Введение к работе
Актуальность работы. Известно, что энергопотребление зданиями и сооружениями составляет значительную долю от общего потребления энергии страны. При этом, потери теплоты зависят от архитектурного и конструктивного решений зданий, теплозащитных свойств ограждений, климатических условий района строительства и поддерживаемых параметров внутреннего микроклимата.
Для создания энергоэффективных зданий необходимо правильно рассчитывать, следить и анализировать их потребление энергии на всех этапах: разработки концепции (эскиза), проектирования, строительства и эксплуатации.
Однако нормативная литература не содержит методик, позволяющих учитывать взаимосвязь процессов, происходящих в ограждающих конструкциях (теплоперенос, влагонакопление, фильтрация воздуха), определять эффективность применения того или иного энергосберегающего мероприятия, а также проводить анализ данных о потреблении энергии и находить фактические энергетические показатели здания. Этим определяется актуальность вопросов расчета и анализа энергопотребления зданий с учетом тепло- и массообменных процессов, протекающих в ограждающих конструкциях, наличия различных архитектурно-строительных элементов.
Целью работы является совершенствование методик расчета и анализа энергопотребления зданий путем интегрального учета влагосодержания, воздухопроницаемости и конструктивных особенностей ограждений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработать математическую модель и алгоритм расчета поля температур с учетом влагосодержания и поперечной фильтрации воздуха в многослойных ограждающих конструкциях.
-
По результатам аналитических и численных расчетов определить степень влияния на изменение температурного поля и сопротивления теплопередаче многослойных ограждающих конструкций таких параметров, как: влажность материалов и поперечная фильтрация воздуха (инфильтрация и эксфильтрация).
-
Разработать и испытать в лабораторных условиях систему мониторинга теп-ловлажностного состояния многослойных ограждающих конструкций. Определить характер распределения влажности по толщине ограждений.
-
Разработать методику выбора геометрических размеров элементов наружных стен зданий для выполнения расчета температурных полей.
-
Провести численные расчеты процесса теплопередачи отдельных элементов ограждающих конструкций зданий с целью определения удельных теплопотерь через них.
-
Разработать методику и провести анализ энергопотребления зданий с учетом реальных климатических условий для определения эффективности регулирования подачи и использования теплоты, фактических энергетических показателей здания.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются процессы теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях с учетом их влажностно-го состояния и воздухопроницания, а также потребление тепловой энергии зданиями. Объектом исследования являются жилые здания и сооружения и их ограждающие конструкции.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, статистические методы обработки данных. Компьютерное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения Mathematica, ELCUT, Statistica, обработка экспериментальных данных и построение
графических зависимостей выполнялись в Microsoft Excel. Экспериментальные исследования проводились в климатической камере лаборатории «Строительная физика» кафедры «Проектирование зданий» КГАСУ по стандартным методикам с использованием современного специализированного аппаратного и программного обеспечения. Научная новизна работы.
-
Разработана математическая модель процессов теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях с учетом интегрального влияния воздухопроницания и внутренних источников (стоков) теплоты. На основе модели предложена методика определения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций, позволяющая определить долю каждой составляющей.
-
Разработан способ инструментального определения тепловлажностного состояния многослойных и однослойных ограждающих конструкций, позволяющий осуществлять непрерывный длительный мониторинг за их тепловыми и влажностны-ми характеристиками.
-
Экспериментальным путем получены зависимости распределения влажности по толщине ограждающей конструкции и зоны конденсации, что позволяет внести поправки в разработанную математическую модель.
-
Разработана методика выбора размеров конструктивных элементов ограждающих конструкций зданий для компьютерного моделирования температурных полей, позволяющая с высокой степенью точности определять значения удельных потерь теплоты через различные (линейные и точечные) теплотехнические неоднородности.
-
Разработана методика обработки данных, получаемых из систем учета тепловой энергии зданий, позволяющая на этапе эксплуатации: определять энергетические характеристики зданий, давать оценку эффективности использования энергии, а также применения того или иного энергосберегающего мероприятия.
-
На основании проведенного статистического анализа фактических климатических данных (температуры приземного воздуха) для условий г. Казани установлено увеличение среднемесячных температур воздуха для «зимних» месяцев за последние три десятилетия, что позволяет использовать полученные результаты в теплотехнических расчетах.
-
Предложена методика расчета энергетического эффекта от изменения температуры наружного или внутреннего воздуха, позволяющая рассчитывать эффективность применения различных энергосберегающих технологий при проектировании или эксплуатации зданий, а также учитывать реальные климатические условия.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Разработана методика определения теплотехнических характеристик многослойных ограждающих конструкций, позволяющая учесть внутренние источники или стоки теплоты, а также поперечную фильтрацию воздуха.
-
По предложенной методике найдены удельные потери теплоты отдельных элементов строительных конструкций зданий.
-
На основании разработанной методики анализа данных об энергопотреблении получены эксплуатационные энергетические характеристики жилых зданий.
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке лекционных курсов, практических занятий, в курсовом проектировании бакалавров и магистров по направлению «Строительство», а также в проектной и производственной деятельности организаций.
Достоверность научных и экспериментальных результатов исследований, выводов и прикладных рекомендаций обоснована применением классических положений
теории тепломассопереноса, использованием при экспериментальных и численных исследованиях современных методов и средств измерения, аппаратов математического, статистического и компьютерного моделирования.
Реализация результатов.
Результаты диссертации использовались при выполнении НИР по договору №П/2-09 от 10 ноября 2009 г., НИОКР по теме №3 Программы инновационных проектов «Идея-1000» в номинации «Молодежный инновационный проект», фундаментальных исследований в соответствии с государственным заданием высшим учебным заведениям на 2012-2014 года в части проведения научно-исследовательских работ по номеру 7.5615.2011 с темой «Математическое моделирование процессов переноса в ограждающих конструкциях». Также, работа выполнялась в рамках двух грантов по реализации Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: контракт № 14.В37.21.0336 от 29.07.2012 г. на тему «Разработка методов оптимизации режимов эксплуатации тепловых сетей и параметров теплоизоляции трубопроводов с целью энергосбережения и повышения энергоэффективности систем теплоснабжения» и контракт №14.В37.21.0296 от 30.07.2012 г. на тему: «Повышение эффективности работы тепло-генерирующих установок путем разработки и применения микропроцессорных комплексов и новейших когенерационных технологий». Основные результаты диссертационной работы использованы при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций административных и жилых зданий в г.Казани.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении численного анализа исследуемых процессов, участии в изготовлении и оснащении экспериментальной установки, проведении экспериментов, обработке и обобщении результатов экспериментальных исследований, выполнении расчетов температурных полей, разработке методик обработки данных об энергопотреблении и расчета энергетического эффекта, проведении статистического анализа климатических данных, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на ежегодных республиканских и всероссийских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КГ АСУ, 2007-2013 г.г.), на Третьей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабже-ния и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2009 г.), на Х-ХШ международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2009-2012 г.г.), на XV Академических чтениях РААСН - Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, КГ АСУ, 2010 г.), на III Всероссийской научно-технической конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий» в рамках Второго международного конгресса «Энергоэффективность. XXI век» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на III-V Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики: энергосбережение, надежность, экологическая безопасность», посвященных памяти академика РААСН Г.Л.Осипова (Москва, НИ-ИСФ, МГСУ, 2011-2013 г.г.), на 14-ой Международной конференции по компьютеризации в строительстве (Москва, 2012 г.), на открытых Web-семинарах (вебинарах) «Расчеты в строительстве при помощи пакета конечно-элементного анализа EPCUT 5.7» с темой «Расчеты при проектировании ограждающих конструкций» (26 мая 2010 г., stroyka.htm), «Расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций жилого дома» (12 апреля 2011 г., kraynov.htm).
За работу «Конструирование наружных ограждающих конструкций с учетом па-ропроницаемости материалов», вошедшую в состав диссертации, автор удостоен в 2010 году звания победитель программы «50 лучших инновационных идей для республики Татарстан» в номинации «Молодежный инновационный проект», а также конкурсной программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере Министерства образования и науки РФ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ, включая 6 научных статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, получен патент на изобретение РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, включая общие выводы, списков условных обозначений и литературы, пяти приложений. Общий объем работы составляет 216 страниц машинописного текста, в том числе 33 таблицы и 106 рисунков. Список литературы включает 176 наименований.
Автор считает своим долгом выразить особую благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Теплоэнергетика» КГ АСУ, д.т.н., проф., заслуженному деятелю науки РТ Садыкову Р.А., а также всему коллективу кафедры «Теплоэнергетика». Автор глубоко признателен заведующему кафедрой «Проектирование зданий», д.т.н., проф., член-корр. РААСН Куприянову В.Н. и заведующему лабораторией «Строительной физики» Сафину И.Ш. за предоставленную лабораторную базу, содействие в подготовке, проведении и обсуждении экспериментов.
