Совершенствование температурных режимов ограждающих конструкций зданий в теплый период года

В настоящее время жилой фонд зданий в Российской Федерации с точки зрения энергоиспользования является весьма неэффективным. Благодаря проводимой в прошлом политике «дешевых» энергоносителей, в пятидесятых-шестидесятых годах минувшего столетия в стране началось массовое строительство бетонных зданий с невысоким уровнем теплозащиты. Известно, что до трети всех потребляемых энергоресурсов страны расходуется на содержание жилых, гражданских и промышленных зданий [1].

Очевидно, что. для России вопросы энергосбережения особо актуальны. К тому же, наша страна обладает одним из самых высоких потенциалов энергосбережения. По различным оценкам доля энергии, которую можно сэкономить составляет от 30 до 40% топливно-энергетического баланса государства.

Как показывает мировой опыт в решении проблемы энергосбережения, экономия топливно-энергетических ресурсов является стратегической задачей государства.

Так, в государствах-членах ЕС действует Программа СЕРНЕиБ «Эффективные по себестоимости пассивные дома как европейский стандарт», идет работа по преобразованию в национальный закон Директивы по энергетическим характеристикам зданий (ЕРВО). Во многих европейских странах декларируется цель достижения ультранизкого и даже нулевого уровня потребления энергии зданиями [2].

В целях стабилизации кризисных явлений в энергообеспечении отечественной экономики и социальной сферы Правительство Российской Федерации в 90-е годы прошлого столетия приняло меры к формированию научной и правовой базы энергосбережения.

Энергетической стратегией России" на период до 2010 года, принятой Правительством 7 декабря 1994 года, в качестве высшего приоритета энергетической политики поставлена задача повышения жизненного уровня населения за счет роста прямых энергетических услуг, осуществляемых при углублении электрификации и газификации быта, села и общественного транспорта, и повышении эффективности использования энергии.

Продолжением этого курса является «Энергетическая стратегия России» на период до 2020 года, принятая Правительством 28 августа 2003 года. Энергетическая стратегия сформирована с учетом оптимизации топливно-энергетического баланса России по структуре и в разрезе отраслей и регионов. В частности, предусматривается «замедление роста расхода энергоресурсов на централизованное теплоснабжение в 1,07−1,11 раза относительно общего энергопотребления в связи с большими возможностями для снижения потерь и экономии тепла, а также опережающего развития его локальных и индивидуальных источников».

Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 года № 472 были утверждены «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период 2010 года». Этим документом приоритетным направлением развития энергетической политики России определена «реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливои энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций».

3 апреля 1996 года в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов был принят Федеральный закон «Об энергосбережении» № 28-ФЗ, который регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения. Этим законом определены основные принципы энергосберегающей политики государства, установлены требования. к стандартизации, сертификации и метрологии в области энергосбережения, определены основы государственного управления энергосбережением, включая осуществление государственного надзора за эффективностью энергопотребления, проведение энергетических обследований организаций и учет энергетических ресурсов.

Анализ энергоэффективности отечественной экономики на протяжении последних лет свидетельствует, что в 90-е годы прошлого столетия был проделан большой объем работ, связанный с созданием основы нормативно-правовой базы энергосбережения: изучался зарубежный опыт, делались оценки потенциала энергосбережения в различных отраслях экономики, определялись подходы и направления решения проблемы роста энергетической эффективности. В результате этих работ в период 1994;1998 г. г. были сформированы основы российской нормативно-правовой базы энергосбережения, начиная с «Энергетической стратегии России», до федерального закона «Об энергосбережении» и федеральной целевой программы «Энергосбережение России».

Современное состояние в области энергоэффективности можно оценить как период перевода основных направлений работ от формирования идеологии и нормативно-правовых положений в сферу практической деятельности, последовательной поэтапной отработки технологии «реального энергосбережения». Повышение энергоэффективности строительного комплекса в целом возможно только при обеспечении энергоэффективности как зданий и сооружений, так и систем их теплоснабжения.

Введенные в 1995 году изменения в СНиП «Строительная теплотехника», а также утвержденные Правительством Москвы в 1994 году Московские городские строительные нормы МГСН 2.01−94.

Энергосбережение в зданиях" уже привели к созданию новых и реконструируемых зданий с эффективным использованием энергии.

Так, в 1998;2002 г. г. в г. Москве был реализован проект «Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» [3, 4]. Целью проекта являлось создание, натурная апробация и последующее внедрение в жилищное строительство города новейших технологий и оборудования, обеспечивающих, как минимум, двукратное снижение энергозатрат. В частности, для этого применялись следующие энергоэффективные мероприятия:

— наружные ограждения (3-слойные железобетонные панели на дискретных связях) с повышенной теплозащитойтеплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и удаляемого вентиляционного воздуха;

— система отопления с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях.

Некоторые результаты проекта приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Уровень теплозащиты ограждающих конструкций и показатели энергоемкости здания.

Основные характеристики и показатели Един, измерения Базовый дом (I этап теплозащиты) (II этап теплозащиты) проект Энергоэффективный дом.

Проект Эксперимент Проект Эксперимент.

1 2 3 4 5 6 7.

Приведенное сопротивление теплопередаче:

— стен м2-°С/Вт 2,56 2,56 3,28 3,28 3,28.

1 2 3 4 5 6 7.

— окон и балконных дверей м2-°С/Вт 0,55 0,55 0,6 0,6 0,6.

— покрытий, чердачных перекрытий м2-°С/Вт 3,30 3,30 4,39 4,39 4,39.

— перекрытий над подвалами и подпольями м2-°С/Вт 2,80 2,80 4,27 4,27 4,27.

— перекрытий над проездами и под эркерами м2-°С/Вт — - 1,63 1,63 1,63.

Годовые расходы энергетических ресурсов на здание:

— тепловой энергии на отопление МВт-ч/ год 1059 1008 720 577 560.

— тепловой энергии на горячее водоснабжение МВт-ч/ год 1061 650 687 ;

— электрической энергии МВт-ч/ год 814,39 524,4 814 1016 1033.

Следует отметить, что внедрение энергосберегающих мероприятий в г. Москве является одной из главных задач по снижению энергетического дефицита столицы — крупнейшего потребителя топливно-энергетических ресурсов в России. В этой связи особую значимость приобретает принятие закона г. Москвы № 35 от 05.07.2006 г. «Об энергосбережении в г. Москве», учитывающего специфику огромного мегаполиса. Закон совершенствует правовое регулирование в области энергосбережения, организует систему контроля за расходом энергоресурсов и их эффективным использованием, обеспечивает заинтересованность производителей, поставщиков и потребителей энергоресурсов в повышении эффективности их использования, позволяет ввести энергетические паспорта для обследованных организаций, внедряет более жесткие по сравнению с федеральными городские стандарты в области энергоэффективности.

Известно, что Госстрой РФ также поддерживает энергосберегающую политику (Постановлениями № 18−14 от 06.06.1997 г. «Об экономии энергоресурсов при проектировании и строительстве» и № 18−11 от 02.02.1998 г. «О теплозащите строящихся зданий и сооружений»).

Появившаяся в последнее время новая редакция федеральных норм по теплозащите [5] использует потребительский подход к нормированию, заключающийся в установлении предельного уровня суммарного удельного энергопотребления здания. С его помощью, применяя различные энергосберегающие мероприятия (рациональные объемно-планировочные решения, автоматизация, применение окон и дверей с повышенной теплозащитой и т. д.), можно, например, снизить степень теплозащиты наружных ограждений и тем самым уменьшить затраты на наиболее дорогостоящий способ энергосбережения — устройство теплоизоляции.

Требования [5] прошли апробацию в большинстве субъектах России при разработке и внедрении Территориальных Строительных Норм (ТСН) под общим названием «Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий». По данным Госстроя РФ уже 6% от всего фонда зданий России соответствуют требованиям новых норм, обеспечивающих около 40% энергосбережения по сравнению с 1995 г. Произошел переход от повсеместного распространения панельного домостроения к монолитнокаркасному с наружным утеплением из легких теплоизоляционных материалов [6].

Очевидно, что энергосбережение во всех его видах может стать решением актуальной проблемы энергодефицита.

Важнейшей частью энергосбережения в строительстве является проблема потребления энергии системами климатизации — отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

В теплый период года, особенно в южных районах страны, из-за высокой температуры окружающего воздуха и значительной интенсивности солнечной радиации происходит перегрев зданий. Эти условия вызывают значительные тепловые нагрузки на организм человека, существенно снижая его работоспособность и производительность труда. В результате для поддержания необходимого микроклимата в помещениях широко используются системы кондиционирования и вентиляции. Во многих случаях расход холода в кондиционируемых помещениях в летнее время превышает расход тепла на отопление в зимний период [7].

Именно отыскание уровня эффективной тепловой защиты для зданий с системами охлаждения внутреннего воздуха в теплый период года пока является не решенной проблемой. Предлагается устанавливать уровень тепловой защиты для северных и центральных регионов страны из условий энергосбережения на отопление, а для южных регионов — из условия энергосбережения на охлаждение [6].

Следует отметить, что потребительский подход, используемый в [5], зачастую реализуется непоследовательно и таким образом, что у проектировщика остается очень узкий диапазон параметров, в пределах которых он может принимать решения по теплозащите здания.

Также ощущается явная нехватка информации о научных методах, на основе которых осуществляется проектирование зданий.

Одна из проблем, вызывающая к себе значительный интерес, связана с переносом теплоты в ограждающих конструкциях.

Согласно [5] расчет нестационарных температурных режимов многослойных ограждающих конструкций в летнее время основан на теории теплоустойчивости.

Теория теплоустойчивости — способности сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности ограждений при периодических наружных тепловых воздействиях — была разработана O.E. Власовым, JI.A. Семеновым, A.M. Шкловером. На основе этой теории созданы методы расчетов колебаний температур в конструкциях, подвергающихся периодическим тепловым воздействиям, и получены приближенные формулы для оценки затуханий температурных колебаний, тепловой инерции и т. д.

Существенным недостатком расчетных схем в теории теплоустойчивости является использование линейной модели процесса нестационарной теплопроводности. Нелинейность граничных условий, учитывающих радиационно-конвективный перенос на наружной поверхности ограждения, не дает возможность получения строгого аналитического решения. Поэтому разность четвертых степеней абсолютных температур в граничных условиях заменялась разностью температур в первой степени с вводом единого суммарного коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением ОСн: где , — температура соответственно наружного воздуха и наружной поверхности ограждения, °Сп п рп — коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхности огражденияqn — интенсивность солнечной радиации, Вт/м2;

Яи — коэффициент теплопроводности наружного слоя ограждения, Вт/(м • °С);

ОС, ССЦ — коэффициент теплоотдачи соответственно конвекцией и излучением, Вт/(м2 • °С).

В дальнейших расчетах коэффициент теплоотдачи излучением принимается постоянным, хотя на самом деле этот коэффициент является функцией температур и, следовательно, времени.

Такой подход позволил реальную нелинейную модель процесса теплопереноса заменить упрощенной линейной моделью, используя при этом решения известных задач нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода.

Поэтому актуальными являются исследования, направленные на развитие методов расчета тепловых режимов многослойных ограждений зданий, позволяющих не только анализировать динамику процесса, но и наметить пути к созданию более совершенных конструкций.

Наиболее приемлемый способ решения задач нестационарного переноса в составных стенках с излучающими поверхностями связан с использованием численных методов и ЭВМ.

Целью настоящей работы является обеспечение требуемого теплового режима в помещениях зданий посредством совершенствования методики расчета тепловых режимов ограждающих конструкций с учетом влияния колебаний температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, месторасположения теплоизоляционного слоя.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ особенностей тепловых режимов работы ограждающих конструкцийанализ существующих нормативных методов оценки теплоустойчивости ограждающих конструкций;

— обобщение определяющих факторов тепловых режимов работы ограждающих конструкций в теплый период года;

— разработка методик расчета нестационарных температур и тепловых потоков для вертикальных стен различной ориентации и бесчердачных покрытий;

— проведение численных экспериментов по исследованию величин нестационарных тепловых потоков и температур в ограждающих конструкциях зданий и сооружений для городов Южного Федерального округа;

— экспериментальное определение нестационарных температур и тепловых потоков в однои двухслойной вертикальных конструкциях в летних условиях;

— теоретическая и экспериментальная оценки тепловых режимов бесчердачных покрытий при их лучисто-конвективном прогреве.

Основная идея работы состоит в разработке уточненных математических моделей для оценки тепловых режимов многослойных ограждающих конструкций в теплый период года, учитывающих результирующее излучение между ограждением и «окружением».

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования.

Научная новизна работы заключается в том, что:

— уточнена математическая модель, описывающая процессы переноса теплоты в ограждающих конструкциях здаиий и сооружений в теплый период года, учитывающая результирующее излучение между ограждением и «окружением»;

— на основе использования нестационарных моделей процессов теплообмена, учитывающих влияние переменной температуры наружного воздуха и ориентации поверхности ограждающих конструкций, получены аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие тепловой режим вертикальных многослойных ограждений в теплый период года;

— по результатам численных экспериментов установлены графические зависимости, характеризующие изменения температур и тепловых потоков ограждающих конструкций зданий и сооружений, показывающие влияние основных параметров процесса переноса на динамику тепловых режимов ограждений;

— на основе использования нестационарных моделей процессов теплопереноса, учитывающих влияние интенсивности солнечной радиации и колебаний температуры наружного воздуха, получены аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим бесчердачных покрытий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, проведенных в натурных условиях, с результатами других авторов.

Практическое значение работы:

— предложена численная схема для решения нелинейных задач тепломассопереноса, на основе которой была разработана вычислительная программа;

— разработана методика расчета нестационарных температур и тепловых потоков в вертикальных многослойных ограждающих конструкциях в теплый период года, позволяющая определять теплоустойчивость ограждения;

— разработана методика расчета для оценки теплового режима бесчердачных покрытий при лучисто-конвективном теплообмене на внешней поверхности.

Реализация результатов работы: результаты диссертационной работы использованы при проектировании ограждающих конструкций жилых зданий в ОАО «Ростовгражданпроект», ООО «ЮгСтройПроект», ООО.

Югмонтажкомплекс" (г. Ростов-на-Дону);

— материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 290 700 Теплогазоснабжение и вентиляция в ГОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет.

На защиту выносятся:

— уточненная математическая модель, описывающая процессы переноса теплоты в ограждающих конструкциях зданий и сооружений в теплый период года, учитывающая результирующее излучение между ограждением и «окружением»;

— аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие тепловой режим вертикальных многослойных ограждений в теплый период года, полученные на основе использования нестационарных моделей процессов теплообмена с учетом влияния переменной температуры наружного воздуха и ориентации поверхности ограждающих конструкций;

— графические зависимости, полученные по результатам численных экспериментов, характеризующие изменения температур и тепловых потоков ограждающих конструкций зданий и сооружений и показывающие влияние основных параметров процесса переноса на динамику тепловых режимов ограждений;

— аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим бесчердачных покрытий, полученные на основе использования нестационарных моделей процессов теплопереноса с учетом влияния интенсивности солнечной радиации и колебаний температуры наружного воздуха.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Международных научно-практических конференциях «Строительство- 2003, 2004» (г. Ростов-на-Дону, 2003 г., 2004 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (г. Ростов-на-Донуп. Шепси, 2004 г.).

Публикации.

По материалам исследований опубликовано 8 научных работ, из них 4 в определенных ВАК изданиях («Жилищное строительство», «Известия высших учебных заведений. Строительство», «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки»).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 139 страниц, в том числе: 48 рисунков на 48 страницах- 4 таблицы на 5 страницахсписок литературы из 114 наименований на 11 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе дано новое решение актуальной задачи по обеспечению требуемого теплового режима в помещениях зданий посредством совершенствования методики расчета тепловых режимов ограждающих конструкций в теплый период года, с учетом колебаний температуры наружного воздуха, влияния ориентации поверхности ограждения, месторасположения теплоизоляционного слоя.

На основании полученных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать основные выводы:

1. Уточнена математическая модель, описывающая процессы переноса теплоты в ограждающих конструкциях зданий и сооружений в теплый период года, учитывающая результирующее излучение между ограждением и землей, между ограждением и близ расположенными зданиями и сооружениями, между ограждением и «небом».

2. На основе использования нестационарных моделей процессов теплообмена, учитывающих влияние колебаний температуры наружного воздуха и ориентации поверхности ограждающих конструкций, получены аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие тепловой режим вертикальных многослойных ограждений в теплый период года.

3. По результатам численных экспериментов установлены графические зависимости, характеризующие изменения температур и тепловых потоков типовых ограждающих конструкций при их лучисто-конвективном прогреве, показано влияние основных параметров процесса переноса (температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации) на динамику тепловых режимов ограждений.

4. Предложена численная схема для решения нелинейных задач тепломассопереноса, с помощью которой была разработана вычислительная программа.

5. Разработана методика расчета нестационарных температур и тепловых потоков в вертикальных многослойных ограждающих конструкциях в теплый период года, позволяющая определять теплоустойчивость ограждений.

6. Разработана методика расчета для оценки теплового режима и теплоустойчивости бесчердачных покрытий при радиационно-конвективном теплообмене на внешней поверхности.