Введение к работе
Актуальность работы. Многочисленные проектируемые, строящиеся и существующие здания имеют большой перечень недостатков, связанных с перерасходом тепловой энергии на отопление, охлаждение и вентиляцию. Важной причиной общемировой тенденции повышения нормативной и реальной теплозащитной способности ограждений зданий является удорожание энергоносителей и стремительное истощение запасов органического топлива, а также потепление климата Земли из-за накопления «парниковых» газов в атмосфере. Наблюдается также значительный потенциал как энергосбережения, так и улучшения теплового микроклимата в зданиях. Решение проблемы повышения энергетической эффективности теплового режима гражданских зданий имеет особую актуальность для горного Кыргызстана в связи с тем, что на долю этих зданий приходится около 80% энергопотребления всех зданий. Страна обладает ограниченными запасами нефти и природного газа, резко снизилась добыча угля, повысилась стоимость всех видов энергоносителей, слабо внедряются инновационные методы теплозащиты зданий. В условиях переходной экономики, при низком уровне семейного бюджета населения, неблагоприятной экологической обстановке, связанной со значительными выбросами в атмосферу продуктов сгорания органического топлива, вызывающими загрязнение окружающей среды, особенно высокогорных ледников, требуется обеспечить существенное повышение энергоэффективности суточных, сезонных и круглогодичных тепловых режимов зданий при максимальном привлечении естественных ресурсов энергии. Резкоконтинентальный холодный, жаркий и сухой климат Кыргызстана с погодными условиями равнинных, горных и морских регионов (с широким диапазоном расчетных метеорологических параметров, начиная от показателей климата пустынь и степей до климата тундры и вечного мороза) предъявляет особые требования к задачам совершенствования теплозащиты зданий и их ограждений. Существующие жилые и общественные здания, нуждающиеся в энергосберегающей реконструкции, имеют несовершенные архитектурно-планировочные и теплозащитные показатели, что вызывают, во-первых, низкий уровень внутреннего теплового микроклимата, во-вторых, значительное удельное энергопотребление на единицу площади пола, которое, при прочих одинаковых условиях, часто в 2-3 раза больше, чем в развитых странах Европы и Америки.
Цель работы и задачи исследования. Основная цель работы – разработка теоретических основ и исследование особенностей практики повышения энергоэффективности теплового режима гражданских зданий на примере Кыргызстана путем улучшения их объема, формы и ориентации, теплотехнических и геометрических показателей отдельных ограждений и всей теплозащитной оболочки при обеспечении благоприятного теплового микроклимата и максимального привлечения естественных ресурсов энергии.
В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи исследований:
разработка имитационной математической тепловой модели здания, служащей теоретической основой практики повышения энергоэффективности его суточного, сезонного и круглогодичного теплового режима;
определение совокупности основных качественных и количественных показателей здания, влияющих на его тепловой режим;
определение энергетически важного количественного показателя степени совершенства и потенциала оптимизации формы здания;
определение практически наблюдаемых типов теплового состояния зданий в зависимости от внутренних и внешних тепловых воздействий;
количественная оценка уровня энергоэффективности текущего и долгосрочного теплового режима здания;
оптимизация теплового эффекта солнечной радиации и окружающей среды на здание путем целенаправленного влияния на механизм и интенсивность его проявления;
разработка графически наглядной инженерной методологии оптимизации круглогодичного теплового режима здания для целей снижения затрат энергии на его отопление, охлаждение и вентиляцию.
Научная новизна. Впервые разработаны и предложены:
два вида имитационной математической тепловой модели здания;
концепция энергоэффективной формы здания и соответствующая расчетная формула для количественной оценки степени совершенства и потенциала улучшения формы реального здания заданного объема относительно показателей теоретического здания в виде шара того же объема;
понятие «теплозащитные качества здания» и спирально-циклическая модель и методика их улучшения;
принцип комплексной теплозащиты здания по формуле взаимосвязи теплотехнических, геометрических и температурных характеристик наружных ограждений и на основе предложенных зависимостей для их предельно низкого, высокого, критического и нормативного коэффициента теплопередачи и среднего коэффициента теплопередачи теплозащитной оболочки здания;
принцип и понятие суточного саморегулирования теплового режима помещений, энергосберегающей архитектуры здания, энергосберегающих заграждений у ограждений и примыкания наружных ограждений к грунту основания и теплозащищенному воздушному пространству;
типы естественного, естественно-возмущенного и искусственного теплового состояния здания, соответствующие понятия и формулы термического и временного показателя энергоэффективности теплового режима здания;
теоретические основы и методы выбора места размещения, формы, ориентации и размеров здания, его помещений, светопрозрачных, остекленных массивных ограждений и устройств затенения в зависимости от круглогодичного теплового эффекта солнечной радиации и окружающей среды при условиях безоблачного неба и его средней облачности;
принцип и методика оптимизации «ножниц» графиков потерь и поступлений теплоты здания с позиции минимизации расходов энергии на отопление, охлаждение и вентиляцию в зависимости от изменения среднесуточной температуры наружного воздуха.
На защиту выносятся:
предложенные два вида имитационной математической тепловой модели здания;
разработанная концепция энергоэффективной формы здания и соответствующая расчетная формула количественной оценки степени совершенства и потенциала улучшения формы реального здания;
предложенное понятие «теплозащитные качества здания» и спирально-циклическая модель и методика их улучшения;
предложенный принцип комплексной теплозащиты здания по формуле взаимосвязи теплотехнических, геометрических и температурных характеристик наружных ограждений и на основе предложенных зависимостей их предельно низкого, высокого, критического и нормативного коэффициента теплопередачи и коэффициента теплопередачи теплозащитной оболочки здания;
предложенный принцип суточного саморегулирования теплового режима помещений, энергосберегающей архитектуры здания, энергосберегающих заграждений у ограждений;
предложенные типы естественного, естественно-возмущенного и искусственного теплового состояния здания, соответствующие понятия и формулы термического и временного показателя энергоэффективности теплового режима здания;
разработанные основы выбора места размещения, формы, ориентации и размеров здания, его помещений, светопрозрачных, остекленных массивных ограждений и устройств затенения в зависимости от круглогодичного теплового эффекта солнечной радиации и окружающей среды при условиях безоблачного неба и его средней облачности;
предложенный принцип и методика оптимизации «ножниц» графиков круглогодичных потерь и поступлений теплоты здания путем реализации энергоэффективных путей и мер улучшения теплозащитных качеств и тепловых режимов здания для минимизации расходов энергии на отопление, охлаждение и вентиляцию в зависимости от изменения среднесуточной температуры наружного воздуха в течение эталонного климатического года места строительства.
Достоверность результатов работы подтверждается сходимостью расчетных и опытных исследований при использовании сертифицированных приборов, стандартных методов измерений и статистической обработки измеренных данных. Теоретические положения и имитационные математические тепловые модели разрабатывались на основе классических методов, основанных на законы сохранения энергии и механики сплошных сред. Результаты натурных исследований тепловых процессов ограждений здания не противоречат с данными известных исследований.
Практическая значимость результатов работы заключается в повышении энергоэффективности теплового режима гражданских зданий путем реализации мер по улучшению теплозащитных показателей здания и его ограждений, степени привлечения и предотвращения теплового эффекта на них солнечной радиации и окружающей среды, экономии энергии на отопление, охлаждение и вентиляцию.
Практическую ценность имеют:
инженерная методика спирально-циклического улучшения теплозащитных качеств проектируемых и существующих зданий;
методика расчета и реализации комплексной теплозащиты здания относительно предельно низкого, высокого, нормативного и критического коэффициента теплопередачи наружных ограждений и среднего коэффициента теплопередачи теплозащитной оболочки;
методика компьютерного расчета по оптимизации теплового эффекта солнечной радиации через светопрозрачные и массивные остекленные ограждения, устройств затенения с определением их мест размещения, ориентации, размеров и конструктивных особенностей при условиях безоблачного неба и его средней облачности;
реализованные варианты энергосберегающей архитектуры на примерах строительства здания из соломенных тюков, одноквартирных жилых домов с энергосберегающими заграждениями у ограждений в виде устройств затенений окон и остекления массивной глинобитной стены южного фасада;
методика оптимизации «ножниц» графиков круглогодичных потерь и поступлений теплоты здания за счет определения энергоэффективных путей и мер улучшения теплозащитных качеств и тепловых режимов в зависимости от изменения среднесуточной температуры наружного воздуха в течение эталонного климатического года.
Разработана, испытана и предложена методика компьютерного расчета для целей энергосберегающей организации и предотвращения затенения окон южного фасада с определением их места размещения, размеров, конструктивных особенностей и общей площади. Эта методика использована при проектировании энергоэффективного здания с ограждениями из соломенных тюков и пассивным солнечным нагреванием через окна, что позволило на 92 % снизить годовой расход теплоты на отопление и вентиляцию.
Рассчитана и испытана опытная установка пассивного солнечного отопления индивидуального жилого дома через его остекленную массивную глинобитную стену, ориентированную на экватор. Результаты диссертационной работы использованы для энергосберегающей реконструкции девятиэтажного крупнопанельного жилого здания и более двадцати одноквартирных домов в г. Бишкек и горных регионах Кыргызстана; при обучении студентов, магистрантов и аспирантов в университете и на объектах строительства для привития им компетенций, относящихся к профилям подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». В их учебные планы включен и реализуется специальный курс «Энергосберегающая архитектура и эксплуатация зданий».
Работа выполнена в соответствии с приоритетными государственными целевыми программами исследований и направлена на реализацию положений закона Кыргызской Республики «Об энергосбережении» и Постановления Мэрии г. Бишкека по использованию возобновляемых источников энергии для целей теплоснабжения зданий.
Апробация работы. Результаты и основные положения работы доложены и одобрены на международных конференциях «Applied Optics and Solar Energy», г. Прага, Чехословакия, 1989 г.; «American Counsil for Energy-Efficient Economy», г. Вашингтон, США, 1997 г.; НАН Кыргызской Республики «Проблемы управления и автоматики», 2000 г., г. Бишкек; на международном конгрессе «EuroSun’98», г. Портороз, Словения, 1998 г.; на республиканских конференциях «Проблемы строительной отрасли и пути их решения», 2001 г., г.Бишкек, «Горный Кыргызстан и экология», 2002 г., г. Бишкек, «Энергосберегающие технологии и ресурсы», 2003, г. Бишкек; на вузовских конференциях Бишкекского политехнического института, 1989 г., 1991 г., Кыргызского архитектурно-строительного института 1992 г., 1993 г., г. Бишкек; Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры, 1994-2002 гг., г. Бишкек, Казахской головной архитектурно-строительной академии, 2002 г., г. Алматы, Кыргызского технического университета, 2000 г., 2003 г., г. Бишкек; на Первой конференции Комитета ООН «Энергоэффективность в жилищном секторе», 2009 г., г. София, Болгария, в 71-й сессии Комитета ООН по жилищному хозяйству и землепользованию, 2010 г., г. Женева, Швейцария; на конгрессе Комитета ООН «Энергоэффективность в жилом секторе WACAP-2010», 2010 г., г. Роттердам, Нидерланды; на семинарах Австрийско-Центральноазиатского центра геоинформационных наук «OpenSolar», 2009 г., г. Бишкек, и «EnerGIS», 2010 г., г. Душанбе, Таджикистан, на международной конференции ЕБРР «Содействие развитию законодательства по энергоэффективности зданий», 2011 г., г. Бишкек,
Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором. Использованные материалы других исследователей отмечены ссылками на соответствующие литературные источники.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе монография и 7 статей в изданиях, включенных в список ВАК РФ. Получены два патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 244 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы из 210 наименований и 11 приложений. Ее основной текст содержит 51 рисунок и 17 таблиц.
