ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ
ШЛЯХОВ КОСТЯНТИН ВАЛЕРІЙОВИЧ
УДК 624.012.3/4:711.643
РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧІ КОНСТРУКЦІЇ МАЛОПОВЕРХОВИХ ЖИТЛОВИХ БУДИНКІВ
05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
м. Дніпропетровськ – 2003
Дисертацією 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 Фомиця Леонід Миколайович, Сумський національний аграрний університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри будівництва та архітектури
кандидат технічних наук, доцент Ізбаш Михайло Юрійович,
Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій.
Провідна установа - Полтавський національний технічний університет
ім. Юрія Кондратюка, кафедра архітектури будівель та містобудування, Міністерство освіти і науки України, м. Полтава.
Захист відбудеться “24” квітня 2003 р. о “15 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 “24” березня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Кваша Е.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Відповідно до основних положень державної житлової політики України прогнозується наступний розподіл будівництва житла: 30% індивідуальні малоповерхові будинки, 30% середньоповерхові будинки та 40% багатоповерхове житло.
Різкий стрибок цін на будівельні матеріали та енергоносії спричинили підвищення вартості всього будівництва. Тому для забезпечення доступності житла масовому споживачу необхідно знизити його собівартість. Це можна вирішити за рахунок застосування раціональних конструктивних систем і ефективних будівельних матеріалів, що випускаються місцевою базою будіндустрії.
Але використання дешевих конструкцій може привести у майбутньому до збільшення експлуатаційних витрат. Тому у нинішній економічній ситуації при високій вартості енергоресурсів змінюються принципи проектування.
Експлуатаційні витрати пов’язані з забезпеченням теплового комфорту. Тому найбільш вагомі конструктивні елементи (стіни, покриття і конструкції, що межують з ґрунтом), що визначають як вартість зведення малоповерхового будинку, так і наступні витрати, пов'язані з тепловими втратами, вимагають подальшого удосконалення.
На теперішній час відсутня методика раціонального проектування малоповерхових житлових будинків, на основі якої можливо знизити капітальні витрати на будівництво житлового будинку та подальші експлуатаційні витрати протягом життєвого циклу.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконувалася відповідно до держбюджетної науково-дослідної теми Міністерства освіти і науки “Розробка наукових основ енергозбереження в житлових будинках старої забудови” (№ держреєстрації 0100U003682), кафедральною тематикою “Розробка і впровадження інноваційних проектів, трансфер енергоефективних і ресурсозберігаючих технологій при будівництві будинків, споруд та їх елементів” (№ держреєстрації 0102U006063).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методики раціонального проектування та розвиток на її основі ресурсозберігаючих конструкцій малоповерхових житлових будинків.
Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні основні задачі:
1. Виконати аналіз існуючих конструктивних рішень малоповерхових житлових будинків.
2. Визначити структуру теплових втрат малоповерхового житлового будинку і виявити огороджуючи конструкції, які потребують енергоефективної модернізації.
3. Розробити методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків, на основі якої сформулювати задачі, розробити математичні моделі та алгоритми раціонального проектування конструкцій, що межують з ґрунтом, зовнішніх стін та покриття.
4. На основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій розробити конструктивну систему малоповерхових будинків з використанням удосконалених конструкцій та енергоефективних заходів; виконати техніко-економічну оцінку конструктивного рішення малоповерхового житлового будинку розробленого на основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій.
Об'єкт дослідження - малоповерхові житлові будинки.
Предмет дослідження – енергоефективність, материалоємність та техніко-економічні показники конструктивного рішення малоповерхових житлових будинків.
Методи дослідження: методи чисельного моделювання, методи теорії залізобетону, методи техніко-економічної оцінки проектних рішень, експериментальні дослідження відповідно до стандартних методик.
Наукова новизна отриманих результатів:
- вперше запропоновано методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків;
- досліджені теплові втрати через огороджуючі конструкції малоповерхових житлових будинків, та встановлена їх структура;
- сформульована та вирішена задача раціонального проектування конструкцій, що межують з ґрунтом;
- сформульована та вирішена задача раціонального проектування огороджуючої конструкції зовнішньої стіни з дрібнорозмірних стінових каменів з внутрішнім утеплюючим шаром;
- сформульована та вирішена задача раціонального проектування огороджуючої конструкції покриття;
- запропоновано нове конструктивне рішення перекриття з дрібнорозмірних елементів з використанням нерозрізних балок та досліджена їх ефективність;
- визначені техніко-економічні показники конструктивного рішення малоповерхових житлових будинків, розробленого на основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджуються адекватністю постановки задачі та використанням розрахункових моделей, даними лабораторних і чисельних досліджень, впровадженням результатів роботи в будівництво.
Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків та рекомендацій по конструктивним рішенням стін, перекриття, покриття з дрібнорозмірних елементів, а також рекомендації по зниженню теплових втрат через конструкції, що межують з ґрунтом, що дозволяють знизити загальні витрати на будівництво та експлуатацію житлових будинків.
Особистий внесок здобувача полягає в наступному:
- виконано аналіз теплових втрат малоповерхових житлових будинків через огороджуючі конструкції та вентиляцію, на основі чого розроблені технічні рішення по зниженню теплових втрат в малоповерхових будинках (отримало подальшій розвиток);
- розроблено методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків (розроблено вперше);
- встановлено найбільш економічні варіанти підвищення енергоефективності конструкцій, що межують з грунтом (отримало подальшій розвиток);
- запропоновано варіанти дрібнорозмірних стінових каменів для зведення огороджуючих конструкцій несучих стін (запропоновано вперше, отримано позитивне рішення на видачу деклараційного патенту України на винахід за №200254077 від 28.12.2002 р.), самонесучих стін для каркасних будинків (запропоновано вперше, на конструкцію каркасу отримано деклараційний патент України №36627А від 07.01.2000 р.), вирішена задача раціонального проектування огороджуючих конструкцій стін;
- розроблено нове конструктивне рішення огороджуючої конструкції покриття (запропоновано вперше, подано заявку та отримано пріоритетну справку на видачу деклараційного патенту України на винахід за № 2002118886 від 08.11.2002 р.), вирішена задача раціонального проектування огороджуючих конструкцій покриття;
- запропоновано нове конструктивне рішення перекриття з використанням дрібнорозмірних нерозрізних балок неповного по висоті перерізу (запропоновано вперше, деклараційний патент України №51115А від 03.01.2002 р.), досліджена їх ефективність;
- на основі методики раціонального проектування розроблено нове конструктивне рішення малоповерхових житлових будинків з використанням економічних конструкцій та енергоефективних заходів, та визначено їх техніко-економічну ефективність (запропоновано вперше).
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлялись, доповідались і обговорювались на міжнародних науково – технічних конференціях “Наука і освіта ‘98” (Дніпропетровськ – Одеса – Кривий Ріг – Київ – Харьків – Дніпродзержинськ, 23-30 квітня 1998 р.), “Проблеми сучасного матеріалознавства” (м. Дніпропетровськ, 1999 р.), “Енергоефективність – 2002” (м. Київ, 29 – 30 жовтня), “Актуальні проблеми підготовки фахівців міжнародного рівня по інноваційним технологіям” (м. Дніпропетровськ, 2002 р.), наукових семінарах кафедри залізобетонних та кам’яних конструкцій ПДАБА (1997 – 2002 рр.).
Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 8 наукових статтях і відображені в 4 патентах України.
Структура та обсяг дисертаційної роботи.
Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел та додатків, і містить 142 сторінки (без додатків), у тому числі 42 рисунка і 17 таблиць, із них 90 сторінок основного тексту.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовані вибір і актуальність теми дисертації, мета, задачі і методи дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи; наведений особистий внесок здобувача і відомості про апробацію дисертаційної роботи; викладені основні положення, що виносяться на захист.
У першому розділі виконано аналіз досліджень, направлених на удосконалення конструкцій малоповерхових житлових будинків, та робіт, направлених на підвищення енергоефективності будівель.
Проведено огляд існуючих вітчизняних і закордонних систем огороджуючих та несучих конструкцій малоповерхових житлових будинків.
У оглядовій частині роботи були розглянуті технічні рішення по підвищенню енергоефективності конструкцій, що межують з грунтом, рекомендовані БНіП II-3-79** “Будівельна теплотехніка”.
На основі проведеного аналізу зроблені наступні висновки:
1. Сьогодні не існує методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків, яка полягає в мінімізації загальної річної вартості, що складається з капітальних витрат на зведення будинку та майбутніх експлуатаційних витрат, пов’язаних з тепловими втратами.
2. Однією з найбільш перспективних конструктивних систем малоповерхових житлових будинків є каркасна з розподілом несучих та огороджуючих функцій.
3. Конструктивні рішення стінових огороджень потребують удосконалення на основі методики раціонального проектування.
4. Існуючі рішення конструкцій покриття потребують удосконалення в напрямку підвищення довговічності та енергоефективності.
5. Існуючий метод (БНіП 2.04.05-91 “Опалення, вентиляція та кондиціювання”) розрахунку теплових втрат через конструкції, що межують з грунтом не дає можливості визначати теплові втрати на локальних ділянках. Обґрунтування рекомендацій БНіП по утепленню таких конструкцій відсутнє.
З урахуванням висновків сформульовані мета і основні задачі досліджень, які наведені у вступі.
В другому розділі запропоновано методику розрахунку чисельним методом теплових втрат через конструкції, що межують з грунтом. Розроблено розрахункові схеми для визначення теплових втрат через ґрунт для будинків з підвалом та без підвалу.
Виконано порівняльний аналіз теплових втрат в будинку без підвалу через підлогу по ґрунту за методикою Бніп 2.04.05-91 (“Опалення, вентиляція та кондиціювання”) та чисельним методом з використанням ЕОМ. Результати наведені на рис. 1.
Використовуючи запропоновану методику, були розраховані теплові втрати житлових будинків через конструкції, що межують з ґрунтом. Результати розрахунку свідчать, що найбільші теплові втрати відбуваються через I зону підлоги по ґрунту, і складають від сумарних тепловтрат через ґрунт: 73 % у будинку без підвалу, 59 % у будинку з підвалом.
Виконано аналіз теплових втрат малоповерхового житлового
будинку через огороджуючі конструкції та вентиляцію для кліматичних
умов м. Дніпропетровська.
Рис. 1. Теплові втрати через підлогу по ґрунту
На основі проведеного аналізу визначено структуру теплових втрат житлового будинку (рис. 2). Встановлено, що втрати тепла через огороджуючі конструкції складають 66 %, а на підігрів зовнішнього повітря, що надходить у будинок через вентиляцію - 34 %. Теплові втрати через огороджуючі
Рис. 2. Структура теплових втрат малоповерхового житлового будинку
конструкції відбуваються наступним чином: конструкції, що межують з грунтом (27 %), зовнішні стіни (18 %), вікна (12 %) і покриття (9 %).
Дані структури теплових втрат через огороджуючі конструкції малоповерхового житлового будинку свідчать про те, що зниження теплових втрат можливо досягнути за рахунок розробки ресурсозберігаючих конструктивних рішень в наступній послідовності: конструкции, що межують з грунтом, зовнішні стіни, вікна та покриття.
У третьому розділі роботи запропоновано методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків.
Задача раціонального проектування огороджуючих конструкцій полягає в тому, щоб забезпечити мінімум критерію, згідно якого оцінюється конструктивне рішення (рис. 3). За критерій приймаються загальні річні витрати, що складаються з капітальних витрат на зведення будинку та майбутніх експлуатаційних витрат, пов’язаних з тепловими втратами.
i – варіант
Рис. 3. Оптимальний варіант конструктивного рішення
Загальна математична модель задачі раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків формулюється у вигляді задачі нелінійного програмування, де сказано:
, (1)
де Сэ - вартість 1 Гкал теплової енергії;
Стр- сума капітальних витрат на зведення огороджуючої конструкції за винятком вартості складових елементів;
Cкэ - вартість конструктивних елементів;
- коефіцієнт приведення грошової маси до середньорічних витрат;
g - коефіцієнт дисконтування: g=1+p/100;
р - процентна ставка на капітал (ставка дисконту);
t - термін служби будинку, рік;
Q – теплові витрати через огороджуючі конструкції, Вт/оС;
GD - число градусодіб опалювального періоду;
ko - розмірний коефіцієнт для перерахунку Дж/сек у Гкал.
Використовуючи запропоновану методику раціонального проектування малоповерхових житлових будинків вирішувались задачі раціонального проектування конструкцій, що межують з грунтом для будинків з підвалом, та без підвалу.
Як приклад, для рішення задачі раціонального проектування конструкцій, що межують з грунтом, на рис. 4 наведено фрагмент малоповерхового будинку без підвалу.
Рис. 4. Фрагмент малоповерхового житлового будинку без підвалу.
Математична модель раціонального проектування конструкцій, що межують з ґрунтом, для будинку без підвалу має вигляд:
, (2)
де Х1, Х2 и Х3 – геометричні параметри утеплювача, м;
hб, bб – відповідно, висота і довжина ділянки підлоги по ґрунту, м;
Сбф – вартість бетону фундаменту, грн;
Сутед – вартість 1 м3 утеплювача, грн.;
Сбед – вартість 1 м3 бетону для влаштування підлоги по ґрунту, грн.;
GD, ko, Cэ, Стр, g, t – теж, що і в формулі (1);
f(X1,X2,X3) – функція залежності теплових втрат від параметрів утеплювача при заданих теплотехнічних характеристиках огороджуючих конструкцій.
За результатами розрахунку встановлено, що оптимальним варіантом утеплення конструкцій, що межують з ґрунтом в будинку без підвалу є утеплення стіни фундаменту на глибину 0,5 м нижче рівня ґрунту, а для будинку з підвалом – утеплення стіни підвалу на глибину 1,0 м нижче рівня ґрунту. В БНіП II-3-79** “Будівельна теплотехніка” варіант утеплення стіни фундаменту зовсім не розглядається. Таким чином, необхідно внести корективи до БНіП II-3-79**.
Розроблено два варіанти дрібнорозмірних стінових каменів для зведення несучих та самонесучих стін малоповерхових житлових будинків. Для зведення несучих стін розроблені бетонні камені з наскрізними пустотами, які під час зведення стіни заповнюються утеплювачем з зовнішньої сторони стіни, та легким бетоном – з внутрішньої. На розроблену конструкцію стіни отримано позитивне рішення на видачу патенту України за №200254077, від 28.12.2002 р.
Для зведення самонесучих стін розроблено конструкцію каркасу з дрібнорозмірних залізобетонних універсальних елементів та конструкцію стінового бетонного каменю з внутрішнім утеплюючим шаром. Конструкція каркасу захищена патентом України №36627А від 07.01.2000 р.
Для експериментального визначення термічного опору були виготовлені зразки стінових каменів. Визначення термічного опору проводилось згідно з ДСТУ Б В.2.7-105-2000 “Методи визначення теплопровідності та термічного опору при стаціонарному тепловому режимі”. За результатами експерименту встановлено, що похибка визначення термічного опору чисельним методом та експериментальним дорівнює 3,03 %.
Використовуючи методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій житлових будинків вирішувалась задача раціонального проектування огороджуючої конструкції самонесучої стіни, фрагмент якої зображено на рис. 5.
Математична модель раціонального проектування огороджуючих конструкцій самонесучих стін має вид:
, (3)
де 0,08 - коефіцієнт, що враховує об’єм бетону для зведення 1 м2 стіни;
Сбед і Сутед – відповідно, вартість 1 м3 бетону та утеплювача, грн;
Хут – товщина утеплюючого шару, м;
Сбед і Сутед – відповідно, вартість 1 м3 бетону та утеплювача, грн;
GD, ko, Cэ, Стр, g, t – теж, що і в формулі (1);
f(Хут) – функція залежності теплових втрат від товщини утеплюючого шару при заданих теплотехнічних характеристиках огороджуючих конструкцій.
Рис. 5. Розрахункова схема раціонального проектування огороджуючої конструкції стіни.
За результатами рішення задачі раціонального проектування огороджуючої конструкції самонесучої стіни з бетонних каменів з внутрішнім утеплювачем із пінополістиролу, для кліматичних умов м. Дніпропетровська, отримані оптимальні значення товщини утеплювача при зміні відсоткової ставки (0%, 5% і 10%), та вартості теплової енергії (13,6 і 21,8 у.г.о./Гкал), та визначені відповідні значення термічного опору (табл. 1).
Із даних наведених в табл. 1 випливає, що оптимальний опір теплопередачі стіни, при вартості теплової енергії 13,6 у.г.о./Гкал і відсотковій ставці 0% та при вартості теплової енергії 21,8 у.г.о./Гкал і відсотковій ставці 0%, 5%
в 1,4 … 2,4 рази більше нормативного, а при вартості теплової енергії 13,6 у.г.о./Гкал і відсотковій ставці 5%, 10% та при вартості теплової енергії 21,8 у.г.о./Гкал і відсотковій ставці 10% - в 1,05 рази менше.
Запропоновано нову конструкцію покриття з дрібнорозмірних залізобетонних балок неповного по висоті перерізу, набетонки з легкого бетону, пінополістирольних вкладишів та нової конструкції черепиці.
Таблиця 1
Оптимальне значення термічного опору стіни, (м2С)/Вт
Оптимальна товщина, мм | Вартість теплової енергії
13,6 у.г.о./Гкал | 21,8 у.г.о./Гкал
відсоткова ставка, %
ст | ут | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10
250 | 190 | - | - | - | 4,93 | - | -
210 | 150 | 3,96 | - | - | - | - | -
170 | 110 | - | - | - | - | 2,98 | -
130 | 70 | - | 2,00 | 2,00 | - | - | 2,00
Примітка. Нормативний термічний опір стіни для кліматичних умов
м. Дніпропетровська становить 2,1 (м2С)/Вт.
Використовуючи розроблену методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків вирішувалась задача раціонального проектування огороджуючої конструкції покриття. Фрагмент покриття для рішення задачі раціонального проектування зображено на рис. 6.
Рис. 6. Фрагмент покриття: 1 –балка; 2 – утеплюючий вкладиш;
3 – набетонка.
Математична модель раціонального проектування огороджуючих конструкцій покриття має вид:
, (4)
де Хут – товщина утеплювача, м;
f2(Хут) – функція залежності вартості балки від товщини утеплювача;
0,56 – коефіцієнт, що враховуює об’єм утеплювача;
0,024 і 0,04 - коефіцієнти, що враховують об’єм легкого бетону для влаштування набетонки;
Снбед і Сутед – відповідно, вартість 1 м3 легкого бетону та утеплювача, грн;
f1(Хут) – функція залежності теплових втрат від товщини утеплювача при заданих теплотехнічних характеристиках огороджуючих конструкцій;
GD, ko, Cэ, Стр, g, t – теж, що і в формулі (1).
За результатами рішення задачі раціонального проектування огороджуючої конструкції покриття, отримані оптимальні значення товщини утеплювача з пінополістиролу при зміні відсоткової ставки (0%, 5% і 10%), та вартості теплової енергії (13,6 і 21,8 у.г.о./Гкал), та визначені відповідні значення термічного опору (табл. 2).
Таблиця 2
Термічний опір огороджуючої конструкції покриття, (м2С)/Вт
Оптимальна товщина, мм | Вартість теплової енергії
13,6 у.г.о./Гкал | 21,8 у.г.о./Гкал
Відсоткова ставка, %
покриття | утеплювача | 0 | 5 | 10 | 0 | 5 | 10
210 | 130 | - | - | - | 3,7 | - | -
190 | 110 | 3,2 | - | - | - | - | -
170 | 90 | - | 2,7 | 2,7 | - | 2,7 | 2,7
Примітка. Нормативний термічний опір покриття для кліматичних умов
м. Дніпропетровська становить 2,5 (м2С)/Вт.
Із даних, наведених в табл. 2 випливає, що термічний опір огороджуючої конструкції покриття при вартості теплової енергії 13,6 у.г.о./Гкал в 1,1 - 1,2 рази більше нормативного, а при вартості теплової енергії 21,8 у.д.е./Гкал - більше в 1,1 - 1,4 рази. Отримані дані свідчать про доцільність збільшення термічного опору огороджуючої конструкції покриття.
Для подальшого удосконалення конструкції перекриття з дрібнорозмірних елементів запропоновано нову конструкцію, яка виконана з наступних елементів:
- залізобетонних нерозрізних балок неповного по висоті перерізу;
- каменів – вкладишів, виконаних з двох півкаменів; півкамені розроблені 2 видів – без шпонок та зі шпонками; при влаштуванні монолітної набетонки, шпонки заповняються бетоном, завдяки чому камені – вкладиші включаються в сумісну роботу перекриття;
- набетонки, виконаної з монолітного бетону різного класу, клас бетону залежить від величини згинального моменту.
Проведено дослідження ефективності застосування дрібнорозмірних нерозрізних залізобетонних балок неповного по висоті перерізу, як конструкції перекриття з дрібнорозмірних елементів.
При розрахунку по першій та другій групам граничних станів були отримані дані про витрати арматури в розрізних та нерозрізних балках. В результаті розрахунку було встановлено, що зниження витрат робочої арматури складає від 18,7 до 52,8 % в залежності від навантаження, прольоту та висоти перекриття.
У четвертому розділі проведено техніко-економічну оцінку конструктивних рішень одноповерхового з мансардою житловою будинку.
Перший варіант – конструкція будинку із застосуванням традиційних дрібнорозмірних елементів і матеріалів.
Другий варіант – конструкція будинку із застосуванням конструктивних рішень та енергоефективних заходів, які розроблені на основі методики раціонального проектування огорорджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків, .
Техніко-економічна оцінка проводилась відповідно до методики сукупної вартості. В табл. 3 наведені дані грошових витрат на зведення і експлуатацію малоповерхових житлових будинків, та сукупна вартість будинку при нульовій відсотковій ставці на капітал та при вартості теплової енергії 13,6 і
21,8 у.г.о./Гкал.
У результаті техніко-економічної оцінки було встановлено, що сукупна вартість всього будинку за 100 років експлуатації менше на 15% при вартості теплової енергії 13,6 у.г.о./Гкал, на 21% менше при вартості теплової енергії 21,8 у.г.о./Гкал, у порівнянні з першим варіантом.
Таблиця 3
Грошові витрати, тис. грн
Вартість 1 Гкал теплової енергії, у.г.о.
13,6 | 21,8
I варіант | II варіант | I варіант | II варіант
Е | К | С | Е | К | С | Е | К | С | Е | К | С
% | % | % | %
1,0 | 43,6 | 143,6 | 0,73 | 49,2 | 122,2 | 1,6 | 43,6 | 203,6 | 1,15 | 46,4 | 161,4
100 | 85 | 100 | 79
Примітка. Е – експлуатаційні витрати на опалення за 1 рік експлуатації будинку, К – капітальні витрати на зведення будинку, С – сукупна вартість будинку за 100 років експлуатації.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі на основі проведеного аналізу конструктивних рішень малоповерхових житлових будинків, як об'єкта дослідження, і проблеми підвищення енергоефективності житлових будинків приведено рішення наукової задачі, що полягає в розробці методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків та розробці на її основі технічних рішень ресурсозберігаючих конструкцій, застосування яких дозволяє знизити сукупні витрати на будівництво і експлуатацію житлового будинку.
Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки:
1. Для малоповерхового житлового будинку в кліматичних умовах
м. Дніпропетровська розраховані теплові втрати та визначена їх структура. Розрахунком встановлено, що втрати тепла через вентиляцію складають 34 %, а через огороджуючи конструкції - 66 %, з них, через конструкції, що межують з ґрунтом 27 %, через зовнішні стіни 18 %, вікна 12 % та покриття 8 %.
2. Розроблено методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків, яка полягає в мінімізації загальних річних витрат, що складаються з капітальних витрат на зведення будинку та експлуатаційних витрат на опалення при заданих теплотехнічних характеристиках огороджуючих конструкцій будинку, характеристиках опалювального періоду, тарифах на теплову енергію, процентній ставці на капітал та розрахунковому періоді експлуатації житлового будинку.
3. На основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків розроблені математичні моделі та вирішені задачі раціонального проектування конструкцій, що межують з ґрунтом, зовнішньої стіни і покриття.
4. Для підвищення енергоефективності конструкцій, що межують з грунтом, на основі методики раціонального проектування визначені оптимальні варіанти утеплення: для будинку без підвалу - утеплення стіни фундаменту на 0,5 м нижче рівня ґрунту, для будинку з підвалом - утеплення стіни підвалу від рівня низу перекриття підвалу до відмітки -1,0 м нижче рівня ґрунту.
5. Розроблено два варіанта дрібнорозмірних стінових каменів для зведення огороджуючих конструкцій стін. Для будинків з несучими стінами запропоновано конструкцію стінового каменю з наскрізними пустотами які в процесі зведення стіни заповнюються з зовнішньої сторони утеплювачем, а з внутрішньої – бетоном. На розроблену конструкцію стіни отримано позитивне рішення про видачу патенту України за №200254077 від 28.12.2002 р. Для самонесучих стін каркасних будинків запропоновано конструкцію бетонного стінового каменю з внутрішнім утеплюючим шаром та розроблено конструкцію каркасу з дрібнорозмірних універсальних елементів (конструкція каркасу захищена патентом України № 36627А від 07.01.2000 р.). На основі методики раціонального проектування визначено раціональну товщину утеплювача зовнішніх стін.
6. Розроблено нову конструкцію покриття з дрібнорозмірних залізобетонних балок неповного по висоті перерізу, набетонки з легкого бетону, пінополістирольних вкладишів та нової конструкції черепиці (на конструкцію покриття подано заявку та отримано пріоритетну справку на видачу деклараційного патенту України на винахід за № 2002118886 від 08.11.2002 р.). На основі методики раціонального проектування визначено оптимальну товщину пінополістирольного вкладишу.
7. Запропоновано нове конструктивне рішення перекриття з дрібнорозмірних елементів з використанням нерозрізних двопрольотних балок, каменів – вкладишів та набетонки з бетонів різного класу (конструкція захищена патентом України № 51115А від 03.01.2002 р.). Встановлено що, використання залізобетонних нерозрізних дрібнорозмірних балок позволяє зменшити витрати робочої арматури на 18,7 – 52,8 % в порівнянні з розрізними балками.
8. На прикладі раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків для кліматичних умов м. Дніпропетровська та розрахунку техніко – економічних показників встановлено, що сукупна вартість конструктивного рішення, розробленого на основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій, на 15 % і 21 % менше, ніж сукупна вартість конструктивного рішення з використанням традиційних дрібнорозмірних елементів, при вартості теплової енергії 13,6 і 21,8 у.г.о./Гкал, відповідно.
Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:
1. Савицкий Н.В., Шляхов К.В. Конструктивно-технологическая фахверковая система строительства с бетонными блоками на местных вяжущих и заполнителях // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение, Машиностроение. - Дн – ск, ПГАСА - 1997. – Вып. 2, часть 2. - С. 46 – 48. (автором запропоновано нову конструктивну систему будівництва малоповерхових житлових будинків).
2. Исследование теплотехнических характеристик материалов, изделий и ограждающих конструкций для решения проблемы теплозащиты зданий / Савицкий Н.В., Шляхов К.В., и др. // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. – Дн-ск, ПГАСА - 1997. - Вып. 2, часть 3. – С. 170 – 176. (автором запропоновано напрямки вдосконалення огороджуючих конструкцій малоповерхових будинків).
3. Савицкий Н.В., Шляхов К.В. Пути удешевления стоимости строительства // Материалы первой международной конференции “Наука і освіта’98”, том 4, Днепропетровск – Одесса - Кривой Рог – Киев – Харьков – Днепродзержинск, 23 – 30 апреля 1998 г. – С. 146. (автором запропоновано напрямки зниження вартості будівництва малоповерхових житлових будинків).
4. Савицкий Н.В., Шляхов К.В. Исследование арболита для стеновых изделий, используемых при строительстве малоэтажных зданий // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Дн – ск,
ПГАСА - 1999. - Вып. 8, часть 2. – С. 123 – 126. (автором наведено результати експериментальних досліджень зразків – кубів арболіту на гіпсі).
5. Савицкий Н.В., Баташева К.В., Шляхов К.В. Универсальные элементы для возведения каркасов зданий и сооружений // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Дн – ск, ПГАСА - 2000. - Вып. 11. – С. 79 – 83. (автором запропоновано універсальні елементи для зведення каркасів малоповерхових будинків).
6. Пат 36627А Україна, МКІ Е04G23/00. Залізобетонний каркас малоповерхової будівлі / Савицький М.В., Шляхов К.В. та інші (Україна). -
№ 2000010245; Заявлено 17.01.2000 ; Опубл. 16.04.2001, Бюл. № 3.
7. Савицкий Н.В., Шляхов К.В. Энергоэффективные и ресурсосберегающие конструкции индивидуальных жилых зданий // Міжнародна науково-технічна конференція “Енергоефективність-2002”, тези доповідей, Київ, 29 – 30 жовтня 2002 р. – К.: Навчальна книга, 2002. – С.143 – 144. (автором запропоновано ресурсозберігаючі конструкції для малоповерхових житлових будинків).
8. Савицький М.В., Шляхов К.В. Покриття / Пріоритетна справка
№ 2002118886 на видачу деклараційного патенту України на винахід від 08.11.2002 р.
9. Пат 51115А Україна, МКІ Е04G23/00. Збірно – монолітне залізобетонне перекриття / Савицький М.В., Шляхов К.В. та інші (Україна). - № 2002010147; Заявлено 03.01.2002 ; Опубл. 15.11.2002, Бюл. № 11.
10. Савицький М.В, Шляхов К.В. Стіна // Рішення (від 28.12.2002 р.) про видачу деклараційного патенту України на винахід за №200254077 від 20.05.2002 р.
11. Савицкий Н.В., Куличенко И.И., Шляхов К.В. Расчет теплопотерь через полы по грунту зданий и сооружений // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. - Дн – ск, ПГАСА - 2002. - Вып. 19. – С. 39 – 45. (автором проведено аналіз розрахунку теплових втрат через підлогу по грунту чисельним методом в порівнянні з БНіП 2.04.05-91).
12. Архитектурно-конструктивно-технологическая система строительства и реконструкции из мелкоразмерных элементов как предметная инновация / Швец Н.А., Савицкий Н.В., Шляхов К.В. и др. // Сб. научн. трудов: Строительство. Материаловедение. Машиностроение. – Дн-ск, ПГАСА - 2002. - Вып. 21. – С. 21 – 24. (автором визначено економічну ефективність реконструкції та будівництва будинків з використанням АКТС із дрібнорозмірних елементів).
АНОТАЦІЯ
Шляхов К.В. Ресурсозберегаючі конструкції малоповерхових житлових будинків. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Придніпровська державна академія будівництва й архітектури, Дніпропетровськ, 2003.
Дисертаційна робота спрямована на розробку методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків та розвиток на її основі ресурсозберігаючих конструкцій.
Розроблено методику розрахунку чисельним методом теплових втрат через конструкції, що межують з ґрунтом.
Проведено аналіз теплових втрат малоповерхового житлового будинку через огороджуючі конструкції і вентиляцію. Визначено структуру теплових втрат, на основі якої виявлені конструкції, що вимагають енергоефективної модернізації.
Розроблено методику раціонального проектування огороджуючих конструкцій малоповерхових житлових будинків, виходячи з концепції мінімальної загальної річної вартості.
На основі запропонованої методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій були розроблені математичні моделі та вирішені задачі раціонального проектування: конструкцій, що межують з ґрунтом, стінового огородження та покриття.
Визначено ефективність застосування нерозрізних дрібнорозмірних залізобетонних балок неповного по висоті перерізу у порівнянні з розрізними.
Виявлено економічну ефективність конструктивного рішення малоповерхових житлових будинків, розробленого на основі методики раціонального проектування огороджуючих конструкцій.
Ключові слова: малоповерховий житловий будинок, ресурсозберегачі конструкції, дрібнорозмірні конструкції, конструкції, що межують з ґрунтом, стіновий камінь, перекриття, покриття, техніко-економічна ефективність.
АННОТАЦИЯ
Шляхов К.В. Ресурсосберегающие конструкции малоэтажных 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, 2003.
Диссертационная работа направлена на разработку методики рационального проектирования ограждающих конструкций малоэтажных жилых зданий и развитие на ее основе энергоэффективных мероприятий и ресурсосберегающих конструкций.
Во ведении обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.
В первой главе выполнен обзор литературы, посвященной вопросам конструктивных решений стеновых ограждений и строительству малоэтажных каркасных зданий. Приведены рекомендуемые мероприятия по снижению тепловых потерь через конструкции, граничащие с грунтом.
Во второй главе предложена методика расчета численным методом тепловых потерь через конструкции, граничащие с грунтом. Разработаны расчетные схемы для определения тепловых потерь через конструкции, граничащие с грунтом для зданий с подвалом и без подвала.
Проведено исследование тепловых потерь малоэтажного жилого здания через ограждающие конструкции и вентиляцию, и установлена их структура.
В третей главе разработана методика рационального проектирования ограждающих конструкций малоэтажных жилых зданий.
Разработано два варианта мелкоразмерных стеновых камней для возведения ограждающих конструкций стен. Для зданий с несущими стенами предложена конструкция стенового камня со сквозными пустотами, которые в процессе возведения стены заполняются с внешней стороны утеплителем, а с внутренней – бетоном. Для самонесущих стен каркасных зданий предложена конструкция бетонного стенового камня с внутренним утепляющим слоем и разработана конструкция каркаса из мелкоразмерных универсальных железобетонных элементов.
Разработана новая конструкция покрытия из мелкоразмерных железобетонных балок неполного по высоте сечения, легкого бетона, пенополистирольных вкладышей и новой конструкции черепицы.
На основании методики рационального проектирования ограждающих конструкций разработаны математические модели и решены задачи рационального проектирования: конструкций, граничащих с грунтом, ограждающих конструкций самонесущей стены и покрытия.
Выявлена эффективность применения железобетонных мелкоразмерных неразрезных балок неполного по высоте сечения как элементов перекрытия, в сравнении с разрезными балками.
В четвертой главе определена экономическая эффективность конструктивного решения малоэтажных жилых зданий с применением разработанных на основании методики рационального проектирования энергоэффективных конструктивных решений и мероприятий. Установлено, что применение разработанной конструктивной системы малоэтажных жилых зданий, позволяет снизить совокупную стоимость здания до 21%.
Ключевые слова: малоэтажное жилое здание, ресурсосберегающие конструкции, мелкоразмерные конструкции, конструкции, граничащие с грунтом, стеновой камень, перекрытие, покрытие, технико-экономическая эффективность.
SUMMARY
Shlyakhov K.V. Constructions for few-storeyed of residential buildings, which save up resources. - Manuscript.
A thesis for the candidate of technical sciences degree in the specialty 05.23.01 - structural constructions, building and structures. - Pridnieprovskaya State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dniepropetrovsk, 2003.
The thesis is aimed on development of a procedure of rational designing and developments on its basis of constructions few-storeyed of residential buildings, which save up resources.
The procedure of account by a numerical method heat of losses through constructions bordering on a soil is developed.
The analysis of thermal losses few-storeyed of a residential building through protecting constructions and by means of ventilation is conducted. The structure of thermal losses is determined, on the basis of which the constructions were revealed, which require energy efficiency of modernization.
The procedure of rational designing few-storeyed of residential buildings proceeding from the concept total annual of cost is developed.
On the basis of an offered procedure of rational designing were developed The mathematical models and solved problems of rational designing constructions, which border on a soil, construction of a wall from small-size concrete blocks with an internal layer of thermal isolation, construction of a roof, with use small-size of reinforced-concrete beams and a layer monolithic light aggregate concrete in fixed falsework from polystyrene foam of plates.
The advantage of application statically uncertain small-size of reinforced-concrete beams not complete on height of section in comparison with statically certain is determined.
The economic efficiency of construction few-storeyed of residential buildings with application of the developed design solutions and energy efficiency of measures is revealed.
Key words: few-storeyed residential building, construction which save up resources, small-size of a construction, constructions bordering on a soil, block of the wall, overlapping, roof, technological efficiency.
