CC BY
90
На рис. 6 показано изменение производительности умственного труда в обычной одежде в зависимости
от температуры в помещении.
%
100 ;
80
60
40
20
0 10 20 30 40 °С
Рис. 6. Изменение производительности умственного труда людей среднего возраста в зависимости от температуры воздуха
Изменение работоспособности людей в течение всего года представлено на рис. 7. верхняя линия относится к помещению с кондиционированием воздуха; средняя - к помещению без кондиционирования, но имеющему остекление с высокой теплоотража-тельной способностью и внутренние теплозащитные жалюзи; нижняя линия характеризует помещение, не защищенное от солнечного излучения.
Таким образом, проблема комфортности работающего заслуживает всестороннего внимания. Она может быть решена на основании тщательно проведенных экспериментальных исследований, проводимых в термобарокамере, и теоретических исследований, основанных на методах математического моделирования изучаемых явлений.
Энергосбережие является одной из наиболее актуальных задач современности. С ним в значительной степени связаны экономические и экологические проблемы. Большая доля энергетических ресурсов страны расходуется на теплоснабжение жилых зданий и зда-
Рис. 7. Динамика производительности труда в течение года
Материалы, представленные в статье - анализ состояния вопроса, который рассматривается с теоретической и экспериментальной точки зрения. Собственные результаты исследований по данному научному направлению будут представлены в последующих публикациях автора.
Литература
1. Miller P.L., Nevins R.G. Room air Distribution Performance
of Ventilating Ceilings and Cone-type Circular Diffusers // ASHRAE Transaction. 1970. Vol. 76. P. 186-198.
2. Jokl M., Stverak J. Optimales Microclimate in Arbeitsstatlen und Wohngebauden // Gesundheits-Ing. 1970. № 10. P. 287294.
3. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений: Расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека. М., 1981.
4. FangerP.O. Calculation of thermal comfort: introduction of a basic comfort equation // ASHRAE Transaction. 1967. Vol. 76.
5. Daniels K. Klimatisieren oder nur heizen // Technische Rdsch., 1971. № 13.
14 октября 2004 г.
ний различного технологического назначения. Поэтому вполне закономерным является появление в последние два-три десятилетия нового научно-экспериментального направления в строительстве, связанного с проблемой энергосбережения.
Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар УДК 697.1
К ПРОБЛЕМЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЗДАНИЯ
© 2005 г. Р.А. Амерханов, С.Н. Бегдай
Реализация разработанных в настоящее время программ позволила сделать вывод, что при сокращении энергопотребления на 30-50 % по сравнению со стандартом Л8ИЯЛЕ $1аМаМ-90.1 дополнительные затраты превышают расходы на аналогичные традиционные здания не более чем на 10 %. Следует подчеркнуть, что максимизация одного из компонентов может привести к минимизации другого. Этот синер-гетический эффект обязательно выше стоимости традиционного.
На рис. 1 приведена схема основных энергосберегающих мероприятий и взаимосвязи между ними [1].
Максимизация Минимизация Уменьшение
теплоизоляции потери тепла —> габаритов
здания через оболочку отопительной
здания установки
• Оптимизация проекта освещения
• Максимизация использования естественного освещения
Снижение теплопоступлений от источников
освещения (светильников)
Уменьшение габаритов холодильной установки
Снижение интенсивности вентиляции 1
Уменьшение габаритов вентиляторов
Рис. 1. Блок схема взаимозависимости компонентов здания как единой теплоэнергетической системы
Проблема создания зданий с эффективным использованием энергии существенна для России, особенно при эксплуатации коммунальных жилых зданий. Для решения этой проблемы необходимо в первую очередь разработать общую концепцию, методики и рекомендации по отдельным вопросам и элементам конструкции создания современного, экологически чистого, экономичного здания с эффективным использованием энергии.
Проектирование энергоэффективных зданий основывается на использовании соответствующих методов системного анализа и исследования операций, направленных на предварительную количественную оценку оптимальных решений. В работах [2-4] предлагается математическая модель теплового режима здания, которая представлена в виде трех взаимосвязанных систем уравнений:
- модель теплоэнергетического воздействия наружного климата на здание;
- модель теплоаккумуляционных характеристик ограждающих конструкций;
- модель теплоэнергетического баланса помещений здания.
Более обоснованным представляется метод математического анализа при исследовании проблемы энергоэффективного здания, предложенный В. Н. Богословским в виде решения триединой задачи [5]:
организацию микроклимата помещений; минимизацию затрат органического топлива; рациональное расходование других (кроме топлива) материально-технических ресурсов.
Совокупность требований к созданию приемлемого микроклимата записывается в виде
Roi > R0
tn = f (tв , tн ,V в , Ф в
Т >Тд
...); Коб >КОб,
где Roi - термическое сопротивление /-го ограждения, т в - температура на внутренней поверхности ограждения, tв, tн - температура воздуха внутри помещения наружного воздуха, v в и ф в - соответственно скорость и относительная влажность воздуха в помещении, К об - заданный для этого здания коэффициент обеспеченности.
Второй аспект концепции определяет соответствие принимаемых мероприятий требованиям энергосбережения. В основу этого аспекта должны быть положены показатели удельного энергопотребления здания за год (отопительный период), доп. Кроме того, следует принимать во внимание приведенное сопротивление теплопередачи ограждения Ro (из условия энергосбережения R0), приведенное сопротивление теплопередачи здания R ^, среднюю кратность воздухообмена здания за год (отопительный период) КР . Основные требования к решению второго аспекта записываются следующим образом:
^ „max. доп Е> _ Е>
qо.п < qо.п , Roi ~ R0.¿,
R з
= RTp
зд '
К
Р зд
■■К пр
Р
зд
Третий теоретический подход к решению проблемы энергосбережения определяет рациональное использование материально-технических ресурсов. Совокупность требований, предъявляемых к указанному аспекту энергосбережения, определяется: соответствием термических сопротивлений ограждений R зтдр,
R0Pг, Rог оптимальным значениям; показателем теплотехнической однородности ограждений г; фактором формы ограждений ; удельной установочной мощ-
ностю N
телем надежности элементов Кнад
об и стоимостью Sоб оборудования, показа-
R тр ^ Rnp ^ R . - r■ • f- ^ 10-
о. г о.г> г > J г > >
N об ^ N отр;
S ^ S ТР ; К ^ К ТР
S об ^ S об ; К над ^ К над •
При решении проблемы энергосбережения к наружным ограждающим конструкциям предъявляется ряд требований. Наиболее существенные из них - это теплозащита и теплоустойчивость ограждений. Задача оптимизации в этой области состоит в том, чтобы
методом математического моделирования сконструировать ограждающую конструкцию, которая наилучшим образом соответствовала бы требуемым значениям теплозащиты и теплоустойчивости.
В работе [6] предложен метод определения оптимального расположения слоев материалов в многослойной ограждающей конструкции. Суть метода в том, что в зависимости от порядка расположения слоев материала величина теплоустойчивости конструкции может изменяться в два-три раза.
Влияние наружного воздуха на тепловой баланс здания зависит от соотношения его размеров, формы и ориентации. Решение задачи по выбору оптимальных размеров и ориентации здания прямоугольной формы приведено в [7]. Результаты исследований, отражающие теплопотери здания от его формы, показаны на рис. 2.
Относительные теплопотери, %
200
180 \
160
140 \
120
100 80
1 1 1 1 1 1 1 1 1
9:1 7:1 5:1 3:1 1:1 1:2 1:4 1:6 1:8 1:10
Р ^^ Отношение высоты к длине здания
L У LJ ö Ö □ □ ОПСЭ
Зависимость теплопотерь здания от его формы и отношения площади поверхности к объему
Рис. 2. Современное представление архитекторов о влиянии ориентации и формы здания на его теплопотребление [3]
В общем математическом виде целевую функцию для энергоэффективного здания запишем следующим образом:
Qmin = Ф(¥ i ),
где Q min - минимальный расход энергии на создание требуемого микроклимата в помещениях здания, у i -показатель архитектурных и инженерных решений здания, обеспечивающих минимизацию расхода энергии.
Так как параметры окружающей среды могут изменяться в значительной степени, первостепенное значение приобретает вопрос управления расходом и распределением энергии. Задача заключается в том, чтобы найти такое управление расходом энергии Q (Т)
на обогрев помещения, которое бы представляло систему математических уравнений, описывающих процесс энергосбережения в зданиях и соответствовало
начальным граничным условиям, для которых расход энергии имеет наименьшее возможное решение
I=/ аш т.
т
При централизованном теплоснабжении большое количество теплоты теряется в окружающую среду в тепловых сетях. Потери теплоты в окружающую среду при транспортировке теплоносителя по трубопроводам нормируются и составляют 8-9 % от отпущенного количества теплоты. Фактически потери существенно выше, доходя иногда до 40 % [8].
Установка приборов учета расхода теплоты и горячей воды для общественных и жилых зданий может привести к экономии теплоты до 20 % [7]. Для учета потребленной теплоты и расхода воды на горячее водоснабжение необходима установка приборов, измеряющих расход теплоносителя, его температуру. Предпочтение следует отдавать тепловычислителю, производящему автоматический расчет количества потребленной тепловой энергии.
Эффективность энергосберегающих зданий можно заметно повысить путем использования возобновляемых источников энергии, к примеру солнечной энергии.
Действующие нормы по строительной теплотехнике не включают нормативы, относящиеся к энергосберегающим зданиям. В связи с ростом требований к энергосбережению возникла необходимость в разработке и нормировании соответствующих энергетических показателей. При этом здание должно рассматриваться как единая энергопотребляющая система [9, 10].
Новая концепция построения норм для зданий с эффективным использованием энергии предполагает разработку нескольких документов, обеспечивающих проектировщика необходимой информацией. Рекомендуется, чтобы новый СНиП для зданий с эффективным использованием энергии состоял из следующих частей: первая часть - это собственно СНиП «Здания с эффективным использованием энергии», куда должны войти нормативные требования; во вторую часть («Строительная теплотехника») следует поместить нормативные методы расчета, позволяющие удовлетворить нормативные требования, заданные в первой части; в третью части должен быть включен «Энергетический паспорт здания» [11].
В новых нормах предлагается ввести в качестве нормативов следующие определяющие параметры: нормативный удельный расход тепловой энергии за отопительный период (д, Вт-ч/(м2-°С-сут), отражающий энергетическое количество здания, и нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции. Последний норматив выражает условие недопустимости выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения и, тем самым, выражает условие теплового комфорта в помещении.
Существенной задачей является формулировка основных принципов энергетического паспорта здания. Типовой Энергетический паспорт включает [12, 13]:
- общестроительные данные о геометрии и ориентации здания, площади ограждающих конструкций и пола;
- климатические характеристики района строительства, длительность отопительного периода;
- данные о системах обеспечения микроклимата помещений и способах их регулирования;
- сведения о теплозащите здания и его энергетических характеристик;
- соответствие теплозащиты и энергетических параметров здания нормативным требованиям;
- изменения (объемно-планировочные, конструктивные, системы поддержания микроклимата) построенного здания по сравнению с проектом;
- результаты испытаний энергопотребления и теплозащиты после годового периода его эксплуатации;
- сопоставление проектных и эксплуатационных теплозащитных и энергетических характеристик;
- сертификация здания, мероприятия по повышению энергетической эффективности.
Следует подчеркнуть, что «Энергетический паспорт здания» будет содействовать экономическому механизму стимулирования энергоснабжения (льготное налогообложение, кредитование, дотации и т. д.) и давать возможность для объективной оценки стоимости на рынке жилья.
Задача проектирования и создания энергоэффективных зданий требует дополнительной работы как исследователей, так и практических специалистов.
Литература
1. Тодеско Г. Энергоэффективные здания или как далеко можно идти //АВОК. 1997. №2. -С. 6-15.
2. Табунщиков Ю.А., Хромец Д.Ю., Матросов Ю.А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. М., 1983.
3. Tabunschikov Y. Mathematical models of thermal condition in buildings, CRC Press, USA. 1993.
4. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий // АВОК. 1998. № 1. С. 5-10.
5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: 2-е изд., перераб. и доп. М., 1982.
6. Jurobic S.A. An investigation of the minimization of building energy load through optimization techniques / Los Angeles scientific center, 1MB Corporation, Los Angeles, California.
7. Klaus Daniels. The Technology of Ecological Building. Basel, 1977.
8. Мазанов С.С., Мазанова Г.М. Как уменьшить затраты на
отопление, горячее и холодное водоснабжение, отвод стоков, освещение // Энергосбережение. 1999. № 5. С. 7-13.
9. Матросов Ю.А., Бутовский И.Н. Нормирование теплотехнических характеристик зданий с эффективным использованием энергии // АВОК. 1995. №5/6. С. 7-10.
10. Матросов Ю.А., Бутовский И.Н. Нормирование перепада между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружных ограждений, исходя из условий теплового комфорта // ВНИИНТПИ. Строительство и архитектура. Вып. 5. М., 1993. С. 21-27.
11. Матросов Ю.А., Бутовский И.Н., Бродач М.М. Здания с эффективным использованием энергии (новый принцип нормирования) // АВОК. 1996. № 3/4, С. 3-6.
12. Короткое С.Н. О нормировании и экономии топлива и энергии в зданиях // Промышленное строительство. 1985. № 5. С. 39-40.
13. Бродач М.М. Энергетический паспорт здания // АВОК. 1993. №1/2. С. 22-23.
14 октября 2004 г.
Кубанский государственный аграрный университет, г. Краснодар
