ПРИДНЕПРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
НІКІФОРОВА ТЕТЯНА ДМИТРІВНА
УДК 699.86.001.63
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ І
РАЦІОНАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ТЕРМОРЕНОВАЦІЇ
ВЕЛИКОПАНЕЛЬНИХ ЖИТЛОВИХ БУДІВЕЛЬ
05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ - 2002
Дисертація є рукопис.
Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБА) Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Савицький
Микола Васильович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, проректор з наукової роботи, завідуючий кафедрою залізобетонних і кам'яних конструкцій.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Могилат Олександр Никонович, Полтавський державний технічний університет ім. Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, завідуючий кафедрою архітектури будівель та містобудування;
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Фаренюк
Геннадій Григорович, Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Державного комітету будівництва, архітектури та житлової політики України, завідуючий відділом будівельної фізики і ресурсозбереження.
Провідна установа - Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, кафедра залізобетонних конструкцій, Міністерство освіти і науки України, м. Сімферополь.
Захист відбудеться “21” березня 2002 р. о “13 00” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.085.02 в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, ауд. 202.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського,
24-а.
Автореферат розісланий “19” лютого 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Питання ефективного використання енергоресурсів і економії енергії в сучасних умовах є проблемою національної безпеки, найважливішими стратегічними задачами для країни.
За результатами аналізу структурних витрат енергоносіїв установлено, що житлово-комунальний сектор, зокрема, житлові будівлі старої забудови, являється одним із найбільших споживачів теплової енергії (біля 30% від загального споживання палива в країні). Проведені раніше дослідження дозволили виявити резерви енергозбереження в цьому секторі, що оцінюються в розмірі 50 до 70% від сучасного рівня енергоспоживання.
Існує безліч проектних рішень, ефективних технологій і матеріалів, що дозволяють знизити енергоспоживання існуючими будівлями, однак до цього часу впровадження енергоефективних заходів щодо термореновації (теплового захисту, санації, реабілітації, модернізації, термореконструкції) здійснюється дуже низькими темпами. Однією з головних причин такого становища являється відсутність методики раціонального проектування термореновації існуючих будівель. У зв'язку з цим, проблема підвищення енергоефективності існуючого житлового фонду і, зокрема, існуючих великопанельних будівель шляхом раціонального використання ресурсів, є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до Комплексної державної програми енергозбереження України, Програми енергозбереження в житлово-цивільному будівництві, Галузевої програми енергозбереження в житлово-комунальному господарстві, Програми реконструкції житлових будинків перших масових серій, Комплексної програми енергозбереження в Дніпропетровській області на період до 2010 р., держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки: “Розробка наукових основ енергозбереження в житлових будинках старої забудови” 2000-2001 рр. (№ держреєстрації 0100U003682).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є удосконалення методики розрахунку і раціонального проектування термореновації великопанельних житлових будівель для вибору найбільш ефективного проекту.
Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні основні задачі:
1.
Удосконалення методики розрахунку теплоспоживання житловими будівлями.
2.
Дослідження енергоефективності заходів щодо модернізації огороджуючих конструкцій житлових будівель.
3.
Розробка методики, алгоритму і програми раціонального проектування термореновації житлових будівель, що експлуатуються.
4.
Раціональне проектування і розробка практичних рекомендацій з термореновації існуючих великопанельних житлових будівель.
Об'єкт дослідження - великопанельні житлові будівлі, що експлуа-туються.
Предмет дослідження - техніко-економічна ефективність термореновації великопанельних житлових будівель, що експлуатуються.
Методи досліджень:
1)
методи чисельного моделювання і регресійоного аналізу - для обробки та оцінки результатів дослідження енергоефективності існуючих будівель;
2)
варіантне проектування, як метод раціонального проектування термореновації існуючих будівель;
3)
методи техніко-економічної оцінки інвестиційних проектів - для оцінки ефективності термореновації існуючих будівель.
Наукова новизна одержаних результатів:
-
удосконалена інженерна методика розрахунку теплоспоживання будівлями в частині врахування теплових витрат через вузли огороджуючих конструкцій (одержала подальший розвиток);
-
встановлені закономірності теплових витрат через вузли огороджуючих конструкцій великопанельних будівель (отримано вперше);
-
визначено техніко-економічну ефективність заходів щодо термореновації огороджуючих конструкцій великопанельних житлових будівель для кліматичних умов України (одержала подальший розвиток);
-
розроблена методика раціонального проектування, а також отримані значення технічних параметрів систем модернізації огороджуючих конструкцій для вибору найбільш ефективного проекту термореновації великопанельних житлових будівель, що експлуатуються (отримано вперше).
Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методик і рекомендацій із розрахунку і раціонального проектування термореновації будівель, направлених на вирішення важливої соціально-економічної проблеми підвищення енергоефективності існуючих житлових будівель.
Результати роботи впроваджені в нормативно-технічні документи:
1.
Тимчасова методика розрахунку теплових витрат і питомого енергоспоживання житловими і громадськими будинками / Держбуд України - Держкоменергозбереження України. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2000 - 8 с.
2.
Типова методика енергетичного обстеження навчальних корпусів ВНЗ і гуртожитків студентів / Держкоменергозбереження України - ПДАБА. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2001.
3.
Методика визначення теплових витрат та питомого теплоспоживання громадськими будинками. - Дніпропетровськ: ПДАБА, 2001. - 50 с.
4.
Рекомендації по розробці механізму впровадження інвестиційних енергозберігаючих демонстраційних проектів (на прикладі вищих навчальних закладів, шкіл, медичних установ) / Держкоменергозбереження України -ПДАБА. - Київ, 2001 - 34 с.
Результати досліджень використані при розробці пілотних проектів по утепленню житлових будівель і будівель бюджетної сфери, енергоаудиті житлових і громадських будівель в м. Дніпропетровську, використовуються в навчальному процесі ПДАБА та інших навчальних закладів.
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
1.
Отримано оптимальне значення коефіцієнта релаксації, що дозволяє прискорити рішення задачі теплопередачі в програмі розрахунку тепловитрат чисельним методом.
2.
Отримана аналітична залежність для лінійного коефіцієнта теплопередачі вузлових сполучень огороджуючих конструкцій великопанельних житлових будівель 464 серії.
3.
Досліджена енергоефективність заходів щодо термореновації огороджуючих конструкцій житлових будівель для кліматичних умов України.
4.
Визначено вартісні показники капітальних витрат і економії теплової енергії для заходів щодо термореновації житлових будівель.
5.
Розроблено методику розрахунку техніко-економічної ефективності інвестицій в термореновацію житлових будівель, що експлуатуються.
6.
Розроблені методика, алгоритм і програма розрахунку і раціонального проектування, отримані значення технічних параметрів систем модернізації огороджуючих конструкцій для вибору найбільш ефективного проекту термореновації існуючих великопанельних житлових будівель в Україні.
Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми реконструкції і експлуатації промислових і громадських об'єктів” (м. Дніпропетровськ, 1999 р.), виставці-конференції “Реконструкція житла-99” (м. Дніпропетровськ, 2-5 листопада 1999 р.), Міжнародній конференції “Проблеми сучасного матеріалознавства” (м. Дніпропетровськ, 1999 р.), Міжнародній спеціалізованій виставці - семінарі “Будівництво - 2001” (м. Сімферополь, 22-25 березня 2001 р.), науково-технічній конференції “Стародубовські читання” (м. Дніпропетровськ, 19-20 квітня 2001 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми” (м. Київ, 11-14 червня 2001 р.), наукових семінарах кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій (1999- 2001 рр.) ПДАБА.
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 13 наукових статтях, у т.ч. 12 у збірниках наукових праць, 1 в тезах доповідей.
Структура та обсяг дисертації.
Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел, додатків і містить (без додатків) 162 сторінки, у тому числі 46 рисунків і 60 таблиць, із них 89 сторінок основного тексту, 46 рисунків і 48 таблиць на 73 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовані вибір і актуальність теми дослідження, мета, задачі і методи дослідження, наукова новизна та практичне значення роботи; показаний особистий внесок здобувача і відомості про апробацію дисертаційної роботи; викладені основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі приведений аналіз концептуальних підходів до раціонального проектування термореновації житлових будівель. Відзначається внесок у дослідження енергоефективності існуючих житлових будівель відомих вчених: Айзена М.А., Акуліча А.В., Булгакова С.М., Бутовського І.Н., Врублевського А.Г., Дамаскіна Б.С., Данилевського Л.М., Денисюка С.П., Друкованого М.Ф., Ковалко Н.П., Матросова Ю.О., Мєняйло В.А.,
Меркушова В.Т., Могилата О.Н., Нечепорчука О.О., Пашкова О.П.,
Пилипенко В.М., Табунщикова Ю.О., Тихомирова К.В., Требуха С.Б.,
Уварова Є.П., Фаренюка Г.Г., Франка Фогдта, Хоменко В.П. і багатьох інших.
Приведений аналітичний огляд методів нормування і забезпечення енергоефективності житлових будівель, діючих і існуючих норм проектування, що пов'язані з поелементним нормуванням вимог до різних видів огороджуючих конструкцій, а також до будівлі в цілому, як енергетичній системі (досвід України, Росії, зарубіжний досвід). Виконано критичний аналіз поняття "економічно доцільного" опору теплопередачі, що і до цього часу використовується у БНіП "Будівельна теплотехніка".
Виконано огляд існуючих методів розрахунку тепловитрат через огороджуючі конструкції будівель, інженерних методик розрахунку теплопередачі через неоднорідні огороджуючі конструкції, що містять теплопровідні включення.
З проведеного огляду робіт випливає, що Україна і її житлово-комунальний сектор, зокрема житлові будівлі старої забудови, являється одним з найбільших споживачів теплової енергії.
Однією з причин нераціонального використання енергоресурсів, що витрачаються на опалення, є недостатня енергоефективність житлових будівель внаслідок недосконалості існуючих норм, що регламентують рівень енергоспоживання.
У оглядовій частині роботи істотна увага приділяється також методам оцінки техніко-економічної ефективності інвестиційних проектів, що враховують умови ринкової економіки.
На основі проведеного аналізу робіт і стану досліджень зроблені наступні висновки:
1.
Україна і її житлово-комунальний сектор, зокрема житлові будівлі старої забудови, є одними з найбільших споживачів теплової енергії. Економія енергоресурсів являється проблемою національної безпеки, найважливішою стратегічною задачею для країни.
2.
Однією з причин нераціонального використання енергоресурсів, що витрачаються на опалення є недостатня енергоефективність житлових будівель внаслідок недосконалості існуючих норм, що регламентують рівень енергоспоживання.
3.
Встановлені поправками до нових норм проектування питоме теплоспоживання та опір теплопередачі огороджуючих конструкцій житлових будівель, що реконструюються, не мають достатнього обгрунтування, не узгоджені між собою і тому потребують коректування.
4.
На сьогодні розроблена загальна методологія техніко-економічної оцінки проектів термореновації житлових будівель для прийняття інвестиційних рішень. Однак для вибору найбільш ефективного варіанту термореновації будівель необхідно використовувати методику раціонального проектування.
5.
При раціональному проектуванні термореновації будівель важливе значення має точна оцінка енергоефективності тих або інших заходів. У зв'язку з цим необхідно удосконалення інженерної методики розрахунку теплових витрат і, зокрема, через вузли огороджуючих конструкцій.
6.
На даний час відсутня методика раціонального проектування термореновації будівель для прийняття найбільше доцільного проектного рішення, не має даних щодо оптимальних рівнів теплоспоживання існуючими будівлями в залежності від кліматичних, мікро- і макроекономічних умов в Україні.
7.
Для техніко-економічної оцінки проектів існує великий вибір програмних продуктів. Однак для рішення задачі раціонального проектування термореновації існуючих будівель, необхідна розробка додаткових програмних блоків.
З урахуванням висновків, сформульовані мета і задачі виконаних досліджень, що наведені у вступі.
Другий розділ роботи присвячений удосконаленню методики розрахунку теплоспоживання житловими будівлями в частині врахування тепловитрат через лінійні теплопровідні включення (вузли огороджуючих конструкцій будівель).
Для точного розрахунку задач теплопередачі з врахуванням впливу теплопровідних включень використовувалася стандартна програма. У цій програмі рішення рівняння теплопровідності Фур'є зводиться до рішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь модифікованим методом Гаусса-Зейделя. Модифікація методу Гаусса-Зейделя полягає у використанні коефіцієнта релаксації. Шляхом рішення тестової задачі теплопередачі встановлено оптимальне значення коефіцієнта релаксації. При цьому в порівнянні з класичним методом Гаусса-Зейделя час рахунку задачі і кількість ітерацій зменшується більш ніж у 60 разів.
Проведено тестування програми розрахунку теплопередачі шляхом порівняння результатів розрахунку характеристик процесу теплопереносу на фрагментах конструкцій, що мають аналітичне рішення або відоме чисельне рішення з використанням інших програмних комплексів. За результатами тестування встановлено, що використовувана програма адекватно описує процес теплопереносу і її можливо використовувати для дослідження енергоефективності житлових будівель.
Для інженерного розрахунку тепловитрат через протяжні вузли огороджуючих конструкцій використовується лінійний коефіцієнт теплопередачі, методика визначення якого запропонована М.В. Савицьким.
Лінійний коефіцієнт теплопередачі характеризується кількістю теплоти, що проходить через лінійне теплопровідне включення або вузол (стик) при різниці температур між масивами (повітрям), що розділяється, рівної 1 градус (0С, К) приведеного до 1 м довжини цього лінійного теплопровідного включення або вузла (стику).
Для інженерної методики розрахунку тепловитрат через вузли пропонується встановити закономірності зміни значень лінійного коефіцієнта теплопередачі для типових вузлових сполучень. Значення лінійного коефіцієнта теплопередачі залежить від конструкції вузлового сполучення, характеристик матеріалів, геометричних розмірів конструктивних елементів.
Для розрахунку теплових витрат будівлями з використанням лінійного коефіцієнта теплопередачі для теплопровідних включень розроблені алгоритм і програма для ЕОМ.
У третьому розділі роботи проведені дослідження енергоефективності заходів щодо термореновації існуючих будівель.
За базові, для досліджень, обрані великопанельні будівлі 464 серії, як найбільше поширені в Україні серед будівель перших масових серій (ПМС) (21% від загальної площі житлових будівель ПМС). У табл. 1 наведений розподіл будівель 464 серії згідно кліматичних зон України.
Таблиця 1
Розподіл будівель 464 серії згідно кліматичних зон України
Кліматичні
зони | Кількість градусодіб
опалювального періоду | Питома вага
будівель 464 серії, %
І | = 3501 | 61,6
ІІ | 3001 – 3500 | 29,21
ІІІ | 2501 – 3000 | 5,1
ІV | = 2500 | 4,09
Розрахунок теплових витрат житловими будівлями 464 серії з врахуванням теплопровідних включень виконувався згідно розробленій методиці розрахунку теплових витрат житловими будівлями за допомогою ЕОМ.
Отримано дані про тепловитрати великопанельними будівлями 464 серії для всіх кліматичних зон України. Встановлено, що питоме споживання теплової енергії будівлями більш ніж у 2 рази перевищує контрольні показники, що регламентуються новими нормами (табл. 2).
Досліджено структуру тепловитрат великопанельними будівлями серії 464. Встановлено, що через огороджуючі конструкції відбувається від 63 до 66 % теплових витрат, вентиляцію - від 34 до 37 % для різних кліматичних районів. Через стіни відбувається від 25 до 30%, вікна - від 22 до 24 %, підвал - 10 %, покриття - 4 % тепловитрат (табл. 3).
У житловому великопанельному будинку 464 серії можна виділити 8 основних типів вузлових сполучень:
1. Стик балконної плити і стінових панелей.
2. Стик цокольної і рядової стінових панелей із плитою перекриття над підвалом.
3. Кутовий стик стінових панелей.
4. Стик стінових панелей із плитою перекриття.
5. Стик парапетної стінової панелі з рядовою і плитою перекриття.
6. Стик зовнішніх стінових панелей і внутрішньої стіни.
7. Вузол сполучення віконного заповнення і стінової панелі.
8. Вузол сполучення цокольної стіни і фундаменту.
Таблиця 2
Показники питомих витрати теплової енергії для будівель 464 серії
Кліматична зона | Кількість градусодіб опалювального періоду | Питоме
споживання
теплової
енергії,
|
Споживання
теплової енергії,
I | 4000 | 1,1 (0,41)* | 0,262 (0,275)
II, III | 3000 | 0,85 (0,38; 0,34)* | 0,270 (0,283)
IV | 2000 | 0,59 (0,25)* | 0,282 (0,295)
* - контрольні показники за БНіП 2.04.05-91. Зміни №1.
Таблиця 3
Структура загальних теплових витрат будівлями 464 серії
Конструктивний
елемент | Витрати тепла, Вт/оС | Питома вага, %
Кліматична зона
I | II, III | IV | I | II, III | IV
Стіни зовнішні | 3139 | 3542 | 4084 | 25 | 27 | 30
Вікна | 3092 | 3051 | 3010 | 24 | 23 | 22
Покриття | 491 | 495 | 497 | 4
Підвал | 1276 | 1320 | 1368 | 10
Вентиляція | 4705 | 37 | 36 | 34
Всього: | 12703 | 13113 | 13664 | 100
Як приклад, на рис.1 приведена схема вузлового сполучення "стик стінової панелі із плитою перекриття", а на рис.2 - графік зміни лінійного коефіцієнта теплопередачі для цього вузла при зовнішньому способі утеплення в залежності від товщини утеплювача.
Для інженерної методики оцінки енергоспоживання житловими будівлями отримана аналітична залежність лінійного коефіцієнта теплопередачі, яка дозволяє визначати витрати тепла через типові лінійні вузлові сполучення великопанельних будівель 464 серії:
Рис. 1. Розрахункова схема стику стінової панелі з плитою перекриття:
1- керамзитобетон; 2- залізобетон; 3- ЦП розчин; 4- ЦП штукатурка;
5- фактурний шар; 6- гіпсова плита; 7- повітряний прошарок.
Рис. 2. Залежність лінійного коефіцієнта теплопередачі вузлового сполучення "стик стінової панелі із плитою перекриття" від товщини утеплювача при зовнішньому способі утеплення стін.
, (1)
де k - лінійний коефіцієнт теплопередачі, Вт/м.п;
ду - товщина утеплювача, мм;
a, b, c, d - коефіцієнти.
Досліджена енергоефективність технічних рішень з термореновації житлових будівель для I....IV кліматичних зон України: зовнішній і внутрішній способи утеплення стін будівель, модернізація вікон і балконних дверей, утеплення віконних і дверних отворів по периметру конструкції заповнення, засклення лоджій. Як приклад на рис. 3 приведені дані про поелементне споживання теплової енергії будівлями 464 серії до- та після утеплення стінових панелей зовнішньою системою теплоізоляції з відображенням внеску кожного елемента.
Рис. 3. Поелементне теплоспоживання будівлями 464 серії до- та після утеплення стінових панелей зовнішньою системою теплоізоляції з відображенням внеску кожного елемента.
В результаті дослідження ефективності зовнішнього і внутрішнього способів утеплення стін встановлено, що ефективність зовнішньої теплоізоляції вище внутрішньої на 9,3 - 17,5% в залежності від кліматичних умов України.
На основі проведених розрахунків встановлена величина економії теплової енергії в житлових великопанельних будівлях при виконанні різних варіантів термореновації огороджуючих конструкцій. Відповідно до даних досліджень тепловитрати можуть бути знижені:
-
відповідно, при зовнішньому і внутрішньому способах утеплення стін із товщиною утеплювача від 50 до 150 мм для I-IV кліматичних зон: на 15 - 26 % і на 13 - 23 %; за тих самих умов: витрати тепла через типові вузлові сполучення на 23 - 30 % - при зовнішньому способі теплоізоляції і на 2 - 9 % - при внутрішньому способі теплоізоляції; витрати тепла через однорідні ділянки огороджуючих конструкцій - на 24 - 41 %;
-
при підвищенні опору теплопередачі існуючих вікон і балконних дверей до рівня сучасних норм - у середньому на 11,5 %;
-
при утепленні віконних і дверних отворів по периметру конструкцій заповнення через відповідні вузли на: 13,4% - у першій кліматичній зоні, 7% - у другій і третій кліматичних зонах, 6,8% - у четвертій кліматичній зоні; при цьому загальне зниження споживання теплової енергії будівлями складає 0,75 - 1,5%;
-
при заскленні лоджій будівель на - 3,6%.
В четвертому розділі викладені теоретичні положення методики техніко-економічної оцінки ефективності енергозберігаючих заходів, методики раціонального проектування термореновації житлових будівель, а також отримані з їхнім застосуванням результати досліджень.
В основу методики техніко-економічної оцінки покладено метод розрахунку загальної річної вартості, який полягає в тому, що як одноразові капітальні вкладення (інвестиції) в енергозберігаючі заходи, так і майбутні витрати на експлуатацію будівлі приводяться до середньорічних витрат. Середньорічні витрати на виконання заходів щодо термореновації огороджуючих конструкцій будівель визначаються відповідно до залежності:
, (2)
де Э - річні експлуатаційні витрати на опалення будівлі;
С - капітальні витрати в термореновацію огороджуючих конструкцій будівлі;
- коефіцієнт приведення грошової маси до середньорічних витрат;
g - коефіцієнт дисконтування: g=1+p/100;
р - процентна ставка на капітал (ставка дисконту);
t - термін служби теплоізоляційної системи, рік.
Річні експлуатаційні витрати на опалення будівлі, Э визначаються з виразу:
, (3)
де Q - загальні теплові витрати через конструкції, що утеплюються для будівлі вцілому, Вт/оС;
GD - число градусодіб опалювального періоду, приймається відповідно БНіП 2.01.01-82;
ko - розмірний коефіцієнт;
Сэ - вартість 1 Гкал теплової енергії.
Капітальні витрати з термореновації огороджуючих конструкцій будівель розраховуються за формулою:
, (4)
де - сума капітальних витрат на виконання термореновації за винятком утеплення зовнішніх стін;
Ccns - постійна частка витрат з устрою зовнішньої теплоізоляційної системи (ЗТОС) на 1 м2 стін;
- вартість 1м3 теплоізоляційного матеріалу;
дy - товщина шару теплоізоляції, мм;
Ас - площа стін будівлі, що утеплюються, м2.
Термін окупності інвестицій у заходи щодо термореновації житлових будівель визначається відповідно рівняння:
, (5)
де Сі (t) - вартість капітальних витрат на термореновацію будівель за і -им варіантом з врахуванням фактора часу;
Д?і (t) - щорічна економія експлуатаційних витрат на опалення будівлі за і - им варіантом термореновації:
Эi = Э0 - Эi, (6)
де Э0 , Эi - річні експлуатаційні витрати на опалення, відповідно, до- та після проведення термореновації будівлі за i-им варіантом.
На рис.4 наведена графічна схема інтерпретації закономірності формування терміна окупності інвестицій (капітальних вкладень) за методикою розрахунку загальної річної вартості.
Математична модель задачі раціонального проектування термореновації житлових будівель формулюється у формі задачі нелінійного програмування: мінімізувати загальну річну вартість (2) за визначених обмежень. З врахуванням формул (3) і (4) одержано:
? min, (7)
де - те саме, що і у формулах (3), (4);
Ki (д y), kj (д y) - відповідно, коефіцієнт теплопередачі, (Вт/м2·оС) і лінійний коефіцієнт теплопередачі, (Вт/м•оС), як функція товщини утеплювача;
Аi - площа конструкцій (стін), що утеплюються м2;
Рис. 4. До визначення терміну окупності.
Lj - довжина вузлових сполучень, що утеплюються м;
Ki1 - коефіцієнт теплопередачі елементів огороджуючих конструкцій за винятком елементів конструкцій (стін), що утеплюються, Вт/•оС;
kj1 - лінійний коефіцієнт теплопередачі вузлових сполучень, за винятком вузлових сполучень, що утеплюються, Вт/м•оС;
Аi1 - площа елементів огороджуючих конструкцій, за винятком елементів конструкцій (стін), що утеплюються, м2;
Lj1 - довжина вузлових сполучень, за винятком вузлових сполучень, що утеплюються, м;
n - кількість елементів (стін), що утеплюються у конструкції огородження;
n1 - кількість елементів у конструкції огородження за винятком стін;
m - кількість типів вузлових сполучень, що утеплюються;
m1 - кількість вузлових сполучень, за винятком що утеплюються.
Обмеженнями конкретної задачі, що вирішувалася, є:
-
тривалість опалювального періоду GD - 1000 … 5000 градусодіб;
-
вартість 1 Гкал теплової енергії Cэ - 13,6; 21,8 у.г.о./Гкал;
-
товщина утеплювача д у - 0 … 500 мм;
-
термін експлуатації системи утеплення t - 10 … 50 років;
-
ставка інвестування капіталу p - 0 ... 30%;
-
опір теплопередачі огороджуючих конструкцій
, (м2·оС)/Вт,
де - нормативне значення опору теплопередачі огороджуючих конструкцій;
-
питомі витрати теплової енергії q = qтр, ГДж/(м2•рік),
де qтр - контрольні показники витрат теплової енергії за сучасними нормами;
-
допустимі значення параметрів мікроклімату приміщень, що нормуються санітарно-гігієнічними нормами.
Для рішення задачі раціонального проектування термореновації житлових будівель розроблені алгоритм і програмний блок варіантного проектування термореновації житлових будівель, що експлуатуються, які реалізують методику раціонального проектування.
Запропонована методика використовувалася для рішення задачі раціонального проектування термореновації стін будівель. Для зовнішньої системи утеплення прийнятий утеплювач із мінераловатних теплоізоляційних плит на синтетичному сполучному, марки М125 із коефіцієнтом теплопровідності 0,05 Вт/(моС). Як приклад, на рис.5 наведений один із результатів рішення задачі раціонального проектування термореновації огороджуючих конструкцій житлового будинку 464 серії, розташованого в ІІ-й кліматичній зоні, при 10 - % ставці на капітал, вартості теплової енергії 13,6 у.г.о./Гкал і терміні експлуатації системи утеплення 30 років.
Отримано оптимальні значення товщини утеплюючого шару у зовнішній теплоізоляційній системі, опору теплопередачі огороджуючих конструкцій при термореновації будівель (табл. 4) і термінів окупності інвестицій в енергозберігаючі проекти в залежності від суровості клімату, вартості теплової енергії при різних величині процентної ставки на капітал і розрахунковому періоді експлуатації теплоізоляційної системи.
Рис. 5. До визначення оптимальної товщини теплоізоляції стін
житлових будівель, що експлуатуються.
Визначено потенціал енергозбереження і терміни окупності інвестицій при виконанні комплексу енергозберігаючих заходів в житлових будівлях, що експлуатуються, для різних кліматичних зон України.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
На основі проведеного системного аналізу великопанельних житлових будівель, що експлуатуються, як об'єкта дослідження, і проблеми підвищення енергоефективності існуючих
житлових будівель, у роботі приведено теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі, що полягає в удосконаленні методики розрахунку і раціонального проектування термореновації великопанельних житлових будівель для вибору найбільш ефективного проектного рішення.
Таблиця 4
Оптимальне значення опору теплопередачі стін
будівель при термореновації, (м2·оС)/Вт
Кількість градусодіб опалювального
періоду | Кліматична
зона | Розрахунковий період експлуатації системи | Вартість 1 Гкал теплової енергії, у.г.о.
13,6 | 21,8
ставка дисконту, %
0 | 5 | 0 | 5 | 10
5000 | I | 10 | 3,9 (2,2) | 3,2 (2,2) | 4,6 (2,2) | 4,0 (2,2) | 3,9 (2,2)
30 | 6,3 (2,2) | 4,5 (2,2) | 7,9 (2,2) | 5,7 (2,2) | 4,5 (2,2)
50 | 8,1 (2,2) | 4,9 (2,2) | 10,2 (2,2) | 6,2 (2,2) | 4,6 (2,2)
4000 | 10 | 3,3 (2,2) | 2,9 (2,2) | 4,1 (2,2) | 3,9 (2,2) | 3,3 (2,2)
30 | 5,6 (2,2) | 4,0 (2,2) | 7,1 (2,2) | 5,1 (2,2) | 4,0 (2,2)
50 | 7,2 (2,2) | 4,4 (2,2) | 9,2 (2,2) | 5,5 (2,2) | 4,1 (2,2)
3000 | II, III | 10 | 3,2 (2,1; 1,9) | 2,7 (2,1; 1,9) | 3,8 (2,1; 1,9) | 3,3 (2,1; 1,9) | 3,1 (2,1; 1,9)
30 | 3,8 (2,1; 1,9) | 3,5 (2.1; 1,9) | 6,1 (2,1; 1,9) | 4,2 (2,1; 1,9) | 3,8 (2,1; 1,9)
50 | 6,3 (2,1;1,9) | 3,8 (2,1; 1,9) | 7,9 (2,1; 1,9) | 3,8 (2,1; 1,9) | 3,5 (2,1; 1,9)
2000 | IV | 10 | 2,4 (1,7) | 2,1 (1,7) | 3,5 (1,7) | 2,8 (1,7) | 2,4 (1,7)
30 | 3,5 (1,7) | 3,3 (1,7) | 3,5 (1,7) | 3,5 (1,7) | 3,5 (1,7)
50 | 4,5 (1,7) | 3,5 (1,7) | 6,5 (1,7) | 3,5 (1,7) | 3,3 (1,7)
1000 | 10 | 1,8 (1,7) | 1,6 (1,7) | 2,2 (1,7) | 1,9 (1,7) | 1,7 (1,7)
30 | 3,5 (1,7) | 2,1 (1,7) | 3,5 (1,7) | 2,7 (1,7) | 2,1 (1,7)
50 | 3,5 (1,7) | 2,3 (1,7) | 3,5 (1,7) | 3,1 (1,7) | 2,2 (1,7)
Примітка: в дужках приведений опір теплопередачі огороджуючих конструкцій, що регламентується нормами проектування при реконструкції існуючих будівель.
Основні наукові і практичні результати, що отримані в дисертаційній роботі, полягають у наступному:
1. Удосконалено інженерну методику розрахунку тепловитрат житловими будівлями в частині врахування протяжних вузлів огороджуючих конструкцій. Для інженерної методики розрахунку тепловитрат через лінійні вузли запропоновано установити аналітичні залежності лінійного коефіцієнта теплопередачі для типових вузлових сполучень.
Отримано аналітичні залежності лінійного коефіцієнта теплопередачі для типових вузлів великопанельних житлових будівель серії 464 при їх термореновації.
Розроблені алгоритм і програма для ЕОМ розрахунку тепловитрат житловими будівлями.
2. Досліджені тепловитрати великопанельними житловими будівлями 464 серії і їх структура для всіх кліматичних зон України. Встановлено, що питоме теплоспоживання будівлями більш ніж у 2 рази перевищує контрольні показники, що регламентуються сучасними нормами.
3. Визначена енергоефективність технічних рішень із термореновації огороджуючих конструкцій великопанельних житлових будівель, що експлуатуються (зовнішній і внутрішній способи утеплення стін, модернізація вікон і балконних дверей, утеплення віконних і дверних отворів по периметру конструкції заповнення,засклення лоджій) для кліматичних умов України.
4. На основі методу розрахунку загальної річної вартості розроблена методика техніко-економічної оцінки ефективності термореновації житлових будівель, що експлуатуються.
Запропонована методика раціонального проектування термореновації житлових будівель, що експлуатуються, яка полягає в мінімізації загальних річних витрат на реалізацію енергозберігаючих заходів і витрат на опалення будівель при заданих теплотехнічних характеристиках огороджуючих конструкцій будівель, характеристик опалювального періоду, вартості капітальних витрат на термореновацію будівель, тарифів на теплову енергію, процентній ставці на капітал і розрахунковому періоді експлуатації теплоізоляційної системи.
Для рішення задачі раціонального проектування термореновації огороджуючих конструкцій будівель розроблені алгоритм і програмний блок варіантного проектування термореновації житлових будівель, реалізований у середовищі "Excel" на ПЕОМ.
5. Отримано оптимальні значення товщини утеплюючого шару, опору теплопередачі огороджуючих конструкцій при реконструкції будівель і термінів окупності інвестицій в енергозберігаючі проекти в залежності від кліматичних умов, вартості теплової енергії, розміру процентної ставки на капітал.
6. Визначено потенціал енергозбереження для існуючих великопанельних житлових будівель у фізичних і вартісних показниках для I - IV кліматичних зон України при виконанні комплексних заходів щодо термореновації будівель при базисній і перспективній вартості теплової енергії.
Результати досліджень впроваджені в нормативно-технічні документи, використані при розробці піонерних інвестиційних проектів з термореновації існуючих житлових і громадських будівель.
Основні положення роботи опубліковані в наступних працях:
1.
Меркушов В.Т., Никифорова Т.Д., Шевченко А.Л. Экономический анализ эффективности термореновации жилых зданий//Вісник Придніпровської дер-жавної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 1998. - №6. – С. 30-35 (автором виконані розрахунки термінів окупності проектів в термореновацію житлових будинків).
2.
Оценка эффективности термореновации крупнопанельных жилых зданий для условий г. Днепропетровска / Швец Н.А., Меркушов В.Т., Савицкий Н.В., Никифорова Т.Д., Линник Р.Я. // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. 5, ч.2. – Днепропетровск: ПГАСА. - 1998. – С. 172-175 (автором виконані розрахунки витрат енергії на опалення житлових будинків).
3.
Технико – экономические показатели вариантов реконструкции жилых домов старой застройки / Н.А. Швец, Л.Я. Линник, Т.Д. Никифорова // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып.8, ч.2. – Дн-ск. ПГАСиА. – 1999. – С.105-110 (автором встановлені техніко-економічні показники термореновації існуючих житлових будинків).
4.
Методика и результаты оценки сроков окупаемости термореновации жилых зданий/В.Т. Меркушов, Н.В. Савицкий, Т.Д. Никифорова, Р.Я. Линник // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. 9, ч.1. - Днепропетровск: ПГАСА. - 1999. - С. 130-136 (автором виконана оцінка капітальних вкладень в термореновацію житлових будинків).
5.
Потенциал теплосбережения в жилых зданиях г. Днепропетровска / Савицкий Н.В., Швец Н.А., Меркушов В.Т., Савицкий А.Н., Никифорова Т.Д. // Реконструкція житла (RG/ Київ 2000). Матеріали другої міжнародної науково-практичної виставки-конференції, Київ, 23-26 травня 2000 р. – К.: Нора-прінт, 2000. – С.80-83 (автором встановлений потенціал енергозбереження при виконанні енергозберігаючих заходів в житлових будинках).
6.
Вдосконалення методики розрахунку тепловитрат будинками та спорудами / Швець М.А, Меркушов В.Т., Савицький М.В., Большаков В.І., Савицький А.М.,
Нікіфорова Т.Д. // Реконструкція житла (RG/ Київ 2000). Матеріали другої міжнародної науково-практичної виставки-конференції, Київ, 23-26 травня 2000 р. – К.: Нора-прінт, 2000. – С.88-91 (автором згідно з запропонованою методикою визначені тепловитрати великопанельного будинку 464 серії).
7.
Экономическая оценка проектов термореновации эксплуатируемых жилых зданий в Украине / Н.А. Швец, В.Т. Меркушов, Н.В. Савицкий, В.И. Большаков, А.Н.
Савицкий, Т.Д. Никифорова // Theoretical Foundations of Civil Engineering. - Warsaw (WP, ПГАСА). - 2000. - Р. 550-555 (автором виконано економічну оцінку інвестицій в термореновацію житлових будинків).
8.
Савицкий Н.В., Никифорова Т.Д., Савицкий А.Н. Определение оптимальной толщины наружной теплоизоляции стен при термореновации существующих зданий // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. №11 – Дн-ск: ПГАСиА, 2000 С. 210 -215 (автором викладено основні положення методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій житлових будинків).
9.
Н.В. Савицкий, Т.Д. Никифорова. Постановка задач для решения проблемы термореновации жилых зданий 60-70 гг. постройки // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. № 12. – Дн-ск: ПГАСиА, 2001 - С. 118. (автором сформульовані основні задачі для вирішення проблеми підвищення енергоефективності існуючих житлових будинків).
10.
Никифорова Т.Д. Анализ теплотехнических характеристик стен зданий 464 серии в зависимости от климатических условий Украины // Сб. научн. тр.: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Вып. № 14 – Дн-ск: ПГАСиА, 2001 - С. 127-130.
11.
Савицкий Н.В., Никифорова Т.Д. Методы оценки экономической эффективности энергосберегающих технологий. // Будівельні конструкції. Всеукраїнська науково-практична конференція “Реконструкція будівель та споруд. Досвід та проблеми”. Збірник наукових праць: Київ, 2001. - С. 591 –596 (автором виконано аналіз сучасних методів оцінки інвестиційних проектів).
12.
Савицкий Н.В., Никифорова Т.Д. Оценка потенциала энергосбережения при оптимизации уровня тепловой защиты существующих зданий // Вісник Придніпровської дер-жавної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2001. - №12. - С.33-38 (автором виконана оцінка потенціалу енергозбереження при раціональному рівні термореновації огороджуючих конструкцій великопанельних житлових будинків).
13.
Методика оптимизации тепловой защиты ограждающих конструкций эксплуатируемых жилых зданий / Савицкий Н.В., Никифорова Т.Д., Большаков В.И., Швец Н.А. // Сб. научн. трудов междунар. конф. "Перспективные задачи инженерной науки". - Вып. № 2 – Дн-ск: Gaudeamus, 2001. - С.268-275. (автором запропонована методика раціонального проектування термореновації огороджуючих конструкцій будівель).
АНОТАЦІЯ
Нікіфорова Т.Д. Удосконалення методики розрахунку і раціонального проектування термореновації великопанельних житлових будівель. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, 2001.
Дисертаційна робота спрямована на удосконалення методики розрахунку і раціонального проектування термореновації великопанельних житлових будівель для вибору найбільш ефективного проекту.
Удосконалена інженерна методика розрахунку теплоспоживання житловими будівлями в частині врахування витрат тепла через лінійні теплопровідні включення (вузли огороджуючих конструкцій будівель). Для інженерного розрахунку тепловитрат через протяжні вузли огороджуючих конструкцій використовується поняття лінійного коефіцієнту теплопередачі. Запропоновано встановити закономірності зміни значень лінійного коефіцієнта теплопередачі для типових вузлових сполучень. Для розрахунку теплових витрат будівлями з використанням лінійного коефіцієнта теплопередачі для теплопровідних включень розроблені алгоритм і програма для ЕОМ.
Розглянуто технічні рішення з термореновації житлових будівель, що експлуатуються: зовнішній і внутрішній способи утеплення стін будівлі, модернізація вікон і балконних дверей, утеплення віконних і дверних отворів по периметру конструкції заповнення, засклення лоджій; визначена їх енергоефективність для всіх кліматичних районів України.
У розділі техніко-економічного аналізу викладені теоретичні положення методики техніко-економічної оцінки ефективності енергозберігаючих заходів на основі методу розрахунку загальної річної вартості.
На основі запропонованої методики раціонального проектування термореновації існуючих житлових будівель визначений оптимальний рівень теплоспоживання існуючими будівлями в залежності від кліматичних, мікро- і макроекономічних умов в Україні.
Для рішення задачі раціонального проектування термореновації розроблено алгоритм і програмний блок варіантного проектування термореновації житлових будівель, що експлуатуються.
Отримано оптимальні значення товщини утеплюючого шару у зовнішній теплоізоляційній системі, опору теплопередачі огороджуючих конструкцій при реконструкції будівель і термінів окупності інвестицій в енергозберігаючі проекти в залежності від кліматичних умов, вартості теплової енергії, розміру процентної ставки на капітал і розрахункового періоду експлуатації теплоізоляційної системи.
Ключові слова: раціональне проектування, теплові витрати, теплоспоживання, економічна ефективність, житлові будівлі, термореновація, енергоефективність, енергозбереження, дисконтування, інвестиційні проекти.
АННОТАЦИЯ
Никифорова Т.Д. Совершенствование методики расчета и рационального проектирования термореновации крупнопанельных жилых зданий. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2001.
Диссертационная работа направлена на совершенствование методики расчета и рационального проектирования термореновации крупнопанельных жилых зданий для выбора наиболее эффективного проекта.
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.
В первом разделе приведен анализ концептуальных подходов к рациональному проектированию термореновации жилых зданий.
Представлен аналитический обзор методов нормирования и обеспечения энергоэффективности жилых зданий, ранее действовавших и существующих норм проектирования, связанных с поэлементным нормированием требований к различным видам ограждающих конструкций, а также к зданию в целом, как энергетической системе (опыт Украины, России, зарубежный опыт). Выполнен критический анализ используемого до настоящего времени в СНиП "Строительная теплотехника" понятия "экономически целесообразное" сопротивление теплопередаче.
Приведен обзор используемых методов расчета теплопотерь через ограждающие конструкции зданий, инженерных методик расчета теплопередачи через неоднородные ограждающие конструкции, содержащих теплопроводные включения.
Второй раздел работы посвящен совершенствованию методики расчета теплопотребления жилыми зданиями в части учета теплопотерь через линейные теплопроводные включения (узлы ограждающих конструкций зданий).
Усовершенствована инженерная методики расчета теплопотребления жилыми зданиями в части потерь тепла через линейные теплопроводные включения. Для инженерного расчета теплопотерь через протяженные узлы ограждающих конструкций используется понятие линейного коэффициента теплопередачи.
Для инженерной методики расчета теплопотерь через узлы предлагается установить закономерности изменения значений линейного коэффициента теплопередачи для типовых узловых соединений. Для расчета тепловых потерь зданиями с использованием линейного коэффициента теплопередачи для теплопроводных включений разработан алгоритм и программа для ЭВМ.
В третьем разделе работы проведены исследования энергоэффективности мероприятий по термореновации существующих зданий.
Для инженерной методики оценки энергопотребления жилыми зданиями получена аналитическая зависимость линейного коэффициента теплопередачи, позволяющая определять потери тепла через типовые линейные узловые соединения крупнопанельных зданий 464 серии.
Рассмотрены технические решения по термореновации эксплуатируемых жилых зданий: наружный и внутренний способы утепления стен здания, модернизация окон и балконных дверей, утепление оконных и дверных проемов по периметру конструкции заполнения, остекление лоджий; определена их энергоэффективность для всех климатических районов Украины.
В четвертом разделе изложены теоретические положения методики технико-экономической оценки эффективности энергосберегающих мероприятий, методики рационального проектирования термореновации жилых зданий, а также полученные с их применением результаты исследований.
Определены стоимостные показатели капитальных затрат и экономии тепловой энергии для жилых зданий при выполнении термореновации ограждающих конструкций.
На основе методики рационального проектирования термореновации существующих жилых зданий определены оптимальные уровни теплопотребления существующими зданиями в зависимости от климатических, микро- и макроэкономических условий в Украине.
Для решения задачи рационального проектирования термореновации жилых зданий разработан алгоритм и программный блок вариантного проектирования термореновации эксплуатируемых жилых зданий для ПЭВМ.
Получены оптимальные значения толщины утепляющего слоя в наружной теплоизоляционной системе, сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций при реконструкции зданий и сроков окупаемости инвестиций в энергосберегающие проекты в зависимости от суровости климата,
