Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных методов повышения уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий на основе интеллектуальных технологий 13
1.1. Современное состояние и анализ развития системных методов при проектировании зданий 13
1.2. Биоклиматическая архитектура и гармонизация зданий с особенностями климата 20
1.3. Экологически чистые строительные материалы 25
1.4. Энергоэффективные системы: продуктивное использование первичной энергии 27
1.5. Технические системы: автоматизация систем и процессов в зданиях 29
1.6. Выводы по Главе 1 36
Глава 2. Методологические основы оценки потребительских качеств зданий при внедрении интеллектуальных технологий ~ 39
2.1. Общие положения 39
2.2. Сущность метода экспертных оценок. Метод ранжирования 43
2.3. Организация экспертного оценивания, проведение опроса и формализация информации 56
2.4. Обработка экспертных оценок на основе авторской программы, написанной на языке программирования С+н 59
2.5. Согласование экспертных оценок 60
2.6. Выводы по Главе 2 — 65
Глава 3. Моделирование и исследование структуры процессов автоматизированного проектирования экологически безопасных зданий 68
3.1. Информационная модель здания (BIM) 69
3.2. Расчёт и оценка энергетических потерь здания 75
3.3. Проектирование инженерных систем 77
3.4. Трёхмерное моделирование 81
3.5. Создание биоклиматической архитектуры 83
3.6. Визуализация и анимация зданий 89
3.7. Выводы по Главе 3 94
Глава 4. Интеграция интеллектуальных технологий при проектировании, возведении и реконструкции зданий 95
4.1. «Экоумная» модель здания на основе комплексной интеграции интеллектуальных технологий 95
4.2. Оценка экономической эффективности инвестиций в теплоснабжение 103
4.3. Оценка экономической эффективности инвестиций в энергосбережение 106
4.4. Выводы по Главе 4 110
Глава 5. Практическая реализация результатов исследования путём апробации интеграционной модели на основе экологической реконструкции учебного здания 112
5.1. Общие положения 112
5.2. Сведения о реконструируемом объекте 114
5.3. Внедрение «зелёных» технологий 117
5.4. Внедрение «умных» технологий 120
5.5. Выводы по Главе 5 127
Основные выводы 129
Литература 132
Список публикаций автора 144
Приложения 146
- Современное состояние и анализ развития системных методов при проектировании зданий
- Сущность метода экспертных оценок. Метод ранжирования
- Проектирование инженерных систем
Введение к работе
Актуальность работы подтверждается тем, что окружающая среда в сегодняшнем мире, в частности, в нашей стране, находится в состоянии, справедливо вызывающее тревогу человеческого сообщества. Поэтому необходимо решительно и наступательно прилагать усилия в области развития экологической безопасности с целью достижения положения, при котором будет отсутствовать угроза нанесения ущерба природной среде и здоровью населения, в т. ч. путём создания и эксплуатации энергоэффективных, неагрессивных по отношению к окружающей среде и человеку зданий, в которых максимально будут использоваться возобновляемые ресурсы и процессы в совокупности с технологиями энергосбережения и автоматизации.
Соответствие направления диссертации современным требованиям к охране окружающей среды подчёркивается тем, что анализ тенденций развития теории и практики строительных и информационных технологий показал, что уже наметились позитивные сдвиги в международном опыте экологизации городов. В разных регионах мира, особенно в Германии и Австрии, активно возводятся и эксплуатируются «эко»-здания, и уже есть положительная оценка их работы.
Актуальность темы обусловлена неразвитостью информационной базы, фрагментарностью и отсутствием системной и целостной, с учётом современных инновационных возможностей, программы по охране окружающей среды урбанизированных территорий и внутренней среды зданий от негативных воздействий, исходящих от зданий и действующих как на внешнюю среду, так и на здоровье и жизнедеятельность людей, находящихся внутри помещений.
Анализ научных трудов и исследований, нормативной и методической документации, опыта практических отечественных и зарубежных разработок выявил ряд нерешённых вопросов в поставленной автором проблеме комплексной интеграции и оптимизации экологических и информационно-интеллектуальных технологий с целью повышения уровня экологической безопасности зданий, их энергоэффективности и рациональной интеллектуализации.
Целью диссертации является повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий при их проектировании, строительстве, эксплуатации и реконструкции с привлечением информационных систем и интеллектуальных технологий, основанных на принципах саморегулирования и автоматизации управления процессами жизненного цикла зданий.
Объект исследования — проектируемые, возводимые, эксплуатируемые и реконструируемые здания, подвергающие негативному воздействию окружающую среду, а также среду внутри зданий.
Предметом исследования выступают системы автоматизированного проектирования (САПР); экологически безопасные архитектура, конструкции и материалы; энергоэффективные и технические системы, обеспечивающие минимизацию антропогенного воздействия зданий на природную и формируемую внутреннюю среды.
Методология исследования: системный анализ, занимающийся приложением методов и моделей теории систем для принятия решений; комплекс логистических и математико-статистических методов и процедур, направленных на получение от специалистов информации, необходимой для подготовки и выбора рациональных решений; компьютерное программирование и моделирование.
Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в следующем:
Впервые поставлена и решена задача интеграции решений, связанных с обеспечением экологической безопасности и энергетической эффективности зданий на основе использования информационно-интеллектуальных технологий.
Научно обосновано и доказано, что проектирование и внедрение энергоэффективных технологий и систем экологической безопасности независимо и по отдельности оказывается недейственным для достаточного повышения уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий.
Впервые введён термин «экоумное» здание, базирующийся на обеспечении современных требований к энергоэффективности и экологической безопасности зданий.
Разработана и исследована модель интеграции интеллектуальных технологий на основе современных систем автоматизированного проектирования и конструирования.
Использован и доведён до практического применения при решении поставленной задачи метод экспертных оценок, позволяющий системно оценить потребительские качества зданий и энергоэффективность предполагаемой интеграции интеллектуальных технологий.
Практическая значимость исследования заключается в разработке и доведении до практического использования методов, позволяющих на различных стадиях жизненного цикла зданий (проектирование, строительство, эксплуатация, реконструкция) принимать решения, обеспечивающие оперативное управление уровнем экологической безопасности и энергоэффективностью зданий; в создании рекомендаций по внедрению инновационных мер, максимально снижающих деструктивное влияние зданий на окружающую среду и улучшающих их микроклимат; а также в применении полученных в процессе научных изысканий результатов и выводов при ведении учебного процесса в профильных ВУЗах, в т. ч. в рамках преподавания дисциплины «Использование вычислительной техники в инженерных расчётах» в Московском государственном строительном университете (МГСУ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на конференциях молодых учёных МГСУ; опубликованы в различных научных и научно-популярных печатных и интернет-изданиях в виде специализированных и пленарных докладов и статей, включая издания, рекомендованные Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования Российской Федерации («Промышленное и гражданское строительство», «Экология урбанизированных территорий», «Вестник МГСУ» и других); озвучены на всероссийских и международных научно-практических конференциях и форумах.
По вопросам автоматизации зданий были проведены консультационные встречи с коллективами компаний «Kieback & Peter» и «Siemens» (ФРГ), занимающимися высокотехнологичным производством и внедрением по всему миру систем технического оснащения зданий под ключ.
С целью глубокой проработки вопросов, связанных с системами автоматизированного проектирования, неоднократно проводились совещания с представительствами в Российской Федерации компаний «Graphisoft» (Венгрия) и «Autodesk» (США).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (150 наименований, в т. ч. 23 иностранных источника) и публикаций автора, а также приложений, подтверждающих практическое использование и внедрение результатов исследования.
Объём работы составляет 160 страниц. Основной текст содержит 145 страниц, 6 таблиц, 33 рисунка.
Автор искренне признателен и глубоко благодарен заведующему кафедрой Строительства тепловых и атомных электростанций (СТАЭ), доктору технических наук, профессору, академику РААСН Теличенко В. И., под руководством которого проводилась данная диссертационная работа.
Современное состояние и анализ развития системных методов при проектировании зданий
Многолетние систематические исследования показали, что состояние экологии в крупных городах и прежде всего в столицах имеет тенденцию к ухудшению за счёт роста деловой активности, увеличения жителей и количества автомобилей, масштабной застройки и асфальтирования территорий. В свете решения проблем окружающей среды жизненно важно, чтобы люди стали гораздо более серьёзно относиться к ней, комплексно рассматривая проблемы загрязнения воздуха, водных объектов, утилизации отходов и пр.
В настоящее время в России и за рубежом общество всё более остро осознаёт необходимость повышения уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий, так как развитие инженерной и социальной инфраструктуры происходит достаточно быстро. Поэтому крайне необходимо, чтобы профессионалы могли использовать теорию и практику системного подхода к проектированию, применяли в своей деятельности современные инструменты в области САПР и автоматизации зданий. Должно прийти осознание того, насколько полезны и эффективны методы информационного моделирования процессов проектирования, строительства и эксплуатации зданий. Важно, чтобы, мировое сообщество архитекторов и строителей активно занялось системным продвижением экологически безопасных и энергоэффектив ных зданий, приняло ряд инновационных проектов по снижению потребления энергии и других ресурсов в реконструируемых и эксплуатируемых зданиях, а также уменьшению их влияния на природную среду. В концепции построения экологических зданий особое внимание необходимо уделять использованию: возобновляемых (условно неисчерпаемых) ресурсов, таких как солнечная энергия и ветер; пассивных и активных систем обогрева зданий и фотогальванических элементов; материалов, которые сертифицированы для экологического применения и выделяют малое количество токсичных испарений и т. д.
Вместе с тем, нужно стремиться к тому, чтобы общество становилось экологически грамотным. Экологическая грамотность — это способность использования языка для того, чтобы читать, писать, слушать и говорить об экологии, вносить свой вклад в конкретные дела и мероприятия, связанные с охраной окружающей среды. Первостепенное значение всеобщего экологического образования, бытовой и производственной экологической культуры определяет нижеследующая формула (1.1) [54]:
Экология появилась как раздел биологической науки, который лучше всего объясняет и предсказывает сложные взаимодействия между живыми организмами и сообществами организмов с одной стороны, и окружающей средой, в которой они обитают, с другой стороны.
Экология — термин впервые введён в 1866 г. немецким биологом, профессором Йенского университета Э. Геккелем — наука, которая исследует структуру и функционирование живых систем (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени в естественных и изменённых человеком условиях с уровнем организации от организма и выше [54]. Предмет экологии: совокупность живых организмов (включая человека), образующих на видовом уровне популяции, на межпопуляционном уровне — сообщество (биоценоз), и в единстве со средой обитания — экосистему (биогеоценоз).
Экология является многодисциплинарной наукой, которая оказывает значительное влияние на многие другие разделы науки. Это делает экологическую грамотность объединяющим навыком, который поощряет в науке подход от целого к частному, а не от частного к целому. Экологическая грамотность достигается путём эффективного сотрудничества с исследователями, которые могут проверять открытия в разных областях, но которые разделяют идею о том, что существует взаимосвязь и единство жизни и знания. Сегодня необходимы коренные изменения в том, как применяется экология не только в практике проектирования и строительства зданий и сооружений, но и в организации жизнедеятельности человека в целом.
Понятие системности тесно связано с понятием комплексности. Согласно теоретическим работам современных специалистов научно-производственных организаций в сфере САПР, комплексное проектирование — это и искусство, и наука о проектировании физических объектов, взаимодействующих с окружающей средой, основанные на идеях экономической, социальной и экологической устойчивости. Это такой подход к проектированию, который удовлетворяет потребности в ресурсах в настоящем времени без уменьшения возможностей будущих поколений удовлетворять собственные нужды, что соответствует концепции устойчивого развития. Понятие комплексности распространяется на многочисленные пространственные и временные показатели и оказывает влияние на всех уровнях организации, от местного кондоминиума до планеты в целом. Соответственно, комплексное проектирование распространяется от микромира и создания мелких объектов для е?кедневных нужд до макромира и проектирования зданий, городов и даже целых территорий [123].
При строительстве и эксплуатации зданий потребляется большое количество природных ресурсов, и исследования показывают, что параллельно при их добыче, переработке и использовании выделяется большинство газов, способствующих развитию «парникового эффекта», которому приписывают глобальное изменение климата. Кроме того, нынешняя практика развития во многих частях мира, как и в России, часто преобразует биологически разнообразную окружающую среду, состоящую из относительно мелких, плотно застроенных урбанизированных центров и окружающих их сельскохозяйственных и лесных ландшафтов, превращая последние в растянутые, заасфальтированные пригороды. Эти искусственно созданные ландшафты обычно непроницаемы для течения поверхностных вод и не совместимы с жизнедеятельностью биологически разнообразных сообществ микроорганизмов, растений, животных, которые служат в экосистеме для поддержания качества, воздуха и воды, а также для выравнивания критических точек местного и регионального климата. И наоборот, комплексное проектирование создаёт на практике продукты, услуги, здания и включённую в комплекс окружающую среду, которые действительно поддерживают и усиливают эти функции экосисте мы на каждом этапе процесса, от проектирования и производства строительных работ и заканчивая использованием готового продукта и заселением здания и ландшафта.
Важно заметить, что в своё время, когда междисциплинарные команды учёных пытались решить сложные проблемы окружающей среды, они обнаружили, что подход к исследованию, использующий «системное мышление», дал бы более полезное видение предметов и явлений и позволил бы эффективно принимать решения. Системное мышление исследует взаимосвязи и взаимодействия между различными элементами, образующими единую проблему. Успешное использование системного мышления в области технической механики и электромеханики привело к тому, что первые исследователи окружающей среды и преподаватели соответствующих дисциплин стали применять те же методы решения задач и делиться знаниями с коллегами и студентами. Это в свою очередь привело к развитию экологии как центральной науки для эффективного исследования окружающей среды и решения её проблем.
Сущность метода экспертных оценок. Метод ранжирования
Под экспертными методами, согласно теории экспертных оценок, понимают комплекс логических и математико-статистических методов и процедур, направленных на получение от специалистов информации, необходимой для подготовки и выбора рациональных решений [40]. Их применяют в ситуациях, когда:
выбор, обоснование и оценка последствий решений не могут быть выполнены на основе точных расчётов;
отсутствуют другие способы сбора данных, удовлетворяющие целям исследования;
объект обладает специфическими характеристиками, о которых знают только профессионалы.
С помощью экспертов получают информацию качественного характера (экспертные оценки), основанную на опыте и интуиции специалиста.
Сущность методов экспертных оценок заключается в проведении экспертами- интуитивно-логического анализа проблемы .с количественной оценкой суждений и формальной обработкой результатов. Получаемое обобщённое мнение экспертов принима- ется как решение проблемы. Комплексное использование интуиции (неосознанного мыпгления), логического мышления и количественных оценок с их формальной обработкой позволяет получать квалифицированные высокоэффективные решения.
При изучении особенностей и возможностей применения экспертных оценок были рассмотрены следующие аспекты:
проблемы формирования экспертных групп, включая требования к экспертам, размеры группы, вопросы тренировки экспертов, оценки их компетентности;
формы экспертного опроса (разного рода анкетирования, интервью, смешанные формы опроса) и методики организации опроса (в том числе методики анкетирования, мозговая атака, деловые игры и т. п.);
подходы к оцениванию (ранжирование, нормирование, различные виды упорядочения, в том числе методы предпочтений, парных сравнений и др.);
методы обработки экспертных оценок;
способы определения согласованности мнений экспертов, достоверности экспертных оценок (в том числе статистические методы оценки дисперсии, оценки вероятности для заданного диапазона изменений оценок, оценки ранговой корреляции Кендалла, Спирмена, коэффициента конкор-дации и т: п.), методы повышения согласованности оценок путём соответствующих способов обработки результатов экспертного опроса.
Б данной работе, использование экспертных оценок предполагает, что мнение группы экспертов надёжнее, чем мнение отдельного эксперта. При этом важно соблюдение следующих требо ваний: распределение оценок, полученных от экспертов, должно быть «гладким»; две групповые оценки, данные двумя одинаковыми подгруппами, выбранными случайным образом, должны быть близки.
Поднятые в диссертации проблемы, решаемые методами экспертных оценок, относятся к таким, в отношении которых имеется достаточное обеспечение информацией. В связи с этим, методы опроса и обработки основываются на использовании принципа «хорошего измерителя». Данный принцип означает, что выполняются следующие гипотезы:
эксперт является хранилищем большого объёма рационально обработанной информации, и поэтому он может рассматриваться как качественный источник информации;
групповое мнение экспертов близко к истинному решению проблемы.
При получении и обработке экспертных оценок возможно применение различных методов. Среди способов упорядочения и отношений предпочтения, к наиболее употребительным процедурам экспертных измерений относятся:
ранжирование;
парное сравнивание;
множественные сравнения;
непосредственная оценка;
последовательное сравнение;
метод Терстоуна;
метод фон Неймана-Моргенштерна. Целесообразность применения того или иного метода определяется характером анализируемой информации.
Если оправданы лишь качественные оценки объектов по тем или иным качественным признакам, то используются методы ранжирования, парного и множественного сравнения.
Если характер анализируемой информации таков, что целесообразно получить численные оценки объектов, то можно использовать тот или иной метод численной оценки, начиная от непосредственных численных оценок и кончая более тонкими методами Терстоуна и Неймана-Моргенштерна.
Учитывая специфику тематики исследования, представляется актуальным использование экспертами метода ранжирования. Выявлено, что потребительские качества зданий могут быть описаны и оценены эмпирическим набором ранжированных показателей, которые генерируются группой экспертов по различным методикам. Эмпирический набор устанавливается экспертами в соответствие с требованиями нормативных и других предписывающих документов, а также с учётом международного опыта требований заказчика-инвестора, требованиями потребителей и на основе знаний и практического опыта самих экспертов. Ранжированный ряд (шкала порядка) используется в методологии экспертных оценок для оценки качества — примерами его продуктивного применения могут служить минералогическая шкала Мооса, две-надцатибальная шкала интенсивности землетрясений и др.
Среди множества потребительских качеств зданий рекомендуется выделить один главный; в качестве последнего, в нашем случае, с целью повышения уровня экологической безопасности зданий и экономии энергии, следует выбрать систему показателей энергетической эффективности зданий.
Проектирование инженерных систем
Конструктор Graphisoft МЕР Modeler (Mechanical/ Electrical/ Plumbing — механическое / электрическое / сантехническое оборудование) — расширение, совместимое с Graphisoft ArchiCAD — рекомендуется архитектурным и инженерным организациям для моделирования и редактирования ЗБ-сетей МЕР (воздуховоды, трубопроводы, кабелепроводка) и согласования их с виртуальным зданием Graphisoft ArchiCAD, используя при этом хорошо знакомые инструменты и интерфейс.
Пакет конструктора Graphisoft МЕР Modeler включает самостоятельное инструментальное средство для непосредственного экспорта в Autodesk AutoCAD МЕР 2008 и 2009 (это расширение Autodesk AutoCAD, имеющееся только для PC, может быть установлено с компакт-диска конструктора Graphisoft МЕР Modeler) [123]. Ещё имеется совместимость с IFC 2x3.
Используя данный программный продукт, проектировщики могут создать в Graphisoft ArchiCAD модель МЕР на основе 2D-документации, полученной от инженеров (альтернативный вариант — возможно импортировать в Graphisoft ArchiCAD модель МЕР, используя формат IFC).
Функция обнаружения несоответствий автоматически распознаёт противоречивые конструкторские ситуации, которые, при необходимости, могут быть сняты пользователем.
Элементы МЕР являются объектами GDL (с параметрами, аналогичными элементам Graphisoft ArchiCAD), которые функционируют как обычные библиотечные элементы Graphisoft ArchiCAD, однако имеют дополнительные, специфические только для Graphisoft МЕР Modeler, параметры. Программа поставляется с библиотекой МЕР, содержащей специально сконструированные элементы. При этом если используется шаблон МЕР, поставляемый вместе с этим расширением, то данная библиотека загружается автоматически.
К стандартным видам элементов МЕР относятся:
Прямолинейные элементы, такие, например, как трубы с одинаковой геометрической формой на обоих концах (инструменты «Воздуховод», «Труба», «Корпус кабеля» и т. п.).
Изогнутые элементы (коленья). Некоторые из них вставляются автоматически в процессе выполнения операции трассировки, либо создаются в результате редактирования элементов МЕР тогда, когда оказывается, что в противном случае два элемента являются несоединяемыми.
Переходные элементы (переходники). Это прямолинейные элементы, имеющие неодинаковую геометрическую форму на обоих концах. Переходники используются для соединения двух элементов МЕР с различной шириной / высотой / формой.
Соединительные элементы (сочленения). К ним относятся Т-и Y-образные сочленения, а также отводы.
Оконечные (терминальные), элементы (терминалы) — к примеру, потолочный диффузор, решётка или разбрызгиватель, установленные в конце трубы. Терминал имеет только одну точку соединения.
Встраиваемые элементы, такие как клапана или фильтры, которые размещаются внутри, скажем, трубопровода. Они являются прямолинейными и открытыми с обоих концов. Оборудование, которое может иметь одну и более точек со единения, допустим, котёл. Один элемент оборудования обычно приписывается ко многим системам МЕР (напри мер, отопительной, либо вытяжной системе) и соединяется с различными типами элементов (воздуховод, трубопровод). Имеется два способа размещения элементов МЕР: ? использование инструментов МЕР для размещения отдельных элементов;
использование функции трассировки для размещения многих соединяемых друг с другом элементов МЕР посредством последовательности щелчков.
В заключение, приведём основные возможности и достоинства программного обеспечения Graphisoft МЕР Modeler, выявленные при апробации данного программного продукта (рис. 3.5):
высокопроизводительные и простые в обращении инструменты моделирования для быстрого и качественного создания и редактирования МЕР-моделей в среде Graphisoft ArchiCAD;
возможность эффективной навигации на трёхмерных видах и двухмерных планах с «умными» связями;
средства трассировки инженерных сетей как в 3D, так и на планах этажей с поддержкой интеллектуального сопряжения и функцией контроля взаимного расположения и-взаимовлияния инженерных систем, конструкций и архитектурных элементов;
большая библиотека, стандартных параметрических компонентов, изменяемых или создаваемых с нуля по желанию заказчика;
