Метод технико-экономической оценки применения теплоотражающих покрытий в конструкциях стен зданий

Метод технико-экономической оценки применения теплоотражающих покрытий в конструкциях стен зданий

Techno-Economic Evaluation for the Application of Heat-Reflective Coatings in the Structure of Building Walls

<

Захаров Вячеслав Павлович

начальник управления — заместитель руководителя Службы государственного строительного надзора и экспертизы Санкт-Петербурга

191023, Санкт-Петербург, ул. Зодчего Росси, д. 1-3

Vyacheslav P. Zakharov

Service of the State Construction Supervision and Examination

Zodchego Rossi Str. 1-3, St. Petersburg, Russian Federation, 191023

Повышение нормативных требований к теплозащите зданий со стороны ограждающих конструкций (особенно наружных стен) вынуждает проектные и строительные компании применять новые теплоизоляционные материалы. Их повсеместное использование сдерживается высокими стоимостными показателями и длительными сроками окупаемости. Немаловажное значение при этом имеют такие характеристики материалов, как долговечность, минимальная стоимость строительно-монтажных работ в процессе их монтажа и получаемый экономический эффект. Цель. Проанализировать вопросы окупаемости утепления ограждающих конструкций (наружных стен) зданий.

Результаты. Выделено, что повышение нормативных требований по теплозащите зданий приводит к увеличению затрат на утепление и, следовательно, возрастанию сроков окупаемости. Традиционные способы утепления стен зданий с применением минеральной ваты, пенополистирола и пенополиуретана могут применяться при достаточном взвешенном технико-экономическом обосновании. Проведенные исследования показали, что сроки окупаемости дополнительного утепления стен зданий могут составлять 25-30 лет. В связи с этим повышение теплозащиты зданий целесообразно осуществлять в период реконструкции или капитального ремонта зданий. В работе предложены иные подходы к повышению теплозащитных свойств жилых и общественных зданий при минимальных затратах и уменьшенных сроках окупаемости проводимых энергосберегающих мероприятий. Ключевые слова: энергоэффективность, теплозащита зданий, термическое сопротивление, окупаемость энергосберегающих мероприятий, срок окупаемости

Strengthening regulations for the thermal protection of buildings provided by building envelopes (particularly exterior walls) compels design and construction companies to apply new heat-insulating materials. The widespread application of such materials is hindered by the high cost and long payback period. Material characteristics such as durability, minimum installation cost during construction, and the consequent economic effects are equally important.

Aim. This study analyzes the problem of insufficient returns when installing heat insulation in building envelopes (exterior walls).

Results. It is well established that strengthening regulations for the thermal protection of buildings results in

higher costs of heat insulation and consequently longer payback periods. Conventional methods using glass wool, polystyrene foam, and polyurethane can be applied for the heat insulation of building walls—provided the techno-economic substantiation is sufficiently balanced. This study shows that the payback period for the additional heat insulation of building walls can be up to 25-30 years. Therefore, it is advisable to improve thermal protection of buildings during renovation or refurbishment. This study proposes other approaches to improve the thermal protection of residential and public buildings at minimum cost and to ensure greater returns and shorter payback periods for energy conservation measures. Keywords: energy efficiency, thermal protection of buildings, thermal resistance, return on energy conservation measures, payback period

В настоящее время в России отсутствует единый подход к определению класса энергоэффективности зданий. Несколько документов, принятых в разное время, содержат противоречащие друг другу сведения. Так, в СНиП 23.2.2003 «Тепловая защита зданий» в его актуализированной версии СП.50-13330.2012 представлены классы от А до Е, причем класс С считается нормальным. В недавно вышедшем документе «Стандарт организации СТО НОП 2.1-2014 „Требования по составу и содержанию энергетического паспорта жилого и общественного здания"» перечень классов видоизменен (от А до G, причем нормальным является класс D). В Стандарте также указывается, что на основании постановления Правительства РФ от 25 января 2010 г. № 18 приведенное сопротивление теплопередаче несветопрозрачных элементов наружных ограждающих конструкций зданий должно быть увеличено по сравнению с базовым значением на 15% со дня вступления в силу требований данного постановления, с 2016 г. — еще на 15%, а с 2020 г. — еще на 10% или в целом на 40% к базовому показателю.

Повышение нормативных показателей по теплозащите требует применения при строительстве и реконструкции зданий новых проектно-конструкторских решений и теплозащитных материалов.

Расчет утепления стен здания традиционными материалами

Расчет целесообразно проводить в сравнении с традиционными способами утепления фасадов зданий, в частности с применением минеральной ваты под штукатурным раствором. При этом целесообразно воспользоваться данными из примера [1], где рассчитывается срок окупаемости энергосберегающих мероприятий по утеплению здания, подлежащего реновации.

В качестве примера было выбрано здание в Санкт-Петербурге постройки до 2000 г., имеющее термическое сопротивление наружных стен

Дисх = 1 м2 • град./Вт.

Требуемая величина термического сопротивления для стен зданий в Санкт-Петербурге составляет

#тр = 2,99 м2 • град./Вт, ГСОП = 4796 град. • сут.

В качестве утеплителя предлагалась минерало-ватная изоляция с тонким (2 см) штукатурным слоем по утеплителю. Теплопроводность утеплителя равна Хут = 0,045 Вт/м • К, теплопроводность штукатурки — Хшт = 0,87 Вт/м • К.

При простой окупаемости инвестиций (без заемных средств) для определения срока окупаемости следует использовать соотношение для бездисконтного срока окупаемости энергосберегающего мероприятия:

Т _ДК

±0 _ АЭ.

Здесь ДК, руб./м2, и ДЭ, руб./м2, показывают величины капитальных затрат и экономии денежных средств за счет снижения потерь тепловой энергии.

Экономия денежных средств будет определяться [2] из:

ДЭ _ (и - и2

0,024 • ГСОП 1163

В этом уравнении и1 и и2 — коэффициенты теплопередачи наружных стен до проведения и после проведения работ по утеплению стен, Вт/м2 • град; ГСОП — градусо-сутки отопительного периода, град. • сут.; 0,024 = 24/1000 — переводной коэффициент, учитывающий перевод суток в часы и ватт в киловатты; 1163 — переводной коэффициент, учитывающий перевод кВт • ч в Гкал; Ст — стоимость тепловой энергии, руб./Гкал.

При расчете экономии не учитываются повышение тарифов на отпуск тепловой энергии и дисконтирование будущих денежных поступлений за счет реализации энергосберегающих мероприятий. Если их необходимо учесть, то прогнозируемый срок окупаемости энергосберегающего мероприятия составит [3]:

ДК (г - г)"

1п

т _

1 +

ДЭ (1 + г)_

1п

где г — средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию; I — процентная ставка.

В случае привлечения заемных средств (кредит банка) капитальные затраты организации будут отличаться от величины сметной стоимости работ на величину аннуитетных платежей [Там же]:

ДК* _ т • А • ДК,

где т — количество месяцев погашения кредита; А — коэффициент аннуитета; ДК — собственные средства организации (без учета заемных средств). Коэффициент А может быть определен как:

А _

Ркр •(1 + Ркр )т

(1 + Ркр )т - 1

где ркр — месячная процентная ставка по кредиту, выраженная в долях от 1.

Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций на энергосберегающие мероприятия рассчитывается

по формуле (1), но вместо ДК подставляется ДК . ^

В этом расчете дополнительно учитываются выпла- ^

ты по банковскому кредиту, а также рост тарифов 0

на тепловую энергию и дисконтирование будущих ^

денежных средств. ^

Требуемая толщина тепловой защиты здания опре- к

деляется из: ¡Е

5тр _ | ятр - Дисх - ^

Ч

где г0 — коэффициент теплотехнической однородности слоя утеплителя, который при креплении мине-раловатного утеплителя к стене дюбелями равен 0,8.

5тр _ (2,99 - 1,0 -

0 - 002 00 0,87/ 0

,045

8

_ 0,111 м.

Д Э _

0,024 • ГСОП 1163

• С _

1п

т _

1 +

ДК

ДЭ (1 + г)_

1п

1 +

2522(0,13 - 0,11)"

101,63(1 + 0,11) _

1п

1п

1 + 0,13 1 + 0,11

1п 1,447 1п 1,018

20,7 года.

А_

Ркр • (1 + РкрГ (1 + Ркр )т - 1 0,0167 (1 + 0,0167)36

(1 + 0,0167)36 - 1

_ 0,0372.

Увеличение капитальных затрат составит

ДК* _ т А ДК _ 36 • 0,0372 • 2522 _ = 3377,46 руб./м2.

Срок окупаемости в случае кредитования будет

ДК*

1п

т_

1+

ДЭ(1 + г) _

1пГ. + 3377,46

1п

(1 + г

\1 + г

1п

1 + 0,13

1п1,599 1п1,018

\1 + 0,11

26,3 года.

Принимается толщина слоя минераловатного утепли- н-теля 120 мм. <с

Тарифы на тепловую энергию с 2006-го по 2015 г. выросли в среднем на 13% (рис. 1). С 1 июля 2015 г. они установлены на уровне Ст = 1541,78 руб./Гкал. Ставка рефинансирования Центробанка России с 5 августа 2015 г. составляет 11%. Тогда:

_ (1 - 0,334) • 0,024 _4796 • 1541,78 _ 101,63 руб./м2.

1163

При этом учтено, что и1 = 1/#исх, и2 = 1/#тр. Для определения ДК данные сведены в табл. 1. Величина ДК принимается равной 2522 руб./м2.

Срок окупаемости капитальных затрат составит

В случае использования заемных средств (кредита банка на 3 года с процентной ставкой 20% годовых) ркр = 0,20/12 = 0,0167 и аннуитет равен:

т

о со

< >

£ 1800

>> 1600 а

и 1400

О

иг

1200

1000

800 600 400 200 О

СО ь- 00 СЗ о 1-Н

о о о о тН

о о о о О О

<М <м N см N <м

гЧ <м ер гН сд гН сд гН Год

N N N СО со Ю ю

т-Ч тН гЧ тН 1-4 тН 1-4 тН 1-4

О О О о о о О О о

сд (М сч (М СЧ <м СЧ <м еч

Рис. 1. Изменение стоимости тепловой энергии в 2006-2015 гг.

Примечание: с 2012 г. периоды: 2012-1 — с января по июнь; 2012-2 — июль-август; 2012-3 — с сентября до конца года; с 2013 г. и далее: -1 — 1-е полугодие; -2 — 2-е полугодие.

Таблица 1

Составные капитальных затрат на утепление наружных стен здания, руб./м2

Стоимость материалов Минераловатный утеплитель 650

Дюбели 100

Профили 70

Сухие смеси 200

Итого 1020

Транспортные и погрузоч-но-разгрузочные расходы 5-15% от стоимости материалов. Принимается 10% 102

Строительно-монтажные работы Грунтовка стен 50

Грунтовка стен бетоконтактом 150

Утепление фасада минераловатными плитами с приклеиванием и дюбе-лированием 430

Монтаж штукатурной сетки 190

Штукатурка стен до 30 мм 580

Итого 1400

Всего 2522

Полученные данные отличаются от приведенных в статье [1] (13,5 и 15,4 года соответственно) в связи с изменившимися экономическими условиями. Столь значительные сроки окупаемости объясняются относительно невысокой энергоэффективностью проводимых мероприятий по сравнению с капитальными затратами на их осуществление.

Применение теплоотражающих красок с микросферами для повышения теплозащиты стен здания

Другой вариант предусматривает утепление здания теплоотражающей краской с наружной поверхности стены, а внутри помещения краска наносится на гип-сокартонную перегородку (толщиной 15 мм), между ней и стеной существует воздушный зазор 30 мм. В этом случае:

ДЕ - Дисх + #ВОзд + #гк + #Кр1 + #Кр2.

Здесь:

Дисх - 1,0 м2 • °С/Вт;

Двозд - ЗвоздЛвозд - 0,03/0,023 - 1,304 м2 • °С/Вт;

Дгк - 5гкЛгк - 0,015/0,36 - 0,042 м2 • °С/Вт.

Итоговая величина термического сопротивления без теплоотражающей краски (2,346 м2 • °С/Вт) меньше Дтр - 2,99 м2 • град/Вт.

Двухслойное покрытие слоем теплоотражающей краски толщиной 1,5 мм с наружной поверхности ограждающей конструкции снижает величину теплового потока на 12^35% (среднее значение 24%). Применение теплоотражающей краски на поверхности гипсокартона снижает тепловой поток еще на 12%. Тогда:

ДЕ - (Дисх + Двозд + Дгк) • 1,24 • 1,12 * И 3,26 м2 • град/Вт,

что соответствует требованиям по теплозащите.

Величина ДЭ будет больше, чем в первом примере, за счет большего значения ДЕ, а именно

Таблица 2 ^

Составные капитальных затрат на утепление наружных стен здания, руб./м2

Стоимость материалов Теплоотражающая краска (при двухслойном покрытии) 500

Гипсокартон 83

Направляющие и крепеж 50

Шпатлевка на швы 17

Итого 650

Транспортные и по- грузочно-разгрузочные расходы 5-15% от стоимости материалов. Принимается 10% 65

Строительно-монтажные работы Монтаж направляющих и гипсокартона 200

Шпатлевка швов 30

Окраска поверхностей стен в два слоя 400

Итого 630

Всего 1345

ДЭ = 105,79 руб./м2.

Структура капитальных затрат приведена в табл. 2. Величина ДК принимается равной 1345 руб./м2. Срок окупаемости утепления без заемных средств определяется как

ln

T =

1 +

ДК(г - i) ДЭ(1 + i)_

lnГ. + 1345 (0,13 - 0,11)] L1 + 105,79 (1 + 0,11) J

ln

ln1,229

1+ 0,13

ПТТОДГ

= 11,6 года.

1п1,018

В случае использования заемных средств: ДК* _ т А ДК _ 36 • 0,0372 • 1345 _ 1801,22 руб./м2 Срок окупаемости возрастает до:

ln

T=

1+

ДК* (r - i) ДЭ(1 + i) _

ln 11 +

1801,22 (0,13 - 0,11) 1 105,79 (1 + 0,11) J

ln

ln

1 + 0,13

1 + 0,11

ln1,307 ln1,018

= 15,0 лет.

Таким образом, применение теплоотражающей краски с обеих сторон ограждающей конструкции позволило снизить капитальные затраты на утепление в 1,5 раза, а сроки окупаемости на 5-7 лет по сравнению с вариантом из минераловатной изоляции с оштукатуриванием поверхности.

Необходимо отметить еще ряд важных обстоятельств:

• утепление стен здания по любой технологии целесообразно проводить в период его капитального ремонта (реновации);

• окраска теплоотражающей краской является чистовой отделкой с любым колером как с наружной поверхности стены, так и внутри помещений;

• в рассмотренном примере с применением теплоотражающей краски и гипсокартона несколько уменьшается площадь помещений, смежных с ограждающими конструкциями, что является недостатком данного проекта.

Применение на внутренней поверхности гипсокар-тона теплоотражающей краски с микросферами на

конкретном объекте в Тюмени [4] (административно-торговый комплекс) позволило повысить суммарное тепловое сопротивление ограждающей конструкции на 31%. Суммарные расходы на отопление были снижены на 6%, а время остывания воздуха в помещениях до +8 °С в случае аварийной ситуации с отключением отопления составило 48 часов, что вполне приемлемо для устранения аварии.

Литература

1. Горшков А. С., Рымкевич П. П., Немова Д. В., Ватин Н. И. Экономическая эффективность инвестиций в энергосбережение // Инженерные системы. 2014. № 3. С. 32-36.

2. Горшков А. С. Инженерные системы. Руководство по проектированию, строительству и реконструкции зданий с низким потреблением энергии. СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2013. 160 с.

3. Горшков А. С. Об окупаемости инвестиций на утепление фасадов существующих зданий // Энергосбережение. 2014. № 4. С. 12-27.

4. Панченко Ю. Ф., Зимакова Г. А., Панченко Д. А. Энергоэффективность использования нового теплозащитного материала для снижения теплопотребления зданий и сооружений // Вестник Тюменского государственного архитектурно-строительного университета. 2011. № 4. С. 97-105.

References

1. Gorshkov A. S., Rymkevich P. P., Nemova D. V., Vatin N. I. Eko-nomicheskaya effektivnost' investitsiy v energosberezhenie [Cost-effectiveness of investments in energy efficiency]. In-zhenernye sistemy, 2014, no. 3, pp. 32-36.

2. Gorshkov A. S. Inzhenernye sistemy. Rukovodstvo po proek-tirovaniyu, stroitel'stvu i rekonstruktsii zdaniy s nizkim potre-bleniem energii [Engineering systems. Guidelines for the design, construction and reconstruction of buildings with low energy consumption]. St. Petersburg, Polytechnic Univ. Publ., 2013. 160 p.

3. Gorshkov A. S. Ob okupaemosti investitsiy na uteplenie fa-sadov sushchestvuyushchikh zdaniy [On the return on investments on the insulation of facades of existing buildings]. Energosberezhenie, 2014, no. 4, pp. 12-27.

4. Panchenko Yu. F., Zimakova G. A., Panchenko D. A. Energo-effektivnost' ispol'zovaniya novogo teplozashchitnogo mate-riala dlya snizheniya teplopotrebleniya zdaniy i sooruzheniy [Energy efficiency of use of a new thermal protection material to reduce the heat consumption of buildings and constructions]. Vestnik Tyumenskogo gosudarstvennogo arkh-itekturno-stroitel'nogo universiteta [Bulletin of the Tyumen' State Architectural and Construction University], 2011, no. 4, pp. 97-105.