Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современных нормативных требований 10
1.1 Стандарты LEED 11
1.2 Стандарты BREEAM 14
1.3 Сравнение BREEAM и LEED 15
1.4 ГОСТ 54964-2012 20
1.5 СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» 21
1.6 СП. 50.13330.2012 23
1.7 D5 строительный кодекс Финляндии 23
1.8 РМД «Рекомендации по обеспечению энергетической эффективности жилых и общественных зданий» 25
1.9 Сравнительный анализ СНиП 23-02-2003, СП50.13330.2012, РМД и D5 27
1.10 Требования по воздухообмену в жилых зданиях 28
2. Формирование параметров микроклимата 30
2.1 Удельное энергопотребление жилых зданий 30
2.3 Влияние кратности воздухообмена на расчетную удельную потребность в полезной тепловой энергии на отопление здания 40
2.4 Факторы, влияющие па экологичность среды обитания 42
2.4.1 Естественная вентиляция 43
2.4.2 Аэродинамический режим застройки 43
2.4. 3 Химический состав внутридомовых материалов 44
2.4.4 Биологический загрязнитель 45
2.4.5 Радон и асбест 45
3 Экспериментальное определение основных параметров микроклимата в лабораторных и натурных условиях 47
3.1 Определение сопротивления теплопередаче наружных конструкций 48
3.1.1 Определение сопротивления теплопередаче наружных конструкций по результатам тепловизионной съемки зданий 49
3.1.2 Обработка результатов измерений 50
3.1.3 Метод параметрических расчетов на основе численных решений системы дифференциальных уравнений в многослойной конструкции 54
3.2. Измерение термического сопротивления в натурных и лабораторных условиях 57
3.3 Определение воздухопроницаемости ограждающих конструкций 63
3.4 Обработка результатов измерений 65
3.5 Определение коэффициента естественного освещения 68
3.6 Измерения шума в помещениях 69
3.7 Повышение энергетической эффективности зданий 70
4 Математическое моделирование параметров микроклимата при использовании приточных клапанов 75
4.1 Программный комплекс «STAR-CD» 76
4.2 Моделирование работы приточных клапанов 77
4.3 Определение параметров микроклимата в жилых 82
помещениях методом моделирования 82
4.4 Аэродинамический режим жилой застройке 84
5 Методика по оценки экологической безопасности зданий 87
5.1 Общие положения 89
5.2 Оценка жизненного цикла 91
5.3 Обоснование выбора ПЭБ для оценки ЭБ зданий 91
5.3.1 Внешняя среда обитания 91
5.3.2 Системы жизнеобеспечения 92
5.3.3 Внутренний комфорт 93
5.3.4 Эксплуатационный режим здания 94
5.3.6 Мониторинг показателей ЭБ 96
5.3.7 Долговечность и утилизация 96
5.4 Принцип построения методики 97
5.4.1 Общие положения 97
5.4.2 Пример определения КПЭБ 103
Общие выводы 112
Список использованных источников 114
Приложение А 123
Приложение Б 149
Приложение В 154
Приложение Г 156
Приложение Д 159
Приложение Е 165
- Удельное энергопотребление жилых зданий
- Измерение термического сопротивления в натурных и лабораторных условиях
- Моделирование работы приточных клапанов
- Пример определения КПЭБ
Введение к работе
Актуальность исследования. В большинстве развитых стран принята концепция «устойчивого развития», согласно которой комфортная среда обитания должна формироваться при минимальных затратах ТЭР и минимальном воздействии на окружающую среду. Оценка качества среды обитания проводится в соответствии с «зелеными стандартами» такими как «BREM», «LEED», ГОСТ 54964-2012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости» и др. Отмеченные нормативные документы имеют в основном качественный характер, основанный на экспертной оценке. Для оценки качества среды обитания жилых зданий требуется информация о совокупности фактических значений параметров, обеспечивающих экологически безопасную эксплуатацию зданий.
В настоящее время в России основное внимание уделяется вопросам энергосбережения, т.к. на цели теплоснабжения ежегодно расходуется более 50% всех топливно-энергетических ресурсов города. Основным потребителем тепловой энергии является жилой сектор. В соответствии с ФЗ №261 от 23 ноября 2009 г. "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" и дополняющими постановлениями правительства определены основные направления в области экономии ТЭР в жилых зданиях:
установка приборов учета ТЭР;
энергетическое обследование и классификация зданий по энергоэффективности.
На данном этапе энергосбережение является основным фактором оценки качества зданий, однако, при этом нет четких рекомендаций по обеспечению качества среды обитания, т.е. не учитываются экологические факторы. В связи с этим представляется целесообразной разработка комплексной методики, направленной на количественную оценку экологически безопасной эксплуатации зданий.
Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме энергосбережения и экологической безопасности окружающей среды: Ю.А. Матросова, И.Н. Бутовского, Ю.А.Табунщикова, Савина B.К. , В.И. Ливчака, В. И. Теличенко, Е. В. Басин, А. П. Кудрявцев, Т.А. Дацюк, А.М. Гримитлин, Иванова Ю. В., Пухкал В.А., Таурит В.Р. и др., а также трудов научно-исследовательских и проектных институтов.
Цель и задачи исследования.
Цель работы анализ показателей экологической безопасности (ПЭБ), обеспечивающих эффективность режимов эксплуатации жилых зданий, выявление основных параметров экологически безопасной эксплуатации зданий (ПЭБ), обуславливающих формирование микроклимата жилых зданий, обобщение методик для экспериментального определения ПЭБ и проведение натурных измерений для жилых зданий, разработка комплексной методики для контроля и оценки качества среды обитания эксплуатируемых зданий. Определение необходимых и достаточных параметров, характеризующих экологическую безопасность эксплуатируемых жилых зданий, применение математического моделирования для прогноза качества среды обитания для оценки экологически безопасной эксплуатации зданий.
Задачи исследования:
-
Изучить действующие нормативные документы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, а так же экологической безопасности и охраны окружающей среды в Российской Федерации и странах Евросоюза.
-
Проанализировать комплекс ПЭБ и выявить основные, характеризующие энергоэффективную и экологически безопасную эксплуатацию зданий, такие как температура воздуха, кратность воздухообмена, относительная влажность, подвижность воздуха, уровни звукового давления, качество воздуха.
-
Обобщить имеющиеся методики экспериментального определения в натурных условиях сопротивления теплопередаче и воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций, кратности воздухообмена, звукоизоляции ограждающих конструкций.
-
Разработать рекомендации по использованию математического моделирования для прогнозирования параметров внутренней среды зданий.
-
Обосновать количественную оценку энергоэффективности и энергосбережения зданий с учетом экологических факторов. Разработать количественную шкалу для классификации зданий по экологически безопасной эксплуатации зданий.
Для реализации поставленных задач необходимо:
– провести анализ современных нормативных отечественных и зарубежных требований по эффективности использования тепловой энергии в жилых зданиях и выявить основные параметры, обуславливающие формирование микроклимата жилых зданий;
– обобщить экспериментальные методики определения в натурных условиях основных ПЭБ, обеспечивающих комфортную среду в жилых зданиях;
– экспериментально определить фактические значения сопротивления теплопередаче, воздухопроницаемости и звукоизоляции ограждающих конструкций для зданий 137 серии в натурных условиях;
– выявить зависимость теплопотребления здания от кратности воздухообмена.
Объектом исследования является жилые эксплуатируемые здания.
Предметом исследования совокупность параметров, обеспечивающих экологически безопасную эксплуатацию жилых зданий.
Научная новизна исследования:
-
Предложено дополнительно к нормативным 17 параметров, которые характеризуют эффективность режима эксплуатации жилых зданий, с учетом факторов энергосбережения и экологической безопасности. Разработана классификация параметров по 7 кластерам, каждый из которых характеризуется интегральным значением показателя и используется для определения класса экологической безопасности;
-
Разработана количественная 10 балльная шкала для оценки ПЭБ на протяжении всего жизненного цикла зданий;
-
Разработана форма паспорта экологической безопасности зданий;
-
Разработана комплексная методика по оценке экологически безопасной эксплуатации зданий с учетом факторов энергосбережения, которая включает экспериментальную оценку качества основных параметров среды обитания при эксплуатации зданий и математическое моделирование для прогноза качества среды обитания при реконструкции зданий;
-
Разработана классификация жилых зданий по значению комплексного показателя экологической безопасности (КПЭБ), что позволяет ранжировать их по классам экологической безопасности.
Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения строительных нормативов и правил в области «зеленого строительства» и энергосбережения, а так же международных стандартов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение: п. 5. Тепловой, воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях и разработка методов расчета энергосбережения в зданиях, п. 6. Светотехнический, акустический режимы в помещениях зданий и их оптимизация.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
– Обобщены имеющиеся методики экспериментального определения в натурных условиях сопротивления теплопередаче и воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций, кратности воздухообмена, звукоизоляции ограждающих конструкций, коэффициента естественного освещения.
– Разработаны рекомендации по использованию математического моделирования для прогнозирования параметров внутренней среды зданий, что позволит выполнить качественную оценку параметров микроклимата помещений при реализации энергосберегающих мероприятий.
– Выполнено экспериментальное определение основных параметров ЭБ, формирующих комфортную среду в жилых зданиях, которые используются для оценки класса экологической безопасности.
– Обоснована количественная оценка энергоэффективности и энергосбережения зданий с учетом экологических факторов.
– Разработана методика экологической безопасности здания, которая включает в себя критерии энергоэффективности.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на 59-й Международной научно-технической конференции молодых ученых по отраслям наук Санкт-Петербург: СПбГАСУ 2006 г.; на 60-й Международной научно-технической конференции молодых ученых Санкт-Петербург: СПбГАСУ 2007 г.; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов Санкт-Петербург: СПбГАСУ 2012 г.; на 2-ом международном конгрессе студентов и молодых ученых (аспирантов, докторантов) Санкт-Петербург: СПбГАСУ. – 2013 г.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, общим объемом 1,5 п.л., лично автором – 1,5 п.л., в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 122 страницы машинописного текста, 34 таблицы, 17 рисунков, 32 формулы, 6 приложений и список использованной литературы из 98 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Удельное энергопотребление жилых зданий
В основе разработанной методики заложены требования минимального потребления ТЭР на эксплуатацию зданий.
Для определения энергетической эффективности зданий используется удельная потребность в полезной тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания. Этот параметр рассматривается как основной в разработанной методике и учитывает трансмиссионные и инфильтрационные потери. Энергопотребление зданий зависит от особенностей его эксплуатации. Анализ теплопотерь эксплуатируемых зданий показал, что трансмиссионные потери составляют 28-32%, а инфильтрационные потери- 35-38%.
При разработке методики экологической безопасности эксплуатируемых зданий потребовалась оценка соотношения теплопотерь, принятая при проектировании.
При проектировании зданий удельная потребность в полезной тепловой энергии определяется согласно Российским нормативным документам СНиП 23-02-2003, РМД и СП. 50.13330.2012 и Финскому стандарту D5. Методика D5 приведена в приложении Д. Расчетные условия для метода D5 приведены в приложении Е.
Сравнительный анализ соотношения трансмиссионных и инфильтрационных потерь проводился:
- на специально разработанной модели здания;
- по реальному проекту 23-х этажного жилого здания компании ООО "Яакко Пеуру Груп";
- фактическим замерам, выполненным при вводе здания в эксплуатацию.
Расчетные условия приняты для Санкт-Петербурга и представлены в таблице 2.1.
Модель жилого здания. Модель представляет собой жилое 12-ти этажное здание в форме прямоугольного параллелепипеда. Объемно-планировочные параметры здания площадные и объемные характеристики и объемно-планировочные показатели вычисляют в соответствии с требованиями СНиП 23-02-2003 и представлены в таблице 2.2.
Кратность воздухообмена была рассчитана двумя способами: по суммарному воздухообмену за счет вентиляции и инфильтрации; и по нормам вытяжки. В расчете принято большее значение.
Соотношение трансмиссионных и инфильтрационных потерь, которое принимается на стадии проектирования при расчете на модели здания составляет:
Трансмиссионные - 33%, инфильтрационные теплопотери- 31% и нагрузкой на ГВС составляет 36% соответственно.
Сравнение отечественных норм и D5 показало при расчете на модели, что общие теплопотери здания за счет трансмиссионных потерь ниже на14%. Это объясняется расчетом по среднемесячным температурам, а не по средней температуре за отопительный период. В отличие от наших стандартов, где берется продолжительность отопительного периода и его средняя температура, в D5 ведется расчет по каждому месяцу с его средней температурой и затем все суммируется.
Потери за счет инфильтрации воздуха на стадии проектирования, рассчитанные по D5 выше на +28%. Эта разница так же получена за счет разного способа расчета эмпирических коэффициентов.
При расчете по Российским стандартам трансмиссионные и инфильтрацион-ные теплопотери составляют соответственно 52% и 48% от общих теплопотерь. В Финском - 42% и 58% соответственно. Общие же потери тепловой энергии за отопительный период отличаются на 6%.
Отличие расчета по РМД и D5 от СНиП и СП заключается в содержании количества тепловой энергии на горячее водоснабжение. t
Рабочий проект компании ООО "Яакко Пеуру Груп": 23-х этажное жилое здание по адресу: г. Санкт-Петербург, квартал 9 района Шувалово-Озерки, корпус 6. Конструктивное решение: стены: кирпич, утеплитель, газобетонные блоки, декоративная штукатурка; кровля: плоская из 2-х слоев изопласта по утеплителю "Руф Баттс"; окна: металлопластиковый профиль с двухкамерным стеклопакетом. Система отопления вертикальная, однотрубная с верхним розливом.
Соотношение трансмиссионных и инфильтрационных потерь, которое принимается на стадии проектирования при расчете жилого здания составляет:
По D5: Трансмиссионные - 45%, инфильтрационные теплопотери- 55% соответственно.
По СНиП: Трансмиссионные - 54%, инфильтрационные теплопотери-46% соответственно.
Результаты основных показателей энергетической эффективности этого же здания, полученные на основании фактических данных, приведены в таблице 2.7.
Таким образом, трансмиссионные потери сравнимы с потерями на инфильтрацию в обоих случаях.
Помесячный учет дает меньшее значение трансмиссионных теплопотерь, чем расчет по средней температуре за отопительный период. В этом случае финский метод более точен. Если же рассчитать потребность в полезной тепловой энергии на отопление здания за отопительный период по Российскому методу по среднемесячной температуре, то данная величина снизится на 6,5%.
Теплопоступления от солнечной радиации при расчете по финскими нормами в два раза выше, чем по российским. Это различие объясняется использованием разных эмпирических коэффициентов. Учет месячных потоков тепла позволяет более точно оценить влияние солнечной радиации в тепловом балансе зданий. Теплопоступления составляют порядка 9% от общих теплопотерь здания. Однако необходимо учитывать тот фактор, что в отопительный период солнца не так много в Санкт-Петербурге. Так же не полностью учитывается окружающая застройка вокруг здания.
Как показали расчеты, выполненные по трех типов здания (модель, жилое здание по проектным и фактическим величинам 137 серии) соотношения приведенного трансмиссионного и инфильтрационного коэффициента теплопередачи здания сильно изменяются при расчете жилых эксплуатируемых зданий по фактическим значениям. Таким образом, для точного определения теплопотерь здания необходимы фактические измерения состояния здания. Данные расчета приведены в таблице 2.8.
Измерение термического сопротивления в натурных и лабораторных условиях
Определение фактических значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций зданий в натурных условиях проводится в соответствии с методикой проведения измерений, разработанной на базе нормативных документов [8-19]. Для проведения измерений используется комплект аттестованной аппаратуры, например «СИСТОК», таблица 3.1.
«Базовый» участок ограждающей конструкции определяется по результатам тепловизионного обследования. Термопары и тепломеры устанавливаются на внутренней и наружной поверхностях конструкции, согласно п. 7 [17] или п. 4.[16].
Измерение сопротивления теплопередаче «базового участка» проводят после установления стационарного режима. Режим считают стационарным [17], если результаты повторных измерений (с интервалом не менее 0,5 ч.) отличаются друг от друга не более чем на 5% при условии, что они не возрастают и не убывают монотонно. Ориентировочно согласно для ограждающих конструкций с тепловой инерцией до 1,5 измерения проводят не менее чем через 1,5 суток, с тепловой инерцией от 1,5 до 4 - через 4 суток, с тепловой инерцией от 4 до 7 - через 7 суток, и с тепловой инерцией свыше 7 - через 7,5 суток. Значения тепловой инерции ограждающих конструкций определяют согласно действующим строительным нормам и правилам. На рис. 3.3 и 3.4 , как пример, приведены запись изменения теплового потока и температуры через конструкцию наружной стены в течение 2 недель.
Анализ приведенных кривых свидетельствует, что достаточно сложно одновременно выбрать стационарные участки на двух графиках, что, в свою очередь, сказывается на точности получаемых результатов.
Для повышения точности определения сопротивления теплопередаче в натурных условиях используется стабилизатор температурного режима. Он состоит из двух плоских прямоугольных нагревателей высотой 800 и шириной 1200 мм, подключенных к регуляторам температуры «Поликон», с помощью которых обеспечивается постоянный температурный режим в центральной части термостатируемого фрагмента ограждающей конструкции независимо от возможных неблагоприятных климатических воздействий.
Использование стабилизатора температуры обеспечивает возможность проведения испытаний практически при любой наружной температуре с требуемой точностью.
Использование нагревательных экранов хотя и позволяет существенно сократить время проведения измерений с 15 суток до 2-7- дней, однако, вносит дополнительную погрешность в определение значений термического сопротивления, которую необходимо учесть при обработке полученных результатов. Верхний предел систематической погрешности при проведении испытаний с использованием терморегулируемых экранов практически при любой наружной температуре не более 15 %.
Большие погрешности при натурных измерениях имеют место при определении сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. Для снижения погрешности измерений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций используется определение теплотехнических параметров в климатической камере.
Фрагмент ограждающей конструкции (наружной стены, оконного блока, перекрытия) устанавливается в рабочий проем климатической камеры, как показано на рис. 3.6. Термопары и тепломеры устанавливаются на внутренней и наружной поверхностях конструкции согласно [17]. Расположение термопар определяется по результатам тепловизионной съемки.
Фактические значения термического сопротивления эксплуатируемых зданий 137 серии по результатам натурных измерений 0. 67- 0.75 м2оС7Вт.
Сопротивление теплопередаче соответственно 0.82-0.91 м2оС/Вт.
В холодном отсеке в процессе испытаний поддерживалась температура - 26-30 С при влажности воздуха 70%. В теплой части камеры обеспечивается температура 18-20 С. Градиент температуры в климатической камере не превышал 1.5 С.
Для определения температур и тепловых потоков используется также измерительная система «СИСТОК» с выводом информации на ЭВМ. 15 тепломеров (1-15) располагались с теплой стороны панели. У каждого тепломера размещалось по две термопары, одна с теплой, другая с холодной стороны панели (всего 30 термопар). Две термопары используются для определения температуры воздуха в холодной и теплой камерах.
Определение приведенного термического сопротивления проводится при достижении стационарных условий теплопередачи. Выход на стационарный режим определялся по записи тепловых потоков на ЭВМ.
Приведенное термическое сопротивление определяется как среднее по результатам 10 серий измерений.
Значения R, определяется, в свою очередь, как отношение перепада температур между внутренней и наружной поверхностями, зафиксированный термопарами и -теплового потока.
Моделирование работы приточных клапанов
Для повышения кратности воздухообмена при установке в зданиях светопро-зрачных конструкций повышенной герметичности необходимо установка приточных клапанов. При выборе типа клапана основными параметрами являются: температура на поверхности клапана, температура и скорость в струе приточного воздуха.
Температура на поверхности клапана должна быть выше точки росы, в противном случае будет наблюдаться выпадение конденсата. В качестве примера рассмотрено моделирование работы оконных клапанов английской фирмы «Titon». Внешний вид клапана приведен на рисунке 4.1. Сравнивалась поля скоростей и концентраций при работе клапанов двух типов, характеристики которых даны в табл.
Математическое моделирование параметров микроклимата при использовании приточных клапанов
Клапан располагался в раме (рисунок 4.2) в верхней части оконного блока.
Для определения распределения температуры в наружной стене и на поверхности клапана решалась нестационарная трехмерная задача. Граничные условия:
- температура внутреннего и наружного воздуха;
- коэффициенты а„ и
- скорость и температура воздуха, проходящего через клапан.
Температурное поле в конструкции наружной стены формировалось в процессе расчета. Результаты расчета температурного поля приведены на рисунке 4.3.
Сравнение температурных полей для двух типов клапанов показало, что при установке клапана V50/C25 температура в месте примыкания к раме незначительно выше Таблица 4.1.
При протяжке холодного воздуха в месте примыкания клапана температура для всех моделей снизилась ниже точки росы. Будет выпадение конденсата.
Изменение температуры при открытии клапана в месте контакта с рамой приведена на рисунке 4.4.
Экспериментальное определение количества воздуха, проходящее через клапаны одинаково и при перепаде давления 10 Па составляет 21м /час
Результаты математического моделирования показали, что теплофизические параметры двух типов клапанов практически одинаковы. Однако один из важных параметров вентиляционных клапанов - звукоизоляция транспортного шума. По результатам испытаний звукоизоляция клапана V75/C50 на 2 дБА выше, чем у клапана V50/C25 и составляет 30 дБА в открытом состоянии при установке в оконный блок со стеклопакетом СПД 6М1-16-4М1-10-4М1. Это позволяет рекомендовать его к установке на окнах, выходящих на транспортные магистрали.
Пример определения КПЭБ
Последовательность расчета сводится к следующему: строится матрица приоритетов для кластеров - таблица 14.
Таблицы 5.11-5.19 составлены экспертами при разработке методики и могут быть изменены при реализации методики. Таблица для расчета КПЭБ приведена в Приложении Г.
Наибольшую значимость имеет кластер №5 - энергоэффективность. Например, при сравнении кластера № 1 и № 2 приоритет отдан кластеру №2 (соответствующие показатели выделены жирным шрифтом). Кластеры №2 и № 5 признаны равноправными, в соответствующие клетки записывается по 1.
Аналогично строятся матрицы для каждого кластера. Матрицы приведены в таблицах 5.16 5.18. В каждом кластере для ПЭБ определена значимость формуле 5.8, а относительная значимость с учетом остальных ПЭБ по формуле (5.10).
Балльная оценка, характеризующая свойство или численное значение отдельных ПЭБ, принимается по таблицам Приложения А. Номер каждой таблицы соответствует номеру кластера. Для каждого кластера определяется балльная оценка с учетом значимости д,по формуле (5.12), а затем определяется интегральная балльная оценка с учетом значимости Qt по формуле (5.13).
Для каждого кластера устанавливается верхняя и нижняя границы значимости по формуле (5.11), таблица 5.9. Граница диапазона значимости ПЭБ каждого кластера приведены в таблицах 5.12-5.26.
Для определения КПЭБ и класса ЭБ заполняется таблица 21. Из таблицы 14 записывается относительная значимость каждого кластера с учетом остальных. Из таблиц 5.12-5.16 записывается интегральная балльная оценка каждого кластера. Окончательная рейтинговая оценка представляет комплексный показатель экологической безопасности здания (КПЭБ)и определяется.
Величина комплексного параметра используется для определения класса экологической безопасности жилых зданий. Класс экологической безопасности здания, для которого приведен расчет, - D.
