Повышение тепловой эффективности наружных стеновых ограждений на основе анализа тепловизионных исследований

Актуальность работы обусловлена необходимостью научной проработки вопросов повышения энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения и совершенствования методов ее оценки.

С каждым годом энергосбережение становится все более актуальной темой. Ограниченность энергетических ресурсов, высокая стоимость энергии, негативное влияние на окружающую среду, связанное с ее производством, — все эти факторы указывают, что разумней снижать потребление энергии, нежели постоянно увеличивать ее производство. Во всем мире уже давно ведется поиск путей уменьшения энергопотребления за счет его рационального использования. Не является исключением и Россия. Основные положения энергосберегающей политики, проводящейся на территории Российской Федерации, сформулированы в «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» [103]. Согласно данному документу, «Целью энергетической политики является максимально эффективное использование природных топливно-экономических ресурсов и потенциала энергетического сектора для роста экономики и повышения качества жизни населения страны».

На сегодняшний день жилищно-коммунальный сектор является одной из энергоемких отраслей, потребляющей почти 1/3 топливно-энергетических ресурсов страны, существующий потенциал энергосбережения в данной сфере составляет около 25−27% [103]. В этой связи особую роль приобретает разработка новых мероприятий, направленных на ужесточение требований к энергосбережению, совершенствованию правил учета и контроля энергопотребления и предельных энергопотерь.

Одним из приоритетных направлений энергосбережения в сфере жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) является повышение энергоэффективности жилого фонда. В настоящее время в России большинство зданий и сооружений имеют наружные ограждающие конструкции, не соответствующие требованиям по сопротивлению теплопередаче, устанавливаемым современными нормативами. К числу таких зданий относятся здания, построенные как в послевоенное время и имеющие минимально допустимый изначально заложенный проектом уровень теплозащиты, обеспечивающий в основном недопустимость выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения, так и здания, возводимые в настоящее время с применением передовых теплоизоляционных материалов и новых конструктивных решений, но имеющие порой значительные отклонения проектных значений от нормативных, вызванных наличием как конструктивных, так и случайных, являющихся технологическими дефектов. В результате чего практика показывает, что большинство решений остаются далеко не эффективными и зачастую ведут не к повышению, а к снижению уровня тепловой защиты зданий.

В работе особое внимание уделено разработке и оценке конструктивных решений, позволяющих повысить уровень энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения с соблюдением требований санитарной гигиены.

Диссертационная работа выполнялась по приоритетному направлению национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России», а также при поддержке КГАУ «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» в рамках реализации проекта «Исследование распределения температур по поверхностям ограждающих конструкций зданий, возводимых на территории г. Красноярска и в его окрестностях».

Степень разработанности проблемы. Среди исследователей-теоретиков, чьи исследования являются фундаментальными в области инфракрасного излучения, можно отметить таких ученых, как У. Гершель, М. Ландриани, М. Меллони, А. Сванберг, Сэмюель П. Лэнгли, Д. Дьюар, П. Н. Лебедев, М. Планк, А. Энштейн, Г. Кирхгоф, Б. Б. Голицин, В. Вин.

Благодаря разработкам Научно-исследовательского института строительной физики РААСН (г. Москва), Московского технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО», «Томского НИИ интроскопии», Северо-Западного государственного технического университета (г. С.-Петербург), Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, г. Омск) в лице таких научных сотрудников, как Г. С. Иванов, Ю. А. Матросов, И. Н. Бутовский, О.Н. Буда-дин, Т.Е. Троицкий-Марков, Е. В. Абрамова, В. П. Вавилов, А. И. Иванов, А.И.

Потапов, А. Д. Кривошеин и др., были сформулированы основные научно-теоретические положения и требования по проведению диагностики наружных ограждающих конструкций зданий на основе метода теплового нераз-рушающего контроля (ТНК) и осуществлен переход к практическому использованию в производственных условиях. Результаты исследований нашли свое отражение в нормативно-технической документации.

Несмотря на значительные результаты, достигнутые в области ТНК, следует отметить, что существующие методики по оценке теплотехнического состояния ограждающих конструкций содержат неполную информацию в части моделирования распределения температурных полей по поверхностям ограждений. Отсутствует сравнительный анализ фактического распределения температурного поля по поверхности обследуемой конструкции с теоретическим, полученным на базе расчета конструктивного проектного решения, необходимый для повышения достоверности результатов, получаемых при теп-ловизионных обследованиях, и выявления причин, повлекших к образованию дефектов тепловой защиты зданий.

Цель диссертационной работы: разработка конструктивных узлов сопряжений наружных ограждающих конструкций на основе усовершенствованной методики тепловизионной диагностики зданий.

Объектами исследования являются наружные стеновые конструкции жилых и общественных зданий.

Методика исследования — экспериментально-теоретическая часть: в работе реализован комплексный подход к проблеме, включающий математическое моделированиеэкспериментальные исследования в натурных условиях на натурных моделяхчисленно-аналитические исследования и сопоставительный анализ результатов.

Основные задачи исследований:

1. Изучить способы и методики тепловизионного обследования зданий.

2. Установить влияние факторов окружающей среды на распределение температур по поверхностям наружных ограждающих конструкций, научно обосновав признаки образования аномальных зон.

3. Оценить существующие конструктивные решения наружных стеновых панелей по показателю теплотехнической однородности на основе результатов натурных тепловизионных обследований.

4. Разработать систему классификации (по признаку образования) основных видов дефектов тепловой защиты ограждающих конструкций зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях.

5. Разработать алгоритм по повышению достоверности результатов натурных обследований путем сопоставления с результатами теоретических расчетов.

6. Разработать технические решения по улучшению теплотехнических характеристик существующих конструктивных узлов сопряжения наружных ограждающих конструкций.

Научная новизна:

1. Получены реальные значения параметров распределений температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждающих конструкций зданий, принятых к строительству на территории г. Красноярска и в его окрестностях. Коэффициент вариации, рассчитанный по фактически наблюдаемым значениям температур для стеновых панелей, более чем в 4,5 раза выше, чем у ограждений, выполненных из мелкоштучных изделий.

2. Установлено, что фактическое распределение температур приближается к нормальному закону практически для всех несветопрозрачных ограждений за исключением стеновых панелей. Представление реальных распределений температур методом тепловизионного контроля в виде частотно-температурных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений.

3. Теоретическими расчетами установлено, что величины стандартных отклонений и коэффициентов вариации, являющиеся показателями разброса значений температур по поверхности ограждения, возрастают при понижении температуры наружного воздуха и снижении скорости ветра, что свидетельствует о повышении точности качественного и количественного анализа, достоверности получаемых результатов при тепловизионной съемке.

4. На основе тепловизионных измерений и теоретических расчетов наружных стеновых панелей получены адекватные математические модели зависимостей параметров распределения температуры от условий окружающей среды (температура, скорость ветра).

5. Для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей при скоростях ветра от О до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 °C, а при скоростях ветра свыше 1 м/с быть более 20 °C.

6. Установлено, что большую часть существующих конструктивных решений можно довести до соответствия санитарно-гигиеническим требованиям путем применения малозатратных мероприятий, основанных на рациональном использовании конструктивных и теплоизоляционных материалов, перераспределяющих тепловые потоки в элементах наружных строительных конструкций.

Практическая значимость работы:

1. Усовершенствована существующая методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепловизионного обследования сравнительного анализа результатов по распределению температурных полей, полученных в ходе натурных обследований, с результатами теоретических расчетов.

2. Разработана и предложена для использования система классификации основных видов дефектов тепловой защиты зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях наружных ограждающих конструкций.

3. Разработаны и внедрены в практику строительства технические решения узлов наружных ограждающих конструкций панельного и монолитного домостроения с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно-гигиенические требования и повышающие класс энергетической эффективности зданий.

4. Разработаны и внедрены в практику проектирования и строительства на территории г. Красноярска методические рекомендации по расчету наружных ограждающих конструкций с использованием программы «TEMPER-3D».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» в диссертации разработаны рациональные конструктивные решения на основе усовершенствованной методики тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий, направленные на создание наиболее совершенных и надежных конструкций.

Полученные в диссертации результаты исследования соответствуют следующим пунктам специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»: пункт 2 «Обоснование, разработка и оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, экономической и конструкционной безопасности на основе математического моделирования с использованием автоматизированных средств исследований и проектирования» в части оптимизации существующих конструктивных решений жилых зданий с учетом природно-климатических условий Сибири на основе математического моделированияпункт 6 «Поиск рациональных форм, размеров зданий, помещений и их ограждений исходя из условий их размещения в застройке, деятельности людей и движения людских потоков, технологических процессов, протекающих в здании, санитарно-гигиенических условий, экологической безопасности» в части поиска рациональных строительных конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям, на основе использования в них строительных материалов, перераспределяющих тепловые потокипункт 7 «Развитие теоретических основ строительно-акустических методов и средств, поиск рациональных решений освещения зданий и отдельных помещений, рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, направленных на повышение эффективности капиталовложений, энергои ресурсосбережение, создание комфортных условий для людей и оптимальных для технологических процессов» в части разработки конструктивных решений зданий, позволяющих повысить энергоэффективностьпункт 8 «Методы и техника оценки и диагностики технического состояния, усиление и восстановление конструкций и элементов эксплуатируемых зданий и сооружений, прогрессивные формы обслуживания зданий, сооружений и систем их жизнеобеспечения» в части развития эффективного метода оценки и диагностики технического состояния наружных ограждающих конструкций путем сопоставления результатов теоретических расчетов, полученных на основе использования современных программных продуктов, с результатами теплового неразрушающего контроля, позволяющего повысить достоверность в определении причин, повлекших к образованию дефектов.

Реализация результатов работы. Результаты исследований и научных разработок используются в практике тепловизионных обследований наружных ограждающих конструкций в лаборатории строительной физики Сибирского федерального университета.

Теоретические положения диссертации используются при изучении курсов «САПР, АСУ» на кафедре архитектуры гражданских и промышленных зданий Института градостроительства, управления и региональной экономики (ИГУиРЭ) СФУ для студентов специальности 270 114 «Проектирование зданий», а также на курсах по переподготовке и повышению квалификации по направлениям «Проектирование зданий и сооружений» и «Строительство зданий и сооружений».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях, в том числе: на V Всероссийской научно-практической конференции (Красноярск, 2004 г.) — на региональных научно-технических конференциях (Красноярск, 2005, 2006 гг.) — научно-практической конференции «Доступное и качественное жилье — национальный проект и современная необходимость» (Красноярск, 2006 г.) — на совместном семинаре ученых Института СО РАН и СФУ по вопросу энергосбережения строительных и промышленных объектов (Красноярск, 2009 г.).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий ИГУиРЭ СФУ (г. Красноярск, 2010 г.).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Положения, выносимые на защиту:

• теоретическое обоснование расчетных значений геометрических и теплотехнических параметров строительных конструкций, учет которых необходим для получения достоверных результатов при расчетах приведенного сопротивления теплопередаче;

• полученные эмпирические распределения температурных полей по наружным ограждающим конструкциям зданий, возведенных с применением различных технологий и конструктивных решений, а также их статистические показатели;

• теоретическое обоснование с экспериментальным подтверждением результатов исследования изменения картины распределения температурных полей на поверхностях стеновых панелей в зависимости от параметров окружающей среды (скорость ветра и температура);

• усовершенствованная методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепло-визионного обследования сравнительного анализа по распределению температурных полей;

• предложения по повышению теплотехнических показателей существующих конструктивных решений (узлов) зданий.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, основные выводы, библиографический список источников из 110 наименований и 6 приложений. Общий объем работы изложен на 226 страницах. Основной текст диссертации — 176 страниц, включая 71 рисунок и 33 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Наружные ограждающие конструкции зданий, возводимых по традиционной технологии из кирпича, а также монолитных зданий, у которых в качестве облицовки телоизоляционного слоя используется тонкостенная защитно-декоративная штукатурка, обладают наилучшими показателями теплотехнической однородности (коэффициенты вариации менее 0,25%, стандартное отклонение находится в пределах от 0,3 до 0,5). Частотно-температурные гистограммы описываются законом нормального распределения.

Ограждающие конструкции зданий, возводимых из сборных однослойных стеновых элементов на основе легких бетонов (крупноблочное домостроение и здания серии «КЖ») имеют зоны повышенных температур в межблочных (межпанельных) швах, что ведет к образованию незначительной правосторонней асимметрии. Коэффициенты вариации находятся в пределах 0,25.0,35%, а стандартное отклонение составляет 0,6.0,8.

Ограждающие конструкции зданий, имеющие конструктивные сквозные теплопроводные элементы-рассечки, например монолитные перекрытия, а также ограждения панельных зданий, возводимых из трехслойных стеновых панелей, обладают наибольшим разбросом температур, что свидетельствует о значительных и протяженных участках теплопотерь. Гистограммы таких ограждений имеют выраженную протяженную правостороннюю асимметрию, в ряде случаев образующую бимодальное распределение. Коэффициенты вариации имеют максимальные значения, превышающие 0,45% (0,71% у панелей на дискретных связях и 0,83% - на ребрах). Стандартное отклонение превышает значение 1,2.

2. Установлено, что для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей на ребрах при скоростях ветра от 0 до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 °C, а при скоростях ветра свыше 1 м/с — быть более 20 °C. Проведение натурных обследований при меньших температурных перепадах является нецелесообразным из-за погрешности, вносимой контрольно-измерительной аппаратурой, превышающей регистрируемые параметры, и может использоваться только для предварительной оценки конструктивного исполнения ограждения.

3. Наибольшее влияние на коэффициент вариации и, следовательно, на точность результатов обследования оказывает температура наружного воздуха, причем эффективность обследований при скоростях ветра менее 1 м/с возрастает более чем в 1,5 раза в принятом температурном диапазоне.

4. Совместное использование результатов тепловизионных обследований с результатами теоретических расчетов ведет к повышению достоверности и объективности получаемых теплотехнических показателей ограждающих конструкций.

5. Представление реальных распределений температур методом тепло-визионного контроля в виде частотно-температурных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений. Опыт практического использования метода теплового неразрушающего контроля позволил дифференцировать дефекты тепловой защиты зданий по признаку образования на проектные, эксплуатационные и производственные, которые в свою очередь подразделяются на конструктивные и монтажные.

6. Разработаны и внедрены в практику строительства технические решения узлов наружных ограждающих конструкций панельного и монолитного домостроения с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно-гигиенические требования и повышающие класс энергетической эффективности зданий.