Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертационная работа:

Береговой Александр Маркович. Здания с энергосберегающими конструкциями : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.01 Пенза, 2005 343 с. РГБ ОД, 71:06-5/34

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА I. ЗДАНИЯ С ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 19

1.1. Разработка эффективных местных строительных материалов.
Использование отечественных энергосберегающих строительных

технологий в тепловой защите зданий 21

1.2. Применение расчетных критериев необходимой теплозащиты
зданий и методов теплотехнического расчета ограждающих

конструкций 22

1.3. Повышение энергоэкономичности объемно-планировочных

решений зданий 26

1 АПроведение натурных обследований зданий и наружных ограждающих
конструкций для повышения их тепловой эффективности 27

1.5. Наружные ограждающие конструкции повышенной

тепловой эффективности 28

1.6. Повышение уровня теплоизоляции глухих участков наружных
ограждений 30

1.7. Энергоэффективные светопрозрачные ограждения

и светопрозрачная теплоизоляция 32

  1. Создание энергоэкономичиых зданий 33

  2. Использование альтернативных источников энергии

для энергетических потребностей зданий 37

1.10. Создание современных энергоэффективных зданий. Здания

с полностью управляемыми инженерными коммуникациями 48

1.11. Выводы из обзора литературы 53

*

ГЛАВА 2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И УРОВНЯ ЭНЕРГО-

ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ В г. ПЕНЗЕ И ОБЛАСТИ 56

2.1. Результаты проведения первого этапа натурных исследований 57

  1. Обследования наружных стен 57

  2. Обследования конструкций крыш 63

  3. Обследования конструкций окон 65

  4. Измерения параметров микроклимата помещений 70

  1. Результаты проведения второго этапа натурных исследований 71

  2. Анализ теплоэнергетических показателей обследованных зданий

и типовых конструкций наружных ограждений до и после повышения
уровня их тепловой защиты 78

2.4. Выводы 90

* ГЛАВА 3. УЧЕТ РЕГИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ В ПРОЦЕССЕ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗДАНИЙ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ КОН
СТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕСТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 96

3.1. Характеристика конструкций тепловой защиты из местных

и импортных (привозных) строительных материалов 96

3.2. Экспериментальные исследования основных тепло физических
свойств эффективных местных строительных материалов 107

3.2.1. Тяжелые композиты 108

3.2.2. Теплоизоляционные материалы на основе гипсоцементно-
пуццоланового вяжущего (ГЦПВ) ПО

  1. Арболитовый бетон 111

  2. Неавтоклавный пенобетон на основе портландцемента 113

3.3. Определение климатических показателей, влияющих

на энергоэффективность зданий и их конструкций 115

3.4. Выводы 133

*

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНОГО РЕШЕНИЯ

НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗДАНИЯ 137

" 4.1. Объемно- планировочные решения, повышающие

энергоэкономичность зданий 137

4.2. Архитектурно- планировочные решения, повышающие

fr энергоактивность зданий І 48

4.2.1 .Оценка энергосберегающего эффекта в зданиях

с энергоактивными конструкциями в процессе солнечной радиации ... 148
4.2.2. Повышение энергоэкономичности планировочного
решения ширококорпусного здания 153

4.3. Выводы 156

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГО
АКТИВНОСТИ И ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ свойств
НАРУЖНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ 158

5.1. Разработка энергоактивной конструкции для восприятия
тепловой энергии природной среды и оценка ее тепловой
эффективности 158

5.2.Метод определения тепловой эффективности энергоактивной

конструкции 1 66

ф 5.3. Теплоэнергетические зависимости для здания с площадью
отопления A h =122 м2, полученные по результатам испытаний
v* и расчета 180

  1. Исследование теплоаккумулирующих свойств местных строительных материалов 187

  2. Исследование энергоактивных свойств светопрозрачных покровных слоев 196

  3. Выводы 202

ГЛАВА 6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ФАКТОРОВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ 204

6.1. Комплекс теплотехнических свойств наружных ограждений
из разработанных местных строительных материалов для
энергоэффективных зданий 204

6.1.1. Критерии теплоустойчивости наружных ограждений

из разработанных местных строительных материалов 204

6.1.2. Теплоаккумулирующие свойства разработанного материала

и конструкций на его основе 212

6.1.З.Аналитическиезависимости необходимой величины

теплоаккумулирующей способности наружного ограждения

и оптимальной площади инсолируемых окон в условиях

«критической облученности» 223

6.1.4. Условия формирования теплового режима помещений

на основе расчетных моделей помещений с «легкими» и
«массивными» ограждающими конструкциями 228

6.2. Локальные критерии оптимальности в математической

модели расхода тепловой энергии зданием 234

  1. Концепция единого энергетического циісла создания объектов энергоэффективного типа на основе системного анализа 253

  2. Выводы 269

  1. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 270

  2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 274

  3. ПРИЛОЖЕНИЯ 309

Введение к работе:

Исчерпание запасов традиционных источников энергии, острая ее нехватка для многих стран, особенно слаборазвитых и развивающихся, быстрый рост цен на углеводородное сырье в начале XXI века и в обозримом будущем превратили проблему рационального использования и экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и изыскания альтернативных источников энергии в одну из глобальных мировых проблем, влияющих на весь ход развития человеческой цивилизации и на сохранение среды ее проживания. Широкое и повсеместное использование атомной энергии грозит крупномасштабными экологическими катастрофами. В то же время долговременные исследования по применению в экономике некоторых новых перспективных источников энергии, таких, как водородное топливо или термоядерный синтез на управляемых мини- реакторах, еще не вышли за рамки опытно-экспериментальных изысканий.

Научно- технический прогресс, развитие промышленности, использование средств вооружений в многочисленных конфликтах на планете являются причиной быстрого роста потребления энергии. Федеральная программа «Энергосбережение России» предусматривает рост энергопотребления экономики страны к 2020 году более чем в 2 раза и снижение энергоемкости экономики России примерно на 50% (рис. 1,2) [1].

Несмотря на отдельные успехи в области энергосбережения, ситуация по снижению энергоемкости ВВП в нашей стране кардинально не изменилась.

За 1998-2000 г. произошел рост энергоемкости ВВП более чем на 3% при планируемом его снижении на 5,3%. Убытки от нерационального ис-

пользования энергоресурсов в нашей стране составляют ежегодно примерно 40 млрд.у.е.

Энергоемкость производимой в России и СНГ продукции остается исключительно высокой: доля энергии в структуре и себестоимости валового продукта составляет около 50 %, тогда как в промышленно развитых странах она меньше 5 %. Расход электрической энергии на 1 доллар валового продукта составляет на мировом рынке 0.46 кВт ч, в США - 0.52, а в России - 4.7 кВт ч. [ 2].

Проблема рационального использования и экономии топливно-энергетических ресурсов решается мировым сообществом одновременно по нескольким направлениям. Самое перспективное из них связано с энергосбережением в различных отраслях экономической деятельности. По данным [3] потенциал энергосбережения в России составляет 40-45% современного энергопотребления в стране, или 360 - 430 млн. т. у. т. Свыше четверти этого потенциала сосредоточена в жилищно- коммунальном хозяйстве, а в строительстве и промышленности - свыше одной трети.

Одной из наиболее энергоемких отраслей экономики страны является капитальное строительство. Система теплоснабжения только гражданских зданий потребляет до 30% добываемого в нашей стране твердого и газообразного топлива.

Если энергопотребление зданий в такой развитой стране со схожим климатом, как Швеция, составляло в 1980 г. 153 кВт ч/м", а в 2010г. его планируется снизить до 45 кВт ч/м2 [4], то на отопление 1м2 общей площади жилого фонда в нашей стране сейчас тратится около 400 кВт.ч энергии. Поэтому резервы энерго- ресурсосбережения в эксплуатируемом фонде жилых, гражданских и промышленных зданий поистине огромны.

%

1 20 _|_ 1 00

Рис.1. Динамика удельной энергоемкости экономики России (по ВВП) к уровню 1990 года (в % ) % 250 -

1 1 Г

Рис.2. Прогнозная динамика роста энергопотребления России

— энергопотребление без изменения структуры экономики ^т прогнозируемое энергопотребление

Основная доля этих зданий (более 80%) относится к классу, так называемых, не энергоэкономичных сооружений, возведенных из сборного железобетона с использованием относительно теплопроводных, по современным представлениям, материалов в наружных ограждениях. По причине большого физического износа, невысокого качества строительства и эксплуатации теплопотери этих зданий в 1.3 - 1.4 раза превышают проектные величины, предусмотренные еще старыми (до 1995 г.) нормами теплотехнического проектирования ограждающих конструкций.

Особое внимание ученых, занимающихся проблемой энергосбережения в зданиях, привлекают конструкции наружных ограждений, через которые теряется в течение отопительного периода от 20 до 40 % тепловой энергии в зависимости от назначения, этажности и конструктивной схемы сооружения. В нашей стране и за рубежом проводятся многочисленные и интенсивные исследования, направленные в основном на изыскание легких и энергоэкономичных ограждающих конструкций, отличающихся малой трудоемкостью возведения, долговечностью и ремонтопригодностью. Столь пристальное внимание ведущих научных, учебных и проектных институтов к проектированию эффективных ограждающих конструкций объясняется, с одной стороны, тем важным местом, которое они занимают в структуре здания, а с другой стороны - той ролью, которую они играют в решении проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

Действительно, на ограждающие конструкции приходится около 50% стоимости строительных конструкций и 80% расходов на ремонт. Доля ограждающих конструкций в общем объеме трудозатрат на возведение здания составляет около 45%). Стоимость же всех построенных зданий и сооружений составляет в нашей стране уже более 50% основных фондов народного хозяйства.

Наиболее эффективный путь экономии ТЭР в капитальном строительстве - повышение уровня теплозащиты зданий, снижение теплопотерь че-

рез ограждающие конструкции и в системе вентиляции. С учетом длительного срока эксплуатации зданий это может не только обеспечить в целом по стране значительную экономию ТЭР, но и уменьшить экологический ущерб от извлечения из недр, доставки и сжигания сотен миллионов тонн топлива.

Таким образом, создание энергоэффективных зданий и их конструкций (на основе адаптированных к местным условиям архитектурно-строительных решений) становится тем направлением в архитектуре и строительстве, которое позволяет наиболее рационально использовать ограниченные топливно-энергетические и материальные ресурсы при получении максимального социального, экономического и экологического эффекта. Все увеличивающиеся потребности капитального строительства в энергии, топливных ресурсах, сырье, строительных материалах должны удовлетворяться на региональном уровне в основном за счет энерго- ресурсосбережения.

Цель исследования: разработка архитектурно-строительных решений, обеспечивающих минимизацию тепловых потерь и формирование комфортных условий микроклимата в помещениях зданий, проектируемых и эксплуатируемых в климатических и региональных условиях Среднего Поволжья и центральных регионов России.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

  1. Установление фактического уровня тепловой защиты и энергоэффективности эксплуатируемых жилых зданий (на примере жилого фонда г. Пензы и области).

  2. Исследование теплофизических свойств эффективных местных строи-тельных материалов, разработанных в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства для тепловой защиты зданий.

3. Разработка объемно- планировочных решений, повышающих энергоэф
фективность зданий как традиционного типа, так и зданий, использующих
тепловую энергию альтернативных источников.

  1. Выполнение теоретических и экспериментальных исследований комплекса теплотехнических свойств наружных ограждений, изготовленных с использованием разработанных местных строительных материалов, в целях повышения энергоэффективности зданий.

  2. Проведение экспериментальных исследований по разработке архитектурно- конструктивных решений наружных ограждений (энергоактивных модулей), обеспечивающих интенсивное поглощение и передачу в помещения тепловой энергии солнечной радиации.

  3. Определение тепловой эффективности энергоактивных модулей и рациональной области их применения в зданиях.

7. Разработка концепции единого энергетического цикла создания объек
тов энергоэффективного типа на основе системного анализа.

Границами материала исследования по территориальному признаку являются регионы Среднего Поволжья, а также территории Европейской Части России со схожими климатическими и региональными условиями. По топологическому признаку исследование охватывает объекты жилой среды городских и сельских населенных пунктов.

Объектом исследования являются здания селитебной зоны, создаваемые с широким использованием местных строительных материалов.

Предметом исследования являются методы и способы архитектурно-строительных решений, обеспечивающие повышение тепловой эффективности зданий, конструкций и требуемые условия микроклимата помещений с учетом региональных условий строительства и эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в решении научно-технической проблемы повышения энергоэффективности зданий и их конструкций из

местных материалов в региональных условиях Среднего Поволжья и центральных регионов России с учетом использования альтернативных источников энергии:

в установлении зависимостей тепловой эффективности наружных ограждений, оборудованных энергоактивными модулями, от ширины зданий, их этажности, высоты этажа, площади использования модулей на фасадах;

в разработке и испытании конструкции эффективного энергоактивного модуля наружного ограждения для восприятия и передачи в помещения прямого и рассеянного тепла солнечной радиации в климатических условиях изучаемых регионов;

в выявлении аналитических зависимостей и критериальной формы представления основной целевой функции энергосистемы единого цикла создания объектов энергоэффективного типа и целевых функций ее подсистем применительно к различным типам зданий традиционной постройки и нового поколения;

в установлении аналитических зависимостей, определяющих величину теплоемкости энергоактивной наружной стены, ее коэффициент теплопередачи и коэффициенты светопропускания энергоактивных окон в условиях «критической облученности» (при которых величины теплоемкости такой стены, интенсивности солнечной радиации, температуры наружного воздуха обеспечивают автономный обогрев помещений теплом солнечной радиации).

Методы исследования. Поставленная задача решалась методами натурных, экспериментальных и теоретических исследований, основанными на современных достижениях в области теории и практики создания домов повышенной тепловой эффективности, физико-математического моделирования с использованием системного анализа:

1. По результатам натурных обследований состояния тепловой защиты жилых и общественных зданий г. Пензы и области определялись их тепло-

вые потери, тепловая потребность, удельная величина тепловой энергии на отопление зданий и давалась оценка их уровня энергоэффективности. Методом многовариантного проектирования находились наиболее рациональные по удельной величине тепловой энергии варианты утепления наружных ограждений обследованных зданий.

2. В лабораторных условиях на стандартном оборудовании определялись коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и физико-механические характеристики (прочность) местных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов, разработанных в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства для использования в энергоэффективных зданиях (патенты на изобретения № 2128152 (1999 г.), 2215714 (2003 г.), 2243188 (2004 г.).

В натурных условиях выполнялись экспериментальные исследования тепловой эффективности опытного образца энергоактивного модуля; в специально сконструированных испытательных камерах проводились исследования теплоаккумулирующих свойств местных строительных материалов и теплопоглощающей способности инсолируемых светопрозрачных тонких покрытий на поверхности моделей ограждений.

3. Методами теоретических исследований с использованием системного анализа: выполнялась разработка единого цикла создания энергоэффективных объектов с определением локальных критериев подсистем цикла применительно к различным типам проектируемых зданий; для энергоактивных наружных стен и окон находились аналитические зависимости по определению теплоемкости глухих участков ограждений и коэффициентов светопропускания светопрозрачных участков в условиях «критической облученности».

На защиту выносятся: 1.Результаты исследований уровня энергоэффективности эксплуатируемых жилых зданий в регионе Среднего Поволжья (г.Пенза и область)

по данным натурных обследований состояния их тепловой защиты. 2.Комплексная оценка теплофизических свойств эффективных местных строительных материалов, разработанных в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства, и изготовленных из них ограждающих конструкций для использования в энергоэффективных зданиях.

  1. Варианты повышения энергоэкономичности объемно- планировочных решений зданий при их блокировании, применении энергоактивных модулей на поверхности наружных ограждений и использовании подземного пространства зданий.

  2. Конструктивное решение энергоактивного модуля, размещаемого в нишах наружных ограждений для восприятия и передачи в помещения тепла солнечной радиации, и характеристика его тепловой эффективности.

  3. Математическая модель расхода тепловой энергии зданием, основанная на концепции единого цикла создания энергоэффективных объектов.

  4. Аналитические зависимости по определению теплоэнергетических показателей энергоактивных наружных стен и окон для обеспечения авто -номного «солнечного» отопления здания в переходные периоды года.

Практическая ценность работы.

Для строящихся и реконструируемых зданий в целях повышения их энергоэффективности разработана, сконструирована и испытана энергоактивная конструкция (модуль), обеспечивающая солнечный обогрев помещений в климатических условиях Среднего Поволжья и центральных регионов России.

Для использования в проектной практике предложены способы повышения тепловой эффективности зданий путем использования новых вариантов блокирования объектов, применения энергоактивных конструкций на наружной оболочке зданий, имеющих различную ширину, этажность, высоту этажа, а также за счет переноса вспомогательных помещений квартир в подземное пространство зданий.

Для муниципальных служб в работе по составлению энергетических паспортов определен уровень энергоэффективности большого массива (более 30 объектов) жилых и гражданских зданий г. Пензы и области.

Результаты исследований использованы:

в Федеральной программе поддержки малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках выигранного инновационного проекта, ф инансируемого Правительством России, на базе образованного предприятия ООО «ПБКомпозит»;

при реконструкции и повышении тепловой защиты жилых и промышленных зданий г. Пензы и области;

в конструктивных решениях наружных ограждений зданий из ячеистого бетона, разработанного в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства, в том числе спроектированных ОАО «Пенз-гражданпроект» для усадебных и малоэтажных домов;

в «Комплексной Программе энергосбережения Пензенской области на 2001-2003 гг.».

Апробация результатов исследований проходила в рамках работы 32 научно-практических и научно- технических конференций ( из которых 8 носили статус международных), опубликованы в 96 научных статьях, в том числе 7 зарубежных. По материалам диссертации издано 3 учебных пособия с грифом Минвуза РФ, два из которых переизданы с дополнениями в 1999 г., а также опубликована монография ( в соавторстве) в 2003 г. и получено 3 патента на изобретения. Результаты диссертационного исследования отмечались:

- дипломами международных, всероссийских и региональных выставок по ресурсо-энергосбережению и инновационным технологиям;

-дипломом Российской академии архитектуры и строительных наук за работу "Создание высокоэффективных неавтоклавных теплоизоляционных

стеновых материалов" в конкурсе на лучшие научные и творческие работы в области архитектуры, градостроительства и строительных наук 2001 г.

-дипломом Лейпцигской международной строительной выставки «BAUFACH» (Германия) в 2002 г.;

-Золотой медалью Всероссийского выставочного центра на Ш-ем Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2003 г.;

-научной стипендией губернатора Пензенской области за 2004 г.;

-опубликованы в программе и материалах Международного конгресса по бетонам и конструкциям «Global Construction: Ultimate Concrete Oppor-tunities» (6 International Congress, Dandee, Scotland, 5-7.07.05).

В основную часть экспериментальных и теоретических исследований вошли результаты проектов НИР автора, победивших в конкурсах научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма 211. Архитектура и строительство), 2003- 2004 гг. и Межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Федеральной службы специального строительства РФ по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (подпрограмма 1), 2002 г.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 330 стр. состоит из введения, 6 глав. Текст диссертации включает 83 рисунка, 50 таблиц, 5 приложений. Список литературы содержит 347 наименований.

Личный вклад автора. Теоретические и экспериментальные исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнены непосредственно автором, натурные исследования - при активном участии и под руководством автора совместно с преподавателями и студентами ПТУ АС (1971-1981 и 1986-2003 гг), экспериментальные исследования теплофизических свойств местных строительных материалов- совместно с кафедрой «Строительные материалы» в испытательной лаборатории ПГУАС, аккредитованной Пензенским центром стандартизации и сертификации.

Подобные работы
Король Светлана Павловна
Экспериментальное исследование конструкций несущих объемных блоков при шахматной пространственной их расстановке в зданиях

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net