха существенно влияют на затраты энергии для нагрева воздуха в системе вентиляции, поэтому определение температуры наружного воздуха, для которой будет выполнен расчет, является важной задачей. Можно производить расчет для расчетной летней и зимней температуры наружного воздуха в выбранном регионе, а также для средней за год температуры. В теплый период, когда температура наружного воздуха выше требуемой температуры приточного воздуха, калорифер не используется. Более того, в летнее время года не всегда требуется подогревать наружный воздух при помощи роторного утилизатора тепла, поэтому воздух будет проходить через неработающий рекуператор. При этом будет происходить потеря напора на этом оборудовании. Следовательно, при расчете затрат энергии на вентиляцию здания не 83 рекомендуется использовать ни расчетную температуру наружного воздуха, ни среднюю за год. Таким образом, для определения требуемого количества энергии, затрачиваемого за год и необходимого для подогрева приточного воздуха в системе вентиляции, следует производить расчет для каждой температуры наружного воздуха с учетом времени ее стояния в течение года. [65] 3.4.2. Определение количества энергии, затрачиваемой за год, необходимой для подогрева приточного воздуха в прямоточной установке Сравнительный расчет количества затрачиваемой энергии производится для одинаковых условий эксплуатации. Исходные данные для расчета: Расход воздуха L=38001,3 м3/ч , температура приточного воздуха tпр = 18°C, температура воздуха, удаляемого из помещения, допускается принимать равной расчетной температуре внутри помещения; согласно ГОСТ 30494-2011[66] принимается tвн = 20°C для нагрева воздуха используется электрический калорифер Температуры наружного воздуха и время стояния этих температур в течение года приняты для Санкт-Петербурга в соответствии с [65]. Результаты расчета представлены в таблице: Таблица 6. Затраты энергии за год в прямоточной установке Температура наружного воздуха, °C Время стояния данной температуры в течение года, ч 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 2 6 13 17 26 38 40 75 96 151 178 215 Количество тепла, необходимое для подогрева воздуха до требуемой температуры, кВт Затраты энергии за год, кВт∙ч 84 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 244 281 298 310 276 264 254 243 262 240 219 227 232 238 257 357 420 428 303 299 279 261 203 215 161 166 155 128 114 104 81 69 67 55 47 38 29 21 19 13 10 11 9 9 6 4 12,67 25,33 38,00 50,67 63,34 76,00 88,67 101,34 114,00 126,67 139,34 152,01 164,67 177,34 190,01 202,67 215,34 228,01 240,67 253,34 266,01 278,68 291,34 304,01 316,68 329,34 342,01 354,68 367,35 380,01 392,68 405,35 418,01 430,68 443,35 456,02 468,68 481,35 494,02 506,68 519,35 532,02 544,69 557,35 570,02 582,69 3090,77 7118,91 11324,39 15707,20 17480,60 20064,69 22522,10 24624,84 29869,02 30401,04 30515,04 34505,18 38203,97 42206,78 48831,67 72354,48 90443,09 97587,34 72924,49 75749,26 74216,54 72734,49 59142,69 65362,24 50985,08 54671,20 53011,81 45398,89 41877,43 39521,35 31807,09 27968,96 28006,96 23687,48 20837,38 17328,59 13591,80 10108,35 9386,32 6586,89 5193,51 5852,20 4902,17 5016,17 3420,12 2330,75 85 -29 -30 1 1 595,35 608,02 Итого: 595,35 608,02 1559674,7 В итоге были определены суммарные затраты энергии за год при прямоточной системе вентиляции, которые равны Qпр = 1559674,7 кВтч. 3.4.3 Определение количества энергии необходимого для подогрева воздуха после рекуперационной установки, затрачиваемое за год В качестве энергосберегающего мероприятия предлагается использовать две приточновытяжные установки с роторным утилизатором тепла Swegon GOLD RX 60 для обеспечения необходимого расхода и напора в системе вентиляции здания школы. Роторный утилизатор тепла имеет высокий коэффициент полезного действия рекуперации тепла. Температурный к.п.д. рекуперации в установках GOLD может достигать значения η=85% при равных расходах приточного и вытяжного воздуха. Номинальный расход воздуха, указанный производителем: 3600-23400 м3/ч, возможно подключение дополнительного калорифера и охладителя. Предоставляется возможность регулирования вращения ротора. Расчет затраты энергии для приведения ротора в работу: Мощность двигателя одной установки равна 0,15 кВт, таким образом: Nдв=0,15∙2=0,30 кВт (55) Затраты энергии, возникающие из-за потерь напора на роторе: Nh  p  L  0,000042  38001,3=1,6 кВт (56) При проведении расчетов были приняты следующие допущения: - каждая вентиляционная установка обеспечивает половину общего расхода, т.е. 19000,65 м3/ч; - для предотвращения обледенения роторного утилизатора, температура вытяжного воздуха после рекуператора была ограничена, минимальная температура принята равной минус 5°C; - чтобы обеспечить минимальную температуру вытяжного воздуха после рекуператора (-5°C) и требуемую температуру приточного воздуха (18°C), ограничивается температурный КПД роторного утилизатора тепла при помощи регулирования скорости вращения ротора; 86 - расчет количества энергии, требуемого для подогрева воздуха в системе вентиляции при использовании рекуперационной установки, был произведен для температурного к.п.д. ротора равного η=75%. Результаты расчета приведены в таблице 7: Таблица 7. Затраты энергии за год в приточно-вытяжной установке с рекуператором Количество КПД Темпер Температур Температур тепла, Время ротор а а а необходимо стояния Мощнос -ного тура приточного вытяжного е для данной ть утил наруж воздуха воздуха подогрева температур двигател иного после после воздуха ы в течение я затор воздух рекуператор рекуператор после года, ч а а, °C а, °C а, °C рекуператор а, кВт 29 2 18 20 28 6 18 20 27 13 18 20 26 17 18 20 25 26 18 20 24 38 18 20 23 40 18 20 22 75 18 20 21 96 18 20 20 151 18 20 19 178 18 20 18 215 18 20 0,3 0,33 17 244 18 19 0,3 0,5 16 281 18 18 0,3 0,6 15 298 18 17 0,3 0,67 14 310 18 16 0,3 0,71 13 276 18 15 0,3 0,75 12 264 18 14 0,3 0,75 11 254 17,75 13,25 3,17 0,3 0,75 10 243 17,5 12,5 6,33 0,3 0,75 9 262 17,25 11,75 9,50 0,3 0,75 8 240 17 11 12,67 0,3 0,75 7 219 16,75 10,25 15,83 0,3 0,75 6 227 16,5 9,5 19,00 0,3 0,75 5 232 16,25 8,75 22,17 0,3 0,75 4 238 16 8 25,33 0,3 0,75 3 257 15,75 7,25 28,50 0,3 0,75 2 357 15,5 6,5 31,67 0,3 0,75 1 420 15,25 5,75 34,83 0,3 0,75 428 15 5 38,00 0,3 0,75 -1 303 14,75 4,25 41,17 Затрат ы энерги Общие и на затрат Затраты роторе ы энергии за из-за энерги год, кВт∙ч потерь и, кВт напора , кВт 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 5,07 8,23 11,40 14,57 17,73 20,90 24,07 27,23 30,40 33,57 36,73 39,90 43,07 3,2 9,6 20,8 27,2 41,6 60,8 64 120 153,6 241,6 284,8 344 463,6 533,9 566,2 589 524,4 501,6 1286,96 2000,75 2986,89 3496,10 3883,72 4744,45 5583,64 6481,74 7813,05 11983,69 15428,50 17077,76 13049,63 87 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,74 0,72 0,70 0,68 0,66 0,64 0,62 0,61 0,59 0,58 0,56 0,55 0,53 0,52 0,51 0,50 0,49 0,48 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 -26 -27 -28 -29 -30 299 279 261 203 215 161 166 155 128 114 104 81 69 67 55 47 38 29 21 19 13 10 11 9 9 6 4 1 1 14,5 14,25 14 13,75 13,5 13,25 13 12,75 12,5 12,25 12 11,75 9 8 7 6 5 4 3 2 1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 3,5 2,75 2 1,25 0,5 -0,25 -1 -1,75 -2,5 -3,25 -4 -4,75 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 -5 44,33 47,50 50,67 53,84 57,00 60,17 63,34 66,50 69,67 72,84 76,00 79,17 114,00 126,67 139,34 152,01 164,67 177,34 190,01 202,67 215,34 228,01 240,67 253,34 266,01 278,68 291,34 304,01 316,68 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 1,6 46,23 49,40 52,57 55,74 58,90 62,07 65,24 68,40 71,57 74,74 77,90 81,07 115,90 128,57 141,24 153,91 166,57 179,24 191,91 204,57 217,24 229,91 242,57 255,24 267,91 280,58 293,24 305,91 318,58 Итого: 13824,22 13783,05 13720,35 11314,24 12663,92 9993,06 10829,09 10602,35 9160,84 8519,88 8101,87 6566,62 7997,37 8614,26 7768,10 7233,54 6329,75 5197,94 4030,04 3886,90 2824,13 2299,08 2668,32 2297,18 2411,18 1683,46 1172,97 305,91 318,58 296484,9 8 Количество энергии необходимой для подогрева приточного воздуха, затрачиваемой за год при использовании роторного утилизатора тепла составляет: Qрот = 296484,98 кВтч. 3.4.4. Сравнение затрат энергии на вентиляцию с учетом времени стояния температур в течение года При проведении сравнительного расчета были учтены условия сопоставимости исследуемых различных вариантов проектных решений: обеспечение одинаковых требуемых параметров приточного воздуха и расчетного расхода воздуха. Сравнение затрат энергии за год при прямоточной системе вентиляции и при использовании приточно-вытяжных вентиляционных установок с роторным утилизатором тепла представлено на диаграмме 4: 88 100000 Энергозатраты на вентиляцию с учетом времени стояния температур в течение года Энергозатраты, кВт∙ч 90000 80000 Затраты энергии при прямоточной системе 70000 60000 50000 40000 Затраты энергии при использовании установок с рекуперацией 30000 20000 10000 29 26 23 20 17 14 11 8 5 2 -1 -4 -7 -10 -13 -16 -19 -22 -25 -28 Наружная температура, °C Диаграмма 4. Энергозатраты на вентиляцию с учетом времени стояния температур в течение года При η=75% значение Qрот = 296484,98 кВтч. Посчитанные затраты на прямоточную систему вентиляции составили Qпр = 1559674,7 кВтч. В итоге, расход тепловой энергии на отопление за отопительный период в соответствии с исходным проектом составил . Суммарный расход электрической энергии на вентиляцию при прямоточной системе (по проекту) за год составил Qпр = 1559674,7 кВт∙ч. Расход тепловой энергии на отопление за отопительный период при реализации предложенных энергосберегающих мероприятий: применение энергосберегающих ограждающих конструкций и использование геотермального теплового насоса в системе отопления для получения тепловой энергии, составил При этом расход электрической энергии для работы теплового насоса за отопительный период равен 290012,16 кВт∙ч. Суммарный расход электрической энергии на вентиляцию при использовании приточно-вытяжной установки с роторным утилизатором тепла за год составил Qрот = 296484,98 кВт∙ч. 89 3.5 Расчет срока окупаемости инженерных решений для повышения энергоэффективности систем отопления и вентиляции Применение современных энергоэффективных технологий и оборудования снижает потребление системами отопления и вентиляции тепловой энергии, необходимой для обеспечения требуемых показателей микроклимата внутри здания. Следовательно, стоимость эксплуатации здания, в частности, расходы на подводимую от источника теплоснабжения тепловую энергию, уменьшается. Проведенные расчеты теплопотребления здания показали, что применение в строительстве современных ограждающих конструкций с высокими значениями приведенного сопротивления теплопередаче, а также использование энергоэффективного оборудования, такого как геотермальный тепловой насос и роторный утилизатор тепла, существенно снижает количество энергии, необходимое для работы системы отопления и вентиляции. Это приводит к экономическому эффекту, который может быть положительным или отрицательным, в зависимости от полученной в результате стоимости оплаты коммунальных услуг и объема дополнительных капитальных вложений, необходимых для реализации предложенных мероприятий. Срок окупаемости рассмотренных энергосберегающих мероприятий может определить их экономическую эффективность. Таким образом, если срок окупаемости меньше срока эксплуатации оборудования (или здания), то это обосновывает экономическую целесообразность применения современных инженерных решений. 3.5.1 Определение прогнозируемого срока окупаемости предложенных энергосберегающих мероприятий Для расчета сроков окупаемости используется метод приведенных затрат. Приведенные затраты П1, П2, руб., которые учитывают капитальные затраты для выполнения предложенных энергосберегающих мероприятий, а также эксплуатационные расходы, могут быть посчитаны по формуле: П1=К1+Э1∙Т; (57) П2=К2+Э2∙Т, (58) 90 где К1 – капитальные затраты на инженерное оборудование и ограждающие конструкции, выполненные в соответствии с исходным проектом, руб; К2 – капитальные затраты на предложенное энергосберегающее оборудование и энергоэффективные ограждающие конструкции, руб; Э1 – эксплуатационные затраты на тепловую энергию, необходимую для работы системы отопления и вентиляции в соответствии с исходным проектом, руб/год; Э2 – эксплуатационные затраты на тепловую энергию, необходимую для работы системы отопления и вентиляции с учетом предложенных энергосберегающих мероприятий, руб/год; Т – отрезок времени, год. Для выбранной модели равенство приведенных затрат П1 и П2 является условием окупаемости: П1 = П2 (59) С учетом предыдущих равенств можно получить равенство: К1+Э1∙Т = К2+Э2∙Т (60) Таким образом, возможно определить срок простой окупаемости: T K 2  K1 K  Э1  Э2 Э , (61) где ∆К – разница капитальных затрат на инженерное оборудование и ограждающие конструкции в соответствии с предложениями и с исходным проектом, руб; ∆Э – разница эксплуатационных затрат на тепловую энергию при реализации энергосберегающих предложений и в соответствии с исходным проектом, руб/год. Рассматривается экономическая эффективность проведения энергосберегающих мероприятий для проекта здания общеобразовательной школы, расположенной в г. СанктПетербурге. Разница капитальных затрат на применение энергосберегающих ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты вместо указанных в исходном проекте ∆К ок составляет 10,250 млн. руб. 91 При технико-экономическом обосновании применения тепловых насосов для нового строительства допускается производить оценку дополнительных капитальных затрат по укрупненным показателям [59, c.88]. Дополнительные расходы на установку теплонасосной системы для отопления здания ∆Ктн, включающие в себя стоимость теплового насоса NIBE AP-BW30-160, дополнительного оборудования и зондов, монтаж и бурение скважин, равны 8,629 млн.руб. Разница в стоимости приточно-вытяжного агрегата с роторным регенератором Gold RX 60 и приточно-вытяжной агрегат без рекуператора, например, GOLD SD 60, может быть минимальной или отсутствовать вообще. В установке с рекуператором получается увеличение цены за счет самого рекуператора, но при этом мощность калорифера получается минимально возможной из всех вариантов. В системе без рекуперации за счет отсутствия рекуператора получается небольшая экономия в деньгах, но требуется более мощный и дорогой нагреватель. В соответствии с тарифами на тепловую энергию, поставляемую государственным унитарным предприятием «Топливно-энергетический комплекс Санкт-Петерубрга» потребителям, расположенным на территории Санкт-Петерубрга, на 2016-2018 годы стоимость 1 Гкал тепловой энергии составляет 1842,14 руб. Стоимость 1 кВт∙ч электрической энергии принята равной 1,78 руб. Разница эксплуатационных затрат на тепловую энергию ∆Э при реализации энергосберегающих предложений и в соответствии с исходным проектом составляет 1,915 млн.руб/год. Простой срок окупаемости определяется согласно формуле 61: T K 10, 250  8,629   9,85  10 лет Э 1,915 (62) 92 Необходимо отметить, что срок простой окупаемости, не учитывает возможный рост тарифов на тепловую энергию, проценты по кредиту (если для реализации выбранных мероприятий требуется использовать заемные средства), а также дисконтирование будущих денежных поступлений, полученных в результате выполнения мероприятий, которые снижают требуемое количество тепловой энергии для системы отопления и вентиляции. Следовательно, полученое значение прогнозируемого срока окупаемости денежных вложений может быть использовано только в качестве оценочного. Для учета указанных дополнительных факторов, прогнозируемый срок окупаемости инвестиций в энергосберегающие мероприятия следует рассчитывать по формуле: K (r  i )  ) Э (1  i) 1 r ln( ) 1 i ln(1  T (63) r - средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию; i – процентная ставка дисконтирования. Сохраняется тенденция ежегодного роста тарифов на тепловую и электрическую энергию. Следовательно, годовая экономия денежных средств, требуемых для оплаты коммунальных услуг, будет увеличиваться с каждым последующим годом. Этот факт является существенным, поэтому его необходимо учитывать при проведении расчетов. По данным [19, 67] в среднем относительный рост тарифов на тепловую энергию в России составляет приблизительно 15% в год. Таким образом, средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию r при расчетах принимается равным 0,15. К тому же, в соответствии с выбранной методикой расчета необходимо учитывать то обстоятельство, что в последующие годы денежные средства, которые удалось сэкономить, следует принимать в расчет учитывая фактическую стоимость денег через n лет (денежные средства следует дисконтировать). В качестве меры дисконтирования денежных потоков 93 возможно принять средний уровень инфляции за выбранный отрезок времени, получение дохода с альтернативных инвестиций (например, открытие депозитного вклада в банке), ставку рефинансирования ЦБ, а также другие факторы, которые могут повлиять на размер денежных потоков. В данном расчете в качестве меры дисконтирования выбрано средний за последние десять лет уровень инфляции. В России среднегодовой рост инфляции составляет примерно 10%, поэтому процентная ставка дисконтирования i принят равным 0,1. Тогда срок окупаемости энергосберегающих мероприятий c учетом роста тарифов и дисконтирования будущих денежных потоков по формуле 63 равен: ln(1  T K (0,15  0,1)  ) Э (1  0,1)  8,3  8,5 лет 1  0,15 ln( ) 1  0,1 (64) В результате, срок окупаемости предложенных в данной работе энергосберегающих мероприятий, учитывающий рост тарифов на тепловую энергию и дисконтирования будущих денежных потоков, составляет 8,5 лет. Заявленный срок эксплуатации выбранной приточно-вытяжной установки с роторным утилизатором тепла Swegon GOLD RX 60 составляет 15-20 лет, срок эксплуатации теплонасосной установки NIBE AP-BW30-160 составляет примерно 15 лет. Таким образом, проведенный расчет показал экономическую целесообразность реализации предложенных мероприятий для повышения энергоэффективности систем отопления и вентиляции в общественном здании. 94 Заключение Для выполнения поставленных в магистерской диссертации задач были проанализированы различные проблемы и перспективы энергосбережения в России, а также государственная политика в этой области. В настоящее время вопрос энергосбережения и энергетической эффективности в строительной сфере является очень важным и актуальным. Правительство Российской Федерации разрабатывает, утверждает нормативные документы, постановления и законы, направленные на повышение энергоэффективности и создание системы энергосбережения во всех областях строительства. Однако, до сих пор существует необходимость в актуализации и разработке новых строительных норм, отвечающих сложившейся ситуации в стране. Согласно экспертным оценкам, а также реальным полученным данным в результате проведения различных энергосберегающих мероприятий при строительстве объектов существует возможность значительно сократить потребление зданиями тепловой и электрической энергии. Существующий положительный опыт применения современных инженерных решений и оборудования следует использовать для перехода к строительству именно таких энергоэффективных жилых и общественных зданий. Более того, предложенные профессиональным сообществом энергосберегающие технологии и решения необходимо учитывать при проектировании новых зданий, так как они могут быть экономически эффективны. Таким образом, при инвестировании дополнительных капитальных затрат при строительстве новых объектов возможно получить существенную экономию при эксплуатации зданий и сооружений за счет снижения потребления энергоресурсов. Одной из поставленных в работе задач являлось рассмотрение существующих энергосберегающих мероприятий. На данный момент, для повышения энергоэффективности особо актуальным является применение различного современного оборудования в инженерных системах эффективность здания. применения Опыт приборов использования учета и такого оборудования регулирования тепловой доказал энергии (терморегуляторы, балансировочные клапаны), систем вентиляции с возможностью изменения расхода воздуха, утилизаторов тепла вытяжного воздуха в системе вентиляции, тепловых насосов для обеспечения нужд на отопление здания и горячего водоснабжения. Также, остается актуальным применение современных ограждающих конструкций с 95 повышенными теплозащитными характеристиками. Эти перечисленные инженерные решения и оборудование были рассмотрены в данной магистерской диссертации. Для обоснования энергосберегающих произведено экономической мероприятий эффективности при технико-экономическое при строительстве сравнение на реализации общественных примере современных зданий проекта было здания общеобразовательной школы на 800 ученических мест. Для этого было посчитано тепло- и электропотребление системами отопления и вентиляции при реализации предложенных энергосберегающих решений и без них. Затем был рассчитан потенциал энергосбережения, а также произведен расчет экономической эффективности и целесообразности применения таких мероприятий. В качестве современных инженерных решений для повышения энергоэффективности систем отопления и вентиляции были выбраны: применение ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты для снижения тепловых потерь здания, использование роторного утилизатора теплоты вытяжного воздуха в составе вентиляционной установки, применение теплового насоса, использующего тепло грунта в качестве низкопотенциального источника энергии, для получения тепловой энергии на нужды отопления здания. В результате проведенного расчета были получены следующие данные: потребление тепловой и электрической энергии без применения современных технологий (согласно исходному проекту) составило 1433,9 Гкал и 1559,67 МВт∙ч в течение года соответственно. При реализации энергосберегающих мероприятий потребление тепловой энергии зданием за отопительный период составило 394,35 Гкал, а электроэнергии – 586,49 МВт∙ч. Таким образом, потенциал энергосбережения составил 1039,55 Гкал и 973,18 МВт∙ч за 1 год. Соответственно, потребление тепловой энергии снизилось на 72,5%, а электроэнергии – на 62,4%. При этом дополнительные капитальные затраты составили 18,879 млн. руб. Рассчитанный в данной работе постой срок окупаемости предложенных мероприятий составил 10 лет, а с учетом повышения тарифов и инфляции – примерно 8,5 лет. В итоге, представленный срок окупаемости дополнительных инвестиций для реализации современных энергосберегающих инженерных решений оказался меньше указанного срока эксплуатации, что доказывает экономическую эффективность и целесообразность применения энергосберегающих и энергоэффективных решений при строительстве гражданских зданий. 96 Список литературы 1. Аверьянова О. В. Экономическая эффективность энергосберегающих мероприятий // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 5. С. 53-59. 2. Гагарин В.Г. Экономический анализ повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. // Сборник «Труды I Всероссийской научно- технической конференции». 2008. С. 24-62 3. Горшков А.С. Инженерные системы. Руководство по проектированию, строительству и реконструкции зданий с низким потреблением энергии // Учебное пособие. СанктПетербург. Издательство Политехнического университета 2013 4. Горшков А.С., Ватин Н.И., Немова Д.В. Энергоэффективность ограждающих конструкций при капитальном ремонте // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 3. С. 100-107. 5. Горшков А. С., Гладких А.А. Мероприятия по повышению энергоэффективности в строительстве // Academia. Архитектура и строительство.2010. № 3. С. 246-250. 6. ГОСТ Р 54865-2011 «Теплоснабжение зданий. Методика расчета энергопотребности и эффективности системы теплогенерации с тепловыми насосами». 7. Гошка Л. Л. К вопросу об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности в зданиях // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 5. С. 38-42. 8. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». 9. Шкаровский А.Л. Инженерные системы зданий и сооружений. Тепловые сети и системы теплоснабжения // Учебное пособие. Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета 2014 10. F.R. d´Ambrosio Alfano (ed.), Bellia, Boerstra, F. van Dijken, Ianniello, Lopardo, Minichiello, Romagnoni, M.C. Gameiro da Silva. REHVA Guidebook no.13. In-door environment and energy efficiency in schools – Part 1. Principles 11. Guoa W., Qiaoa X. Study on energy saving effect of heat-reflective insulation coating on envelops in the hot summer and cold winter zone // Energy and Buildings. 2012. Vol. 50. Pp. 196-203. 12. Jokisalo Juha, Kurnitcki Jarek, Korpi Minna, Kalamees Targo. Building leakage, infiltration and energy performance analyses for Finnish detached houses // Building and Environment. 2009. Vol. 44. Iss. 2. Pp. 377-387. 97