Экономическая эффективность утепления стен каркасного дома

Экономическая эффективность утепления стен каркасного дома
Горшков А.С., кандидат технических наук, директор Учебно-научного центра «Мониторинг и реабилитация природных систем» ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»
Керник А.Г., руководитель группы технической поддержки продаж ООО «УРСА Евразия»
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: индивидуальный жилой дом, наружные стены, деревянный каркас, фасады, теплоизоляция, дополнительное утепление, энергосбережение, энергетическая эффективность, инвестиции, окупаемость.

АННОТАЦИЯ: В статье рассмотрены вопросы целесообразности утепления наружных стен каркасного дома, предназначенного для постоянного проживания. Выполнен расчет сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи наружных стен при различной толщине утеплителя. Толщина утеплителя принята равной 50, 100, 150 и 200 мм. При расчете сопротивления теплопередаче и коэффициента теплопередачи наружных стен учтено влияние теплопроводных включений. Рассчитаны капитальные затраты на утепление при различной толщине дополнительного слоя теплоизоляции. Произведена оценка прогнозируемого срока окупаемости дополнительных инвестиций, рассчитанных с учетом роста тарифов на энергоносители и дисконтирования будущих денежных потоков. На основании выполненных расчетов рассчитана оптимальная толщина слоя утеплителя, соответствующая минимуму срока окупаемости дополнительных инвестиций.

Введение

Каркасные дома представляют один из наиболее распространенных вариантов строительства загородного дома. Каркасные технологии строительства известны уже более 5 веков и в настоящее время являются основным типом малоэтажного строительства в странах Скандинавии, США и Канады. Популярность каркасного домостроения возрастает с каждым годом и в нашей стране.
Современные технологии строительства и применяемые при строительстве материалы позволяют строить каркасные дома, которые не уступают каменным домам по долговечности и надежности. Основными преимуществами каркасного домостроения являются: быстровозводимость, относительно низкая стоимость, всесезонность строительных работ и практически полное отсутствие мокрых процессов при возведении коробки дома. Большинство энергоэффективных зданий в настоящее время возводится по каркасной технологии.
Стены каркасных зданий состоят из несущего каркаса, который может быть выполнен из деревянного бруса, бруса из клееного шпона (ЛВЛ) или тонкостенных профилей из оцинкованной стали (ЛСТК) с заполнением пространства между стойками каркаса плитами из эффективного утеплителя (теплоизоляции). Изнутри и снаружи каркас закрывается отделочными изделиями, перечень которых широк и разнообразен.
Утеплитель (теплоизоляция) служит для уменьшения потерь тепловой энергии на отопление. Чем толще слой теплоизоляции, тем меньшими оказываются потери тепла и, следовательно, в здание требует меньшего расхода энергоресурсов (топливо).
Чем меньше потери тепла в здании, тем меньшее количество тепловой энергии требуется подвести к зданию от источника тепла.
Таким образом, утепление ограждающих конструкций приводит к уменьшению потребляемой в здании энергии и, следовательно, к сокращению эксплуатационных затрат на отопление.
Однако, чем толще слой утеплителя, тем большими оказываются капитальные затраты. Таким образом, еще на этапе проектирования следует произвести экономическую оценку вариантов технических решений.
Капитальные затраты, как правило, значительны, но выделяются единовременно, а экономический эффект от дополнительного утепления будет «набегать» ежегодно, но меньшими порциями. Следовательно, существует некоторая оптимальная толщина слоя теплоизоляции, характеризующая экономическую эффективность принятого решения. Ее 3 можно определить путем оценки экономической эффективности различных вариантов утепления и сравнения их между собой.
В рамках данного исследования для оценки экономической эффективности различных вариантов утепления наружных стен каркасного дома используется показатель прогнозируемого срока окупаемости инвестиций. Наиболее эффективным считается вариант утепления, при реализации которого дисконтированный срок окупаемости T_динвестиций в доутепление ограждающих конструкций дома окажется минимальным:

1. Объект исследования
Рассмотрим типовой каркасный дом площадью 150 м² (рисунок 1). Площадь наружных стен A ст примем равной 175 м² .
В качестве несущего каркаса рассмотрим наиболее распространенный вариант – деревянный брус сечением 150×50 мм.
Отопление в доме – индивидуальное, от газового котла с КПД 90 %.
Месторасположение объекта: Московская область.

Рисунок 1 – Фасад и разрез объекта исследования

2. Цель исследования

Целью исследования является расчет потерь тепловой энергии через наружные стены рассматриваемого объекта исследования, а также оценка прогнозируемых сроков окупаемости четырех вариантов утепления стен толщиной 50, 100, 150 и 200 мм. Схематичное изображение рассматриваемой конструкции наружной стены представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схематичное изображение рассматриваемой конструкции наружной стены каркасного дома

В качестве слоя теплоизоляции примем изделия теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем марки TERRA 34 PN. Физико-механические характеристики рассматриваемых изделий представлены в таблице 1.
Рассмотрим как влияет увеличение толщины теплоизоляции на первоначальные капитальные вложения (инвестиции), потери тепловой энергии через наружные стены, эксплуатационные затраты на компенсацию потерь тепла и сроки окупаемости инвестиций.
Вариант стены с толщиной утеплителя 50 мм примем в качестве базового (минимально-допустимого) варианта. Стена каркасного дома может быть выполнена без утеплителя, но такой дом, как правило, не подходит для круглогодичного проживания или окажется некомфортным. По этой причине вариант стены каркасного дома без теплоизоляции в данном исследовании не рассматривается.
Таблица 1. Основные физико-механические характеристики изделий марки TERRA 34 PN

3 Дополнительные инвестиции

Увеличение толщины слоя теплоизоляции сверх базовых 50 мм в составе наружных стен каркасного дома потребует дополнительных инвестиций.
В соответствии с исходными данными, площадь наружных стен рассматриваемого объекта исследования принята равной 175 м² .
Затраты на монтаж дополнительной теплоизоляции (сверх базовых 50 мм) представлены в таблице 2.
Таблица 2. Капитальные затраты на установку дополнительного слоя теплоизоляции

Примечание. Представленные капитальные затраты по установке дополнительного слоя утеплителя каркасного дома актуальны для регионов Москвы и Московской области. Стоимость материалов – рыночная, для оптовой категории клиентов. Капитальные 6 затраты рассчитаны с учетом стоимости теплоизоляции, доставки к месту производства работ (в пределах 100 км), погрузочно-разгрузочных работ, работ по подрезке и монтажу утеплителя.
Дополнительные затраты на утепление получены исходя из стоимости теплоизоляции 1200 руб/м3 и рассчитаны по сравнению с базовым вариантом утепления (50 мм), т.е. при толщине слоя теплоизоляции 100 мм дополнительные инвестиции рассчитаны с учетом необходимости установки дополнительного слоя теплоизоляции толщиной 50 мм и т.д. В последнем случае толщина слоя минеральной ваты 200 мм окажется больше толщины стоек каркаса (150 мм), ввиду чего для установки дополнительных 50 мм теплоизоляции между каркасом и обрешеткой потребуется установить контрбрус толщиной 50 мм, между которым уложить последние 50 мм минеральной ваты. В этом случае стоимость работ возрастает непропорционально, что отражено в таблице 2.
Стоимости работы для монтажу теплоизоляции с толщинами 50, 100 и 150 мм приняты равными, поэтому не учтены. При толщине слоя теплоизоляции 200 мм учтены дополнительные затраты на установку контрбруса и укладку между горизонтальными направляющими контрбруса утеплителя.
График зависимости капитальных затрат на дополнительное утепление наружных стен рассматриваемого объекта исследования от толщины дополнительного (по сравнению с базовым вариантом) слоя теплоизоляции, представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – График зависимости капитальных затрат на дополнительное утепление наружных стен в зависимости от толщины слоя теплоизоляции

Как следует из данных, представленных на рисунке 3, капитальные затраты на дополнительное утепление наружных стен с увеличением толщины теплоизоляции возрастают. При переходе от толщины 150 мм к толщине 200 мм затраты возрастают более быстро. Это обстоятельство обусловлено изменением конструктивной схемы наружных стен ввиду появления между стойками каркаса и облицовочным слоем дополнительного контрбруса.
Для расчета эксплуатационных издержек вариантов домов с различным уровнем теплоизоляции наружных стен требуется понимание параметров климата предполагаемого района строительства и теплотехнических характеристик ограждающих конструкций (стен).
4 Климатические характеристики района строительства
Расчетные климатические характеристики района строительства приняты на основании данных СП 131.13330 [1] и представлены в таблице 3. Данные характеристики потребуются в дальнейшем для оценки потенциала энергосбережения и экономического эффекта, достигаемого при большей толщине утеплителя.

Таблица 3. Расчетные климатические характеристики предполагаемого района строительства

5 Уровень теплоизоляции

Уровень теплоизоляции наружных стен может быть оценен с использованием следующих расчетных теплофизических характеристик:

- сопротивление теплопередаче R₀ , м² ·К/Вт;

-коэффициент теплопередачи U₀ , Вт/( м² ·К).

Из рассмотрения единиц измерения представленных теплофизических характеристик следует, что они являются обратно пропорциональными другу другу, т.е. [3]:

Коэффициент теплопередачи (U-value) является более удобной и понятной тепловой характеристикой ограждающих конструкций, т.к. показывает отношение плотности теплового потока к площади ограждающей конструкции при разности внутренней и наружной температур воздуха 1 К.
Сопротивление теплопередаче вариантов стенового ограждения при различной толщине слоя теплоизоляции может быть рассчитано по формуле [4]:

где а_в – коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, принимаемый по таблице 7 [5] для наружных стен равным 8,7 Вт/(м² ·К);

б_i – толщина i-го слоя конструкции наружной стены, м;

λ_i – теплопроводность i-го слоя материала наружной стены, Вт/(м·К);

a_н – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, принимаемый по табл. 8 [4] для наружных стен равным 23 Вт/(м2 ·К).

В связи с тем, что термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев незначительно по сравнению с термическим сопротивлением слоя утеплителя, а также в связи с тем, что изделия для внутренней отделки могут быть приняты совершенно разными, при расчете сопротивления теплопередаче по формуле (3) облицовочные слои учитываться не будут.
Ввиду того, что в рассматриваемой на рисунке 2 конструкции стены перед облицовочным слоем присутствует вентилируемая наружным воздухом прослойка, коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены  н на основании примечания «б» к пункту 9.1.2 СП 23-101 [4] примем равным 10,8 Вт/(м2 ·К).
Тогда, сопротивление теплопередаче рассматриваемых вариантов стеновых ограждений составит:
- при толщине слоя теплоизоляции 50 мм (базовый вариант):

- при толщине слоя теплоизоляции 100 мм:

- при толщине слоя теплоизоляции 150 мм:

- при толщине слоя теплоизоляции 200 мм:

На рисунке 2 видно, что контур утепления не является сплошным, – деревянные стойки каркаса разрывают контур утепления на всю толщину слоя теплоизоляции, т.е. представляют собой сквозные линейные теплопроводные включения. Ввиду этого стойки деревянного каркаса обуславливают дополнительные (по сравнению с сечением стены в месте расположения утеплителя) потери тепла, которые следует учесть при оценке потенциала энергосбережения различных вариантов утепления.
Для оценки влияния стоек каркаса на уровень теплоизоляции наружных стен каркасного дома воспользуемся методом, представленном в справочнике [6]. Расстояние между деревянными стойками каркаса примем равным 0,6 м, толщину направляющих – 0,05 м. Схематичное изображение рассматриваемого фрагмента стенового ограждения представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схематичное изображение регулярного (повторяющегося) фрагмента стенового ограждения для расчета его коэффициента теплопередачи с учетом влияния стоек на теплотехническую однородность ограждающей конструкции

Если толщина слоя утеплителя меньше толщины деревянной стоки каркаса при расчете коэффициента теплопередачи стеновой конструкции толщину направляющих стоек будем принимать равной толщине слоя утеплителя (как показано на схеме рисунка 4). Термическое сопротивление внутреннего и наружного облицовочных слоев, толщина которых, как δут 50 600 10 правило, существенно ниже, чем у несущих и утепляющих слоев, будем считать ничтожно малыми.
Пространство между утеплителем и облицовкой будем считать вентилируемым. В этой связи коэффициент теплоотдачи наружной поверхности a_н примем равным 10,8 Вт/(м·К) [4].
Тогда при толщине слоя утеплителя 50 мм:
- сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи стены по сечению стоек деревянного каркаса (к) составит:

- сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи стены по сечению утеплителя (ут):

С учетом того, что высота стоек каркаса и слоя утеплителя примерно одинаковы, расчет коэффициента теплопередачи можно провести только относительно ширины рассмотренного на рисунке 4 фрагмента стенового ограждения [6]:

Аналогичные расчеты, выполненные для других толщин, показывают следующие результаты:
- при толщине слоя утеплителя 100 мм:

- при толщине слоя утеплителя 150 мм:

- при толщине слоя утеплителя 200 мм:

6 Расчет потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции

Средние за отопительный период потери тепловой энергии через стены дома Q_ст , Г_кал, заданной толщины и заданного состава рассчитываются по формуле [7]:

где U₀ – то же, что и в формуле (1);

ГСОП – градусо-сутки отопительного периода, °С∙сут (см. данные таблицы 1);

0,024, 1163 – переводные коэффициенты;

A_ст – площадь наружных стен, м₂

Обозначим базовый вариант утепления (50 мм) стен индексом «баз», варианты с большей толщиной теплоизоляции – «ут».
Тогда экономия тепловой энергии, достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен, может быть рассчитана на основании следующего выражения:

где U_пр⁵⁰ – коэффициент теплопередачи базового варианта наружных стен (с толщиной утеплителя 50 мм), м² ∙К/Вт;

U_пр^б – коэффициент теплопередачи наружных стен с большей толщиной слоя теплоизоляции ( б_I = 100, 150 и 200 мм), м² ∙К/Вт;
0,024, ГСОП , 1163, A ст – то же, что и в формуле (4);
859,8 – переводной коэффициент (1 Квт·ч=859,8 ккал);
n_k – коэффициент полезного действия газового котла;
Q_t– теплотворная способность газового топлива, ккал/м³ ; определяется на основании результатов измерений физико-химических показателей газа в соответствии с методами испытаний по ГОСТ 5542; при отсутствии паспорта 12 качества газового топлива принимается равной 8000 ккал/м³

7 Расчет эксплуатационных затрат
Разница эксплуатационных затрат ( ΔЭ ), достигаемая за счет дополнительного утепления наружных стен в течение одного нормативного отопительного периода, руб/год, может быть рассчитана по формуле [7]:

где ΔQ – то же, что и в формуле (5);
c_т – стоимость природного газа, руб/м³ .

Размер платы за пользование природным газом на отопление жилых домов, расположенных на территории Московской области, ст составляет 5,14 руб/м³ (Распоряжение Комитета по ценам и тарифам Московской области от 10.06.2016 № 74-Р).
Результаты расчета приведены в таблице 4 и графически представлены на рисунке 5.
Таблица 4. Эксплуатационные затраты

Рисунок 5 – Эксплуатационные затраты, расходуемые в течение одного нормативного отопительного сезона на компенсацию потерь тепловой энергии через стены

8 Расчет окупаемости

Прогнозируемый срок окупаемости инвестиций, направленных на дополнительное утепление наружных стен, рассчитаем по формуле, предложенной в работах [8-10]:

где ΔK – разница капитальных затрат на возведение утепленного ( K_ут ) и базового ( K_баз ) вариантов наружных стен (фасадов) рассматриваемого объекта недвижимости, руб;

ΔЭ – разность потерь тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции до ( Э_баз ) и после утепления базового варианта наружных стен ( Э_ут ) дома, руб/год.

r – средний ежегодный рост стоимости тарифов на тепловую энергию;

i – процентная ставка дисконтирования.

В отличие от формулы, используемой для расчета простой (бездисконтной) окупаемости:

формула (7) позволяет учесть не только затраты на утепление ΔK и эксплуатационные расходы на отопление Δ_ст , но и показатели динамики роста тарифов на энергоносители (r), а также дисконтирования будущих денежных потоков (i), достигаемых за счет уменьшения эксплуатационных издержек.
Средняя величина относительного роста тарифов на тепловую энергию для населения России Δ составляет примерно 12 % в год. Т.о. среднегодовой рост тарифов на тепловую энергию