Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Актуальные задачи экономии топливно-энергетических ресурсов 17
1.1. Топливно-энергетический комплекс России и техническая политика в области экономии энергоресурсов 17
1.2. Классификация и состояние жилых зданий в Центрально-черноземном регионе 21
1.3. Направления энергосбережения в жилых зданиях и экономические аспекты экономии топливно-энергетических ресурсов 32
Глава 2. Теоретические основы термомодернизации ограждающих конструкций жилых зданий . 38
2.1. Методологические аспекты энергосбережения в жи лищном секторе 38
2.1.1. Терминология и определения 38
2.1.2. Функционально-системный подход к энергосбережению в жилищном секторе 43
2.1.3. Критерии эффективности энергосберегающих мероприятий 49
2.1.4. Оптимизация энергосберегающих мероприятий в жилищном секторе 53
2.2. Способы реализации термомодернизации наружных стен жилых зданий 64
2.2.1. Общие принципы повышения теплозащиты наружных стен зданий 64
2.2.2. Конструктивно-технологические решения термомодернизации наружных стен жилых зданий 77
2.2.3. Строительные материалы и изделия для наружного утепления стен жилых зданий с использованием вентилируемых фасадов 85
Глава 3. Физико-технические основы термомодернизации наружных стен жилых зданий с использованием вентилируемых фасадов 90
3.1. Влияние воздушных потоков в вентилируемых фасадах на термическое сопротивление утепленных на ружных стен 90
3.1.1. Особенности движения воздуха в воздушных прослойках наружных стен вентилируемых фасадов 90
3.1.2. Влияние конструктивных параметров вентилируемого фасада на термическое сопротивление наружных стен при воздействии ветра . 92
3.1.3. Термическое сопротивление вентилируемых наружных стен с ветрозащитной пленкой 101
3.2. Водопроницаемость стыков облицовочных панелей и ее влияние на влажностное состояние наружных стенвентилируемых фасадов 107
3.2.1. Водопроницаемость открытых стыков облицовочных панелей с различной конфигурацией торцевых граней 107
3.2.2. Увлажнение теплоизоляционного слоя дождевой водой через стыки облицовочных панелей 118
3.2.3. Оптимальные геометрические параметры стыков облицовочных панелей с позиции снижения водопроницаемости вентилируемых фасадов 123
3.3. Температурно-влажностный режим утепленных на ружных стен вентилируемых фасадов 128
3.3.1. Температурный режим наружных стен венти лируемых фасадов 128
3.3.2. Теплотехнические качества вентилируемых наружных стен и коэффициент их теплотехнической однородности 138
3.3.3. Влияние конструктивных параметров вентилируемого фасада на влажностный режим утепленных наружных стен 156
Глава 4. Обеспечение эксплуатационной надежности вентилируемых наружных стен с мине- раловатным утеплителем 174
4.1. Анализ исследований по эксплуатационной надежности ограждающих конструкций 174
4.2. Исследование влияния эксплуатационных факторов на теплотехнические свойства минераловатных плит 179
4.2.1. Изменение коэффициента теплопроводности минераловатных плит 179
4.2.2. Изменение паропоглощения минераловатных плит 187
4.3. Исследование влияния эксплуатационных факторов на физико-механические свойства минераловатных плит 191
4.3.1. Изменение линейных размеров минераловатных плит 191
4.3.2. Потеря массы и изменение плотности минераловатных плит 196
Глава 5. Конструктивные решения вентилируемых фасадов жилых зданий 202
5.1. Современные конструктивные решения вентилируемых фасадов 202
5.1.1. Классификация расчетных схем вентилируемых фасадов 202
5.1.2. Конструктивные особенности устройства вентилируемых фасадов 210
5.2. Методы расчетов конструктивных параметров элементов вентилируемых фасадов 216
5.2.1. Расчеты параметров элементов крепежного каркаса по прочности 216
5.2.2. Обеспечение прочности крепления несущего каркаса к наружным стенам 221
5.2.3. Обеспечение прочности крепления минерало-ватных плит к наружным стенам 228
5.3. Оптимизация конструктивных решений вентилируемых фасадов 230
5.3.1. Оптимизация параметров элементов крепежного каркаса с позиции обеспечения требуемой прочности и теплозащиты вентилируемых наружных стен 230
5.3.2. Многокритериальная оптимизация параметров вентилируемого фасада с учетом требуемой теплозащиты и влажностного состояния тер-момодернизируемых наружных стен 5.3.2.1. Вентилируемый фасад без ветро-гидрозащитной пленки 237
5.3.2.2. Вентилируемый фасад с ветро-гидрозащитной пленкой 246
Глава 6. Организационно-технологические аспектытермомодернизации жилых зданий 251
6.1. Состояние наружной поверхности стен существующих жилых зданий 251
6.1.1. Неровности наружной поверхности стен и их влияние на технологию утепления 251
6.1.2. Натурные исследования вертикальных отклонений наружной поверхности стен в жилых зданиях 253
6.1.3. Интерпретация результатов исследования с точки зрения оценки вертикальных отклоне ний 260
6.2. Особенности организационно-технологического проектирования термомодернизации наружных стен жилых зданий 266
6.2.1. Совершенствование технологических решений дополнительного утепления наружных стен с вентилируемыми фасадами 266
6.2.2. Организационно-технологические приемы дополнительного утепления наружных стен при устройстве вентилируемых фасадов и методы организации монтажных работ 273
6.2.3. Рекомендации по устройству дополнительного утепления наружных стен жилых зданий с использованием вентилируемых фасадов 281
Глава 7. Технико-экономическое, социальное и экологическое обоснование термомодернизации жилых зданий 287
7.1. Экономический эффект от термомодернизации наружных стен жилых зданий 287
7.2. Социальный эффект от проведения энергосберегающих мероприятий в жилых зданиях 297
7.3. Экологический эффект от термомодернизации наружных стен жилых зданий 306
Основные выводы 311
список литературы
- Классификация и состояние жилых зданий в Центрально-черноземном регионе
- Критерии эффективности энергосберегающих мероприятий
- Особенности движения воздуха в воздушных прослойках наружных стен вентилируемых фасадов
- Исследование влияния эксплуатационных факторов на теплотехнические свойства минераловатных плит
Введение к работе
Актуальность работы. Энерго- и ресурсосбережение является генеральным направлением технической политики в России, что подтверждается выходом в 1995 году Постановления Правительства РФ «О неотложных мерах по энергосбережению», принятием в 1996 году Закона «Об энергосбережении» и в 1998 году Федеральной целевой программы «Энергосбережение России на 1998-2005 годы». В данных документах большая роль отводится экономии тепла на отопление жилых зданий, так как отрасль коммунально-бытового сектора составляет около трети общего потенциала экономии топливно-энергетических ресурсов.
Проводимая в прошлые годы политика «дешевых» энергоносителей привела к строительству зданий с невысоким уровнем теплозащиты, а отсутствие средств регулирования и учета расхода тепловой энергии, горячей и холодной воды и природного газа создавало условия для их расточительного использования.
Реализация энергосберегающих мероприятий в жилых зданиях приводит не только к экономии топливно-энергетических ресурсов, но и несет социальный и экологический эффект. Важность последнего повышается тем, что на современном этапе значимым фактором стала эволюция жизненного уровня и образа жизни населения.
Добиться снижения расхода топливно-энергетических ресурсов можно только при комплексном подходе к энергосбережению за счет совершенствования архитектурно-планировочных и конструктивных решений, а также инженерного оборудования зданий с учетом региональных климатических, технико-экономических, социальных и экологических особенностей. Одним из важных этапов энергосбережения является дополнительное утепление наружных стен существующих жилых зданий.
При дополнительном утеплении однородная конструкция стены превращается в многослойную, что повышает требования к качеству проектирования и производству работ, поскольку разнородность и значительное количество применяемых материалов усугубляет возможность ошибок, приводящих к снижению теплозащитных свойств и эксплуатационной надежности утепляемых конструкций.
В настоящее время дополнительное утепление существующих зданий осуществляется с использованием различных конструктивно-технологических решений и материалов. К сожалению эти конструктивно-технологические решения часто принимаются без должного обоснования с позиций строительной теплофизики. Недостаточное внимание уделяется оценке надежности применяемых материалов и решений при реализации дополнительного утепления наружных стен. Слабо проработаны инженерные вопросы проектирования отдельных систем дополнительного утепления. Перечисленные выше вопросы зачастую не увязываются с климатическими, материально-техническими и экономическими условиями отдельных регионов нашей страны. Недостаточно проработаны организационно-технологические аспекты реализации дополнительного утепления с учетом состояния наружных стен существующих жилых зданий. В связи с этим можно считать, что разработка физико-технических и конструктивно-технологических основ для отдельных систем дополнительного утепления жилых зданий является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является формулирование основных теоретических положений термомодернизации ограждающих конструкций жилых зданий, разработка теоретических основ и инженерных методов расчета конструктивных параметров вентилируемых наружных стен, оценка их эксплуатационной надежности, а также совершенствование организационно-технологических способов устройства дополнительного утепления наружных стен существующих жилых зданий на примере Центрально-черноземного региона.
Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:
• сформулировать основные теоретические положения термомодернизации ограждающих конструкций жилых зданий, базирующиеся на терминологии и определениях, функционально-системном подходе к энергосбережению, критериях эффективности и оптимизации энергосберегающих мероприятий;
• проанализировать способы устройства дополнительного утепления наружных стен жилых зданий и выбрать конструктивно-технологическое решение для термомодернизации жилых зданий в условиях Центрально-черноземного региона;
• экспериментально исследовать влияние фильтрации воздуха под облицовочными панелями вентилируемых фасадов на термическое сопротивление утепленных наружных стен;
• исследовать влияние параметров ветродождевых потоков и конструктивно-технологических решений вентилируемых фасадов на водопроницаемость стыков облицовочных панелей с различной конфигурацией торцевых граней;
• провести исследование температурного режима утепленных наружных стен с учетом влияния неоднородностеи в виде крепежных узлов вентилируемых фасадов;
• разработать методику расчета коэффициента теплотехнической однородности наружных стен, термически ослабленных элементами крепежного каркаса;
• разработать математическую модель тепло-влагопереноса в вентилируемых ограждающих конструкциях и с её помощью провести исследование влияния параметров вентилируемых воздушных прослоек на влажностный режим наружных стен;
• провести экспериментальные исследования изменений во времени тепло-физических и физико-механических свойств минераловатных плит под воздействием эксплуатационных факторов;
• провести аналитическое и экспериментальное исследования в области обеспечения прочности элементов вентилируемого фасада и разработать соответствующий инженерный подход к выбору параметров элементов вентилируемого фасада;
• выполнить многокритериальную оптимизацию параметров элементов вентилируемых фасадов с позиции обеспечения требуемой прочности, теплозащиты и влажностного режима;
• провести натурные исследования состояния наружных стен термомодернизируемых жилых зданий с оценкой отклонений наружной поверхности стен от вертикали и уточнением конструктивных решений крепежных каркасов вентилируемых фасадов;
• разработать организационно-технологические приемы и рекомендации по устройству дополнительного утепления наружных стен с вентилируемыми фасадами;
• произвести технико-экономическую, социальную и экологическую оценку термомодернизации наружных стен жилых зданий.
Объектом исследования являлись наружные стены термомодернизированных зданий, составляющих опорный (сохраняемый на перспективу) жилищный фонд Центрально-черноземного региона.
Предметом исследования являлась система дополнительного утепления наружных стен жилых зданий с вентилируемым фасадом.
Методы исследования:
• лабораторный эксперимент по исследованию влияния движения воздуха за облицовочными панелями вентилируемых фасадов на термическое сопротивление утепленных наружных стен, проведенный на разработанной и изготовленной установке;
• лабораторный эксперимент на разработанной и изготовленной дождевальной установке по изучению влияния параметров ветродождевых потоков и конструктивно-технологических решений вентилируемых фасадов на водопроницаемость стыков облицовочных панелей с различной конфигурацией торцевых граней;
• вычислительный эксперимент с использованием программных комплексов для ЭВМ «TEMPER-3D» и «ELCUT» по изучению температурного режима утепленных наружных стен и оценки влияния неоднородностей в виде крепежных узлов вентилируемых фасадов;
• вычислительный эксперимент с использованием программного комплекса для ЭВМ «TW-VENT-CONS», разработанного автором, по исследованию влияния параметров вентилируемых воздушных прослоек на влажностный режим наружных стен;
• лабораторные эксперименты по изучению изменений во времени теплофизических и физико-механических свойств минераловатных плит под воздействием эксплуатационных факторов;
• лабораторный и натурный эксперименты по определению влияния физико-механических характеристик материала утепляемой стены на прочность крепления элементов вентилируемого фасада;
• многокритериальная оптимизация параметров элементов вентилируемого фасада с позиции обеспечения требуемой теплозащиты и влажностного режима;
• натурный эксперимент по определению отклонений наружной поверхности стен от вертикали с уточнением конструктивных решений крепежных узлов вентилируемых фасадов.
Достоверность результатов, полученных при лабораторных, натурных и вычислительных экспериментах, обеспечивалась применением метрологически аттестованных установок, приспособлений и приборов; проведением экспериментов с достаточным количеством повторных испытаний и измерений; оценками воспроизводимости экспериментов и разбросов измеряемых величин; статистической обработкой данных; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также сравнением их с аналогичными результатами, полученными отечественными и зарубежными учеными.
Научная новизна работы. Разработаны теоретические положения термомодернизации ограждающих конструкций жилых зданий, включающие терминологию и определения, функциональную систему энергосбережения в жилищном секторе, критерии ее эффективности и многокритериальную оптимизацию рассматриваемой системы.
Исследованы закономерности влияния фильтрации воздуха за облицовочными панелями вентилируемого фасада под воздействием ветра на термическое сопротивление утепленных наружных стен с ветрозащитной пленкой и без нее.
Исследована водопроницаемость облицовочных панелей с различной конфигурацией торцевых граней в зависимости от влияния ветродождевых потоков и конструктивных решений вентилируемого фасада.
Выявлены значимые факторы, характеризующие геометрические и теплофизические свойства элементов вентилируемых фасадов и оказывающие существенное влияние на теплотехническую однородность утепленных наружных стен.
Разработана математическая модель влагопереноса в вентилируемых ограждающих конструкциях, с использованием которой изучены закономерности влияния параметров вентилируемой воздушной прослойки, размеров облицовочных панелей и открытых стыков между ними на влажностный режим наружных стен.
Получены новые данные об изменении во времени под воздействием эксплуатационных факторов некоторых теплофизических и физико-механических свойств минераловатных плит, используемых в качестве утеплителя в вентилируемых фасадах.
Решена задача многокритериальной оптимизации параметров элементов вентилируемого фасада с позиции обеспечения требуемой прочности, теплозащиты и влажностного режима.
Получены новые данные об отклонениях от вертикали наружной поверхности стен термомодернизируемых жилых зданий.
Практическое значение работы. Установлены оптимальные параметры и конструктивные решения вентилируемых фасадов, допускающие наименьшее влияние фильтрации воздуха под облицовочными панелями на термическое сопротивление утепленных наружных стен с ветрозащитной пленкой и без нее.
Найдена оптимальная форма конфигурации и геометрические параметры торцевых граней облицовочных панелей, а также размеры вентилируемой воздушной прослойки и открытых стыков между панелями, снижающие количество влаги, попадающей на теплоизоляционный материал наружных стен с вентилируемым фасадом.
Разработаны методика расчета коэффициента теплотехнической однородности термически ослабленных элементами крепежного каркаса наружных стен и практические рекомендации по повышению теплотехнической однородности вентилируемых наружных стен.
Уточнены параметры вентилируемых воздушных прослоек, размеров облицовочных панелей и открытых стыков между ними с позиций обеспечения требуемого температурно-влажностного режима вентилируемых наружных стен.
Построена экспериментально-статистическая модель зависимости коэффициента теплопроводности минераловатных плит различной плотности от числа циклов температурно-влажностного воздействия и скорости движения
обдувающего их воздуха, а также модели зависимости паропоглощения, изменения линейных размеров и потери массы минераловатных плит различной плотности от числа циклов эксплуатационных воздействий.
Разработан инженерный метод прочностных расчетов несущих и ограждающих элементов вентилируемых фасадов, позволяющий выбрать рациональные параметры не только с позиции прочности, но и теплотехнической однородности наружных стен.
Для условий Центрально-черноземного региона найдены оптимальные параметры размеров вентилируемой воздушной прослойки, открытого стыка между облицовочными панелями и размеров облицовочных панелей с позиций обеспечения требуемого влажностного режима и теплозащиты вентилируемых наружных стен.
Установлены пределы регулирования элементов крепежного каркаса, использование которых при проектировании вентилируемых фасадов позволит повысить производительность монтажных работ.
Разработан новый способ крепления облицовочных панелей вентилируемого фасада к направляющим крепежного каркаса, который снижает трудоемкость монтажа панелей в 1,5...2 раза.
Разработаны рекомендации по технологии устройства дополнительного утепления наружных стен с вентилируемыми фасадами.
Для ЦЧР доказана экономическая эффективность использования вентилируемых фасадов по сравнению с другими способами утепления наружных стен, а также оценен социальный и экологический эффект от термомодернизации наружных стен жилых зданий.
Внедрение результатов работы. Материалы исследований используются при проектировании, новом строительстве и термомодернизации зданий, при совершенствовании производства теплоизоляционных материалов и изделий, а также в научных разработках различных организаций. Результаты работы способствуют повышению надежности дополнительного утепления наружных стен жилых зданий с использованием вентилируемых фасадов, снижению стоимости и трудоемкости выполнения работ, улучшению условий проживания людей, а также сокращению затрат на отопление зданий.
ОАО ПИ «Тамбовгражданпроект» при проектировании термомодернизации жилых зданий в Центрально-черноземном регионе использует разработанную автором методику расчета коэффициента теплотехнической однородности наружных стен, ослабленных теплопроводными включениями в виде крепежных элементов вентилируемого фасада, а также практические рекомендации по повышению теплотехнической однородности утепленных вентилируемых наружных стен.
ОАО «Тамбовхимпромстрой» при производстве работ по термомодернизации жилых зданий г. Тамбова использует результаты натурных исследований технического состояния наружных стен зданий, составляющих жилищный фонд города, и рекомендации по устройству дополнительного утепления наружных стен жилых зданий с использованием вентилируемых фасадов.
ЗАО «ИЗОРОК» на основании результатов экспериментальных исследований изменения во времени теплофизических и физико-механических свойств минераловатных плит, выпускаемых данным предприятием, усовершенствовал технологию производства и разработал рекомендации по применению минераловатных плит при дополнительном утеплении наружных стен зданий.
ЗАО «АЛФРЕЙМС» использовал результаты исследования влияния конструктивных параметров вентилируемых фасадов на термическое сопротивление наружных стен при проектировании и устройстве вентилируемых фасадов таких объектов как «Административное здание МПС» в г. Москве, административное здание «Москомзем» в г. Москве, здание «Уральский центр управления перевозками» в г. Екатеринбурге, здание культурно-развлекательного центра в г. Нальчик, административное здание «Кубань кредит» в г. Краснодаре, «Реконструкция Первого Московского завода радиодеталей» в г. Москве и на других объектах строительства.
В Польше Варшавское Национальное Агентство Энергосбережения при проектировании термомодернизации жилых и общественных зданий использует научные данные об изменении эксплуатационных свойств минераловатных плит в условиях воздействия различных факторов, а также результаты исследования температурных полей вентилируемых наружных стен до и после их утепления.
На защиту выносятся:
• основные теоретические положения термомодернизации ограждающих конструкций жилых зданий;
• закономерности влияния фильтрации воздуха под облицовочными панелями вентилируемых фасадов на термическое сопротивление утепленных наружных стен;
• закономерности влияния параметров ветродождевых потоков и конструктивно-технологических решений вентилируемых фасадов на водопроницаемость стыков облицовочных панелей с различной конфигурацией торцевых граней;
• зависимости влияния параметров крепежных узлов вентилируемых фасадов на теплотехническую однородность утепленных наружных стен;
• метод расчета коэффициента теплотехнической однородности наружных стен, термически ослабленных элементами крепежного каркаса;
• математическая модель тепло-влагопереноса в вентилируемых стеновых ограждающих конструкциях;
• закономерности влияния параметров вентилируемых воздушных прослоек, размеров облицовочных панелей и открытых стыков между ними на влажностный режим вентилируемых наружных стен;
• закономерности изменения во времени теплофизических и физико-механических свойств минераловатных плит под воздействием эксплуатационных факторов;
• зависимость параметров анкерных болтов от физико-механических характеристик материала утепляемой стены;
• метод расчета параметров несущих и ограждающих элементов вентилируемого фасада с позиций обеспечения их прочности и теплотехнической однородности наружных стен;
• результаты многокритериальной оптимизации параметров элементов вентилируемых фасадов с позиции обеспечения требуемой теплозащиты и влажностного режима;
• пределы изменения регулируемых параметров крепежных элементов вентилируемых фасадов с учетом состояния термомодернизируемых наружных стен.
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на III...X научно-технических конференциях Тамбовского государственного технического университета (г. Тамбов, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2001, 2003, 2004, 2005 годы); Международной научно-практической конференции «Строительство-2000» (г. Ростов, 2000 г.); Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2002 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительства и реконструкции зданий и сооружений» (г. Вологда, 2003 г.); Научно-практической конференции «Перспективы развития энергетического комплекса Тамбовщины» (г. Тамбов, 2004 г.); Научно-технических конференциях «Общие проблемы конструирования и выбора материалов в строительстве» (г. Быдгошч, РП, 2000, 2003 гг.); XVIII Польской научно-технической конференции «Экологическое и энергоэкономическое строительство» (г. Закопаны, РП, 2004 г.); VII Общепольской научно-технической конференции «Энергодом - 2004. Проблемы проектирования, возведения и эксплуатации зданий с низкой потребностью в энергии» (г. Краков-Закопаны, РП, 2004 г.).
Работа в законченном виде рассмотрена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги» Тамбовского государственного технического университета (протокол №15 от 2 сентября 2005г.). Основные положения диссертации отражены в 76 печатных работах, в том числе одной монографии «Повышение теплотехнической однородности утепленных наружных стен с вентилируемым фасадом» (Москва, Изд-во Научный мир, 2005 г.) и одном учебном пособии «Технология устройства дополнительной теплозащиты стен жилых зданий» (Москва, Изд-во АСВ, 2000 и 2002 гг.)), которое допущено Министерством образования РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 653500 «Строительство».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы из 267 названий и одного приложения. Общий объем работы изложен на 345 страницах. Основной текст диссертации, включая 47 таблиц и 95 рисунков, занимает 315 страниц.
Классификация и состояние жилых зданий в Центрально-черноземном регионе
Здания, составляющие жилищный фонд нашей страны, отличаются по многим параметрам. Это связано с тем, что регионы России имеют различный климат, инфраструктуру и финансирование. Данные обстоятельства сказываются на объемно-планировочных и конструктивных решениях, используемых строительных материалах и состоянии зданий, что в свою очередь оказывает значительное влияние на выбор энергосберегающих мероприятий. В связи с тем, что в данной работе рассмотреть физико-технические и конструктивно-технологические основы энергосбережения применительно ко всем регионам России представлялось невозможным, было принято решение остановиться на Центрально-черноземном регионе (ЦЧР).
Центрально-черноземный регион включает в себя Белгородскую, Воронежскую, Курскую, Липецкую и Тамбовскую области. Площадь региона составляет 167,7 тыс. км, а его население насчитывает 7,9 млн. человек, что составляет около 5,3 % населения Российской Федерации. В городах проживает 61,6 % населения, а в сельской местности - 38,4 %.
Центрально-черноземный регион граничит с ведущим промышленным регионом страны - Центральным и удобно расположен по отношению к топливно-энергетическим базам Поволжья, Северного Кавказа и Украины. Природные условия региона характеризуются умеренной континентальностью: средние температуры июля +18,7...+ 20,2 С, а января - 8,5...-10,9 С; количество атмосферных осадков с апреля по октябрь колеблется от 362 до 382 мм в год. Продолжительность отопительного периода составляет 191...202 суток, а средняя скорость ветра за отопительный период - 4...5,3 м/с.
Многообразие зданий жилищного фонда значительно осложняет их классификацию и группировку по различным признакам, в связи с чем многими исследователями [122, 125, 132, 133, 180, 185, 211, 221, 240] предлагается классифицировать здания по периодам строительства. Это связано с тем, что периоды строительства зданий являются интегральными признаками, в достаточно точной степени дающими представление об их объемно-планировочном и конструктивном решении, а также материале несущих и ограждающих конструкций. Однако, несмотря на общую методику временного подхода к классификации зданий, у исследователей есть несоответствие в границах периодов [122, 180, 184, 221, 240]. Это связано, во-первых, с различными целями классификаций. Во-вторых, классификации составлялись для определенных городов с их индивидуальным историческим развитием или всей страны в целом на основе периодов действия правительственных постановлений.
Для ЦЧР на основе исторического анализа застройки его городов и натурных обследований зданий разработана классификация опорного жилищного фонда (рис. 1.2), в которой здания разделены на восемь периодов строительства: дореволюционный (до 1917 г.); послереволюционный (с 1917 по 1927 гг.); довоенный (с 1928 по 1945 гг.); послевоенный (с 1946 по 1957 гг.); типовых домов с малогабаритными квартирами (с 1958 по 1970 гг.); домов по каталогам унифицированных изделий (с 1971 по 1980 гг.); современный (с 1981 по 2000 гг.); домов с повышенными теплозащитными качествами (после 2000 г.).
К первому, дореволюционному периоду, отнесены здания, построенные до 1917 года. В настоящее время этот период представлен 2-3-х этажными каменными зданиями, которые строились для размещения государственных учреждений, усадеб крупных помещиков, и 1-2-х этажными деревянными и кирпичными зданиями, служившими доходными домами. Строительные работы в тот период велись силами частных компаний. Здания дореволюционного периода сосредоточены в центральной (исторической) части городов. В настоящее время почти все здания постройки до 1917 года являются памятниками истории или архитектуры.
Техническое состояние зданий этого периода строительства неудовлетворительное. Это связано с тем, что они прослужили длительное время без проведения капитальных ремонтов. Наибольший износ имеют деревянные перекрытия, стропильная система, инженерное оборудование, оконные и дверные заполнения. В связи с тем, что стены домов дореволюционного периода выполнялись кирпичными толщиной 640 мм, их несущая способность и состояние в настоящий момент часто является удовлетворительным.
С точки зрения повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций дома данного периода не имеют актуальности. Это связано с тем, что интерьер и внешний вид зданий дореволюционного периода представляют интерес для будущих поколений, теплотехнические характеристики стен ничуть не ниже зданий последующих периодов строительства, а отапливаемый объем составляет всего лишь около 0,8...1,5 % от всего отапливаемого объема зданий опорного жилищного фонда ЦЧР.
Второй (послереволюционный с 1917 по 1927 год) период характерен тем, что на данном этапе вся строительная инфраструктура царской эпохи была разрушена, а капитальное строительство в городах было остановлено. В связи с нехваткой ресурсов в малом объеме строились малоэтажные дома казарменного типа из облегченных конструкций с уровнем благоустройства, отвечающим минимальным требованиям. До настоящего времени сохранились только единичные здания данного периода, которые, как правило, относятся к аварийному фонду. В связи с тем, что здания данного типа не представляют никакой ценности, а ресурс их эксплуатации давно отработан, они должны подлежать сносу с последующим строительством на их месте современных зданий.
Третий (довоенный - 1928...1945 гг.) период характерен значительным укреплением материально-технической базы строительства. Это способствовало повышению этажности зданий до 2...3-х этажей, замене каркасно-засыпных и глинобитных стен на кирпичные и незначительному повышению уровня инженерного оборудования. Укрепление материально-технической базы было связано с привлечением больших государственных инвестиций в города ЦЧР для строительства и реконструкции крупных заводов. Как правило, при этих заводах появлялись первые строительные участки, которые и возводили жилые здания.
Состояние конструкций жилых зданий данного периода удовлетворительное. Отапливаемый объем этих зданий незначительный и составляет всего 0,5... 1 % по сравнению с опорным жилищным фондом ЦЧР.
В четвертый (послевоенный - 1946...1957 гг.) период строительства начала формироваться современная строительная инфраструктура городов ЦЧР. Стало разворачиваться прерванное войной жилищное строительство, и на окраинах городов возводились целые кварталы характерных этому периоду 3...5-ти этажных типовых жилых домов.
Типовые проекты многоэтажных зданий явились прообразом серийного проектирования, поскольку они содержали в себе комплексные объемно-планировочные элементы, из которых компоновали архитектурно-планировочные решения. Стены послевоенных домов выполнялись из каменной кладки толщиной в два кирпича (510 мм), а перекрытия были балочными из дерева, стали или железобетона.
Критерии эффективности энергосберегающих мероприятий
Эффект от энергосберегающих мероприятий в жилищном секторе характеризуется проектными показателями, которые содержат информацию об определенных свойствах создаваемого объекта. В области экономики промышленности могут использоваться более 700 показателей [24]. Функционально-системный подход к энергосбережению в жилищном секторе позволяет рассматривать данную проблему на различных уровнях системы. Однако подсистемы разных уровней имеют как общие, так и различные между собой оценочные показатели. Поэтому для анализа проекта термомодернизации из всей совокупности показателей в первую очередь следует выделить те из них, которые содержат наибольшее количество интересующей нас информации, то есть более информативные или важные.
Всестороннее изучение практики проектирования и осуществления термомодернизации жилых зданий позволило выявить три группы оценочных показателей, достаточно полно характеризующих проектно-сметную документацию и определяющих качество проекта, эффективность его осуществления, потребительские свойства и эксплуатационные характеристики зданий после проведения энергосберегающих мероприятий. Эти группы оценочных показателей можно назвать локальными критериями оценки проектов. К ним относятся следующие критерии: технико-экономические, организационно-технологические, социально-экологические.
Среди технико-экономических показателей можно выделить: капиталовложения в энергосберегающие мероприятия (К, руб.); суммарные затраты на эксплуатацию здания в течение расчетного периода (Зпр., руб./м2); экономию приведенных затрат, полученную в результате термомодернизации за расчетный период (Эпр, руб./м2); срок окупаемости (ТО); удельную тепловую характеристику знания (qm, Вт/(м3-С)); удельный расход тепловой энергии идущей на отопление здания в холодный и переходный периоды года fa ", кВт-ч/м2).
Капиталовложения в энергосберегающие мероприятия (К, руб.) состоят из стоимости технических средств, строительных материалов и изделий, затрат на монтаж, транспортирование, наладку и услуги. Стоимость энергосберегающих мероприятий устанавливается согласно смет и калькуляций.
Суммарные затраты на эксплуатацию здания (Зпр., руб./м) дисконтированные к началу расчетного горизонта можно найти по зависимости: _Е(зот+к) Зпр" \\+ЕГ (2Л) где 30т - годовые затраты на теплоснабжение, руб./(м2тод); К - годовые капиталовложения в термомодернизацию, капитальный и текущий ремонты, руб./(м -год).
Для нахождения экономии приведенных затрат, полученных в результате термомодернизации (Эпр, руб./м2), и дисконтированных к началу расчетного горизонта используется следующая зависимость: т s((3:r-3:)-(K6a3-K)) З,-1 {l + Ey, , (2.2) где Т - горизонт расчета, год; t - номер шага расчета, год; Зотбаз и 30Т - годовые затраты на теплоснабжение здания, соответственно, до и после его термомодернизации, руб./(м2тод); Кбаз - годовые капиталовложения в текущий и капитальный ремонт здания при условии, что его термомодернизация проводится не будет, руб./(м2тод); К - годовые капиталовложения в термомодернизацию, капитальный и текущий ремонты термомодернизированного здания, руб./(м2тод); Е - норма дисконта;
Под сроком окупаемости (ТО) подразумевается временной период (от начала осуществления проекта) измеряемый в месяцах, кварталах или годах, за пределами которого интегральный эффект становится неотрицательным. Срок окупаемости рекомендуется определять с использованием дисконтирования.
Удельную тепловую характеристику знания (qm, Вт/(м3-С)) можно определить по зависимости [112]: qm = Qn- 103 / (Vh-At), где Qh - расчетный часовой расход тепловой энергии на отопление здания, кВт; Vh - отапливаемый объем здания, м3; At - разность расчетных температур внутреннего tin}1 и наружного text воздуха, С.
Удельный расход тепловой энергии, идущей на отопление здания в холодный и переходный периоды года іди", кВт-ч/м2), определяется по зависимости [112]: q " = Qtf /А„, где Qny - потребность в тепловой энергии на отопление здания за отопительный период, кВт-ч; Ah - полезная площадь здания; для жилых зданий - общая площадь квартир.
Основными организационно-технологическими показателями являются: удельные затраты труда рабочих на 1 м2 общей площади здания при проведении энергосберегающих мероприятий (Тпртр, чел.-ч/м2) и срок проведения энергосберегающих мероприятий (ТЭМ).
Особенности движения воздуха в воздушных прослойках наружных стен вентилируемых фасадов
При использовании минераловатных плит в многослойных наружных стенах, имеющих воздушные прослойки, можно выделить одну особенность данного теплоизоляционного материала, которая заключается в том, что волокнистая структура утеплителя способна фильтровать через себя потоки воздуха. Это обстоятельство приводит к снижению теплотехнических качеств наружной ограждающей конструкции.
В зависимости от конструктивного решения многослойной стены, фильтрация воздуха в слое утеплителя может возникнуть вследствие конвекционных тепловых потоков, вызванных разностью температур на поверхностях отдельных слоев конструкции (естественная конвекция) и внешними воздействиями в виде разности давлений воздуха или ветра (вынужденная конвекция) [230]. Вопросами конвективного теплообмена занимались В.Н. Богословский, Ф.В. Ушков, К.Ф. Фокин, Р. Блюджюс, Р. Самаяаускас и другие ученые.
Естественная конвекция в чистом виде наблюдается в многослойных конструкциях стен без воздушной прослойки или с замкнутой воздушной прослойкой. На основании проведенных исследований Р. Блюджюса и Р. Самаяаускаса [11] установлено, что в результате естественной конвекции происходит снижение сопротивления теплопередаче от 2 до 10 % в различных конструкциях стен с утеплителем из минеральной ваты плотностью 33 ... 58 кг/м . Влияние этого процесса увеличивается с уменьшением плотности минераловатных плит и с увеличением толщины теплоизоляционного слоя. Малая плотность утеплителя создает условия для более интенсивной конвекции и фильтрации воздуха через материал. Увеличивая толщину минераловатных плит, получаем не только значительную разницу температур на обеих поверхностях теплоизоляционного слоя, но и увеличение количества прослоек между утеплителем, стеной или элементами крепежного каркаса, что также способствует понижению сопротивления теплопередаче.
В вентилируемых фасадах помимо естественной конвекции наблюдается и вынужденная. По данным некоторых источников [11, 19, 32] установлено, что в вентилируемых стенах конвекция может увеличивать теплопотери через наружные стены на 25 %. Это связано с тем, что в воздушной прослойке, находящейся под облицовочными панелями, постоянно циркулирует воздух. Причем воздушные потоки в одной и той же стене не постоянны и зависят не только от температуры наружного воздуха, но и от ветрового напора действующего на фасад здания.
Однако если движение воздушных потоков, вызванных разностью температур, можно достаточно точно смоделировать, воспользовавшись методиками, описанными в [28, 173, 175, 176], то воздушные потоки в прослойке, вызванные ветровым потоком и разностью температур, достаточно сложны, о чем говорят экспериментальные данные, приведенные в табл. 3.1. Такие отличия скоростей движения воздуха в воздушной прослойке, очевидно, вызваны неравномерностью распределения ветрового потока не только по различным фасадам здания, но и по плоскости стены (высоте и ширине), а также изменением направления ветра и его скорости в течение короткого промежутка времени (пульсация ветра).
Установлено [28, 173, 175, 176], что на формирование воздушных потоков воздуха за облицовочными панелями будут оказывать влияние такие параметры вентилируемого фасада, как площадь открытых стыков облицовочных панелей на фасаде, ширина стыка между облицовочными панелями, размер вентилируемой воздушной прослойки, расположение направляющих крепежного каркаса вентилируемого фасада. Данная информация позволила сделать предположение о том, что если вышеперечисленные параметры оказывают влияние на формирование воздушных потоков за облицовочными панелями, то эти же параметры должны оказать влияние и на фильтрацию воздуха через минераловатные плиты вентилируемой стены. При этом принималось во внимание, что конструктивные параметры вентилируемого фасада являются управляемыми на стадии его проектирования и, следовательно, при правильном их подборе можно добиться снижения теплопотерь через наружные стены.
Исследование влияния эксплуатационных факторов на теплотехнические свойства минераловатных плит
В работе [12] отмечается, что воздействия эксплуатационных факторов на минераловатные плиты приводят к развитию трещин и микродефектов в их волокнах, а также возникновению внутренних напряжений в каркасе материала, преимущественно в местах сосредоточения групп волокон на границах раздела фаз волокно - связующее, что приводит к ослаблению связей между связующим и волокном, нарушению структуры изделия и постепенному его разрыхлению.
Очевидно, что разрыхление материала в результате циклического воздействия температуры и влаги приведет к уменьшению как прочности, так и коэффициента теплопроводности минераловатных плит. С точки зрения обеспечения теплозащиты стен это, на первый взгляд, следовало бы оценить положительно. Однако можно предположить, что в вентилируемых конструкциях стен разрыхленный материал утеплителя будет подвержен интенсивной фильтрации воздуха, что приведет к существенному увеличению коэффициента теплопроводности утеплителя и снижению его теплозащитных качеств.
В связи с вышеизложенным проведено экспериментальное исследование изменения коэффициента теплопроводности Я, Вт/(м-С) (функция Yx) образцов минераловатных плит различной плотности в зависимости от числа циклов температурно-влажностного воздействия и различных скоростей воздушного потока, фильтрующегося через образец [45, 259, 264].
Пределы варьирования фактора Х\г - число циклов температурно-влажностного воздействия, приняты с учетом сохранности образцов и возможности проведения измерений исследуемой характеристики. Для образцов плотности 74 кг/м3 предельное число циклов температурно-влажностного воздействия оказалось равным 75. Измерения коэффициента теплопроводности производились до воздействия на образцы циклического воздействия эксплуатационных факторов и после 9; 21; 30; 43; 54 и 75 циклов, то есть на семи уровнях.
Фактор Хи - исходная плотность минераловатных плит, принимался с учётом минимальных и максимальных плотностей плит, выпускаемых ЗАО «Изорок» (г. Тамбов) и пригодных для использования в вентилируемых фасадах. Этот фактор варьировался на двух уровнях: 74 и 156 кг/м3.
Уровни варьирования фактора Хи - скорость потока воздуха, обдувающего образец, приняты равными: 0; 0,7 и 1,3 м/с. Данные скорости были приняты с учетом результатов моделирования процесса теплопередачи на лабораторном фрагменте вентилируемой стены, которые обсуждались в п. 3.1.2 и в работе [53]. Уровни варьирования факторов и кодированные их значения приведены в табл. 4.1.
Для описания поверхности отклика Y\= f {Х\і, -А"із, ХЦ) проведен полный факторный эксперимент. План и результаты эксперимента приведены в табл. 4.2.
Так как в эксперименте фактор Хг варьировался на двух уровнях, то для изучения исследуемого процесса строилась модель вида: Y\ — bo + b\X\ + biXj + Ъ-$Хъ + b$X\X2 + Ь ,Х\Хі + b XiX- + b-jX\ + Ь%Хз , где bo, b\, , b& - коэффициенты уравнения регрессии.
Испытаниям подвергались образцы минераловатных плит ЗАО «Изорок» (г.Тамбов). Данные теплоизоляционные материалы имеют горизонтально-слоистую структуру с небольшим (5... 10мм) гофрированием горизонтальных слоев по толщине.
Для испытаний вырезались образцы размером (а) 100 х (Ь) 140 мм из минераловатных плит толщиной (И) 50 мм таким образом, чтобы сторона а совпадала с поперечным размером плиты (500 мм), а сторона Ъ - с продольным (1000 мм). Размеры образцов были выбраны исходя из размеров экспериментального оборудования.
Методика подготовки образцов минераловатных плит заключалась в выдерживании их в течении 15 минут в среде водяных паров при температуре 98 ± 2 С и влажности 98 ± 2 % в камере для ускоренных исследований влагостойкости минераловатных материалов [12]. После этого образцы помещали в морозильную камеру, где они замораживались до температуры (-28 ± 2) С в течение 5 часов, а затем оттаивали в течение 5 часов при температуре 20 ± 2 С и влажности 55 ± 5 %. Оттаявшие образцы высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы. Далее цикл испытаний повторяли. В среднем длительность каждого цикла испытаний составляла 12 часов, а в каждом цикле испытаний наблюдалось два перехода через ноль.
Коэффициент теплопроводности Yx определялся с помощью измерительного комплекса «Термоанализатор», используемого для неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов [192, 235, 236].
Для выполнения измерений коэффициента теплопроводности в условиях фильтрации воздуха через образец предварительно была сконструирована и изготовлена установка (рис. 4.2), которая состояла из специальной обоймы (6) в которую помещался образец минераловатной плиты (2). Высота стенок обоймы принималась половине толщины испытываемого образца. В дне обоймы имелось отверстие диаметром 35 мм, которое через перфорированную трубку (4) и гофрированный шланг соединялось с вытяжным отверстием компрессора «Циклон» КМ 30, с номинальной потребляемой мощностью 600 Вт (5). Подсоединение гофрированного шланга к вытяжному отверстию было выбрано исходя из позиции обеспечения постоянной температуру воздуха фильтрующегося через минвату. Перфорация на трубе (4) необходима для регулирования количества воздуха, проходящего через отверстие в обойме.
В экспериментах расход воздуха регулировался путем изменения количества открытых отверстий перфорированной трубы. Количество воздуха измерялось в пустой обойме с помощью счетчика газа NPM - G4 с потерей давления в приборе не более 200 Па. Измерение коэффициента теплопроводности при фильтрации воздуха через минераловатные образцы производилось с помощью информационно-измерительной системы "Термоанализатор", для этого на образец устанавливался сенсор (1) диаметром 60 мм и массой 600 г. Программа измерений задавалась с помощью микропроцессорного блока (3) на котором имелась матричная клавиатура.
