Geum.ru

Проблемы развития строительной теплофизики зданий на современном этапе

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Проблемы развития строительной теплофизики зданий на современном этапе


ссылка скрыта


В этом номере мы публикуем статью из первого номера журнала «АВОК» 1990 года.

Один из ее авторов — Богословский Вячеслав Николаевич (1923—2001), академик РААСН, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, один из основателей Ассоциации инженеров АВОК, создатель нового направления в специальности ОВК — тепловой режим здания, где он интегрировал и значительно расширил знания о физических процессах тепло-, влаго- и воздухообмена в зданиях с системами ОВК, в вопросах формирования и управления микроклиматом помещений.

В настоящее время исключительную важность в экономическом и социальном плане приобретают вопросы научно-инженерного обеспечения систем кондиционирования микроклимата (СКМ).

Основной целью научно-инженерных разработок в этой области является создание оптимальных санитарно-гигиенических и технологических параметров среды. СКМ должны быть эффективными, экономичными и обеспечивать наименьший социальный и производственный ущерб при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах, экономном расходовании энергетических, материальных и трудовых ресурсов. Вот почему вопросам строительной теплофизики уделяется огромное внимание во всех развитых странах мира.

Можно сказать, что сейчас уровень развития этой специальности и отношение к ней является индикатором состояния социального развития общества, отношения государства и правительства к реальным социально-общественным запросам современного человека. Научно-технический уровень специальности во всех развитых странах сейчас чрезвычайно высок. В инженерных системах кондиционирования микроклимата используются все достижения современной науки и техники. Следует признать серьезное отставание нашей страны в этой области, особенно в части технологии, хотя и в плане развития научных разработок в последние годы начинает намечаться отрыв.

Решение проблемы возможно только при комплексном ее рассмотрении. Здание и его инженерные системы необходимо представлять как единую систему кондиционирования микроклимата.

Под СКМ следует понимать совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные режимы ее функционирования. Объемно-планировочные, градоустроительные и конструктивные защитные свойства здания, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха - все это является составляющими СКМ, и именно в этой роли они должны рассматриваться.

Комплекс сложных, взаимосвязанных между собой процессов тепло- и массообмена, происходящих в современных зданиях и его системах, обычно представляют как тепловой, воздушный и влажностный режим здания. В научно-инженерном плане эти проблемы изучены и решены достаточно полно. Существенной является концепция эффективности СКМ как совокупного ее свойства обеспеченности, надежности и управляемости. При проектировании СКМ зданий, анализе их режима работы и регулирования определяющими являются тепломассообменные условия в помещениях. Они формируются под влиянием комплексного воздействия наружного климата, внутренней среды и технологических процессов. Общий теплообмен в помещении имеет определенную специфичность, связанную с ограниченным объемом, определенными радиационными свойствами и ограниченным диапазоном температуры поверхностей. Его описание можно привести к одному уравнению лучистоконвективного теплообмена между нагретыми и охлажденными поверхностями.

Наряду с этим тепловая обстановка, которая должна выдерживаться в помещении, определяется двумя условиями комфортности. Первое условие определяет общую тепловую обстановку в помещении, второе - допустимые температуры на нагретых и охлажденных поверхностях, скорости и температуры струй воздуха на входе в помещение, т. е. локальные условия комфортности на границах обслуживаемой зоны помещений. Таким образом, задача обогрева (охлаждения) помещения определена уравнением общего теплообмена и двумя условиями комфортности.

Расчет теплопотерь помещением через ограждения сложной конструкции предложено определять с помощью приведенного сопротивления теплопередаче. В нем использован принцип суперпозиции с помощью «факторов формы», которые показывают возрастание теплопотерь через двухмерные элементы охлаждения.

Нестационарный тепловой режим помещения, который формируется под влиянием возмущающих и регулирующих воздействий, определяется с помощью теории теплоустойчивости. В общем, совместно рассматриваются лучистые и конвективные составляющие теплообмена. При этом потоки теплоты делятся на гармонические и прерывистые, учитывается воздухообмен и наличие оборудования в помещении. С помощью уравнений теплоустойчивости можно рассчитать изменение температурной обстановки в помещении, необходимую подачу в помещение теплоты или холода для обеспечения заданного внутреннего теплового режима.

Решен принципиально важный вопрос о величине регулирующего воздействия одного вида (например, конвективного при кондиционировании воздуха) на возмущающее воздействие другого вида (например, лучистого при проникновении солнечной радиации в помещение). В результате, например, доказано, что установочная мощность системы кондиционирования воздуха должна быть меньше летних расчетных теплопоступлений в помещение. Решения использованы для определения частотных и временных характеристик помещения как объекта регулирования при проектировании средств автоматического регулирования СКМ. Составлены полный алгоритм и ряд программ расчета нестационарного теплового режима помещений на ЭВМ.

Внутренние тепловые условия в помещении должны соответствовать функциональным и санитарно-гигиеническим требованиям с определенной обеспеченностью. Отклонение от расчетных условий можно характеризовать числом случаев и общей продолжительностью отклонений. В качестве показателя обеспеченности принят коэффициент обеспеченности, который определяет в долях единицы недопустимость отклонений условий от расчетных. Обеспеченность внутренних условий связана с вероятностью внешних воздействий. Поэтому с их учетом должны определяться расчетные условия. Таким образом, определяются расчетные параметры наружного климата для холодного, теплого и годового периодов.

Разработана единая методика термодинамического описания и расчета процессов тепло- и массообмена во всех элементах кондиционирования микроклимата здания. В основе ее использован приближенный аналитический способ расчета изменения тепловлажностного состояния воздуха, термодинамическое состояние которого определяется температурой и потенциалом влажности. Как показано выше, большое многообразие тепло-массобменных элементов системы кондиционирования микроклимата здания можно привести к трем основным моделям, для которых получены общие постановки задачи и аналитические решения.

Над решением различных задач СКМ работает значительное число научно-исследовательских, учебных, проектных, конструкторских и производственных организаций.

Основным направлением является исследование теплового режима, конечная цель которого - создание современного здания с эффективным использованием энергии. Здесь разрабатываются климатологическое обеспечение, комфортность условий, защитные свойства ограждений, периодические и переходные процессы тепло- и массообмена, режимы работы, регулирование и управление СКМ. Широкий круг исследований проводится в области воздушного режима здания и его внутренней, краевой и внешней задач. Изучаются влажностью режимы материалов в ограждениях зданий. Ведутся исследования по схемным решениям и отдельным аппаратам и устройствам СКМ, в частности для современных производственных помещений. Ниже рассмотрены некоторые наиболее важные и новые научно-технические направления.

Одной из основных задач строительной теплофизики на современном этапе является оптимизация теплового режима зданий и сооружений с целью снижения материалоемкости ограждающих конструкций и уменьшения затрат тепловой энергии на отопление зданий. Это потребовало новых методов теплотехнических расчетов, уточнения и детализации климатических расчетных параметров для строительства. Все возрастающая ориентация на широкое внедрение в отечественную строительную практику энергоэффективных зданий предусматривает дальнейшее совершенствование индустриальных ограждающих конструкций путем повышения их термической однородности при существенном увеличении общего уровня теплозащиты.

Последовательность повышения эффективности использования энергии в здании должна включать в себя прежде всего оптимизацию СКМ и всех ее элементов в основных проектных решениях здания и их реализацию при строительстве. При наличии оптимальной СКМ с эффективным энергопотреблением необходимо рассмотреть вопросы экономии энергии в процессе эксплуатации здания в режиме его круглогодичной работы и при регулировании. Только после выполнения всех перечисленных выше условий целесообразно принятие дополнительных решений по утилизации низкопотенциальной теплоты, по использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (вторичных энергоресурсов, солнечной энергии и т. п.).

Совершенствование норм и методов проектирования теплозащиты энергоэффентивных зданий является ключевым вопросом энергосбережения. На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований в настоящее время получили обоснование новые нормативные требования к сопротивлению различных видов наружных ограждений, которые находятся на уровне развития капиталистических стран. Требуемое сопротивление теплопередаче принимается в СССР от 1,3 м2*°С/Вт в южных районах до 4 м2*°С/Вт в северных районах. Внедрение новых требований уже позволило в новостройках снизить на 15 % расход энергии. Для сравнения, нормативные уровни теплозащиты в зарубежных странах имеют следующие значения:
  • Швеция - 3,3-4 м2оС/Вт;
  • Финляндия- 3,6 м2оС/Вт;
  • Канада -2,5-3,7 м2оС/Вт;
  • ФРГ - 1,5-2 м2оС/Вт;
  • США - 1,1-2,5 м2оС/Вт;
  • Великобритания -1,7 м2оС/Вт.

Однако нормируемая в СССР степень герметичности зданий ниже в среднем в 2-4 раза аналогичных показателей в развитых капиталистических странах. Так, по отечественным нормам воздухопроницаемость окон и балконных дверей допускается от 8 до 10 кг/(м2-ч), а в Швеции - 2,4 кг/(м2*ч). Если сопоставить суммарное годовое удельное энергопотребление в жилых домах Швеции - 33 кг у.т./м2, США - 57 кг у.т./м2 и СССР -61 кг у.т./м2, то видно, что в СССР имеются большие возможности в части эффективного использования энергии.

Для решения перечисленных задач НИИСФ работает сейчас над следующими вопросами:
  1. Совершенствование норм по строительной теплофизике.
  2.  Повышение уровня теплозащиты зданий.
  3. Обеспечение требуемого микроклимата при одновременном снижении энергозатрат.
  4.  Повышение долговечности наружных ограждающих конструкций.
  5. Создание методов и средств неразрушающего контроля теплотехнических качеств индустриальных ограждающих конструкций.

Совершенствование норм по строительной теплофизике сводится к разработке норм и методов расчета зданий с эффективным использованием энергии. При решении задач выбора оптимального уровня теплозащитных свойств ограждающих конструкций и теплозащиты здания в целом получили развитие теоретические основы энергетического взаимодействия теплового, воздушного и влажностного режима здания как единого целого, разработаны методики расчета оптимальных размеров и ориентации здания и нормирование, и расчет энергетических характеристик здания. Нормативные расчетные характеристики определены с заданной обеспеченностью.

Будут разработаны комплексные характеристики теплозащиты здания, зависящие не только от сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций, но и от их массивности, площади световых проемов, теплопоступлений от солнечной радиации, а также учета теплового взаимодействия различных видов ограждающих конструкций и отопительных приборов в зданиях. Для полной оценки эффективности ограждающих конструкций необходим анализ их теплового состояния в годовом цикле эксплуатации с учетом суточных изменений климатических факторов.

Проблема повышения уровня теплозащиты зданий заключается в создании таких ограждающих конструкций, которые бы удовлетворяли повышенным требованиям норм. В настоящее время разработаны новые типы слоистых ограждающих конструкций с эффективным утеплителем, в том числе трехслойные железобетонные панели на гибких связях с повышенной термической однородностью и эксплуатационной надежностью, легкобетонные панели с термовкладышами, новые виды кладок и панелей из эффективных пустотелых мелкоштучных изделий, металлические панели с эффективным утеплителем для производственных и инвентарных зданий, новые типы ограждающих конструкций с использованием отходов промышленности, деревообработки и сельского хозяйства. Существенному совершенствованию подверглись основы теплотехнического проектирования ограждающих конструкций, которое в настоящее время осуществляется с использованием вычислительной техники с привлечением современных методов экспериментальных исследований.

Будут продолжены исследования слоистых ограждающих конструкций с использованием в качестве утеплителя заливочных пенопластов, подвижных смесей и других новых материалов, в том числе кремнепора, азерита, асбестосиликата. Намечена разработка принципиально новых светопрозрачных конструкций с улучшенными эксплуатационными качествами, в том числе с тепловыми зеркалами.

Анализ конструктивных решений окон и фонарей, разработанных в нашей стране и за рубежом, показал, что имеется тенденция к увеличению числа слоев остекления, уменьшению светопроемов, использованию теплоотражающих стекол и пленок, применению утилизации теплоты с помощью окон, герметизации конструкций, созданию светопрозрачных конструкций с мелкомасштабными воздушными прослойками (сотовыми и щелевидными), применению аэрогелей, регулированию светопропускания и теплозащиты в разное время года и суток.

Правильно спроектировать и эксплуатировать светопрозрачные ограждения невозможно без знания светотехники, климатологии, теплотехники, аэродинамики, медицины, акустики и экономики. Методы расчета должны базироваться на исследованиях медиков и на требованиях к микроклимату помещения. Для решения этой проблемы необходимо разработать комплексные методы расчета окон и фонарей при естественном и совмещенном освещениях.

Комплексный метод оптимизации светотеплотехнических свойств окон должен включать в себя выбор площади светопроемов, их защитных свойств, определение влияния на теплопередачу отопительных и вентиляционных систем солнечной радиации, технико-экономические расчеты.

Для обеспечения требуемого микроклимата при одновременном снижении энергозатрат созданы научные основы управления микроклиматом производственных помещений с использованием ЭВМ и комплекс соответствующих технических программных средств, позволяющих минимизировать расход энергии на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха.

Разработаны действующие экспериментальные системы управления микроклиматом автомобильного завода им. Ленинского Комсомола - АЗЛК (Москва) и Талнахской фабрики Норильского ГОК. Разрабатывается проект автоматизированной системы управления (АСУ) микроклиматом помещений завода по производству средств автоматизации (Санкт-Петербург) и корпусов металлургического производства Волжского автомобильного завода (Тольятти).

Внедрение систем обеспечивает экономию энергии в эксплуатируемых зданиях около 25 %, что составляет, например, для АЗЛК около 4,5 тыс. т у.т. ежегодно. Окупаемость систем составляет 1-1,5 года за счет сбереженной энергии. Применение этих систем эффективно при реконструкции действующих предприятий. В перспективе возможна разработка таких систем для управления жилыми кварталами или микрорайонами города.

Повышение долговечности наружных ограждающих конструкции в суровых климатических условиях должно осуществляться без существенного увеличения стоимости конструкции. Созданы методы прогнозирования, оценки и повышения долговечности конструкций, обобщены результаты лабораторных и натурных исследований, изучено поведение влажных строительных материалов, изделий и конструкций при циклических воздействиях низких отрицательных температур, в том числе с происходящими в них криогенными фазовыми переходами влаги.

Внедрены на Норильском ГМК ограждающие конструкции с повышенной долговечностью, а также разработаны и внедрены в проекты и строительство (Кишинев, Рубежанск) практические способы повышения долговечности наружных стен в промышленных зданиях с «мокрым» режимом эксплуатации путем применения панелей наружных стен с вентилируемыми прослойками.

Будут развиты и внедрены методы прогнозирования долговечности эффективных трехслойных стен, пересмотрены действующие ГОСТы по определению морозостойкости строительных материалов, дополнен СНиП по строительной теплофизике расчетом долговечности наружных ограждений.

Создание квалиметрических методов и средств неразрушающего контроля теплотехнических качеств индустриальных ограждающих конструкций даст возможность получить надежный статистический массив экспериментальных данных по всей территории нашей страны, что позволит устанавливать научно-обоснованные расчетные теплотехнические характеристики для включения в нормативные документы. Важнейшим вопросом является качество внутреннего воздуха. В настоящее время завершен цикл поисковых исследований, в результате которых определены и сформулированы основные положения нового многопараметрового метода диэлькометрических измерений теплофизических характеристик материалов ограждающих конструкции, базирующихся на впервые установленных физических аналогиях. Разработана теория нового метода измерений теплозащитных качеств однослойных панелей наружных стен непосредственно на заводах ЖБК в процессе их остывания после тепловой обработки. Апробация метода осуществлена на домостроительных комбинатах страны. Завершена работа по созданию комплекса государственных стандартов на методы измерения теплофизических характеристик строительных материалов ограждающих конструкций (теплопроводность, сопротивление теплопередаче, сопротивление воздухопроницанию, влажность, сорбционное увлажнение, сопротивление паропроницанию, теплоустойчивость, плотность теплового потока, тепловая активность полов, тепловизионный контроль). В ближайшее время будут разработаны:

- инструментальное определение основных теплотехнических характеристик и энергетических показателей здания, в том числе приведенного сопротивления теплопередаче термически неоднородных ограждающих конструкций, обобщенного сопротивления теплопередаче здания, обобщенной воздухопроницаемости здания и удельных энергозатрат;

- методика инструментального определения уровня концентрации радона и других излучений в помещениях, классификация помещений и ограждающих конструкций по степени отрицательного влияния на среду обитания, а также мероприятия по борьбе с этими явлениями.

В заключение хотелось бы познакомить читателей со структурно-тематическим построением Комитета АВОК «Строительная теплофизика» и основной проблематикой направлений работы.

Основные направления работы комитета:

1. Тепловой режим ограждений помещения

1.1. Теплообмен в помещении, комфортность и оптимальность внутренних условий.

1.2. Теплопередача ограждений, их защитные свойства, теплопроводность строительных материалов.

1.3. Теплоустойчивость ограждений и помещений.

1.4. Строительная климатология, теплообмен на внешней поверхности здания.

2. Здание с эффективным использованием энергии

2.1. Эффективность, обеспеченность, надежность, управляемость СКМ здания.

2.2. Оптимизация конструкций светопрозрачных ограждений.

2.3. Оптимизация энергопотребления здания.

2.4. Зимний, летний, годовой режимы работы и регулирование СКМ здания.

2.5. Управление (АСУ) тепловым и воздушным режимом здания с эффективным использованием энергии.

2.6. Использование солнечной энергии и других низкопотенциальных альтернативных источников энергии в здании. Пассивные и гибридные СКМ здания.

2.7. Программное обеспечение, использование ЭВМ, САПР современного здания с эффективным использованием энергии.

2.8. Аккумуляция теплоты и холода. Фазовые аккумуляторы-теплообменники, материалы, аппараты, системы.

3. Воздушный режим здания

3.1. Воздухопроницаемость и герметизация ограждающих конструкций здания, воздухопроницаемость материалов.

3.2. Организация воздухообмена в здании.

3.3. Окна и воздушные прослойки в ограждениях здания.

3.4. Рекуперация и регенерация теплоты в здании.

4. Влажностный режим наружных ограждений здания

4.1. Влажностью свойства и характеристики состояния и переноса влаги в строительных материалах.

4.2. Влагопередача и влажностный режим наружных ограждений здания.

4.3. Совместная тепломассопередача в ограждающих конструкциях здания.

4.4. Криотехника и долговечность наружных ограждений здания.

4.5. Радиационный режим в здании, радиоактивность строительных материалов.

АВОК, № 1/2005

ссылка скрыта »

ссылка скрыта »


24.02.2005