Технико-экономическое обоснование по утеплению наружных стен многоквартирного жилого здания с устройством вентилируемого фасада

В настоящее время на территории Российской Федерации реализуется государственная программа проведения капитальных ремонтов в существующих зданиях. Важно, чтобы эта программа коррелировала с программой энергосбережения, так как 95 % зданий в России не соответствуют современным нормативным требованиям по тепловой защите, то есть они морально устарели. Однако это не означает, что при этом следует игнорировать экономическую составляющую инвестиционных проектов при реализации данной программы. Энергосберегающие мероприятия должны не только приводить к уменьшению объемов потребляемой зданиями энергии, но и быть окупаемыми.

Одним из способов снижения потерь тепловой энергии на отопление является дополнительное утепление наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий, чердачных перекрытий, наружных дверей и пр.). Повышение уровня теплоизоляции ограждающих конструкций приводит к уменьшению так называемых трансмиссионных потерь тепловой энергии.

Литературный обзор

Мероприятия, направленные на утепление наружных стен всегда привлекали внимание российских и зарубежных исследователей [1-32].

Мургул В.А. рассматривает вопросы повышения энергетической эффективности при реконструкции зданий старого жилого фонда. Она изучает применимость существующих стандартов для теплоизоляции исторических зданий, в частности, необходимость утепления ограждающих конструкций с сохранением внешнего облика зданий, являющихся памятниками истории и культуры, а также исторически сложившихся архитектурно-строительных систем [13, 29, 30].

Ельчищева Т.Ф. и Сливин Р.В. представили технико-экономическую оценку вариантов утепления стен на примере 9-ти этажного жилого дома [32].

Богуславский Л.Д. предложил модель, которая позволяла оценить «экономически целесообразное», «оптимальное» сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций. В его методах величины единовременных вложений на создание 1 кв. м. ограждающей конструкции и годовые затраты на компенсацию теплопотерь через 1 кв. м. ограждающей конструкции выражаются в виде функций от термического сопротивления теплоизолирующего слоя, который является независимой переменной. В его модели находится значение этой переменной, при котором производная приведенных затрат (затраты на производство и эксплуатацию ограждающих конструкций) равна нулю, это значение сопротивления теплопередаче и принимается «экономически целесообразным» [8].

Цели и задачи исследования

Целью настоящей работы является расчет прогнозируемых сроков окупаемости энергосберегающих мероприятий, направленных на повышение уровня тепловой защиты фасадов (наружных стеновых конструкций) и кровельного покрытия эксплуатируемых зданий, построенных и введенных в эксплуатацию до 2000-го года.

Срок окупаемости энергосберегающих мероприятий, направленных на повышение уровня тепловой защиты наружных ограждающих конструкций, рассчитан для двух расчетных случаев:

• -    простая (бездисконтная) окупаемость;

• -    сложная окупаемость с учетом:

• -    процентов по кредиту;

• -  роста тарифов на тепловую энергию;

• -  дисконтирования будущих денежных потоков.

Объект исследования

В качестве объекта исследования принято многоквартирное панельное жилое здание серии 137 (рисунок 1).

Рисунок 1 – Типовое жилое многоквартирное здание серии 137

Исходные данные для расчета

Расчетные климатические и теплоэнергетические параметры здания для климатических условий города Санкт-Петербурга приняты согласно СП 131.13330 и представлены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные климатические условия для жилых зданий, расположенных в г. Санкт-

Петербурге

Показатель	Обозначение параметра	Единица измерения	Расчетное значение
Расчетная температура наружного воздуха	t н	°C	- 24
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период	t от	°C	- 1,3
Продолжительность отопительного периода	z от	сут/год	213
Градусо-сутки отопительного периода	ГСОП	°C·сут/год	4537
Расчетная температура внутреннего воздуха	t в	°C	20

Геометрические характеристики фасадов рассматриваемых зданий не представлены в связи с тем, что в работе рассчитываются эксплуатационные потери тепловой энергии и капитальные затраты по дополнительному утеплению, приведенные к 1 м2 наружных фасадов.

Исходя из данных, представленных в таблице 1, рассчитывается базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций R^тр . Значение R^тр рассчитывается по формуле:

Rтр=а·ГСОП+b,

где ГСОП – градусо-сутки отопительного периода (см. данные табл. 1);

a,b – коэффициенты, значения которых для наружных стен жилых зданий составляют: a = 0,00035, b = 1,4.

На основании полученных исходных данных рассчитаем по формуле (1) базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче для наружных стен здания, расположенного в г. Санкт-Петербурге.

Получим:

Rтр =a·ГСОП+b=0,0035·4537+1,4=2,99

( м _В·_т℃ )_.

В качестве системы утепления наружных стен существующего здания примем конструктивное решение с навесным вентилируемым фасадом. Для уменьшения капитальных затрат на реновацию фасадов принято двухслойной конструктивное решение утепления: с внутренним слоем из минераловатных плит (изделия теплоизоляционные марки «URSA GEO» П-30, изготовленные по ТУ 5763001-71451657-2004 (с изменениями 1÷7) из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем; производитель: ООО «УРСА Евразия») и наружным – изделиями минераловатными, предназначенными для применения в конструкциях наружных стен с навесным вентилируемым фасадом (примеры: Rockwool Венти Баттс, PAROC VAS 35, ТЕХНОВЕНТ и др.).

Методика расчета

Методика расчета капитальных затрат на дополнительное утепление, эксплуатационных затрат до и после утепления, а также сроков окупаемости энергосберегающих мероприятий подробно описана в работе [33]. Для простой окупаемости инвестиций получено следующее основное уравнение:

К_т   А К

Э - Э₂ ~ А Э '

где А К - капитальные затраты на утепление 1 м2 наружной стены существующего здания, руб/м2;

Э1 – эксплуатационные затраты, учитывающие потери тепловой энергии через 1 м2 наружной стены за один отопительный сезон до проведения работ по утеплению фасадов, руб/м2·год;

Э2 – эксплуатационные затраты, учитывающие потери тепловой энергии через 1 м2 наружной стены за один отопительный сезон после утепления стен, руб/м2·год;

∆Э – разность потерь тепловой энергии через 1 м² наружной стены до проведения мероприятий по утеплению фасадов существующего здания (Э 1 ) и после утепления (Э 2 ).

А Э = ( U

- U 2 ) '

0,024 • ГСОП

• с т ,

где U 1 – коэффициент теплопередачи (U-value) наружных стен существующего здания до проведения работ по реновации (утеплению) фасадов, Вт/(м²·ºС);

U 2 – коэффициент теплопередачи (U-value) наружных стен существующего здания после проведения работ по реновации (утеплению) фасадов, Вт/(м²·ºС);

ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, ºС∙сут;

0,024, 1163 – переводные коэффициенты;

с ^Т – стоимость тепловой энергии на отопление в данном населенном пункте, руб/Гкал.

Отметим, что срок окупаемости, рассчитанный по формуле (2) получен без учета:

• -    роста тарифов на тепловую энергию;

• -  процентов по кредиту (в случае использования заемных средств на  проведение

мероприятий по утеплению наружных стен здания);

• -  дисконтирования будущих денежных поступлений, достигнутых в результате реализации

• р ассматриваемого энергосберегающего мероприятия и уменьшения потерь тепловой энергии на отопление.

По этой причине, рассчитанное по формуле (2) значение прогнозируемого срока окупаемости инвестиций можно рассматривать только как оценочное.

Если строительная компания или физическое лицо для выполнения работ по утеплению фасадов, использует собственные (не заемные) средства, то капитальные затраты А К будут равны сметной стоимости работ. В случае, если для выполнения работ исполнителем используются заемные средства (предоставленный банком кредит), при аннуитетных ежемесячных платежах суммарные инвестиции в энергосбережение А К следует определять по формуле [33]:

А К = m - A -А К ,                                      (4)

где m – число периодов погашения кредита (например, если кредит взят на 1 год: m=12, если на 2 года: m=24 и т.д.);

А – коэффициент аннуитета;

А К - затраты на утепление без учета платежей по кредиту, то же, что и в формуле (2).

Коэффициент аннуитета А рассчитывается по формуле:

р р -⁽1 + р„ ) ' ( 1 + р ,) ' - 1^,

где р кр – месячная процентная ставка банка по кредиту, выраженная в сотых долях в расчете на периодичность платежей (например, для случая 12 % годовых и ежемесячных платежах: р кр =0,12/12=0,01);

m – то же, что и в формуле (4).

Из анализа формул (2) и (3), в частности, следует, что при заданном реализованном проекте утепления фасадов (ΔU=U 1 -U 2 ) в заданном климатическом районе (ГСОП), скорость возврата вложенных средств зависит только от стоимости тепловой энергии на отопление с и динамики ее изменения со временем (роста тарифов на тепловую энергию).

Тарифы на тепловую энергию ежегодно возрастают. Это означает, что с каждым последующим годом (отопительным периодом), годовая экономия денежных средств А Э _г будет увеличиваться.

При рассмотрении данной модели следует также учитывать, что сэкономленные в последующие годы денежные средства должны быть рассчитаны исходя из фактической стоимости денег через n лет, т.е. будущие денежные потоки должны быть дисконтированы.

С учетом выше обозначенных факторов, прогнозируемый срок окупаемости инвестиций в дополнительное утепление фасадов определяется выражением [33]:

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №11 (26)

In

T =

' A K ( r - i )

1 +------------

A Э ( 1 + i )

In

1 + r

1 + i

где A К - то же, что в формуле (4), руб/м²;

A Э - то же, что в формуле (3), руб/м²;

r – средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию;

i – процентная ставка.

Уравнение (6) позволяет вычислить период окупаемости T рассматриваемого энергосберегающего мероприятия с учетом суммарных капитальных затрат на его реализацию A К , платежей по кредиту (р_кр), роста стоимости тарифов на тепловую энергию (r), дисконтирования будущих денежных потоков (i), достигаемых за счет экономии средств в результате внедрения данного энергосберегающего мероприятия.

Мерой дисконтирования будущих денежных потоков можно выбрать средний уровень инфляции за определенный промежуток времени (например, за 5 или 10 последних лет), ставку рефинансирования Центрального Банка, доходность альтернативных вложений (например, депозит), прочие факторы, влияющие на величину будущих денежных потоков.

Следует отметить, что в уравнение (6) входит несколько переменных со временем параметров, в частности динамика роста тарифов на тепловую энергию (выраженная через параметр r) и процентная ставка (i), по которой оценивается дисконтирование будущих денежных потоков, накапливаемых в результате внедрения заданного энергосберегающего мероприятия. В настоящее время невозможно определенно знать, как эти переменные параметры будут меняться с течением времени в будущем. Поэтому для решения задачи оценки прогнозируемого срока окупаемости вложенных в энергосбережение инвестиций, можно лишь построить несколько возможных (вероятных) сценариев изменения переменных величин, входящих в уравнение (6), и выбрать из перечня полученных данных наиболее вероятный сценарий.

Примеры расчета

Расчет простой (бездисконтной) окупаемости

Рассмотрим следующую модель.

Существующее панельное здание постройки до 2000 года, расположенное в г. Санкт-Петербурге. Примем, что приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен R^исх соответствует требованиям СНиП II-3-79* и составляет 1,0 м2·ºС/Вт (что соответствует санитарно-гигиеническим требованиям применительно для климатических условий Санкт-Петербурга). Конструктивное решение наружной стены панельного здания серии 137 представлено на рисунке 2. Соответственно, коэффициент теплопередачи наружных стен: U =1,0 Вт/(м2·ºС). Количество градусо-суток отопительного периода (ГСОП) для жилых зданий в Санкт-Петербурге, как показано в таблице 1, составляет 4537 ºС·сут. Отопление – централизованное (от городской ТЭЦ), стоимость тепловой энергии ст – 1351,25 руб/Гкал с учетом НДС (Распоряжение Комитета по тарифам Санкт-Петербурга от 20.12.2012 г. № 589-р). Требуется утеплить наружные стены здания до соответствия уровня их тепловой защиты нормативным требованиям (2,99 м2·ºС/Вт по СП 50.13330) и рассчитать срок окупаемости мероприятий по дополнительному утеплению.

Construction of Unique Buildings and Structures, 2014, №11 (26)

Рисунок 2 – Однослойная бетонная панель наружных стен зданий серии 137

Конструктивное решение для дополнительного утепления наружных стен существующего панельного здания – навесной вентилируемый фасад. В качестве утеплителя принята конструктивная система с двумя теплоизоляционными слоями: с внутренним слоем из плит марки «URSA GEO» П-30 и наружным слоем из минераловатных плит, предназначенных для применения в конструкции с вентилируемым фасадом (примеры: Rockwool ВЕНТИ БАТТС, PAROC VAS 35, ТЕХНОВЕТ, прочие).

Рассчитаем требуемую толщину утеплителя δ_тр , м. Для этого воспользуемся следующей формулой: δ тр =(R^тр-R^исх) · ^λут ,                                               (7)

где Rтр – требуемое (базовое) значение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен здания, м2·ºС/Вт;

Rисх – исходное (фактическое) значение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен здания до проведения мероприятий по их дополнительному утеплению, м2·ºС/Вт;

λ_ут – теплопроводность утеплителя, Вт/(м·ºС); принимается для условий эксплуатации Б (λБ);

r – коэффициент теплотехнической однородности дополнительного слоя утеплителя.

В формуле (7) не учтено влияние сопротивления теплоотдаче наружной поверхности стены в виду его малости по сравнению с термическим сопротивлением слоя утеплителя.

Примем для двухслойной системы утепления максимальный коэффициент теплопроводности в условиях эксплуатации Б (λБ), равным 0,045 Вт/(м·ºС), а коэффициент теплотехнической однородности r для системы с навесным вентилируемым фасадом равным 0,6.

Требуемое (базовое) значение сопротивления теплопередаче для наружных стен жилых зданий применительно к климатическим условиям Санкт-Петербурга (ГСОП = 4537 ºС·сут) R^тр составляет 2,99 м2·ºС/Вт. Значению сопротивления теплопередаче 2,99 м²·ºС/Вт соответствует коэффициент теплопередачи U = 0,335 Вт/ м²·ºС. Предположим, что фактическое значение приведенного сопротивления теплопередаче R^исх подтверждено теплотехническими измерениями и составляет 1,0 м²·ºС/Вт.

Тогда требуемое значение толщины слоя утеплителя δ_тр составит:

δ тр =(R^тр-R^исх) · ^λут =(2,99-1,0) · ^0,045 =0,149 (м) ≈ 0,15 (м). r                     0,6

Соответственно для дальнейших экономических расчетов примем, что требуемая толщина утеплителя составляет 150 мм. Для внутреннего слоя теплоизоляции примем плиты марки «URSA GEO» П-30 толщиной 100 мм, для наружного – плиты марки Rockwool Венти Баттс толщиной 50 мм.

Схематичное изображение рассматриваемой стеновой конструкции с системой дополнительного утепления представлено на рисунке 3.

Подставим в формулу (14) исходные данные для расчета и рассчитаем для рассматриваемого примера разность эксплуатационных затрат (потерь тепловой энергии через 1 м2 в течение одного отопительного периода) наружной стены здания до и после утепления. Получим:

ΔЭ=(U . -U₂)·            ·с т =(1-0,335)·            · 1351,25 ≈ 84,1 (   ).

1163                      1163                  м

Капитальные затраты на дополнительное утепление наружных стен существующего здания ∆ К составляют 5000 руб/м² , из которых:

3420 руб/м² составляют работы по утеплению глухой части стен:

• -    160 руб/м² – стоимость внутреннего теплоизоляционного слоя толщиной 100 мм (плиты П-30 при проектной стоимости изделий 1600 руб/м³);

• -    160 руб/м² – стоимость внутреннего теплоизоляционного слоя толщиной 50 мм (плиты Rockwool Венти Баттс при проектной стоимости изделий 3200 руб/м³);

• - 500 руб/м² – стоимость несущей подконструкции вентилируемого фасада типа «ГРАДО» на

оцинковке;

• -    900 руб/м² – стоимость лицевого слоя из керамогранита;

• -    300 руб/м² – стоимость крепежа;

• -    1400 руб/м² – стоимость полного цикла монтажа системы вентилируемого фасада и утеплителя к основанию наружной стены;

1580 руб/м² – дополнительные работы по монтажу сопряжений и примыканий (в том числе, оконных), аренды техники, доставки изделий на объект, проведения высотных монтажных работ и прочих затрат.

Наружная стена существующего панельного здания

Гибкие связи (количество по проекту)

Плиты марки "URSA GEO" П-30 - 100 мм

Плиты марки Роквул ВЕНТИ БАТТС - 50 мм

Вентилируемый воздушный зазор (толщина - по расчету)

Фасадная облицовка (керамогранит)

Рисунок 3 – Схематичное изображение рассматриваемой конструкции наружной стены многоквартирного жилого панельного здания

Следует обратить внимание, что суммарная стоимость теплоизоляции (320 руб/м2) составляет менее 10 % от общей суммы капитальных затрат на утепление (5000 руб/м2).

Подставим значения ∆ К и ∆ Э в формулу (2). Получим срок простой окупаемости утепления наружной стены существующего здания при толщине утеплителя 150 мм (рисунок 1):

Τ= ^Δ _Δ ^К _Э=  _,  =59,5 (лет).

Отметим, что срок окупаемости Т=59,5 лет получен без учета необходимости выплаты процентов по кредиту, взятому компанией на реновацию фасадов существующего здания, роста тарифов на тепловую энергию, дисконтирования будущих денежных потоков.

По этой причине, полученное значение срока окупаемости 59,5 лет можно рассматривать только как оценочную величину.

Расчет окупаемости с учетом процентов по кредиту, роста тарифов на энергоносители и дисконтирования будущих денежных потоков (далее по тексту - сложной окупаемости)

Тарифы на тепловую энергию в России возрастают с каждым годом. Это приводит к увеличению затрат на эксплуатацию зданий. В таблице 2 представлена динамика роста тарифов на тепловую энергию в Санкт-Петербурге за период с 2006-го по 2011-й годы.

Таблица 2. Динамика роста тарифов на тепловую энергию в Санкт-Петербурге с 2006 по 2011 годы при централизованном отоплении зданий [5]

Год	Величина тарифа, руб/Гкал (вкл. НДС)	Основание
2006	500,40	Распоряжение   Региональной   энергетической   комиссии Правительства Санкт-Петербурга от 16 ноября 2005 г. N 100-р
2007	575,46	Распоряжение Комитета по тарифам Правительства Санкт-Петербурга от 15 ноября 2006 г. N 123-р
2008	650,00	Распоряжение Комитета по тарифам Правительства Санкт-Петербурга от 31 октября 2007 г. N 139-р
2009	795,73	Распоряжение Комитета по тарифам Правительства Санкт-Петербурга от 19 ноября 2008 г. N 141-р
2010	931,00	Распоряжение Комитета по тарифам Правительства Санкт-Петербурга от 14 декабря 2009 г. N 199-р
2011	1050,00	Распоряжение Комитета по тарифам Правительства Санкт-Петербурга от 13 декабря 2010 г. N 334-р

В таблице 3 представлена динамика роста тарифов для населения г. Санкт-Петербурга, -повышение стоимости тепловой энергии за год (в процентах) по отношению к предыдущему году.

Таблица 3. Динамика повышения стоимости тепловой энергии (в относительном выражении) [5]

Годы (с…по)	Прирост стоимости тепловой энергии по отношению к предыдущему году, %
с 2006 по 2007 г.г.	+ 15,0
с 2007 по 2008 г.г.	+ 13,0
с 2008 по 2009 г.г.	+ 22,4
с 2009 по 2010 г.г.	+ 17,0
с 2010 по 2011 г.г.	+ 12,8
В среднем за один год (Δс т )	+ 16,0

Таким образом, за рассматриваемый период времени (с 2006 по 2011 г.г.) средняя величина относительного роста тарифов на тепловую энергию в год Δст составила 16 % (r=0,16).

Дисконтирование будущих денежных потоков произведем по ставке рефинансирования ЦБ РФ, которая составляет 8,25 %.

Примем, что для финансирования работ по утеплению существующего здания строительная компания взяла кредит под 14,5 % годовых на 3 года (m=36).

В этом случае коэффициент аннуитета составит:

р кр ·(1+р кр ) 2    0,012 · (1 + 0,012) 36 =0034.

(1+ркр) -1=  (1 + 0,012)36-1  = 0,034.

Суммарные инвестиции , направленных на утепление фасадов существующего жилого дома, с учетом платежей по кредиту ΔК^̃ составят (при аннуитетных ежемесячных платежах):

руб м².

ΔК̃=m·A·ΔК=36·0,034·5000=6120

На основании полученных исходных данных произведем расчет прогнозируемого срока окупаемости инвестиций в утепление фасадов существующего жилого дома. Получим:

ΔК̃(r-і)         6120(0,16-0,0825)

ln[1+ΔЭ·(1+i)] ln[1+84,1·  (1 + 0,0825)

26,4 (лет).

^Τ=       1+r    ⁼          1+0,16

ln[1+i]                ln[1 + 0,0825]

В случае, если строительная компания использует собственные (не заемные) средства, срок окупаемости инвестиций составит:

ΔК(r-і)         5000(0,16-0,0825)

ln[1+ΔЭ·(1+i)] ln[1+84,1·  (1+0,0825)

24 (лет).

^Τ=       1+r    ⁼          1+0,16

ln[1+i]                ln[1 + 0,0825]

Примечание – выполненные выше расчеты справедливы при наличии в многоквартирном жилом здании автоматизированного теплового пункта (АИТП) с автоматическим регулированием параметров теплоносителя.

Заключение

В работе представлена методика расчета сроков простой и сложной окупаемости энергосберегающих мероприятий, направленных на дополнительное утепление фасадов существующего панельного многоквартирного жилого здания, расположенного на территории г. Санкт-Петербург.

В качестве материала для утепления фасадов приняты теплоизоляционные изделия марки «URSA GEO» П-30. Конструктивное решение – дополнительное утепление снаружи существующих стен теплоизоляцией в 2 слоя суммарной толщиной 150 мм с последующим монтажом вентилируемого фасада.

Толщина теплоизоляции выбрана исходя из условия обеспечения требуемого уровня тепловой защиты наружных стен здания (согласно нормативных требований свода правил СП 50.13330) применительно для климатических условий г. Санкт-Петербурга: 2,99 м2∙ºС/Вт.

Получены следующие результаты.

Срок простой (бездисконтной) окупаемости инвестиций, направленных на дополнительное утепление фасадов существующего многоквартирного жилого дома, составил 59,5 лет.

Срок окупаемости, рассчитанный с учетом роста тарифов на энергоносители, выплаты процентов по кредиту и дисконтирования будущих денежных потоков (сложная окупаемость инвестиций) составил:

• -  26,4 года – с учетом необходимости выплат процентов по кредиту (если строительная

• к омпания взяла кредит на реализацию данного энергосберегающего мероприятия);

• -  24 года – без учета выплат процентов по кредиту (в случае использования Застройщиком

собственных (не заёмных) средств).