автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка целесообразности и оптимизация термомодернизации жилых зданий градостроительного образования

На правах рукописи

А-'

КЛЫЧНИКОВ Роман Юрьевич

ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕРМОМОДЕРНИЗАЦИИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 МАР 2012

Пенза-2012

005013434

005013434

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

МОНАСТЫРЕВ Павел Владиславович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

БЕРЕГОВОЙ Александр Маркович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Городское строительство и архитектура»

КУЗНЕЦОВА Наталия Владимировна

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», доцент кафедры «Архитектура и строительство зданий»

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита состоится 13 апреля 2012 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.01 при ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, дом 28, 1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан 12 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.184.01

БАКУ IIIК В Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В России после выхода последнего поколения нормативных документов по тепловой защите зданий появились новые жилые дома, запроектированные с учетом современных требований. Однако модернизация существующего жилищного фонда происходит очень медленно, что не позволяет решить проблему энергосбережения в полном объеме.

Наиболее трудной задачей при реализации политики повышения энергетической эффективности существующих жилых зданий, заложенной в ФЗ № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 г., является поиск источников финансирования теплозащитных мероприятий.

Исследования, проводимые ведущими российскими учеными, четко свидетельствуют о необходимости комплексного подхода к реализации теплозащитных работ, затрагивающего все элементы зданий. Однако эти же исследования показывают высокую затратность работ по термомодернизации зданий, что серьезно снижает перспективность развития энергосервисных отношений в этой сфере, особенно когда речь заходит о желаемых и требуемых объемах, на которые делаются основные ставки в упомянутых целевых программах.

В связи с этим, учитывая большую ресурсоемкость сферы ЖКХ, необходима разработка детальной стратегии термомодернизации жилищного фонда каждого градостроительного образования (жилой группы, микрорайона, жилого района, города).

Для качественной проработки подобной стратегии в полном объеме существующих методик недостаточно. Общее решение планирования термомодернизации всего жилищного фонда состоит из двух частных задач - оптимизации по экономическому критерию тепловой защиты отдельно взятого здания и оптимизации последовательности термомодернизации всей совокупности жилых зданий рассматриваемого градостроительного образования.

Вопросы оптимизации параметров тепловой защиты одного здания неоднократно рассматривались в литературе. Однако при этом поиск оптимальных решений в данных методиках предлагается находить с помощью аппарата дифференциального исчисления. При рассмотрении современных технических систем приходится сталкиваться с большим количеством оптимизируемых параметров и наличием ограничений, накладываемых на них. Для оптимизации таких систем упомянутый классический метод оказывается неудобным и очень сложным.

Рассмотрение проблемы оптимизации последовательности термомодернизации зданий жилищного фонда градостроительного образования, предполагающей обоснованный выбор параметров тепловой защиты и очередности модернизации зданий жилищного фонда с достижением максимального экономического эффекта от реализации программы, в научных работах в настоящее время находится на начальном этапе.

Существующие принципы оценки целесообразности термомодернизации не дают возможности для анализа экономических потерь в связи с последствиями отсрочки реализации теплозащитных мероприятий.

Созданию, упорядочению и сбору в единое целое существующих метод и I оценки экономической эффективности и оптимизации параметров термомодерниза ции жилых зданий, а также расширению научно-методических взглядов, позволяю щих находить комплексное решение подобных задач, и посвящена настоящая рабо та.

Целью диссертационной работы является разработка научных и методиче ских основ оценки целесообразности и оптимизации по экономическому критерии параметров термомодернизации как отдельно взятого жилого здания, так и группь зданий, составляющих жилищный фонд градостроительного образования, а такж< иллюстрация возможности применения разработанных методик и моделей термомо дернизации на примере жилищного фонда г.Тамбова.

Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели предполага лось решить следующие задачи:

• произвести комплексный анализ жилищного фонда г.Тамбова с учетом периодов строительства зданий, особенностей их конструктивного и объемно-планировочного решений, технического состояния и фактических теплозащитных качеств ограждающих конструкций;

• исследовать влияние различных способов тепловой защиты рассматриваемых зданий на снижение удельного расхода тепловой энергии и выбрать из них наиболее целесообразные;

• развить существующую методику оценки экономической эффективности термомодернизации жилых зданий с учетом фактической ситуации и перспективных прогнозов изменения тарифов на тепловую энергию;

• разработать методику оценки целесообразности термомодернизации жилых зданий, учитывающую техническое состояние здания и условие безубыточности на остаточном сроке службы, и с ее помощью исследовать целесообразность термомодернизации эксплуатируемого жилого здания;

• разработать методику многофакторной оптимизации параметров тепловой защиты отдельно взятого жилого здания с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия с ее реализацией в виде программной математической модели, с помощью которой выполнить оптимизацию параметров тепловой защиты жилого здания одного из рассматриваемых типов;

• разработать методику оптимизации термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия с ее реализацией в виде программной модели, а также произвести оптимизацию параметров термомодернизации жилых зданий на примере жилищного фонда г.Тамбова.

Методы исследования:

- натурные исследования технического и теплотехнического состояния зданий (выявление и анализ различных повреждений конструктивных элементов и инженерных систем исследуемых зданий; измерение плотностей тепловых потоков через наружные ограждающие конструкции и их тепловизионная съемка с последующей расшифровкой);

- лабораторный вычислительный эксперимент с использованием программы для ЭВМ «Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий

(ЕР creator)» по изучению влияния теплозащитных мероприятий модернизируемого здания на удельные затраты на отопление;

- лабораторный вычислительный эксперимент для построения зависимости чистой дисконтируемой экономии средств от параметров тепловой защиты отдельного взятого жилого здания по критерию максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия с оптимизацией этих параметров;

- компьютерная симуляция на математической модели, описывающей траекторию термомодернизации жилищного фонда градостроительного образования с процедурой численной оптимизации параметров входящих в модель.

Достоверность результатов, полученных при проведении натурных исследований, вычислительного эксперимента и оптимизации обеспечивалась статистической обработкой данных, а также сравнением их с подобными результатами, полученными другими авторами.

Научную новизну работы составляют:

- математические модели, описывающие зависимости удельного расхода тепловой энергии на отопление выбранных типов жилых зданий от параметров, характеризующих уровень их тепловой защиты, а также данные о влиянии этих параметров на снижение удельного расхода тепловой энергии на отопление;

- теоретические положения методики оценки целесообразности термомодернизации жилых зданий при условии безубыточности на остаточном сроке службы;

- введенный критерий Гэф - срок службы здания, обеспечивающий безубыточность его термомодернизации, который позволяет оценить целесообразность термомодернизации того или иного жилого здания в долговременной перспективе;

- теоретические положения методики оптимизации параметров термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования, позволяющие определить оптимальную последовательность ее реализации при различной степени износа зданий.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана программа для ЭВМ, позволяющая рассчитать энергетические параметры жилых и общественных зданий и составить энергетический паспорт;

- получены данные о фактических теплозащитных качествах наружных ограждающих конструкций жилых зданий г.Тамбова и их остаточном сроке службы, являющиеся исходными данными для разработки стратегии термомодернизации;

- скорректирована методика оценки экономической эффективности термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений;

- разработана методика определения предельного срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации;

- разработана методика оптимизации по экономическому критерию параметров тепловой защиты отдельно взятого жилого здания и ее программная математическая модель;

- найдены оптимальные значения параметров тепловой защиты жилого здания с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия;

- разработана методика оптимизации по экономическому критерию термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования и ее программная математическая модель;

- найдены оптимальные значения параметров термомодернизации группы жилых зданий на примере жилищного фонда г.Тамбова, обеспечивающие максимальную чистую дисконтируемую экономию средств (ЧДЭС) от реализации программы термомодернизации;

- разработаны практические рекомендации по проведению термомодернизации жилых зданий опорного жилищного фонда г.Тамбова.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований влияния теплозащитных мероприятий на удельный расход тепловой энергии и чистую дисконтируемую экономию средств, получаемую за счет экономии энергоресурсов за рассматриваемый срок, методика оптимизации последовательности термомодернизации группы жилых зданий, а также компьютерная программа «ЕР creator», и практические рекомендации по проведению термомодернизации опорного жилищного фонда г.Тамбова прошли практическую апробацию и внедрены в ОАО проектный институт «Тамбовгражданпроект», г.Тамбов.

Кроме того компьютерная программа «ЕР creator» внедрена в научно-производственный процесс таких организаций как:

- ООО научно-инженерно-строительная компания «ЮНИВЕР», г. Калининград;

- ООО «НТО» Эксперт», г.Липецк.

На защиту выносятся:

- данные о фактических теплозащитных качествах наружных ограждающих конструкций жилых зданий г.Тамбова и их остаточном сроке службы;

- регрессионные зависимости удельных расходов тепловой энергии на отопление рассматриваемых жилых зданий от параметров, характеризующих уровень их дополнительной тепловой защиты;

- данные о влиянии различных теплозащитных мероприятий на снижение удельного расхода тепловой энергии на отопление рассматриваемых жилых зданий;

- скорректированная методика оценки экономической эффективности термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений, учитывающая фактическую ситуацию и перспективные прогнозы изменения тарифов на тепловую энергию;

- методика определения предельного срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации;

- методика оптимизации по критерию ЧДЭС параметров тепловой защиты отдельного жилого здания и ее программная математическая модель;

- методика оптимизации по критерию ЧДЭС параметров термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования и ее программная математическая модель.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на всероссийском научном конгрессе «Фундаментальная наука - ресурс сохранения здоровья здоровых людей», Тамбов, ТГТУ, 2008г.; I и II академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики», посвященные памяти академика РААСН Осипова Георгия Львовича, Москва, НИИСФ, 2009г., 2010; IX международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов», Москва, София, Кавала, 2010г.; 1-ой международной научно-практической конференции

«Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека» , Тамбов, ТГТУ, 2010г.; конференции в рамках ежегодного всероссийского конкурса молодежных авторских проектов, направленных на социально-экономическое развитие российских территорий «Моя страна - моя Россия», Москва, 2010г.; III научной конференции «Проблемы современной архитектуры и строительства» (г. Закопаны, РП, 2010 г.); XXV научно-технической конференции «EKOM1LITARIS 2011» на тему «Защита от последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Закопаны, РП, 2011 г.).

Промежуточные результаты работы автора в 2010г. представлялись на Всероссийском конкурсе молодежных авторских проектов, направленных на социально-экономическое развитие российских территорий «Моя страна - моя Россия». По итогам конкурса работа автора удостоена 3-го места и бронзовой медали в направлении «Проекты, направленные на развитие и внедрение энергосберегающих технологий в российских регионах, муниципальных образованиях (в системе ЖКХ, в малом и среднем бизнесе и др.)», а ее автор Клычников Р.Ю. представлен к премии для поддержки талантливой молодежи в рамках реализуемого приоритетного национального проекта «Образование». Кроме того, результаты исследований, ставшие в итоге частью настоящей диссертации, послужили основанием для включения автора в число финалистов конкурса научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности «Эврика 2010».

Работа в законченном виде рассмотрена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (протокол №6 от 27 декабря 2011г.). Основные положения диссертации отражены в 19 печатных работах, в том числе одном учебном пособии «Технико-экономическая оценка термомодернизации жилых зданий» (Москва, Изд-во АСВ, 2011), которое рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 270100 «Строительство» по специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 97 наименований. Общий объем работы изложен на 160 страницах машинописного текста, содержит 47 иллюстраций и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы; сформулированы цель работы, научная новизна и практическое значение полученных результатов, основные положения, которые выносятся на защиту; описаны объект и предмет исследования, а также основные методы исследования.

В первой главе рассмотрены исторические предпосылки и процесс развития энергосберегающих принципов в мировой практике строительства, а также его отпечаток на эволюцию российских строительных норм и законодательной базы, регламентирующих вопросы энергосбережения и повышения энергетической эффективности в соответствующей отрасли. Дан краткий обзор мероприятий, способных

реально снизить потребность существующих зданий на отопление и затрагивающих не только наружную оболочку, но и систему отопления. Произведен анализ разрабатываемых в рамках реализации ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 г. соответствующих муниципальных целевых программ на примере г.Тамбова. Отмечена неспособность заложенных к реализации мероприятий дать реальную экономию тепла. В связи с чем выполнен обзор работ отечественных и зарубежных ученых в области термомодернизации существующих зданий, таких как Береговой A.M., Гагарин В.Г., Дмитриев А.Н., Езерский В.А., Иванов Г.С., Козлов В.В., Ливчак В.И., Матросов Ю.А., Монастырев П.В., Савин В.К., Самарин О.Д., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В., Moncef К . и др. Проанализированы различные направления исследований. Параллельно отмечены нерешенные проблемы в вопросах качественной проработки программ термомодернизации существующих жилых зданий. Это позволило выделить и конкретизировать круг задач настоящей работы.

Во второй главе описано комплексное исследование жилищного фонда градостроительного образования с позиции его пригодности к термомодернизации (на примере г.Тамбова).

Для города Тамбова на основе исторического анализа его застройки с использованием литературных данных и собственных натурных исследований зданий разработана классификация опорного жилищного фонда, в которой дома разделены на семь периодов строительства: дореволюционный (до 1917 г.); послереволюционный (с 1917 по 1932 гг.); довоенный (с 1932 по 1944 гг.); послевоенный (с 1944 по 1958 гг.); первый индустриального домостроения (с 1958 по 1974 гг.); второй индустриального домостроения (с 1974 по 1990 гг.); современный (с 1990 г.).

По результатам анализа всей совокупности зданий установлено, что наибольший удельный вес имеют здания, построенные с 1958 г. Это говорит о том, что в них проживает большая часть населения города.

Несмотря на многообразие зданий последних трех периодов, среди них выделены наиболее распространенные с резко выраженными особенностями. Ими оказались 4-х и 5-этажные кирпичные жилые дома серии 1-447; 5-этажные крупнопанельные жилые дома серии 1-464; 9-ти и 10-этажные крупнопанельные здания серии 111-90. С учетом массовости и типового единства перечисленные здания использованы в дальнейших главах настоящей работы для иллюстрации предлагаемых методик и подходов.

Вместе с описанием объемно-планировочных и конструктивных решений выделенных типов зданий также приведены данные о фактическом техническом состоянии элементов зданий и теплозащитных качествах их ограждающих конструкций. В качестве критерия, характеризующего техническое состояние домов, принят их общий физический износ, который оценивался по сводным таблицам визуальных признаков.

После установления величин общего износа обследованных домов оценивался остаточный срок службы зданий. При этом на основе анализа работ Нечаева Н.В. выявлено, что данный критерий имеет низкое практическое значение. Для этих целей им предложено использовать не общий износ, а износ наружных стен, т.к. они находятся в наиболее неблагоприятных эксплуатационных условиях. Решая широко

известное уравнение (1) относительно Т„, в ходе дальнейшего анализа были оценены остаточные сроки службы исследуемых зданий.

Ф = 0,75И^), (,)

2-Т

'н

где I - срок эксплуатации здания, лет; Т„ - его нормативный срок службы, лет; Ф -осредненное значение физического износа в абсолютном выражении.

Результаты исследова-

| [ - физический износ зданий | [ - остаточный срок службы зданий

94

Ф, %

20

56 ■

52 Г 27 -1-. 23

В

„ г ■• 100 ■■ 80 ■■ 60 ■■ 40 ■■20

<Г

Рисунок 1 - Физический износ (Ф) и остаточный срок службы (Тост) исследуемых жилых зданий

Установлено, что все виды рассмотренных жилых домов находятся в удовлетворительном, в отдельных случаях близком к хорошему, и хорошем состоянии и имеют физический износ ниже 40%. Данные здания имеют длительные остаточные сроки службы - от 48 до 94 лет. Кроме того, в ходе исследования не было выявлено существенных повреждений основных несущих конструкций исследуемых зданий, свидетельствующих о серьезном снижении несущей способности. Также установлено, что по уровню удельного тепло-потребления (от 199,28 до 151,68 кДж/(м3-°Ссут) эти дома можно отнести к самому низкому классу («Е» -«очень низкий») энергетической эффективности.

В целом показана возможность и необходимость термомодернизации исследуемых зданий, особенно актуальной в условиях роста тарифов на теплоноси-

ний технического состояния выделенных зданий и оценки их остаточного срока службы приведены на рисунке 1.

Натурное исследование теплозащитных качеств ограждающих конструкций рассматриваемых зданий выполнено по комбинированной методике, разработанной Будадиным О.Н. Результаты исследований теплозащитных качеств ограждений выбранных зданий показаны на рисунке 2.

1-447 1-464 111-90

Фактическое приведенное сопротивление теплопередаче

| | - окон - цокольных перекрытий ЦЦ - стен Д - чердачных перекрытий холодных чердаков

Ц - чердачных перекрытий теплых чердаков Нормируемое приведенное сопротивление теплопередаче соответствующей ограждающей конструкции

Рисунок 2 - Приведенное фактическое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций исследуемых жилых зданий

тели и интенсификации мероприятий по энергосбережению.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния параметров, характеризующих дополнительную теплозащиту наружных ограждающих конструкций при их термомодернизации, а также условия эксплуатации некоторых элементов инженерного оборудования, на величину удельного расхода тепловой энергии на отопление qhde'\ кДж/(м2 °С сут) для исследуемых жилых зданий: 4-этажных серии 1-447 (отклик Yq)); 5-этажных серии 1-447 (отклик Yq2); 5-этажных серии 1-464 (отклик Yq3); 9-этажных серии 111-90 с холодным чердаком (отклик Yq4); 9-этажных серии 111 -90 с теплым чердаком (отклик К?5); 10-этажных 111 -90 с теплым чердаком (отклик Yq6).

Изложен алгоритм расчета затрат тепловой энергии на отопление, приведенный в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». В целях упрощения вычислений по данному громоздкому алгоритму разработана реализующая его компьютерная программа «Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий (ЕР creator)», на которую получено свидетельство о государственной регистрации.

В качестве теплозащитных мероприятий рассмотрены дополнительное утепление наружных стен, чердачного и цокольного перекрытий, замена оконных заполнений и балконных дверей, остекление балконов и лоджий, модернизация системы отопления с повышением ее эффективности.

Исследование эффективности перечисленных мероприятий произведено с применением теории планирования вычислительного эксперимента.

Область факторного пространства была конкретизирована и характеризовалась следующими шестью факторами:

толщиной слоя дополнительной теплоизоляции наружных стен 8стен:юг' (X,) = 0(-1), 0,08(0), 0,16(+1) м;

сопротивлением теплопередаче устанавливаемых оконных и балконных заполнений термомодернизируемого здания К0"т (Х2) - для зданий серий 1-447 и 1464 = 0,3(-1), 0,54(0), 0,71(+1) м2°С/Вт; для зданий серии 111-90 = 0,35(-1), 0,54(0), 0,71(+1) мгоС/Вт;

толщиной слоя дополнительной теплоизоляции чердачного перекрытия 5,еРдДО" №) - для зданий серий 1-447, 1-464 и 111-90 с холодным чердаком = 0(-1), 0,1(0), 0,2 (+1) м; для зданий серии 111-90 с теплым чердаком = 0(-1), 0,05(0), 0,1 (+1)м;

толщиной слоя дополнительной теплоизоляции перекрытия первого этажа 5„окдап №) = 0(-1), 0,05(0), 0,1(+1) м;

сопротивлением теплопередаче свегопрозрачного ограждения балкона/лоджии RJ'" (Х5) = 0(-1), 0,18(0), 0,35(+1) м2°С/Вт;

коэффициентом эффективности авторегулирования подачи теплоты в системе отопления ^ (Х6) = 0,5(-1), 0,7(0), 1(+1).

Проведение вычислительного эксперимента осуществлялось на основе композиционного трехуровневого симметричного плана, имеющего достаточно высокую эффективность по основным статистическим критериям (е° = 0,932) и включающего 44 опыта.

По результатам эксперимента построены регрессионные зависимости удельного расхода тепловой энергии на отопление исследуемых зданий от рассматриваемых факторов:

У,, = 95,22 - 18,83Х, - 13,42Х2 - 12,01Х3 - 2,80X4 - 2,14Х5 - 11,25Х* - 0,12Х,Х2 + +0,60Х,Х5 + 1,02Х2Х5 + 8,94Х,2 + 11,43Х22 + 8,50Х32 + 0,95Х/ + 0,54Х52 -

- 2,41Х62 (2)

Y4l =90,50 - 18,93Xi • 14,97X2 - 9,6IX3 - 2,24X4 - 1,30Х5 - 10,81X6 + 0,52Х,Х5 + +0,52Х2Х5 + 8,98Х,2 + 12,70Х2г + 6,80X32 + 0,76Х/ + 0,32Х52 -

- 2,37Хб (3) Yq3 =95,51 - 17,85Х] - 16,80Х2 - 15,17Х3 - 2,84X4 - 1,12Х5 - 12,40Хв + 0,31Х,Х5 +

+0,53Х2Х5+ 11,74Х,2+ 14,22Х22 + 11,85Х32+ 1,27Х42 + 0,ЗЗХ52--2,71Х/ (4)

Г,4 =82,83 - 19,22Xi - 8,93Х2 - 6,37Х3 -1,50X4 - 2,77Х5 -10,52Х« - 0,1 ЗХ,Х2 + +1,07X1X5 + 0,88Х2Х5 + 11,94Х,2 + 7,20Х22 + 4,82Х32 + 0,83X4' + 1,14Х52 -

-2,17Х62 (5)

У,5 =80,76 - 19,22Х, - 8,93Х2 - 4,60Х3 - 1,50Х, - 2,77Х5 - 10,52Х« - 0,13Х,Х2 + +1,07X1X5 + 0,88Х2Х5 + 11,94Х,2 + 7,20Х/ + 3,86Х32 + 0,83Х42 + 1,14Х52 -

- 2,17Х62 (6) Yq6 =80,06 - 19,16X1 - 8,88Х2 - 4,14Х3 - 1,35X4 - 2,99Х5 - 10,52Х6- 0,13Х,Х2 +

+1,14Х,Х5 + 0,93Х2Х5+ 11,87Х,2 + 7,17Х22 + 3,50Х32 + 0,78Х42+ 1,24Х52-

- 2,16Хб2 (7) На основе анализа уравнений регрессии (2 - 7) интерпретировано влияние выбранных факторов на удельный расход тепловой энергии на отопление рассматриваемых зданий. В целом проведенное исследование показало, что для рассмотренных зданий наибольший вклад имеют такие энергосберегающие мероприятия, как утепление наружных стен и чердачных перекрытий, замена оконных заполнений, модернизация системы отопления. Наименьший эффект для всех рассмотренных домов имеет утепление цокольных перекрытий и остекление балконов. С учетом этого при проектировании термомодернизации существующих жилых зданий представляется целесообразным не рекомендовать эти два мероприятия в качестве альтернативных.

Показано, что окончательный выбор параметров теплозащиты здания можно получить лишь на основе решения задачи оптимизации после выбора и обоснования соответствующего оптимизационного критерия.

В четверной главе разработаны методики оценки целесообразности термомодернизации и оптимизации параметров тепловой защиты жилого здания по экономическому критерию, а также дан пример их практического применения.

Учитывая, что данные разработки базируются на методике экономического анализа теплозащитных мероприятий, первоначально рассмотрены особенности существующих подходов к экономической оценке термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений.

В ходе их рассмотрения сформулированы и приведены рекомендации, позволяющие скорректировать и развить существующие положения. Так, в частности, показаны особенности учета изменчивости такого параметра как стоимость тепловой энергии. В итоге предложена уточненная формула для определения чистой дис-

контируемой экономии средств, достигаемой за счет внедрения энергосберегающих мероприятий:

^ _ .(п__ол п+л\ „

(8)

ЧДЭС= с*>" (6о - Ш . (1- ) - к

{р-О) (1 + р)

где бо и 01 - расход тепловой энергии на отопление рассматриваемого здания соответственно до и после проведения термомодернизации, Гкал; К - затраты на теплозащитные мероприятия, выраженные в текущих ценах, руб.; р - норма дисконта в абсолютных единицах; Т - рассматриваемый период времени, годы; ст0 - текущий тариф на тепловую энергию, руб./Гкал; с1 - средний прогнозируемый фактор роста цен на тепловую энергию в абсолютных единицах.

Кроме того, рассмотрены особенности оценки отсроченных теплозащитных мероприятий, а также термомодернизации в целом с позиции различных инвесторов. Для каждого случая приведены соответствующие формулы ЧДЭС.

7*

Тфакт То ст

1 \\

Т\

/, лет

Рисунок 3 - Предложенный критерий 7эф

Разработана методика определения срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации (Тэф). Эта методика позволяет оценить допустимое время отсрочки реализации теплозащитных мероприятий. По истечению данного времени термомодернизации здания за его остаточный срок службы не

окупится. Наглядное представление о данном критерии дано на рисунке 3.

С помощью корректировки методики экономической оценки термомодернизации получено выражение для определения предложенного критерия:

Т = Т 4-'эф факт т"

1п[--р---)

Чо-(бь-а) IV

1п(—-) 1 +р

(9)

где Гфает и Гот - фактический и остаточный сроки службы здания, лет.

Рассмотрены особенности расчета данного критерия с позиции различных инвесторов.

С использованием предложенной методики исследованы рассматриваемые здания с точки зрения обеспечения безубыточности их термомодернизации. Установлено, что, в случае проведения термомодернизации этих домов, предполагающей дополнительное утепление наружных стен и чердачных перекрытий, замену окон и балконных дверей, а также модернизацию системы отопления, с использованием средств сторонних инвесторов, допустимое время ее отсрочки приближается к остат точным срокам службы зданий и составляет от 43,2 до 93,4 лет. В случае же реализации термомодернизации за счет средств жителей это время сокращается на 16 лег.

Разработана методика оптимизации параметров тепловой защиты жилого здания, опорная схема которой приведена на рисунке 4.

С использованием предложенной методики оптимизированы теплозащитные мероприятия при термомодернизации жилого здания по критерию чистой дисконтируемой экономии средств на примере двухсекционного 4-этажного жилого здания

Анализ здания, выявление факторов, влияющих на потребность в тепловой энергии на отопление (методика гл. 2, п. 2.1, 2.2.1.1,2.2.2.1; гл. 3 п. 3.1)

Выбор области изменения факторов - (методика гл. 3 п. 3.2)_

Расчеты потребности здания в тепловой энергии на отопление и экономических затрат на термомодернизацию по выбранному плану

вычислительного эксперимента (методика гл. 3 п. 3.1; гл. А п. 4.2.1, 4.4.1)

Построение регрессионных математических зависимостей теплоэнергетических и экономических показателей (методика гл. 3 п. 3.3) Построение программных математических зависимостей теплоэнергетических и экономических показателей (методика гл. 4 п. 4.4.2)

1

Анализ математических зависимостей и огггимизация параметров тепловой защиты (методика гл. 3 п. 3.4; гл. 4 п. 4.4.2)

серии 1-447 со среднестатистическими техническими и теплозащитными показателями.

Предполагалось, что термомодернизация данного здания включает в себя: утепление наружных стен (фактор Х\)', замену оконных заполнений (фактор Х2); утепление чердачного перекрытия (фактор X,).

Исследование произведено на программной математической модели, представляющей собой электронные таблицы, запрограммированные в MS Excel.

Используя файл программной модели, с помощью специально разработанной компьютерной программы «Super optimum» просматривалось факторное пространство и определялись оптимальные значения исследуемых факторов, максимизирующие функцию цели. Такими значениями оказались: толщина слоя дополнительной теплоизоляции наружных стен 5СТС„Д"" (Х\) - 0,16 м (+1); сопротивление теплопередаче устанавливаемых оконных и балконных дверных заполнений ROKnew (Х}) = 0,54 (мг оС)/Вт (0); толщина слоя дополнительной теплоизоляции чердачного перекрытия 5чердА0П (Х2) = 0,2 м (+1).

В результате повышения тепловой защиты здания до выше перечисленных оптимальных параметров за 24 года его эксплуатации после термомодернизации будет достигнута чистая дисконтируемая экономия средств в размере 2 387 004 рублей при индексе доходности 1,34 и сроке окупаемости 19,9 лет. При этом будет обеспечен уровень теплоизоляции, соответствующий высокому классу «В» энергетической эффективности здания.

В целом показано, что подходы, заложенные к проектированию энергоэффективной тепловой защиты в СНиП 23-02 «Тепловая защита зданий», способны реально снизить потребление тепловой энергии в коммунальном хозяйстве, но требуют при этом довольно длительных сроков окупаемости. Полученные результаты в очередной раз иллюстрируют непривлекательность масштабной термомодернизации для сторонних инвесторов и необходимость детальной проработки инвестиционных механизмов финансирования теплозащитных работ.

В пятой главе разработана методика оптимизации термомодернизации жилых зданий градостроительного образования и дан пример ее практического применения.

Математическое описание оптимизационной задачи имеет вид:

Рисунок 4 - Опорная схема оптимизации тепловой защиты здания

ЧДЭС,„, = шах J I («„ • ЧДЭС,"""), (10)

t=0

где ЧДЭС,0, - суммарная ЧДЭС, достигаемая от реализации всей программы термомодернизации на конец рассматриваемого периода времени, тыс. руб.; «„ - количество термомодернизируемых зданий одного типа за один шаг (год), шт.; ЧДЭС/™"1 -оптимальная ЧДЭС для здания выбранного типа и для выбранного шага (года), определяемая в ходе решения локальной задачи, тыс. руб.; Т0 - время, на протяжении которого оценивается эффективность реализуемой программы термомодернизации, год.

Решение данной задачи в общем виде может и не иметь практического смысла. В этой связи выделены граничные условия:

- I рода - время проведения программы термомодернизации (7'0) и ее активной фазы (Гай);

- II рода - интенсивность проведения программы термомодернизации на каждом шаге (я,), равная суммарному числу термомодернизируемых зданий всех типов за один год (и, = £ "</)>

- III рода — ограниченность инвестиционного пакета.

На рисунке 5 приведен обобщенный алгоритм решения поставленной задачи в случае, если заданы граничные условия I и II рода. Для реализации расчетов разработана компьютерная программа «Super optimum».

С использованием предложенной методики и реализующего ее программного обеспечения произведена оптимизация по экономическому критерию последовательности термомодернизации совокупности жилых зданий опорного жилищного фонда г.Тамбова. Найдены оптимальные параметры рассматриваемых вариантов мероприятий по термомодернизации для кавдого типа зданий, числа секций и года реализации модернизации, как без учета ограничений, накладываемых на факторы, так и с их учетом.

Установлено, что число секций и этажность для зданий одинаковой серии без существенных конструктивных различий не влияют на оптимальные значения параметров тепловой защиты.

©

Рисунок 5 - Обобщенный алгоритм решения задачи оптимизации при заданных условиях I и II рода

Определены оптимальные последовательность и интенсивность термомодернизации рассматриваемых зданий (рис. 6), позволяющие достичь максимальной величины чистой дисконтируемой экономии средств от реализации программы термомодернизации.

Дана экономическая оценка реализуемой программы.

□ . 4 эт. 1-447 Q - 5 эт. 1-4470-5эт. 1-464 в-9эт 1)1-90 х И-9эт. 111-90т ■- Юэт. 111 -90 т

Рисунок 6 - Оптимальная траектория и последовательность термомодернизации рассматриваемых жилых зданий с учетом граничных условий

На основе полученных результатов разработаны практические рекомендации по проведению термомодернизации жилищного фонда г.Тамбова. Внедрение этих рекомендаций обеспечит максимальную экономическую эффективность при заданных граничных условиях - за 24 года будет достигнута чистая дисконтируемая экономия средств в размере 3 538 552 ООО руб. При этом на реализацию программы за 10 лет потребуется потратить 11 067 500 000 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Произведен комплексный анализ опорного жилищного фонда г.Тамбова с учетом периодов строительства. Из всей массы жилых зданий выявлены наиболее многочисленные типы, сохраняемые на долгосрочную перспективу и нуждающиеся в термомодернизации. Рассмотрены особенности конструктивного и объемно-планировочного решений выделенных типов жилых зданий. Проведено натурное обследование рассмотренных зданий и собраны данные об их техническом состоянии и фактических теплозащитных качествах наружных ограждающих конструкций. Оценены их остаточные сроки службы.

II. Установлено, что фактические значения сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций обследованных зданий отличаются от нормируемых в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» для стен в 3 и более раз, для окон почти в 2 раза, для чердачных перекрытий в 4 и более раз, для перекрытий над подвалами в 1,5 и более раза. Величина удельного теплопотребления на отопление этих домов позволяет отнести все их к самому низкому классу («Е» - «очень низкий») энергетической эффективности.

III. С использованием принципов планирования вычислительного эксперимента проведено исследование влияния различных мероприятий по повышению тепловой защиты рассмотренных зданий на снижение удельного расхода тепловой энергии на их отопление. С помощью полученных моделей показано, что наибольший эффект дает утепление наружных стен, замена окон и модернизация системы отопления. В меньшей степени на снижение удельного расхода тепловой энергии влияет утепление чердачного перекрытия. Эффект же от утепления цокольного перекрытия и остекления балконов несуществен и данные мероприятия можно исключить из рассмотрения при проектировании термомодернизации зданий рассмотренных типов.

IV. Проанализированы существующие методики оценки экономической эффективности термомодернизации жилых зданий. Предложена скорректированная методика оценки экономической эффективности термомодернизации жилых зданий, учитывающая фактическую ситуацию и перспективные прогнозы изменения тарифов на тепловую энергию. Рассмотрены особенности и достоинства применения данной методики с позиции конкретного инвестора.

V. Разработана методика оценки целесообразности термомодернизации жилых зданий, учитывающая техническое состояние здания и условие безубыточности на остаточном сроке службы. Предложен критерий - эффективный срок службы здания, обеспечивающий безубыточность его термомодернизации, позволяющий оценить целесообразность термомодернизации того или иного жилого здания на этапе проектных изысканий. Рассмотрены особенности применения данной методики с позиции конкретного инвестора.

VI. На примере двухсекционного компоновочного решения всех рассматриваемых типов жилых зданий исследована целесообразность их термомодернизации при условии обеспечения безубыточности на остаточном сроке службы.

VII. Разработана методика оптимизации параметров тепловой защиты отдельно взятого жилого здания с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия с ее реализацией в виде программной математической модели. Произведена оптимизация параметров тепловой защиты на примере двухсекционного 4-этажного жилого здания серии 1-447 со среднестатистическими техническими и теплозащитными показателями с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия.

VIII. Разработана методика оптимизации термомодернизации жилых зданий градостроительного образования. Дана ее программная реализация в виде математической модели. Установлены граничные условия, позволяющих производить сопоставимую оптимизацию параметров термомодернизации жилых зданий при их различной степени износа, а также дана оценка практической значимости выявленных условий.

IX. На примере исследованных объектов, составляющих основную часть опорного жилищного фонда г.Тамбова, найдены оптимальные параметры термомодернизации жилых зданий рассматриваемого градостроительного образования. Установлено, что число секций и этажность для зданий одной серии без существенных конструктивных различий не влияют на оптимальные значения параметров тепловой защиты. Вместе с тем выявлена четкая зависимость оптимальных параметров тепловой защиты от времени их реализации.

X. С использованием полученных результатов разработаны практические рекомендации по проведению термомодернизации жилищного фонда г.Тамбова. Внедрение этих рекомендаций обеспечит максимальную экономическую эффективность при заданных граничных условиях - за 24 года будет достигнута чистая дисконтируемая экономия средств в размере 3 538 552 ООО руб. При этом на реализацию программы за 10 лет потребуется потратить 11 067 500 ООО руб.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

A) в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендованных ВАК

для отражения основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук:

1. Клычников Р.Ю. Влияние параметров теплоизоляции элементов жилого дома на расход тепловой энергии / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. М.: НИИСФ РААСН. С. 291-296. (0,43 п.л./0,14 п.л.)

2. Клычников Р.Ю. Влияние параметров тепловой защиты здания на удельный расход тепловой энергии / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Жилищное строительство. 2010. №1. С. 43-45. (0,18 п.л./0,06 п.л.)

3. Клычников Р.Ю. Оптимизация параметров тепловой защиты здания по экономическому критерию / Езерский В. А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Промышленное и гражданское строительство. 2010. №3. С. 13-16. (0,24 п.л./0,08 п.л.)

4. Клычников Р.Ю. Методика определения предельного срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. М.: НИИСФ РААСН. С.357-361. (0,3 п.л./ОД п.л.)

5. Клычников Р.Ю. Особенности экономической оценки термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Жилищное строительство. 2010. №8. С. 9-12. (0,24 п.л./0,08 п.л.)

Б) в учебных пособиях

6. Клычников Р.Ю. Технико-экономическая оценка термомодернизации жилых зданий t Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. М.: Изд-во АСВ, 2011. 176 с. (11 п.л./3,67 п.л.)

B) в других изданиях, выпускаемых на территории РФ

7. Клычников Р.Ю. Проблемы термореновации и термомодернизации жилищного фонда Тамбовской области / Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Фундаментальная наука-ресурс сохранения здоровья здоровых людей: материалы Всерос. науч. конгресса. - Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2008. С. 118-121. (0,24 п.л./0,12 п.л.)

8. Клычников Р.Ю. Влияние параметров теплоизоляции ограждающих конструкций жилого дома на удельный расход тепловой энергии/ Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Вестник центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук: сб. науч. ст. Вып. 8. - Воронеж-Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. С. 251-259. (0,55 п.л70,18 п.л.)

9 Клычников Р.Ю. Проблемы термомодернизации зданий жилищного фонда Тамбовской области / Монастырев П.В., Клычников Р.Ю., Кожухина О.Н. // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2009. № 11(25). С. 161-165. (0,3 п.л./0,15 п.л.)

10. Клычников Р.Ю. Эффективность отсроченных теплозащитных мероприятии / Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Актуальные проблемы развития жилищно-коммунального хозяйства городов и населенных пунктов: Материалы девятой Междунар. науч.-практ. конф. М., София, Кавала. С. 275-278. (0,24 п.л./0,12 п.л.) 11 Клычников Р.Ю. Оптимизация параметров теплозащиты жилых зданий на основе экономической модели / Клычников Р.Ю., Езерский В.А., Монастырев П.В. // Математические

методы в технике и технологиях - ММТТ-23: Сборник трудов XXIII Междунар. науч. конф.: в 12т. Т.5. Секция 5. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2010. С. 225-228. (0,24 п.л./0,08 п.л.)

12. Клычников Р.Ю. Актуальные вопросы энергосбережения в жилых зданиях и пути их решения / Аспекты ноосферной безопасности в приоритетных направлениях деятельности человека: материалы 1-ой Междунар. науч.-практ. конф.: Тамбов: Издательство Першина Р.В., 2010. С. 141-143. (0,18 п.л.)

13. Клычников Р.Ю. Повышение энергетической эффективности жилых домов постройки 60-х годов XX века в г.Тамбове (строительные решения) / «Моя страна - моя Россия»: Сборник тезисов ежегодного всероссийского конкурса молодежных авторских проектов, направленных на социально-экономическое развитие российских территорий. М., 2010. С. 37-38. (0,12 п.л.)

14. Клычников Р.Ю. Методика оптимизации параметров тепловой защиты здания с помощью математической модели / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // Сборник научно-исследовательских работ аспирантов финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности. Новочеркасск: Лик, 2010. С. 29-33. (0,3 п.л./0,1 п.л.)

15. Клычников Р.Ю. Исследование теплозащитных качеств совмещенных вентилируемых покрытий жилых зданий / Клычников Р.Ю., Попова И.В. // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник науч. статей молодых ученых, аспирантов, студентов: Тамбов: издательство ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. С. 224-227. (0,24 п.л./0,12 п.л.)

16. Клычников Р.Ю. Методики оценки теплопотерь существующих жилых зданий / Малико-ва Ю.Ю., Попов Н.Г., Клычников Р.Ю. // Магистратура ТГТУ. Сборник научных статей. Вып. 24. Тамбов: ОАО «Тамбовская типография «Пролетарский светоч», 2011. С. 72-74. (0,18 п.л./0,06 п.л.)

17. Клычников Р.Ю. Интенсивность проведения термомодернизации в жилых зданиях / Попов Н.Г., Маликова Ю.Ю., Клычников Р.Ю. // Магистратура ТГТУ. Сборник научных статей. Вып. 24. Тамбов: ОАО «Тамбовская типография «Пролетарский светоч», 2011. С. 75-76. (0,12 п.л./0,04 п.л.)

Г) в изданиях, выпускаемых за рубежом

18. Клычников Р.Ю. Методика определения предельного срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации / Езерский В.А., Монастырев П.В., Elibicta Rudczyk-Malijewska, Клычников Р.Ю.// Problemy wspôlczesnej architektury i budownictwa: materiaiy III konferencji naukowej. Zakopane; 2010. С. 87-95. (0,55 п.л./0,14 п.л.)

19. Клычников Р.Ю. Wplyw parametröw budynku mieszkalnego na zapotrzebowanie na energie do ogrzewania / Езерский В.А., Монастырев П.В., Клычников Р.Ю. // XXV Miedzynarodowna konferencja naukowo-techniczna „EKOMILITARIS 2011" na temat Ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrozen. Zakopane; 2011. С. 170-179. (0,61 п.л./0,2 п.л.)

Д) в официально зарегистрированных программах для ЭВМ

20. Клычников Р.Ю. Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий (ЕР creator) / Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2009610185. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 января 2009 г.

21. Клычников Р.Ю. Вычислительный эксперимент (ExExMaker) / Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011612496. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25 марта 2011 г.

22. Клычников Р.Ю. Анализ термограмм (TErSmTo880ALZ) / Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2011612495. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25 марта 2011 г.

Клычников Роман Юрьевич

Оценка целесообразности и оптимизация термомодернизации жилых зданий градостроительного образования

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать «11» марта 2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать электрографическая. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ №35. Тираж 110 экз._

Издательство Першина Р.В.

Отпечатано в издательстве Першина Р.В. 392000, Тамбов, ул.Советская, 21, а/я 7.

61 12-5/2181

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Тамбовский государственный технический университет»

На правах рукописи

Клычников Роман Юрьевич

ОЦЕНКА ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕРМОМОДЕРНИЗАЦИИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент П.В. Монастырев

Пенза -

2012

Оглавление

Введение.................................................................................... 6

Глава 1. Современные подходы к экономии тепловой энергии на отопление зданий. Проблемы и пути их решения........................... 15

1.1. Развитие энергосберегающих принципов при строительстве и эксплуатации жилых зданий в мире и России.................................... 15

1.2. Современные подходы к повышению энергетической эффективности существующих зданий......................................................... 21

1.3. Проблемы термомодернизации зданий и пути их решения в работах отечественных и зарубежных ученых.......................................... 29

Глава 2. Комплексное исследование жилищного фонда градостроительного образования с позиции его пригодности к термомодернизации (на примере г.Тамбова)........................................................ 37

2.1. Жилищный фонд г.Тамбова и классификация его зданий по периодам строительства и конструктивным особенностям...................... 37

2.1.1. Жилые здания первого периода индустриального домостроения................................................................................... 42

2.1.2. Жилые здания второго периода индустриального домостроения................................................................................... 50

2.2. Натурные исследования технического состояния и теплозащитных качеств ограждающих конструкций рассматриваемых жилых зданий.......................................................................................... 54

2.2.1 Исследование технического состояния рассматриваемых зданий с выявлением остаточного срока их службы................................ 54

2.2.1.1 Выбор методики оценки физического износа и остаточного срока службы жилых зданий................................................... 54

2.2.1.2 Результаты натурного исследования технического состояния рассматриваемых зданий и оценки их остаточного срока службы.......................................................................................... 58

2.2.2. Исследование теплозащитных качеств рассматриваемых зданий...................................................................................... 61

2.2.2.1 Методика натурного исследования теплозащитных качеств рассматриваемых зданий..................................................... 61

2.2.2.2 Приборы для определения теплозащитных качеств ограждающих конструкций зданий................................................... 66

2.2.2.3 Результаты натурного исследования теплозащитных качеств ограждающих конструкций рассматриваемых зданий.............. 67

2.3. Анализ пригодности исследуемого жилищного фонда к термомодернизации........................................................................... 73

Глава 3. Исследование влияния параметров тепловой защиты жилых зданий на снижение энергетических затрат на отопление......... 75

3.1. Постановка задачи, выбор факторов и описание методики расчета энергетических затрат на отопление жилых зданий................................................................................................................. 75

3.2. Определение области изменения факторов. Выбор плана вычислительного эксперимента............................................................ 82

3.3. Анализ результатов расчетов и построение регрессионной зависимости.................................................................................... 87

3.4. Влияние исследуемых факторов на снижение затрат тепловой

энергии на отопление.................................................................. 93

Глава 4. Оценка целесообразности термомодернизации и оптимизация параметров тепловой защиты жилого здания по экономическому критерию.................................................................................. 99

4.1. Оценка целесообразности термомодернизации жилого зда-

ния........................................................................................

4.1.1. Особенности экономической оценки термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений...................... 99

4.1.2. Методика определения срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации............................. 107

4.2. Исследование целесообразности термомодернизации отдельного жилого здания по критерию безубыточности его термомодернизации..... 111

4.2.1. Определение срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации без учета перерасхода тепловой энергии в период, предшествующей тепловой защите.............................. 111

4.2.2. Определение срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации с учетом перерасхода тепловой энергии в период, предшествующей тепловой защите............................. 114

4.3. Методика оптимизации параметров тепловой защиты жилого здания..................................................................................... 115

4.4. Оптимизация теплозащитных мероприятий при термомодернизации жилого здания по критерию чистой дисконтируемой экономии средств.................................................................................... 118

4.4.1. Исходные данные для оптимизации теплозащитных мероприятий при термомодернизации отдельного жилого здания............... 118

4.4.2. Построение программной математической модели чистой дисконтируемой экономии средств (ЧДЭС) и оптимизация параметров

тепловой защиты жилого здания по критерию ЧДЭС......................... 119

Глава 5. Оптимизация термомодернизации жилых зданий градостроительного образования....................................................... 122

5.1. Постановка задачи при оптимизации термомодернизации жилых зданий градостроительного образования.......................................... 122

5.2. Методика оптимизации термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования.............................................. 124

5.3. Обобщенный алгоритм оптимизации и его программная реализация...................................................................................... 128

5.4. Анализ результатов оптимизационных расчетов и параметры оптимальной термомодернизации градостроительного образования по критерию ЧДЭС........................................................................ 131

5.5. Практические рекомендации по термомодернизации зданий жилищного фонда градостроительного образования (на примере

г.Тамбова)................................................................................ 139

Основные выводы............................ .......................................... 145

Список литературы............................. ...................................... 150

Приложения........................................................................... 161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Существующая динамика развития человечества с расширением представлений об уровне и качестве жизни требует существенных ресурсных затрат, в том числе роста энергопотребления. Выходом из данной ситуации может явиться поиск новых неограниченных и дешевых источников энергии либо упорядочение существующего режима потребления с изысканием скрытых резервов.

Текущее развитие энергетической отрасли не позволяет получить достаточное количество энергии альтернативными дешевыми методами. В этой связи мировая общественность вынуждена становиться на путь экономии. Работы в данном направлении ведутся практически во всех секторах промышленности и областях экономики, включая строительную отрасль. При этом применительно к данной сфере наибольшие резервы экономии сосредоточены в области эксплуатации зданий. Как известно, здания создаются на достаточно длительные сроки службы. В связи с этим, опорные жилищные фонды большого числа стран имеют в своем составе здания, построенные задолго до актуализации политики энергосбережения.

В России после выхода нормативных документов по тепловой защите зданий [80, 81] появились новые жилые дома, запроектированные с учетом современных требований по теплозащите. Однако модернизация существующего жилищного фонда происходит очень медленно, что не позволяет решить проблему энергосбережения в полном объеме.

Большая стоимость энергосберегающих мероприятий в жилищном секторе повышает ответственность за их выбор, а многообразие конструктивных решений, различное техническое состояние существующих зданий и разнообразие технических приемов, с помощью которых можно достичь экономии тепловой энергии, усложняют принятие решений специалистами. Существует острая необходимость в научных знаниях о различных аспектах реализации термомодернизационных мероприятий. Эти знания можно получить на основе имитации протекания тепловых процессов в зданиях и поиска опти-

мальных решений. Следует отметить, что в каждом конкретном случае термомодернизации возникают частные задачи, связанные с особенностями зданий.

Наиболее трудной задачей при реализации политики повышения энергетической эффективности существующих жилых зданий, заложенной в ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009г. [67], является поиск источников финансирования теплозащитных мероприятий.

Разрабатываемые и утверждаемые муниципальные и региональные целевые программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности отводят ведущее место малозатратным и поверхностным по своей сути мероприятиям, которые способны устранить проблемы неграмотной эксплуатации, а не реально повысить энергетическую эффективность.

Проведенные исследования [32, 75, 83] четко свидетельствуют о необходимости комплексного подхода к реализации теплозащитных работ, затрагивающего все элементы зданий. Только таким путем можно достичь реального энергосберегающего эффекта. Однако эти же исследования показывают высокую затратность работ по термомодернизации зданий, что серьезно снижает перспективность развития энергосервисных отношений в этой сфере, особенно когда речь заходит о желаемых и требуемых объемах, на которые делаются основные ставки в упомянутых целевых программах.

В связи с этим, учитывая большую ресурсоемкость сферы ЖКХ, необходима разработка детальной стратегии термомодернизации жилищного фонда каждого градостроительного образования (жилой группы, микрорайона, жилого района, города).

Для качественной проработки подобной стратегии в полном объеме существующих методик недостаточно. Общее решение планирования термомодернизации всего жилищного фонда состоит из двух частных задач - оптимизации по экономическому критерию тепловой защиты отдельно взятого зда-

ния и оптимизации последовательности термомодернизации всей совокупности жилых зданий рассматриваемого градостроительного образования.

Вопросы оптимизации параметров тепловой защиты одного здания неоднократно рассматривались в литературе. Однако при этом поиск оптимальных решений в данных методиках предлагается находить с помощью аппарата дифференциального исчисления. При рассмотрении современных технических систем приходиться сталкиваться с большим количеством оптимизируемых параметров и наличием ограничений, накладываемых на них. Для оптимизации таких систем упомянутый классический метод оказывается неудобным и очень сложным.

Рассмотрение проблемы оптимизации последовательности термомодернизации зданий жилищного фонда градостроительного образования, предполагающей обоснованный выбор параметров тепловой защиты и очередности модернизации зданий жилищного фонда с достижением максимального экономического эффекта от реализации программы, в научных работах в настоящее время находится на начальном этапе.

Существующие принципы оценки целесообразности термомодернизации не дают возможности для анализа экономических потерь в связи с последствиями отсрочки реализации теплозащитных мероприятий.

Решение обозначенных задач базируется на оценке экономической эффективности.

Методика оценки экономической эффективности в существующем виде является достаточно сложной для инженерного восприятия. Как следствие, качество поиска наиболее рационального конструктивного решения при проектировании тепловой защиты напрямую зависит от взаимодействия проектировщика и экономиста, что создает дополнительные неоправданные препятствия в достижении грамотного решения.

Созданию, упорядочению и сбору в единое целое существующих методик оценки экономической эффективности и оптимизации параметров термомодернизации жилых зданий, а также расширению научно-методических взгля-

дов, позволяющих находить комплексное решение подобных задач, и посвящена настоящая работа.

Целью диссертационной работы является разработка научных и методических основ оценки целесообразности и оптимизации по экономическому критерию параметров термомодернизации как отдельно взятого жилого здания, так и группы зданий, составляющих жилищный фонд градостроительного образования, а также иллюстрация возможности применения разработанных методик и моделей термомодернизации на примере жилищного фонда г.Тамбова.

Методы исследования:

- натурные исследования технического и теплотехнического состояния зданий (выявление и анализ различных повреждений конструктивных элементов и инженерных систем исследуемых зданий; измерение плотностей тепловых потоков через наружные ограждающие конструкции и их теплови-зионная съемка с последующей расшифровкой);

- лабораторный вычислительный эксперимент с использованием программы для ЭВМ «Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий (ЕР creator)» [47] по изучению влияния теплозащитных мероприятий модернизируемого здания на удельные затраты на отопление;

- лабораторный вычислительный эксперимент для построения зависимости чистой дисконтируемой экономии средств от параметров тепловой защиты отдельного взятого жилого здания по критерию максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия с оптимизацией этих параметров;

- компьютерная симуляция на математической модели, описывающей траекторию термомодернизации жилищного фонда градостроительного образования с процедурой численной оптимизации параметров входящих в модель.

Достоверность результатов, полученных при проведении натурных исследований, вычислительного эксперимента и оптимизации обеспечивалась статистической обработкой данных, а также сравнением их с подобными результатами, полученными другими авторами.

Научную новизну работы составляют:

- математические модели, описывающие зависимости удельного расхода тепловой энергии на отопление выбранных типов жилых зданий от параметров, характеризующих уровень их тепловой защиты, а также данные о влиянии этих параметров на снижение удельного расхода тепловой энергии на отопление;

- теоретические положения методики оценки целесообразности термомодернизации жилых зданий при условии безубыточности на остаточном сроке службы;

- введенный критерий Гэф - срок службы здания, обеспечивающий безубыточность его термомодернизации, который позволяет оценить целесообразность термомодернизации того или иного жилого здания в долговременной перспективе;

- теоретические положения методики оптимизации параметров термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования, позволяющие определить оптимальную последовательность ее реализации при различной степени износа зданий.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана программа для ЭВМ, позволяющая рассчитать энергетические параметры жилых и общественных зданий и составить энергетический паспорт;

- получены данные о фактических теплозащитных качествах наружных ограждающих конструкций жилых зданий г.Тамбова и их остаточном сроке службы, являющиеся исходными данными для разработки стратегии термомодернизации;

- скорректирована методика оценки экономической эффективности термомодернизации зданий в условиях современных рыночных отношений;

- разработана методика определения предельного срока службы здания, обеспечивающего безубыточность его термомодернизации;

- разработана методика оптимизации по экономическому критерию параметров тепловой защиты отдельно взятого жилого здания и ее программная математическая модель;

- найдены оптимальные значения параметров тепловой защиты жилого здания с позиции максимальной экономической эффективности затрат на энергосберегающие мероприятия;

- разработана методика оптимизации по экономическому критерию термомодернизации группы жилых зданий градостроительного образования и ее программная математическая модель;

- найдены оптимальные значения параметров термомодернизации группы жилых зданий на примере жилищного фонда г.Тамбова, обеспечивающие максимальную чистую дисконтируемую экономию средств от реализации программы термомодернизации;

- разработаны практические рекомендации по проведению термомодернизации жилых зданий опорного жилищного фонда г.Тамбова.

На компьюте�