Галкин С.В., Запасный В.В.
Восточно-Казахстанский
государственный технический университет
имени Д. Серикбаева,
Казахстан
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ В АСПЕКТЕ ЧИСТОГО ПРИВЕДЕННОГО ЭФФЕКТА
ИНВЕСТИЦИЙ
Действующим нормативным
документом по проектированию тепловой
изоляции в России, Республике Казахстан и ряде других стран СНГ является МСН 4.02-03-2004 «Тепловая изоляция
оборудования и трубопроводов» [1]. Проектирование энергосберегающей тепловой
изоляции по данному нормативному документу основано на ограничении тепловых
потерь. В МСН 4.02-03-2004 указаны
нормированные значения плотности теплового потока через изолированную
поверхность в зависимости от
геометрических и эксплуатационных условий. Исходя из указанных значений,
рассчитывается необходимая толщина теплоизоляционного слоя по алгоритму, представленному в СП 41-103-2000 «Свод правил по проектированию и
строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов»
[2].
Для осуществления технико-экономической оценки
действующей нормативной методики проектирования тепловой изоляции произведем
расчёты тепловых потерь и экономической эффективности тепловой изоляции в виде
чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) при различной толщине тепловой изоляции на
конкретных примерах для плоских и цилиндрических объектов [3].
Тепловые потери для плоских и цилиндрических объектов
диаметром 2 м и более определяются по формуле
, (1)
где Q – тепловые потери изолируемого объекта, Вт;
F – площадь поверхности объекта, м2;
tв - температура среды внутри
изолируемого оборудования, °С;
tн - температура окружающей
среды, °С;
Rвн - термическое сопротивление
теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта, м2×°С/Вт;
Rн - то же, на наружной
поверхности теплоизоляции, м2×°С/Вт;
Rст - термическое сопротивление
кондуктивному переносу теплоты стенки изолируемого объекта, м2×°С/Вт;
- полное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-слойной
плоской изоляции, м2×°С/Вт.
Произведём
технико-экономической расчёт для бака-аккумулятора горячей воды. Для
теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные данные: стенки бака - плоские металлические; площадь
изолируемой поверхности бака 10 м2; 
=70 ˚С; 
=16 ˚С; количество часов работы в год n=8400
час/год; теплоизоляционный материал - пенополиуретан с l=0,032 Вт/(м*˚С);
наружный защитный слой окрашен алюминиевой краской; место расположения - в
помещении.
Используя нормированные значения плотности теплового
потока по МСН 4.02-03-2004 и алгоритм
расчёта СП
41-103-2000, была определена требуемая толщина
теплоизоляционного слоя 55 мм.
Для экономического
обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) при
различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом необходимо использовать
дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N=10
лет; нагрев воды осуществляется электронагревателями; стоимость электроэнергии
5,57 тг/(кВт*ч), что соответствует 
=1,547*10-6
тенге/Дж; капитальные затраты на устройство тепловой изоляции из 1 м3
теплоизоляционного материала 
=52000 тенге/м3; уровень инфляции 10 %; коэффициент
дисконтирования 0,16. Стоимостные показатели представлены в тенге для условий
города Усть-Каменогорск (Казахстан).
Используя теорию
теплообмена, нетрудно установить динамику изменения тепловых потерь от изолируемого
объекта при различной толщине теплоизоляционного слоя. На основе этих данных
при известной стоимости энергии, которую удалось сохранить, и капитальных
затратах на устройство тепловой изоляции можно установить чистый приведенный
эффект инвестиций (NPV). Значение NPV определяется по формуле
, (2)
где NPV – чистый приведенный эффект
инвестиций, тенге;
P –
доход от инвестиций, полученный в году i, тенге;
i – год получения дохода;
n – количество лет получения
дохода;
r - коэффициент
дисконтирования;
IC – объём инвестиций, тенге.
При выполнении расчётов по
формулам (1) и (2) толщина теплоизоляционного слоя изменялась от 0 до 0,2 м.
При этом было установлено, что толщина
тепловой изоляции 55 мм, установленная по нормативным документам не является оптимальной, так как максимальное
значение чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV)
достигается при толщине 100 мм.
Конечно, увеличение значения NPV при переходе от 55 мм к 100
мм небольшое (на 1,5 % - с 1093
до 1109 тыс. тенге), однако, при этом значительно снижаются тепловые потери (на
43 % - с 29 до 16,5 Вт/м2).
Аналогичным образом
произведём технико-экономические расчёты
для цилиндрической поверхности. Тепловые потери для цилиндрических
объектов диаметром менее 2 м определяются с помощью формулы
, (3)
где qL - линейная плотность
теплового потока через цилиндрическую теплоизоляционную конструкцию, Вт/м;
Rlвн – линейное термическое
сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого
объекта, м×°С/Вт;
Rlн - то же, на наружной
поверхности теплоизоляции, м×°С/Вт;
Rlст - линейное термическое сопротивление
кондуктивному переносу теплоты стенки изолируемого объекта, м×°С/Вт;
- полное линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу
теплоты n-слойной плоской изоляции, м×°С/Вт.
Произведём
технико-экономической расчёт для трубопроводов теплосетей, проложенных в
непроходных каналах. Для теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные
данные: диаметр трубопроводов d=530
мм; для подающих трубопроводов 
=90 ˚С; для обратных трубопроводов 
=50 ˚С; 
=9 ˚С; n=8400 часов; тепловая
изоляция из пенополиуретана l=0,032 Вт/(м*˚С).
Используя нормированные значения плотности теплового
потока по МСН 4.02-03-2004 (96,2 Вт/м) и
алгоритм расчёта СП 41-103-2000, была установлена
требуемая толщина теплоизоляционного слоя для подающего и обратного трубопровода 51 мм.
Для экономического
обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций
при различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом используются
дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N=25
лет; стоимость теплоэнергии 
=410,5*10-9
тенге/Дж; капитальные затраты на устройства тепловой изоляции из 1 м3
теплоизоляционного материала 
=52000 тенге/м3; высота непроходного канала 1,105 м; ширина
непроходного канала 2,41 м; грунт – суглинок с коэффициент теплопроводности
1,75 Вт/(м*˚С); глубина заложения до оси трубопровода 2 м; уровень
инфляции 10 %; коэффициент дисконтирования, применяемый для тепловых сетей,
равен 0,12.
Аналогично предыдущему
примеру, производятся технико-экономические расчёты для теплотрассы.
При выполнении расчётов по формулам (2) и (3) толщина теплоизоляционного
слоя подающего трубопровода изменялась от 0 до 0,15 м. При этом толщина
теплоизоляционного слоя обратного
трубопровода была принята 62 % от толщины теплоизоляционного слоя
подающего трубопровода. Это соотношение в данной задаче является наиболее
оптимальным, что было выявлено на основе многовариантного перебора значений от
0 до 100 %. Необходимо отметить, что подающий и обратный трубопроводы, находясь
в замкнутом пространстве канала, оказывают взаимное влияние на тепловые потери
друг друга. Снижение тепловых потерь одного из них за счёт тепловой изоляции
приводит к увеличению тепловых потерь другого.
Анализа результатов расчетов
свидетельствует о том, что оптимальное значение толщины теплоизоляционного слоя
в рассматриваемом примере составляет: для
подающего трубопровода 70 мм, для
обратного трубопровода 43 мм. При этом чистый приведенный эффект
инвестиций (NPV) на тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет
37235 тыс. тенге, а тепловые потери теплотрассы составляют 86,9 Вт/м.
Как ранее было установлено,
требуемая толщина теплоизоляционного слоя по нормативным документам на подающем
и обратном трубопроводах составляет 51 мм, обеспечивая величину тепловых потерь
96,2 Вт/м. При данном значении чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) на
тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет 36402 тыс. тенге. В сравнении с
оптимальными значениями толщины тепловой изоляции, нормативные значения
характеризуются пониженной величиной NPV (на 2,3 %), и повышенными
тепловыми потерями (на 10,7 %).
Таким образом, на рассмотренном примере
доказано, что нормативная методика расчёта тепловой изоляции не обеспечивает
нахождение оптимальных параметров теплоизоляционного слоя. Методика расчёта по МСН 4.02-03-2004 и СП
41-103-2000 объективно не учитывает такие важнейшие факторы
как: стоимость выработки единицы тепла, капитальные затраты на устройство
тепловой изоляции, срок функционирования тепловой изоляции. Тем самым, игнорируется специфика
проектируемого объекта, что обусловлено влиянием плановой экономики советских
времён. Кроме того, при альтернативе использования дешевого теплоизоляционного
материала с повышенной теплопроводностью и дорогого материала с пониженной
теплопроводностью нормативная методика не позволяет произвести обоснованный
выбор.
Современные рыночные отношения требуют
индивидуального подхода к технологическим задачам, что позволяет выявить
наиболее рациональный путь их решения. Это обуславливает необходимость при
проектировании тепловой изоляции оборудования и трубопроводов использовать
методику, которая основана не на каких-то нормативно ограниченных значениях, а
имела бы гибкий механизм учета экономических составляющих. Успешным примером
такой методики является синтез теплотехнического расчёта изолируемого объекта и
расчета чистого приведенного эффекта инвестиций.
Литература:
1. Тепловая
изоляция оборудования и трубопроводов. МСН
4.02-03-2004. Дата введения 01.11.2005 г.
2. Свод
правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции
оборудования и трубопроводов. СП 41-103-2000.
-М.: ГОССТРОЙ России, 2001.
3. Экономика строительства.
Учебник для ВУЗов/Под ред. д. э. н., проф.
И. С. Степанова. -М.: Юрайт, 2000.