автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование теплопотерь зданий и совершенствование методики расчета тепловых нагрузок

Введение.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования.

2. Теоретические исследования расчета потерь теплоты через ограждающие конструкции зданий.

2.1. Выводы, сделанные в результате теоретической главы.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Моделирование температурного поля. Вывод.

3.2. Проведение эксперимента в натурных условиях.

3.2.1. Планирование эксперимента.

3.2.2. Экспериментальная область факторного пространства.

3.2.3. Рандомизация.

3.2.4. Замеры внутренней поверхности стены при помощи термоэлектрического термометра.

3.2.5. Возможные погрешности в измерении температуры термоэлектрическим термометром.

3.2.6. Устройство для повышения точности координат точек замеров.

3.2.7. Натурные замеры.

3.2.8. Возможные ошибки параллельных опытов. 3.2.:;. Уравнения регрессии.

3.2.10. Проверка ограждающих конструкций на конденсацию влаги при помощи температурного поля и замера температур по внутренней поверхности ограждения.

3.2.11. Выводы, сделанные в результате натурных исследований.

4. К вопросу методики расчета количества инфильтрующегося воздуха и расхода теплоты на его нагревание.

4.1. Корректировка методики подсчета количества инфильтрующегося воздуха с учетом разницы атмосферного давления в зависимости от высоты местности.

4.2. Вычисление расхода теплоты и количества инфильтрующегося воздуха в помещение по номограмме.

Вывод

5. Практическое применение выводов, сделанных в результате работы.

5.1. Практическое применение расчета теплопотерь в зоне стыка двух наружных стен в помещении с учетом поправок.

5.2. Практическое применение корректировки на высоту местности.

6. Заклк^ение.

Е .j:: с бурным развитием промышленное!:;. энергетический баланс в стране является весьма напряженным: опережающими темпами растет потребность в топливе, в то время как потенциальные ресурсы его весьма ограничены.

В таких условиях более четверти бюджета России расходуется на поддержку жилищно-коммунальной сферы. Главы исполнительной власти субъектов РФ отмечают, что 30-50% расходов их бюджета тратится на содержание жилищно-коммунального хозяйства. Примерно половина этих средств уходит на нужды теплоснабжения. В силу этого проблема повышения эффективности систем теплоснабжения потребителей является одной из важнейших.

В связи с этим стали появляться новые решения законодательных актов Российской федерации по энергосбережению (Закон РФ «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3.04.96 г, постановление правительства РФ № 1087 от 2.11.95 г «О неотложных мерах по энергосбережению», Указ президента «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года» и др.), а также распоряжения администрации «Об энергосбережении в строительстве», в которых выдвигаются требования снижения уровня энергопотребления на отопление зданий не менее, чем на 20%. Ставятся цели проектирования жилых зданий и зданий об иг -гвенного назначения с эффективным использованием энергии путем выявления суммарного эффекта энергосбережения от использования строительных и инженерных решений, направленных на экономию энергетических ресурсов.

В современных условиях стала наблюдаться тенденция на разработку отдельных территориальных строительных норм по энергетической эффективности гражданских зданий. В частности, появились нормы проектирования жилых и общественных зданий с учетом энергосбережения для г. Москвы и Московской области.

Здесь нужно отметить, что Иркутский регион от европейской части России отличается некоторыми географическими особенностями. Это относится к повышенным отметкам местности, и, следовательно, меньшего атмосферного давления, а также довольно низким иасчетчьтм темпепятупам нагуужногп воздуха. Эффективность функционирования любых систем жизнеобеспечения, в том числе и теплоснабжения, в значительной мере зависит от правильного определения расчетных нагрузок. Необходимо отметить, что в современной архитектуре стало появляться большое разнообразие нестандартных геометрических форм зданий. В настоящее время не существует методики расчета теплопотерь здания, которая позволяла бы адекватно учитывать большое число климатических, географических, ландшафтных и иных региональных, а также конструктивных факторов.

6 зданий Иркутского региона, которая позволяла бы учитывать конструктивные особенности здания и региональные факторы.

Целью работы является усовершенствование методики расчета тепловых нагрузок жилых и административных зданий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• уточнение величины теплопотерь в зоне стыков ограждающих конструкций зданий;

• провести исследования процесса передачи тепла в угловой части наружной стены здания;

• уточнить методику расчета количества инфильтрующегося воздуха с учетом зависимости атмосферного давления от высоты местности, а также теплопотерь, обусловленных инфильтрацией.

Методы исследования.

В теоретической части диссертации использован аппарат теории функций комплексного переменного - метод конформных отображений - для определения температурного поля в угловых частях наружных стен здания.

Экспериментальная часть выполнена в соответствии с теорией планирования эксперимента. Математическая обработка экспериментальных данных проведена с использованием пакетов прикладных программ Microsoft Excel 7,0 и Adobe Photoshop 4.0.1 и пакетом Statistic.

При проведении эксперимента принимался метод замера температур поверхностной термопапо^ совместно с автоматическим потели^-^-пэом

КСПА 2 - 005, градуированным в милливольтах постоянного напряжения.

Также применялся аппарат электрогидродинамического моделирования.

Научная новизна положений, защищаемых в диссертационной работе заключается в следующем: аналитически решена задача распределения температур в угловой части наружной стены; предложен метод уточненного расчета теплопотерь в угловых зонах зданий; установлена зависимость между длиной стены углового помещения и размерами здания, при которых достигается минимальная величина суммарных теплопотерь ограждающими конструкциями. Практическая значимость:

• предложена уточненная методика расчета теплопотерь через вертикальные наружные ограждения угловых помещений зданий;

• даны рекомендации по выбору оптимальной длины стен угловых помещений зданий различного назначения;

• уточнена методика расчета теплоты, необходимой на нагрев инфильтрующегося воздуха с учетом зависимости величины атмосферного давления от геодезической отметки местности.

6. Заключение.

В результате проделанной работы автором сделаны следующие выводы:

1. Предложен метод аналитического решения задачи распределения температур в угловой части наружной стены.

2. Разработана методика уточненного расчета теплопотерь в угловых зонах зданий различных конфигураций.

3. Установлена зависимость между длиной стены углового помещения и наружными размерами здания, при которой достигаются минимальные теплопотери.

4. Уточнена методика расчета теплоты, необходимой на нагрев инфильтрующегося воздуха, учитывающая зависимость атмосферного давления от геодезической высоты местности.

5. Предложены дополнения к методике расчета теплопотерь через ограждающие конструкции зданий для разрабатываемых региональных СНиП.

1. СНиП 2.04.05 91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование./Госстрой России,- М: ГУП ЦПП, 2000.

2. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика/ Госстрой

3. СССР.М.: Стройиздат, 1983.

4. Теплотехника, отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Уч-к для вузов/ В.М. Гусев и др., JL: Стройиздат, 1981.

5. Осадчий Г.Б. техническое перевооружение- основа жилищно-коммунальной реформы. Энергетик, 1998, №11.

6. Яровой О.Д. Пути экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании жилых инвентарных зданий на Севере.- Тепловая защита и микроклимат жилых и общественных зданий на Севере. Сб. науч. тр.-1984 г.

7. Коздоба. JI.K. Вычислительный эксперимент и системный подход в задачах теплообмена,- Тепломассообмен ММФ-92. Том 9. Часть2. Минск. 1992 г.

8. Табунщиков Ю.А. Чернов В.А. Совершенствование теплоизоляции световых проемов зданий в условиях крайнего Севера. Тепловой режим, теплоизоляция и долговечность зданий.

9. Климова Г.К., Симонов A.A. Климатическое районирование территории для строительного проектирования на основе объективной классификации. -Тепловой режим и долговечность зданий. Сб.тр 1987 г.

10. СНиП II-3-79*. Часть 2. Гл 3. Строительная теплотехника./Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1996.- 29 с.

11. Ю.Зманчинский A.B., Черный Д.Е. Применение методов математической физики к теории теплопередачи. Уч пособие.-Саратов 1989.

12. Темников A.B. и др. Решение двумерных стационарных задач теплопроводности методом приближенных структур. Моделирование и оптимизация процессов теплообмена в теплоэнергетике: сб.науч.тр,-Куйбышев: КптИ, 1985.-146 с.

13. Гусев З.Н., Попов В.Н. Теплообмен. Задания для практических занятий с применением ЭВМ.-Иркутск, 1990.

14. Теплофизика и оптимизация тепловых процессов: сб.науч.тр.- Куйбышев, КптИ, 1983.

15. Гухман A.A. Применение теории подобия к исследованию процессов тепломассообмена. Изд. 2-е переработ и доп. М., "Высш. шк." 1984.

16. Станов В.И. Теплозащита крупнопанельных жилых зданий в Сибири. Сб.тр №20.стр5, 1989.

17. Калютик А.И. и др. Расчет на ЭВМ температурных полей в твердых телах с подвижными границами.-Л.:Изд-во Ленигр. Унив-та, 1987.

18. Тимофеева С.С. Экологическая биотехнология. Уч пособие.- Иркутск: Изд-воИрГТУ, 1999.-2 Юс.

19. Ржеганек Я., Яноуш А. Снижение теплопотерь в зданиях./пер. с чеш. В.П.Поддубного; Под ред. Л.М. Малахова. М.: Стройиздат, 1988.-168 с.

20. Цветков В.Н. Учет атмосферного давления в расчетах на 2с?духспрояицаемсст1, сгра;:;да:с1цкх конструкций зданий./Экономияэнергоресурсов в системах теплогазоснабжения и вентиляции: Межвуз. темат. сб. тр./ЛИСИ. Л., 1987. 127 с.

21. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1982. 416 с.

22. Старостин Г.Г., Иващенко Ю.Г., Степанов А.В. Теплотехническая оценка проектных решений жилых домов./Изв. вузов. Стр-во.- 1997.- №12.- С. 7781,127.

23. Богословский В.Н. Три аспекта создания здания с эффективным использованием энергии./ АВОК.- 1998.- №3.-С.34-36, 39-41.

24. Беляев B.C. Повышение теплозащиты наружных ограждающих конструкций./Жил. стр-во.- 1998.-№3.- С. 22-26.

25. Пригожин В.Е. Как просто и надежно сохранить тепло./Энергосбережение.-1997.-№9-10.-С 16.

26. Ломоносов А.И., Лежнин Д.Ф. Стекло в строительстве, технология заполнения световых проемов./ Тр. Map. гос. тех. ун-та.-1997.-№4.- С. 77-78.

27. Гныря А.И., Петров Е.В., Терехов В.И., Низовцев М.И. Термические сопротивления заполнений оконных блоков./Изв. вузоз. Стр-во,- 1998.-№11-12,- С. 90-94, 138.

28. Fevermann D., Novoplansky A. Reversible low solar heat gain windows for energy savings./ Sol. Energy.- 1998.- 62, №3,- С 169-175.- Англ.

29. Sonnenschutz./TAB: Techn. Bau.- 1998.-№9.- C. 29.- Нем.

30. Reppel J., Edmonds I.R. Angle-selective glazing for radiant heat control in buildings: Theory./ Sol. Energy.- 1998.- 62, №3,- C. 245-253.- Англ.

31. Блюм Д.В., Сошников A.H. Проблемы повышения теплозащитных свойств долговечности многослойных ограждающих конструкций./ Повыш. эффектов, работы ж.-д. трансп. Сибири и Дал. Вост.: Сб. тез. докл. 40 Всеросс. науч.-практ. конф., Хабаровск, 1997,- С. 56-57.

32. Negrao Cezar O.R. Integration of computational fluid dynamics with building thermal and mass flow simulation. /Energy and Build.- 1998.- 27, №2.-C/155-165.-Англ. федеральный институт Санта Катарина, г. Флорианополис, Бразилия.

33. Монастырев П.В. Нормирование теплозащиты стен зданий./Жил. Стр-во.-1998.-№7.-С. 9-110.

34. Григорьев П.Я. повышение теплозащитных свойств крупнопанельных зданий./ Повыш. эффектив. работы ж.-д. трансп. Сибири и Дал. Вост.: Сб. тез. докл. 40 Всеросс. науч.-практ. конф., Хабаровск, 1997.- С. 52-53.

35. Гурьев В.В., Хайнер С.П., Дмитриева А.Н. и др. Влияние некоторых параметров пористо-волокнистых утеплителей на экономичность теплозащиты зданий./ Пром. и гражд. стр-во.- 1998.-№5.- С.- 53-55.

36. Hauser Gerd. En EV 2000 Ein Konzeptvorschlag./ TAB: Techn. Bau.- 1998.-№8.- С 51-54, 56.- Нем.

37. Lis Anna, Lis Piotr, Ekonomizne efekty ograniczania strat ciepla w budinkach wielorodzinnych przez stosowania nowych konstrukcji okien./ Zesz. Nauk. Bud./ PCzest.-1994. №5.

38. Walker Iain S., Wilson David J., Sherman Max H. A comparison of the power law to quadric formulations for air infiltration calculations. /Energy and Build.- 1998.27, №3.-C. 293-299. -Англ.

39. Collins R.E., Simko T.M. Current status of the science and technology of vacuum glazing./ Sol. Enegy.- 1998,- 62, №3,- C.- 189-213.-Англ.

40. Межевников B.C., Ломов А.А. Теплоизоляция зданий и проблемы энергосбережения./ Пробл. теории и практики в науч. исслед.: Тр. 33 Науч. конф. Росс, ун-та дружбы народов (РУДН), Москва, 21-25 апр., 1997.- М., 1997,- С. 24-25.

41. Межевников Б.С., Ломов А.А. Теплоустойчивость зданий и вопросы ее нормирования./ Пробл. теории и практики в науч. исслед.: Тр. 33 Науч. конф. Росс, ун-та дружбы народов (РУДН), Москва, 21-25 апр., 1997.- М., 1997.- С. 26-27.

42. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник/ Е.В. Аметистов, В.Н. Григорьев, Б.Т. Емцев и др.- М.: Энергоиздат,1982. 512 е., ил-(Теплоэнергетика и теплотехника).

43. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справ, пособие/ Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.- М.: Стройиздат, 1990.-624 е.: ил.

44. Кузнецов Н.Д., Чистяков B.C. Сборник задач и вопросов по теплотехническим измерениям и приборам: Уч. пособие для вузов,- 2-е изд., доп.- М.: Энергоатомиздаг, 1985.- 318 с.

45. Климентов П.П., Кононов В.М. Динамика подземных вод: Учебник для геологоразвед. техникумов,- Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.: Высш. шк.,1985.-384 е., ил.

46. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции: Уч. пособие для вузов, обучающихся по специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция".- М.: Стройиздат, 1979.

47. Талиев В.Н. и др. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. М., 1969.

48. Климентов П.П., Пыхачев Г.Б. Динамика подземных вод./ Гос. науч.-техн. изд-во литературы по горному делу. Москва 1961.

49. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. М., изд-во "Недра", 1981.

50. Щекин Р.В. и др. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Изд-е 4-е, Перераб. К ДОП. "1>уд1ьс;логшК", I9S6.

51. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., "Наука", 1977.

52. Кругов В.И. и др. Основы научных исследований: Учебник для техн. вузов.-М.: Высш. шк., 1989.

53. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: "Наука", 1980

54. Сергованцев В.Т., Бледных В.В. Вычислительная техника в инженерных и экономических расчетах.- М.: Финансы и статистика, 1988.

55. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул: Учеб. пособие.- М.: Высш. шк., 1982.

56. Адлер Ю.П. ВВедение в планирование экперимента.- М.: Металлургия, 1989.

57. Айвазян С.А. Статистическиен исследования зависимостей, применение методов корреляционного и регрессионного анализа при обработке результатов экспериментов. М.: Металлургия, 1988.

58. Ашмарин И.П. и др. Быстрые методы статистической обработки и планирования экспериментов. Л.:Изд-во ЛГУ, 1975.

59. Box G.E.P., Behnken D.W. Some New Three Level Design for Study of Quantitative variables. Technometries, vol. 2, 1980 №4.

60. Box G.E.P., Hanter J.S. Multifactor Experimental Designs for Exploring Response Surfaces. Annals of Mathematical Statistics, 1987,28, №1,195.

61. Box G.E.P., Wilson К.В. On the Experimental Attainement of Optimum Conditions. Journal of the Royal Statistical Society, Series B, 13,№1,1.

62. Lvovsky E.N. Research of Mechanical Characteristics of concrete using Computer, Statistical Methods and Active Experiments. Summaries Rilem Symposium, Copenhagen, 1981.

63. Материалы всесоюзной конференции по планированию эксперимента. -М.: Изд-во МЭИ, 1988.

64. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов.

65. Экологическая обстановка в Иркутской области в 1993 году. Ежегодный доклад. Иркутск: Иркутский областной комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов, 1994.- 204 с.

66. Kitada Т., Igarashi К., Owada М. Numerical analysis of air pollution in a combaned fild of land/sea breeze and mountain/valley wind// J. of Climate and Applied Meteorology.- 1986,- 25.- P. 767-784.

67. Kitada Т., Lee P. C. S., and other. Numerical study of the formation of acidic species in the convective cloud streets over the Japan sea in winter // Air pollution modeling and its application VIII/- New YorkA Plenum Press, 1991. V15.-P.521-529.

68. Khodzer T.V., Obolkin V.A. Present state and main results of atmosphere monitoring in Baikal region // Work-shop Siberian Haze.- Institut fur

69. Expenmentaipmsik der Umversitat Wien, 1994., P. 58-76.

70. Andre J.-C. A third-order-closure model for the evolution of aconvective planetary boundary layer // Seminars on the treatment of the boundary layer in numerical weather prediction. Reading, 6-10 September 1976. P.205-233.

71. Bashurova V.S., Dreiling V., Hadger T.V. et al. Measurements of atmospheric condensation nuclei size distributions in Siberia. // J. Aerosol Sci.- 1992.- 23, №2. P.191-199.

72. Boer G.J. et al. An intercomparison of the climates simulated by 14 atmospheric general circulation models. //WMO / TD.- 1991.- №425.

73. Bradshow P., Cebeci T., Whitelow J. Engineering calculation methods for turbulent flow.- London: Acad. Press, 1991.

74. Canuto V.M., Minotti F., Ronche C. et al. Second-order closure PBL model with new third- order moments: comparison with LES data. // J. Atmos. Sci.-1994.- 51, №12.- P. 1605-1618.

75. Fisher B.E.A. A review of the processes and models of long-rang transport of air pollutants. // Atmosph. Environ.- 1983.-17.-P.1865-1880.

76. Herrig J.R. Subgrid scale modeling.- An introduction and over view // Turb. Shear Flows.- 1989,-P. 347-351.

77. Huertas M.L., Lopez A. Simulation study of the gaseous evolution in the troposphere.// Atmospheric Research.- 1990.- 25.- P.363-374.

78. Meinan H., Zifa W., Dongyang H. Modeling studies on sulfur deposition and transport in the East Asia. // Water, Air, and Soil pollut.- 1995.-85, №4.- P. 19211924.

79. Phillips O.M. Shear-flow turbulence.- California: Ann. Review of fluid mechaniks,1969. VI.- P. 245-264.

80. Sailor R.D., Peters L.K. The global numerikal simulation of the distribution of coin the troposphere. // Air pollution modelling and its application VIII.- New YorkA Plenum Press,-1991.VI5,- P485-496.

81. Smagorinski J. General circulation experiments with the primitive eqations. // Mon. Wea. Rev.- 1963.- 91.- P.99-165.

82. Чаплин B.M. Курс отопления и вентиляции. Выпуск 1. Отопление. Государственное издательство 1924 г., 376 с.

83. Богуславский Л.Д. Экономия теплоты в жилых зданиях.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1990.-119 с.:ил.- (Экономия топлива и электроэнергии).

84. Богуславский Л.Д. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции: Учеб для вузов/Л.Д. Богуславский, А.А. Симонова, М.Ф. Митин.- 3-е изд., перераб. И доп.- М.: Стройиздат, 1998.-351 е.: ил.

85. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (Ограждающие конструкции и микроклимат зданий). Уч. пособие для инж.-строит. вузов. М., «Высш. школа», 1984.

86. Экономика строительства: Учеб для вузов для всех строительных специальностей./И. С. Степанов, В.Я. Шайтанов и др.; Под ред. И. С. Степанова; Моск. гос. строит, ун-т. М.: Юрайт, 2000.

87. Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для техникумов.-2-е изд., прераб. и доп.- М.: Стройиздат, 1998.

88. Андреевский А.К. Отопление: Учеб пособие для вузов по спец. 1208 «Теплогазоснабжение и вентиляция». под ред. М.И. Курпана.- 2-е изд., перераб. и доп. -Мн.: Высш. школа, 1992.

89. Гусев М.Н. Основы строительной физики. Уч-к для вузов. М., Стройиздат, 1985.

90. Дроздов В.Ф. Отопление и вентиляция. Уч-к для строит, вузов. М., "Высш. школа", 1986.

91. Туркин В. Отопление гражданских зданий. Челябинск, Южно-Уральское кн. изд-во, 1984.

92. Меркин P.M. Системный подход к совершенствованию хозяйственного механизма в строительстве. М.: Стройиздат, 1990.

93. Основы теории системного, подхода // Колесников JT.A. Киев: Наук.думка, 1998.

94. Абовский Н.П. Творчество: системный подход, законы развития, принятие решений. Серия «Информатизация России на пороге XXI века». -М.: СИНТЕГ, 1998.

95. Викторов Н.И., Подлесных В.И. Системный подход к повышению эффективности производства. Л.: Лениздат, 1988.