Обоснование экономической эффективности управления теплопотерями различных видов ограждающих конструкций

Введение На сегодняшний день рациональная тепловая защита зданий является одним из важнейших социальных и экономических факторов. Несомненно, социальный фактор обеспечивает комфортные условия в помещениях зданий, соответствующие санитарно-гигиеническим нормативам, а экономический фактор в тоже время регулирует баланс между затратами при строительстве здания и эксплуатационными затратами на отопление, содержание и ремонт в течение всего жизненного цикла. Надо отметить, что проблема стала весьма актуальной в современных экономических условиях, когда стоимость теплоносителей резко увеличилась и продолжает расти.

Но при всём этом, не для кого не секрет, что введение новых теплотехнических требований и норм послужило толчком к развитию производства и широкому использованию теплоизоляционных материалов во всех отраслях, в том числе и в агропромышленном комплексе. Но любая высокоразвитая страна мира стремится к полной независимости от любых мировых воздействий. Вследствие чего возникает вопрос как минимизировать важность импорта такого немаловажного ресурса как продовольствие. Ответом на этот вопрос является создание запаса такого ресурса не только на период минимальной агропромышленной деятельности, но и на случай частичной или полной потери урожая. Для обеспечения запаса нужно не только иметь урожайность, способную удовлетворить потребность всего населения страны в продовольствии, но иметь способность все это сохранить до определенного времени. Для чего используют продовольственные склады. В логистике склад выполняет функцию аккумулирования резервов материальных ресурсов, необходимых для демпфирования колебаний объёмов поставок и спроса, а также синхронизации скоростей потоков товаров в системах продвижения от изготовителей к потребителям. Большая часть складских помещений и в том числе продовольственных складов перешла в управление юридическим и физическим лицам, для которых главным критерием ведения бизнеса является максимизация прибыли. Для того чтобы увеличить чистую прибыль необходимо как увеличивать объем выручки, так и сократить издержки на ведение деятельности.

Цель исследований – найти способы сокращения затрат, а именно определение вида крыши продовольственного склада, с целью максимального срока сокращения издержек на его эксплуатации с момента строительства и до конца периода его экономической жизни.

Условия, материалы и методы. В данной статье вид крыши рассматривается с точки зрения теплотехнических свойств и структурных особенностей материалов, из которых они состоят; формы крыши, количество скатов и иные конструктивные различия не учитываются с целью упрощения и наглядности расчетов.

Результаты и обсуждение. На данный момент времени для объектов складского распространение получили три основных вида крыш.

Крыша из сэндвич-панелей. Сэндвич-панель - это строительная конструкция, имеющая сложную структуру, которая состоит из двух и более слоев. Для наружных ограждающих конструкций таких как стены и крыша наиболее распространены панели из двух слоев метала или ПВХ листами и теплоизоляционного материала между ними. В качестве утеплителя выступает вспененный экструзионный полимер или минеральная вата. Благодаря такой конструкции панель имеет хорошую паро-гидроизоляцию и теплоизоляционные свойства.

К плюсам таких панелей можно отнести заводское производство, благодаря которому значительно снижен срок монтажа и количество ошибок при их установке. Еще одним плюсом является возможность изменения габаритных размеров панели и теплоизоляционного материала под объект строительства. Но есть и минусы, к которым относится низкая конструктивная прочность таких изделий, при ошибках в проектировании стропильной системы крыши, плиты могут быть деформированы под тяжестью природных-климатических осадков. Вследствие чего между панелями образуются щели и зазоры, в которые попадает влага, которая не испаряется ввиду высокой паронепроницаемой наружных материалов. Второй минус заключается в низкой ремонтопригодности таких панелей, при физическом повреждении ее части замене подлежит вся панель целиком в отличие от привычных конструкций крыши, где каждую отдельную часть можно заменить.

Крыша с деревянным каркасом - это самый распространенный вид крыш для индивидуального жилищного и малоэтажного строительства, это обусловлено низкой стоимостью строительных материалов и их доступностью на территории страны. Также немаловажным фактором такой популярности является большая база данных о устройстве и возведении таких крыш. Такие конструкции имеют относительно высокий срок службы при правильной эксплуатации и возможность замены частей, как кровельного покрытия, так и составных частей каркаса и теплоизоляции. К минусам же относится горючесть древесины и подверженность к повреждениям от грибка и плесени, в случае неправильного ухода при эксплуатации.

Крыша с каркасом из легких стальных тонкостенных конструкций (ЛСТК). В крыше из ЛСТК в качестве основы ограждающих конструкций -сборный стоечно-балочный каркас. Элементы каркаса изготавливаются заводским способом из оцинкованного стального проката, первого класса цинкования (275 г/м²), толщиной 1-2 мм. Для понижения теплопроводности и повышения теплосопротивления, производители выпускают оцинкованный термопрофиль - с минимальным сечением и сквозной щелевой перфорацией. В России крыши из такого материала только набирают свою популярность как для промышленного, так и для индивидуального жилищного строительства.

К плюсам можно отнести габаритную точность получаемых изделий и небольшой вес конструкции, а также скорость монтажа и минимизацию человек в бригаде и сокращение необходимой строительной техники и инструмента. Практически не подвержены коррозии и грибку. Но имеется и ряд минусов, к ним относятся: относительно высокая стоимость материала, так как для их производства требуется дорогостоящее оборудование и ресурсы; нехватка заводов-изготовителей на территории страны, как итог необходимость переплачивать за доставку материала в отдаленные регион; все еще формирующаяся база знаний в проектировании, монтаже и эксплуатации конструкций [1].

Далее перейдем к определению коэффициента цена/качество для данных типов крыш. В качестве объекта исследования выбран продовольственный отапливаемый склад площадью 1000 м2 со сторонами стен 50 на 20 метров и высотой стены 5 метров, угол наклона крыши 15°, регион расположения объекта Орловская область. Площадь крыши 1013 м2. Климат умеренноконтинентальный. Средняя температура января — минус 8-10 градусов температура самой холодной пятидневки достигает минус 26 градусов.

Для точности результатов расчет теплопотерь произведен только для крыши, без учета стен и фундаментов объекта.

Теплопотери рассчитываются по той же формуле 1:

Q = k * S * (t вн - t нар ),                                           (1)

где Q – теплопотери, Вт;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*град.C);

F – площадь;

t вн – температура воздуха внутри, град. C;

t нар – температура воздуха снаружи, град. C;

k рассчитывается по формуле 2:

k = 1 ₊ d1 ₊ d2 ₊ 1 ,                                                 (2)

αвн λ1 λ2 αнар где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*град.C);

d1 – толщина первого слоя, м;

λ1 – коэффициент теплопроводности первого слоя, Вт/(м*K);

d2 – толщина второго слоя, м;

λ2 – коэффициент теплопроводности второго слоя, Вт/(м*K);

α вн – коэффициент теплоотдачи от внутреннего воздуха к потолку; принимаем равным 8,7.

α нар – коэффициент теплоотдачи от потолка к наружному воздуху; для воздушной прослойки принимаем равным 23 [2].

Для полного понимания различий между данными видами крыш, их основные экономические и теплотехнические характеристики сгруппированы и представлены в таблице 1. Экономические показатели, представленные в таблице 1 актуальны на 15.09.21 для Орловской области.

Таблица 1 – Сравнение технико-экономических характеристик различных конструкций крыш

Вид крыши	Толщина теплоизоляционного материала, мм	Сопротивление теплопередаче, (м²•°С)/Вт	Потери тепла через 1 м² за 1 час при температуре -10°, Вт·ч	Цена материалов за 1 м2, руб.	Цена монтажа 1 м2, руб.
Сэндвич-панель	150	3,77 (2,46*)	11,94 (18,29*)	3118	350
Легкие стальные конструкции	150	3,38	13,33	4181	700
Деревянный каркас с утеплителем	150	3,05	14,73	2692	650

Примечание. * – значение при накоплении влаги в теплоизоляционном слое.

Проанализировав таблицу 1, делаем следующие выводы. Намокание утеплителя может быть снижено дополнительными затратами на гидроизоляцию и монтаж, а также за счет снижения деформации панелей, путем увеличения количества несущих ферм [3]. Крыша, имеющая каркас из ЛСТК, имеет относительно высокую стоимость материала и монтажа, при этом имеет средние показатели сопротивления теплопередаче. Крыша, имеющая деревянный каркас, имеет самую низкую стоимость материалов и среднюю стоимость монтажа, при этом дает наименьшие теплоизоляционные свойства по отношению к другим видам крыш.

Далее определим стоимость восполнения теплопотерь (отопления) за 1 отопительный период. Стоимость 1 м3 газа в Орловской области на 15.09.2021 г. составляет 5,738 руб. [4]. При условии, что в 1 м3 газа = 35570 кДж тепла, а 1кВт*ч =3600 кДж, получаем, что стоимость 1 Вт*ч тепла в Орловской области имеет стоимость 0,00058 руб. [5].

В таблице 2 представлены расчеты стоимости восполнения теплопотерь различных конструкций крыш для отапливаемого склада с площадью крыши 1013 м2 с внутренней температурой помещения 20° и средней температурой наружного воздуха в холодный период -10° продолжительность отопительного периода 205 суток.

Таблица 2 – Расчет затрат на восполнение теплопотерь для различных видов крыш

Вид крыши	Теплопотери на 1 м2,	Площадь крыши	Цена 1 Вт·ч тепла, руб.	Продолжительность отопительного периода, сутки	Итоговые затраты, руб.
Сэндвич-панель	11,94 (18,29*)	1013	0,00058	205	34,515(52,870)
Легкие стальные конструкции	13,33				38,532
Деревянный каркас с утеплителем	14,73				42,580

Примечание. * – значение при накоплении влаги в теплоизоляционном слое [5].

Таким образом основываясь на данных из таблиц 1 и 2, получаем что самым выгодным вариантом крыши с точки зрения затрат на отопление для продовольственного склада является крыша из сэндвич-панелей.

Далее необходимо сравнить какой вид крыши будет более выгодным с учетом длительной эксплуатации, в качестве эффективного срока эксплуатации крыши берем период 50 лет [6]. Данный расчет представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Расчет экономической обоснованности различных видов крыш

Вид крыши	Площадь крыши	Стоимость строительства, руб.	Кол-во отопительных периодов	Стоимость эксплуатации, руб.	Итоговые затраты
Сэндвич-панель	1013	3 513 084	50	1 725 753	5 238 837
Легкие стальные конструкции		4 944 453		1 926 600	6 871 053
Деревянный каркас с утеплителем		3 385 446		2 129 000	5 514 446

Выводы. В результате проведенного анализа мы получили, что наиболее выгодным с точки зрения затрат на строительство и эксплуатацию крыши для отапливаемого продовольственного склада является крыша из сэндвич-панелей при условии профессионального монтажа панелей и гидроизоляции стыков, на втором месте крыша и с использованием деревянного каркаса и на третьем крыша с использованием ЛСТК-конструкций.