Содержание к диссертации
Введение
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
1.8. Создание энергоэкономичиых зданий 33
1.9. 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
2.1.1. Обследования наружных стен 57
2.1.2. Обследования конструкций крыш 63
2.1.3. Обследования конструкций окон 65
2.1.4. Измерения параметров микроклимата помещений 70
2.2. Результаты проведения второго этапа натурных исследований 71
2.3. 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 конструкций 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) 110
3.2.3. Арболитовый бетон 111
3.2.4. 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, повышающиеэнергоактивность 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 энергоактивности 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
5.3. Теплоэнергетические зависимости для здания с площадью отопления A h =122 м2, полученные по результатам испытаний и расчета 180
5.4. Исследование теплоаккумулирующих свойств местных строительных материалов 187
5.5. Исследование энергоактивных свойств светопрозрачных покровных слоев 196
5.6. 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
6.3. Концепция единого энергетического циісла создания объектов энергоэффективного типа на основе системного анализа 253
6.4. Выводы 269
7. Общие выводы 270
8. Библиографический список
- Разработка эффективных местных строительных материалов. Использование отечественных энергосберегающих строительных технологий в тепловой защите зданий
- Результаты проведения первого этапа натурных исследований
- Характеристика конструкций тепловой защиты из местных и импортных (привозных) строительных материалов
- Архитектурно- планировочные решения, повышающиеэнергоактивность зданий
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:
Установление фактического уровня тепловой защиты и энергоэффективности эксплуатируемых жилых зданий (на примере жилого фонда г. Пензы и области).
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.
Выполнение теоретических и экспериментальных исследований комплекса теплотехнических свойств наружных ограждений, изготовленных с использованием разработанных местных строительных материалов, в целях повышения энергоэффективности зданий.
Проведение экспериментальных исследований по разработке архитектурно- конструктивных решений наружных ограждений (энергоактивных модулей), обеспечивающих интенсивное поглощение и передачу в помещения тепловой энергии солнечной радиации.
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.
Варианты повышения энергоэкономичности объемно- планировочных решений зданий при их блокировании, применении энергоактивных модулей на поверхности наружных ограждений и использовании подземного пространства зданий.
Конструктивное решение энергоактивного модуля, размещаемого в нишах наружных ограждений для восприятия и передачи в помещения тепла солнечной радиации, и характеристика его тепловой эффективности.
Математическая модель расхода тепловой энергии зданием, основанная на концепции единого цикла создания энергоэффективных объектов.
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.
Разработка эффективных местных строительных материалов. Использование отечественных энергосберегающих строительных технологий в тепловой защите зданий
Исследовательская работа целого рядя ученых посвящена определению расчетных критериев необходимой теплозащиты зданий [92-93] и совершенствованию методов теплотехнического расчета ограждающих конструкций [30-33, 94-106]. Анализ результатов исследований этих авторов показывает, что реализация основных задач по экономии тепловой энергии в зданиях может быть эффективно осуществлена на базе надежных и дос таточно точных методов теплотехнического расчета при условии обоснованного выбора расчетных параметров, учета особенностей развития строительного комплекса, условий эксплуатации зданий и их ограждающих конструкций, а также климатических воздействий в районе строительства.
Разработанный Хлевчуком В.Р. [28, 93] инженерный метод теплотехнического расчета выявил закономерность изменения приведенного сопротивления теплопередаче в процессе оптимизации теплозащитных качеств легкобетонных панелей с термовкладышами. Усовершенствованная этим автором методика расчета теплового режима помещения позволила оценить теплозащитные качества и тепловые взаимодействия неоднородных участков наружных ограждений и выявить пути экономии тепла и материалов [94 ].
Гагариным В.Г. разработаны и научно обоснованы экономические критерии, определяющие экономические условия повышения теплозащиты здания в стране или в регионе. Введенные им параметр w предельного значения для удельных единовременных затрат и критерий подобия G обеспечивают возможность проведения комплексного сравнения экономико-климатических и физических условий утепления зданий в различных странах [30].
Анализ теплоэнергетического состояния ограждающих конструкций в годовом цикле и метод определения их теплотехнических показателей в нестационарных условиях теплопередачи приводится в работах [12,25].
Теоретические основы теплопередачи через стены с учетом их воздухопроницаемости исследованы в работах Шкловера A.M., Васильева Б.Ф., Ушкова Ф.В., Богословского В.Н. и др. [7, 23,25]. Авторами [107] приводится анализ теплопотерь в энергоэффективном здании с учетом его воздухопроницаемости.
В странах ЕЭС к Европейской экономической Комиссии ООН пересмотр и введение в действие новых стандартов и норм по энергосбережению, ужесточению нормативных требований к теплозащите жилых зданий произошло в конце 70-х - начале 80-х годов [108-112].
В США такое ужесточение стандартов произошло в середине 80-х годов. При проектировании зданий разных типов в соответствии со стандартом 90 IP достигается уменьшение расходов энергии по сравнению с предшествующим стандартом на 7 - 29 %. Наибольший эффект в экономии тепловой энергии обеспечивается за счет компьютерных технологий управления тепловым режимом, уменьшения мощности искусственного освещения.
В измененной (1980 г) редакции норм Германии DIN 4108 предусмотрено уменьшение максимально допустимого значения коэффициента теплопередачи на 25%, а в стандарте Финляндии «Сохранение энергии в зданиях» (1979г.) предусмотрено оборудование зданий автоматически регулируемой системой отопления, позволяющей поддерживать в каждой зоне помещения температуру воздуха с точностью до + 2 С [111].
В нормативных документах ряда зарубежных стран регламентируется ориентирование зданий, позволяющее сократить теплопотери через наружные ограждения благодаря учету ветровых воздействий и использованию тепла солнечной радиации в зимнее время.
В дополнение к стандарту США (ASHRAE) регламентируется использование рациональной геометрической формы, соотношения длины и ширины, площади здания, количества этажей.
Результаты проведения первого этапа натурных исследований
В ходе проведения первого этапа натурных исследований в г Пензе и области обследовалось большое количество зданий гражданского назначения, а также промышленные здания и сооружения. Обследования охватывают длительный период с 1971 по 2001 тт. В процессе обследований зданий основное внимание уделялось изучению температурно- влажност-ного режима и физического состояния наружных ограждающих конструкций, определению параметров микроклимата и величины теплопотерь помещений. После издания новой редакции СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника» более детально исследовались факторы единой энергетической и экологической системы здания и сооружения, влияющие на энергоэффективность последних. Среди обследуемых объектов - здания и сооружения различного срока эксплуатации с панельными, кирпичными, шлакобетонными блочными стенами, построенные по стеновой и каркасной архитектурно- конструктивным схемам.
Панельные стены. Как показали результаты натурных обследований, основными факторами, снижающими теплотехнические качества этих стен и энергоэкономичность зданий и сооружений, являлись превышение плотности материала однослойных конструкций, чрезмерная увлажненность отдельных участков стен, повышенная воздухопроницаемость стыковых соединений.
Так результаты лабораторных испытаний в 2000 г. стенового материала обследованных 5-ти и 9-ти этажных жилых зданий по серии 101 и одного 9-ти этажного жилого здания по серии 90 с однослойными керам-зитобетонными панелями показали, что для домов серии 101 во всех случаях фактическая плотность керамзитобетона превосходила проектное значение плотности в среднем в 1.5- 1.6 раза (табл. 2.1.). В доме по серии 90 превышение плотности материала на 25% наблюдалось в 50% отобранных проб.
Завышенные значения плотности материала панелей обусловливают увеличение его теплопроводности , что является основной причиной увлажнения и покрытия внутренней поверхности наружных стен конденсационной влагой и плесенью, повышенных теплопотерь и ухудшения микроклимата помещений. Рост влажности материала стеновых конструк ций вызывает увеличение его коэффициента теплопроводности, которое составляет в упомянутых случаях 40... 80%.
Как показали натурные обследования, причиной чрезмерного увлажнения материала стен послужил также неудовлетворительный аэраци-онный режим помещений зданий ( его характеристика дана в подразделе «микроклимат помещений») и плохое состояние стыковых соединений конструкций стен.
По данным лабораторных измерений, средняя весовая влажность керамзитобетона стен в значительной части обследованных помещений (18 квартир) составила 6.1% , что на 20% превышает предельно допустимую величину влажности данного материала. Это свидетельствует о неблагоприятном влажностном режиме и ухудшении теплового баланса наружных ограждений обследованных зданий.
Данные визуального осмотра упомянутых зданий, а также 5-ти этажного жилого дома №31 с трехслойными стеновыми панелями по ул. К. Цеткин, выявили наличие больших участков поверхности ограждений, покрытых пятнами сырости, следами выпадения конденсата, а местами и плесенью. Зоны наиболее интенсивного их расположения - вертикальные, а в некоторых случаях и горизонтальные грани в углах помещений, а также внутренние поверхности торцовых стен. Замечены многочисленные следы увлажнения и на участках сопряжений оконных блоков со стенами. При вскрытии стыковых соединений не был обнаружен предусмотренный проектом пороизол- герметик. Часть стыковых соединений была заполнена одним из следующих составов: только цементно- песчаным раствором, цементно- песчаным раствором с утепляющим вкладышем из пенополи-стирола, мастикой и пенополистиролом. Осмотр установил неудовлетворительное состояние упомянутых герметизирующих материалов.
Характеристика конструкций тепловой защиты из местных и импортных (привозных) строительных материалов
В последние годы заметно расширился круг научных исследований, направленных на изыскание эффективных теплоизоляционных и конструкционно- теплоизоляционных материалов. Столь пристальное внимание ученых и практиков-строителей к этой области строительного материаловедения объясняется той большой ролью, которую играют эти материалы в решении важных вопросов экономии энергоресурсов при эксплуатации зданий.
С 1995 года после известных изменений СНиП "Строительная теплотехника" строительный комплекс многих регионов страны попал в тяжелейший кризис, одной из причин которого явились или практически полное отсутствие, или скудные запасы в этих регионах геологических залежей строительного сырья, а также местных эффективных теплоизоляционных материалов, что вызывало необходимость ввоза последних из других регионов страны, или из-за границы. Широко применяемые в регионах утеплители из пенополистирола, минеральной ваты, привозные или изготавливаемые на месте с использованием импортных добавок, являются очень дорогостоящими и имеют к тому же такие недостатки, как недостаточную экологичность, долговечность, а изделия из вспученной пластмассы - невысокую пожаростойкость.
Анализ опубликованных результатов исследований позволяет сделать следующие выводы по региональной специфике применения ресурсо-энергосберегающих технологий в тепловой защите зданий и дать сравнительную оценку ряду эксплуатационных свойств используемых материалов и ограждающих конструкций на их основе.
1. Использование в отечественном строительном комплексе западных строительных технологий, импортируемых или транспортируемых издалека утеплителей привело к значительному удорожанию стоимости регионального строительства. Индекс доступности жилья в России, на порядок уступающий этому показателю для развитых стран, обусловливает необходимость скорейшего и широкого внедрения в строительство новых эффективных строительных технологий, адаптированных к возможностям региона и основанных на импортозамещающих конструкциях и материалах. В проектной практике предпочтение должно быть отдано таким конструктивным схемам зданий, их наружным ограждающим конструкциям и используемым материалам, которые в наиболее полной мере соответствуют особенностям строительного производства, природным богатствам, географическому положению, климатическим, транспортным условиям конкретного региона России. Б [297] отмечается, что применение прогрессивных ресурсе- энергосберегающих технологий наиболее эффективно при условии их соответствия природно- ресурсным возможностям сложившихся экосистем.
2. Важность рационального использования этих факторов в стратегии энергосбережения особенно значима, учитывая большую удаленность регионов России друг от друга, протяженность транспортных коммуникаций. Климат значительной части территории нашей страны характеризуется среднегодовой температурой воздуха ниже -2UC, при которой, как известно, каждый градус падения температуры приводит ориентировочно к 2 кратному повышению себестоимости обслуживания одного рабочего места. Даже на благоприятной с этой точки зрения территории страны (Европейская часть и др. районы) средние расстояния между территориальными образованьями в 3 раза больше, чем в Великобритании , Германии, Японии, а транспортные расходы в 2 -3 раза больше стоимости производства нерудных строительных материалов [298] .
4. Западные строительные технологии тепловой защиты зданий по-прежнему находят применение в отечественной практике проектирования и строительства. Критический анализ недостатков этих технологий в холодных климатических условиях нашей страны и преимуществ апробированных отечественных конструкций тепловой защиты с использованием местных строительных материалов дан в работе большой группы видных ученых [114].
В качестве примера широко применяемой в наших регионах западной строительной технологии по повышению теплозащиты наружных ограждений в этой работе рассмотрены, так называемые «термофасады». Принцип решения данной конструкции тепловой защиты ограждений, удовлетворяющий требованиям ІЇ -го этапа, состоит в наклеивании (прикреплении дюбелями) к наружной поверхности основной стены пенололи-стирола или минеральной ваты с последующим оштукатуриванием толщиной 15-20 мм по армирующему слою (сетке из капрона, стеклоткани, тонкой металлической проволоки). Такая конструкция утепления стен имеет одно несомненное преимущество- высокую теплоизолирующую способность при минимальном расходе утепляющего материала и повышении теплотехнической однородности конструкции. Однако теплофизи-ческие расчеты и имеющийся небольшой опыт эксплуатации «термофасадов» показывают, что данное конструктивное решение страдает целым рядом серьезных недостатков, что вызвало необходимость поиска более эффективных альтернативных решений по использованию данного способа повышения тепловой защиты наружных ограждений.
Архитектурно- планировочные решения, повышающиеэнергоактивность зданий
Снизить удельные теплопотери здания можно, трансформировав наружное ограждение или его часть в пассивную систему использования солнечной энергии (ПСИСЭ), что обеспечивает определенную экономию энергозатрат при эксплуатации здания за счет подогрева помещений теплом солнечной радиации. Целесообразность использования системы ПСИСЭ в архитектурно-строительном проектировании для условий не только южных и средних, но и северных широт нашей страны подтверждается результатами целого ряда исследований, рассмотренных в главе 1. Обычные конструкции наружных ограждений имеют в холодное время года, как правило, отрицательный тепловой баланс, так как теплопотери через них превышают теплопоступления от солнечной радиации.
Инсолируемые ограждения зданий с элементами ПСИСЭ могут иметь в периоды солнечной, хотя и холодной, погоды нулевой или даже положительный тепловой баланс, что позволяет рассматривать такие ограждения, как энергоактивиые конструкции. К ним относятся, например, глухой участок стены с лучепрозрачным экраном или светопрозрачное ограждение с трансформируемыми теплозащитными шторами, имеющее достаточно высокие значения коэффициентов относительного проникания солнечной радиации и величины сопротивления теплопередаче. В темное время суток теплозащитные шторы занимают рабочее положение в плоскости луче-прозрачного ограждения, увеличивая тем самым его сопротивление теплопередаче и снижая теплопотери здания.
Оценка энергосберегающего эффекта в зданиях, инсолируемые фасады которых имеют энергоактивные конструкции, в зависимости от площади этих конструкций, количества и высоты этажей, ширины и полезной площади зданий дана в нашей работе [119].
Обозначим через Sx площадь энергоактивной конструкции. Наличие энергоактивной конструкции, занимающей данную площадь Sx на инсоли руемом фасаде (рис.4.4), уменьшает общую площадь теплоотдающих по верхностей S0 здания, обеспечивая снижение их удельной поверхности S0/Sn (отношение площади наружной поверхности ограждений к сум марной полезной площади здания) до величины Энергетический эффект отношения (S0 - Sx) / Sn можно оценить, задавшись значениями коэффициента теплопередачи к конструкций наруж 150 ных стен, крыши и пола нижнего этажа. На рис. 4.5 показана зависимость этого отношения от этажности здания с учетом допущения, что коэффициент к всех наружных ограждений, в том числе конструкции пола, одинаков, за исключением энергоактивного участка ограждения, для которого тепловой баланс принят равным нулю (к -0).
Здание имеет размеры в плане 60 х12 м, высоту этажа Зм, а площадь Sx энергоактивного участка составляет определенную часть от общей площади наружных ограждений (Sx = 0,05...0,25So). Верхняя кривая соответствует обычному зданию. Для здания с энергоактивным ограждением удельные тепловые потери снижаются с ростом его этажности и увеличением площади Sx такой конструкции.
На рис. 4.6 показана зависимость Sx/Sn от ширины сооружения с разной высотой этажа Нэ, характерная для здания любой этажности в случае, когда энергоактивная конструкция занимает всю площадь инсолируемого фасада.
Данный рисунок иллюстрирует тот факт, что для здания с энергоактивной конструкцией, в отличие от энергоэкономичного здания, может наблюдаться принципиально иная зависимость расходов тепловой энергии от ширины сооружения: с уменьшением последней энергозатраты на отопление снижаются благодаря возрастанию удельной поверхности Sx/Sr, энергоактивного ограждения. В жилом здании с высотой этажа Зм особен но значительный рост отношения S /Sn наблюдается при ширине, начиная с 12 м и меньше (рис. 4.6).
Такая зависимость расхода тепловой энергии от ширины дома согласуется с тем, что глубина и размеры энергоактивных зданий или их помещений лимитируются глубиной потока прямого проникания солнечной радиации и теплового потока через наружные ограждающие конструкции [234]. Поэтому ширина энергоактивных зданий может быть меньше, а удельные величины периметра наружных стен и поверхности наружных ограждений - больше, чем у зданий, использующих только традиционные виды энергии.
Следует однако отметить, что такая форма здания, позволяющая использовать энергию окружающей среды для подогрева помещений, в то же время входит в противоречие с требованием экономии тепла в холодный период года. Данное требование является особенно актуальным для суровых климатических условий нашей страны в отличие от ряда развитых стран (с более мягкой зимой), где энергоактивные здания уже давно вошли в практику проектирования и строительства.
Учитывая это, при разработке проекта такого здания важно найти в каждом конкретном случае оптимальную его форму и такие конструктивные решения наружных ограждений, которые бы в полной мере выполняли функции как тепловой защиты помещений, так и восприятия тепловой энергии окружающей среды. В процессе проектирования или реконструкции здания эффективность использования энергоактивных конструкций в значительной степени будет зависеть от их экономичности и простоты устройства, надежности в эксплуатации, от того, насколько успешно решен комплекс технических вопросов, связанных с поглощением, передачей в помещения и аккумулированием тепловой энергии.
