Экономическая эффективность эксплуатационных услуг от применения инновационных инженерных систем в жилых многоквартирных домах

Введение

Экологическая проблема крупных городов в последние десятилетия имеет тенденцию к ухудшению. Для уменьшения ущерба окружающей среде необходимо создавать здания, не агрессивные к природе и способствующие укреплению здоровья человека, ведь, например, жилые дома находятся в окружающей среде, в то же время формируют внутреннее пространство, в котором мы живем. Б.С. Пайлеванян считает, что в современных реалиях жилые дома должны быть построены с применением умных технологий и быть экологически безопасными [11] (Paylevanyan, 2010).

В целях снижения выбросов СО₂ от многоквартирных домов необходимо трансформировать существующую в стране программу реновации жилья в климатический проект путем внедрения мероприятий по энергоэффективности, отвечающих требованиям действующего законодательства в области энергосбережения, – об этом говорят в своих работах Сегал М.С., Куц А. В., Фирсов В. С. и Федосов П.А [15] (Segal, Kuts, Firsov, Fedosov, 2020).

Многие авторы рассматривают варианты повышения энергоэффективности зданий. Так, например, Бутовский И.Н., Матросов Ю.А. и Шмаров Н.А. считают, что эффективным средством снижения теплопотерь здания является остекление лоджий, устройство на фасаде зданий и стекол, размещение пассивных сочных коллекторов на крышах зданий для подогрева наружного воздуха поступающего здания [1] (Butovskiy, Matrosov, Shmarov, 2008). С ними соглашаются и зарубежные авторы. Например, Murray P., Marquant J., Niffeler M., Mavromatidis G., Orehounig K. доказывают, что наиболее экономичные меры повышения энергоэффективности должны включать модернизацию крыш и замену окон вместе с фотоэлектрической установкой [23] (Murray, Marquant, Niffeler, Mavromatidis, Orehounig, 2020).

Сотников А.Г., Опарина Л.А., Kosonen A., а также Herrando M., Faraj K. и другие считают, что часть энергии и ресурсов можно производить самостоятельно, при этом возобновляемые источники энергии имеют большое будущее в этой области [9, 17–21] (Oparina,Semushkin, 2021; Sotnikov, 2010; Faraj, Khaled, Faraj, Hachem, Castelain, 2020; Gorskaya, Zolotonosov, Martynov, Khabibullina, Krutova, 2020; Herrando, Pantaleo, Wang, Markides, 2019).

Самарин О.Д., Горшков А.С. говорят, что наиболее эффективным решением энергосбережения жилых зданий является переход от ЦТП к ИТП, расположенным в отапливаемом здании. Считается, что это решение, помимо повышения эффективности автоматического регулирования отопления, позволит отказаться от распределительных сетей горячего водоснабжения, то есть уменьшить потери тепловой энергии при транспортировке и расход электроэнергии на привод сетевых насосов. [3, 14] (Gorshkov, 2010; Samarin, Malakhovskaya, Zhukov, 2010).

Logachev K.I., Ziganshin A.M., Averkovaand O.A. Gol’tsov A.B. решают проблемы уменьшения потребления энергии за счет разработки энергоэффективных локальных систем вентиляции [22] (Logachev, Ziganshin, Averkova, Gol’tsov, 2020). Zanetti E., Aprile M., Kum D., Scoccia R, Motta M. предлагают создание гибридной системы отопления с фотоэлектрическими элементами, при этом ожидается снижение энергопотребления на 20% и сокращение выбросов СО₂ на 10% [25] (Zanetti, Aprile, Kum, Scoccia, Motta, 2020).

Осмонов О.М., Котова Т.В. в своих работах рассматривают инженерные системы и пишут, что внедрение автоматического регулирования расхода теплоносителя позволит снизить расход тепловой энергии на подогрев циркулирующей воды на 44%, а мощность тепловых потерь в циркуляционном трубопроводе снизится на 59% [2, 10]. Авторы А.В. Ениватов, В.Е. Бойков, И.И. Артемов предлагают на примере г. Ардатов снизить себестоимость тепловой энергии централизованного теплоснабжения за счет комплекса мер, включающих: объединение двух котельных, внедрение комбинированной выработки тепловой и электроэнергии в мини-ТЭЦ на базе генераторной установки [4] (Enivatov, Boykov, Artemov, 2020).

Энергозатраты зданий связаны не только с необходимостью их отопления в холодный период, но и потребностью в охлаждении помещений в жаркие летние дни. А.А. Замятина и М.Н. Жерлыкина рассмотрели в своей статье как традиционный, так и альтернативный способы кондиционирования воздуха в административных зданиях в различных городах России. Традиционный подход предполагает высокие затраты электроэнергии при относительно невысокой холодопроизводительности. Нетрадиционный способ охлаждения воздуха связан с использованием строительных конструкций в качестве аккумулятора холода [5] (Zamyatina, Zherlykina, 2018).

Некоторые исследователи обращают внимание на экономические аспекты проблемы энергопотребления. Например, Романова А.И. и Хабибулина А.Г. рассматривают вопросы повышения надежности работы инженерно-коммунальных систем жизнеобеспечения жилых домов с точки зрения создания эффективных механизмов предоставления целевого финансирования для осуществления текущего и капитального ремонта зданий [13] (Romanova, Khabibulina, 2011). Седов А.В., Кузин К.С., Михайличенко А.В. считают, что в России потребление энергии выше на 20%, чем в других странах. При этом «инвестиции в повышение энергоэффективности будут финансово-привлекательными, если стоимость экономии единицы энергии меньше, чем затраты государства на строительство новой генерирующей мощности». Кроме того, авторы отмечают, что именно в жилищном секторе заключена возможность снижения энергоемкости отопления до 151 кВтч/м²/год [16] (Sedov, Kuzin, Mikhaylichenko, 2011).

Таким образом, для уменьшения энергопотребления зданий отечественные и зарубежные авторы предлагают различные комплексы мероприятий. Целью данного исследования является обоснование экономической эффективности нового типа теплообменного оборудования [6, 7, 19, 26] (Zolotonosov, Vachagina, Zolotonosov, Varsegova, 2021; Zolotonosov, Gorskaya, Martynov, 2018; Gorskaya, Zolotonosov, Martynov, Khabibullina, Krutova, 2020), основанного на снижении затрат на потребление гигакалорий тепловой энергии в жилых многоквартирных домах, уменьшении концентрации СО₂, снижении металлоемкости при производстве новых типов теплообменников.

Методы

При выполнении расчетов использовались следующие методы.

Методы анализа собранных статистических данных.

Метод расчета снижения углеродного следа:

,

где СО₂ – размер углеродного следа в тоннах эквивалента углекислого газа;

Q – экономия тепловой энергии за год;

К_пр – коэффициент преобразования тепловой энергии (топливо- природный газ).

Методы расчета показателей эффективности реализации проекта, основанные на дисконтированных денежных потоках [12, 24] (Romanova, Lukmanova, 2000; Shagiakhmetova, Burkeev, Fedorova, Shaikhutdinova, 2021):

,

,

NPV – чистая текущая стоимость проекта от внедрения теплообменного оборудования в жилые здания;

NPV_EMV – чистая текущая стоимость проекта с учетом затрат на опытно-конструкторские работы и возможной реализации рисков на стадии испытания образцов;

d – ставка дисконтирования;

Ct – экономический эффект от внедрения теплообменного оборудования в период времени t;

– эксплуатационные затраты в период времени t;

– первоначальные вложения на приобретение и монтаж теплообменного оборудования.

I – затраты на опытно-конструкторские работы;

EMV= – ожидаемый денежный результат от возможной реализации рисков проекта, где Pr_n – вероятность проявления риска проекта на этапе n; I_n – воздействие риска на проект в случае его проявления в период n.

,

где IRR – внутренняя норма доходности проекта.

При расчете IRR применяется метод последовательных итераций. Для этого выбираются два значения ставки дисконтирования таким образом, чтобы в интервале [d₁; d₂] показатель NPV менял свое значение с «+» на «-» (NPV (d₁), NPV (d₂)).

Графический метод представления итоговых результатов исследования – построение графиков на базе Excel.

Результаты

Для решения проблем экономичности энергоустановок предлагается серия инновационного теплообменного оборудования, разработанного профессором Казанского государственного архитектурно-строительного университета Я.Д. Золотоносовым [6, 7, 19, 26] (Zolotonosov, Vachagina, Zolotonosov, Varsegova, 2021; Zolotonosov, Gorskaya, Martynov, 2018; Gorskaya, Zolotonosov, Martynov, Khabibullina, Krutova, 2020). Рассматриваемое теплообменное оборудование может быть использовано для замещения импорта пластинчатого теплообменного аппарата и замены используемых на текущий момент поверхностных теплообменников.

При этом нужно учитывать, что зарубежные пластинчатые теплообменники разработаны для жесткости подпиточной воды менее 0,1 мг – экв/л. В то время как для тепловых сетей России жесткость подпиточной воды составляет 0,7 мг – экв/л.

Вследствие повышенной жесткости подпиточной воды в РФ на теплообменной поверхности оборудования происходит рост солеотложений, что повышает эксплуатационные затраты, так как появляется необходимость в периодическом извлечении пучка пластин из кожуха для промывки с применением химических средств. При этом уплотнительные прокладки, изготовленные из резины, изнашиваются и требуют замены, а цена прокладочного материала составляет не менее 30% стоимости пластинчатого теплообменника.

Конструкции инновационного теплообменного оборудования включают в себя: малогабаритные секционные теплообменные аппараты конической и сферической формы, внутренние теплообменные элементы которых выполнены в виде гладких труб или пружинно-витых каналов, витки которых жестко скреплены лазерной сваркой, или в виде винтовых труб по типу «конфузор – диффузор», выполненных методом ротационной ковки. Кроме того, предложены трубчатые теплообменники нежесткой конструкции, трубчатые пучки которых составлены из элементов типа «труба в трубе», а в их основаниях выполнены плавающие головки [8] (Martynov, Akhmerova, Zolotonosov, Bagoutdinova, 2018).

Испытания опытного образца секционного змеевикового теплообменника проводились в 14-этажном одноподъездном жилом доме г. Казани. Они показали перспективность его использования в качестве водонагревателя индивидуального теплового пункта (ИТП) для системы горячего водоснабжения (рис. 1).

Рисунок 1. Общий вид ИТП с секционным змеевиковым теплообменником при испытании в 14-этажном одноподъездном жилом доме г. Казани

Испытания проводились в течение 5 дней в зимний период. По результатам была подтверждена расчетная производительность змеевикового теплообменника, равная 5 м³/ч. Тепловая нагрузка за весь период исследования составила 17,8 Гкал, температура воды на нужды горячего водоснабжения укладывалась в нормативные значения +58…620 °C. Кроме того, на нагрев холодной воды (начальная температура которой равнялась +50 °C) сэкономлено 2,26 Гкал тепловой энергии за 5 дней испытаний, что в денежном выражении в пересчете на год составит порядка 170 036 рублей.

Экономия тепловой энергии позволит сократить выбросы СО₂, что в том числе позволит РФ выйти на траекторию развития с низким уровнем выбросов парниковых газов. Снижение углеродного следа в год при применении одного теплообменника нового образца составит 20,29 тонн. При стоимости 1 тонны углеродной единицы 20 евро экономия в год будет равна 35 516 руб. (стоимость 1 евро принята равной 90 руб.).

Теплообменники, разработанные и описанные в работах Я.Д. Золотоносова [6, 7, 19, 26] (Zolotonosov, Vachagina, Zolotonosov, Varsegova, 2021; Zolotonosov, Gorskaya, Martynov, 2018; Gorskaya, Zolotonosov, Martynov, Khabibullina, Krutova, 2020), имеют широкий спектр промышленного применения, в том числе в химии и нефтехимии, энергетике, ЖКХ, пищевой и медицинской промышленности, судостроении и ряде смежных с ними отраслей. Как показал анализ рынка в РТ, к 2033 году может быть установлено 4000 единиц предложенного Я.Д. Золотоносовым теплообменного оборудования. При этом уменьшение выбросов парниковых газов к 2033 году составит 81 160 тонн эквивалент углекислого газа, что в денежном выражении составит более 146 тыс. руб. в год (рис. 2).

Рисунок 2. Уменьшение выбросов парниковых газов

Источник: рассчитано авторами.

При обосновании экономической эффективности внедрения нового теплообменного оборудования рассматривались два варианта расчета: базовый и стратегический. Базовый сценарий учитывает только снижение затрат на потребление Гкал тепловой энергии, эксплуатационных расходов и металлоемкости при производстве. В то время как в стратегическом варианте, помимо данных базового, учитывается снижение углеродного следа многоквартирных домов, установивших новое теплообменное оборудование. Первоначальный расчет был выполнен на единицу теплообменного оборудования, установленного в жилом многоквартирном доме (табл. 1, 2, рис. 3, 4).

Таблица 1

Исходные данные для выполнения расчетов стоимости услуг по горячему водоснабжению

(на 1 единицу теплообменного оборудования)

Внутренняя норма доходности проекта при ставке дисконтирования, равной 20%, составит для базового сценария 37%, а для стратегического, соответственно, 78% (рис. 3).

Рисунок 3. Дисконтированный срок окупаемости (PP) и внутренняя норма доходности (IRR) замены одной единицы теплообменного оборудования

Источник: рассчитано авторами.

Как показывают расчеты, проект остается эффективным даже при повышении стоимости теплообменника на 70% (табл. 2).

Таблица 2

Анализ чувствительности IRR и NPV к повышению

стоимости теплообменного оборудования

(на единицу теплообменного оборудования)

Запас прочности проекта по критерию IRR остается достаточно высоким для стратегического сценария развития. Разница между ставкой дисконтирования и значением IRR превышает 30% для всех вариантов повышения стоимости теплообменного оборудования (рис. 4).

Рисунок 4. Изменение IRR при росте стоимости теплообменного оборудования (на единицу теплообменного оборудования)

Источник: рассчитано авторами.

Дальнейшие расчеты были выполнены с учетом планируемых инвестиционных затрат и экономического эффекта при установке теплообменного оборудования в жилые многоквартирные дома в Республике Татарстан. В соответствии с графиком количество единиц замененного теплообменного оборудования с 10 шт. в 2023 году достигнет 4000 шт. к 2033 году.

Расчет EMV был выполнен для формирования бюджета страхования рисков в период проведения опытно-конструкторских работ. Перечень наиболее значимых рисков приведен в таблице 3.

Таблица 3

Перечень наиболее значимых рисковых событий в период проведения опытно-конструкторских работ

Итоговое значение EMV составило 3,99 млн руб.

Результирующие показатели эффективности проекта установки теплообменного оборудования нового образца на 4000 многоквартирных домах РТ представлены в таблице 4.

Таблица 4

Показатели эффективности (на 4000 единицы теплообменного оборудования)

Заключение

Экологические приоритеты устойчивого развития РФ связаны с вопросами обезуглероживания существующего и вновь строящегося фонда зданий и сооружений. В результате исследования была рассчитана экономическая эффективность установки нового теплообменного оборудования в качестве водонагревателя в ИТП для системы горячего водоснабжения. При производстве инновационных теплообменников будет происходить снижение металлоемкости, а в процессе эксплуатации – снижение затрат на потребление гигакалорий тепловой энергии и, как следствие, снижение углеродного следа зданий. Предлагаемая серия теплообменного оборудования с учетом эффективности, комплекса потребительских свойств и современной организации его производства может составить существенную конкуренцию зарубежным аналогам.