автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Повышение энергетических показателей реконструируемых жилых зданий в климатических условиях Центральной Азии

На правах рукописи

Усмонов Шухрат Заурович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ (на примере северных регионов Таджикистана)

Специальность: 05.23.01- Строительные конструкции здания и сооружения

11 НОЯ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2015

005564538

005564538

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» и в Таджикском техническом университете им. академика М. Осими.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Малявина Елена Георгиевна

кандидат технических наук, профессор

Куприянов Валерий Николаевич

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РААСН, заслуженный работник высшей школы РФ, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой Проектирования зданий

Беляев Владимир Сергеевич

кандидат технических наук, АО «ЦНИИЭП жилища - институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий», заведующий лабораторией Теплового и воздушного режима зданий, окон и дверей

ФГБОУ ВПО «Волгоградский архитектурно-строительный университет»

Защита диссертации состоится «17» декабря 2015 г. в 11— часов на заседании диссертационного совета Д.007.001.01, при ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» по адресу: 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, светотехнический корпус. Тел. +7(495)482-40-76, факс +7(495)482-40-60; e-mail: niisf@niisf.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-методическом фонде НИИСФ РААСН и на сайте http://niisf.ru/

Автореферат разослан «Jo » й Pi/ip ^ ?_2015

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Умнякова Нина Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Типовые пяти- и девятиэтажные дома в городах Республики Таджикистан проектировались и строились по нормативам полувековой давности. Все они имеют моральный износ, как по планировочному решению, так и по теплозащите и не отвечают современным нормативным требованиям комфортности, потребительским качествам и внешнему облику зданий. В то же время, жилые дома первого поколения возводились как сооружения первой категории капитальности с высокой продолжительностью их эксплуатации. Эти дома обладают существенными запасами несущей способности.

Проблема сокращения энергопотребления на поддержание микроклимата в жилых зданиях приобретает особую важность для регионов, которые с одной стороны недостаточно обеспечены собственными ресурсами, а с другой - характеризуются экстремальными климатическими условиями, проявляющимися низкой температурой зимой, а также жаркой и сухой погодой летом. Для жилых домов необходимо обеспечить снижение летнего перегрева и улучшить режим отопления зданий в зимний период. В связи с этим актуальным является решение задачи улучшения планировки и теплозащиты здания при поддержании в нем комфортных условий и повышении энергетических показателей за счет реконструкции существующих пяти- и девятиэтажных жилых кварталов.

Степень разработанности темы диссертации. Вопросы улучшения объемно-планировочных решений жилых зданий, тепловой защиты, микроклимата помещений при создании благоприятной среды обитания с учетом энергосбережения в разное время нашли отражение в исследованиях целого ряда ученых, таких как А. И. Ананьев, В. С. Беляев, В. Н. Богословский, С. Н. Булгаков, В. Г. Гагарин, С. В. Зоколей, Ю. Я. Кувшинов, В. Н. Куприянов, В. К. Лицке-вич, Е. Г. Малявина, Ю. А. Матросов, И. И. Нигматов, Н. В. Оболенский, А. Г. Перехоженцев, В. Г. Савин, А. К. Соловьев, Ю. А. Табунщиков, Н. П. Умняко-ва, К. Ф. Фокин, H. X. Якубов , Р. О. Fanger, Gerd Hauser, Hugo Hens, Bjarne W. Olesen, Klaus Peter Sedlbauer и других.

Вместе с тем остаются малоизученными проблемы реконструкции и модернизации существующих в Центральной Азии жилых зданий, построенных в 65 - 85-е годы прошлого века, повышения их энергетической эффективности при применении малозатратных технологий для создания комфортных условий проживания.

Цель и задачи. Цель диссертации - обоснование и разработка предложений по объемно-планировочному решению, повышению теплозащиты реконструируемых жилых зданий для повышения энергетических показателей и обеспечении комфортных условий внутренней среды помещений в климатических условиях северного Таджикистана.

Задачи работы:

- анализ планировочных решений, теплозащиты существующего жилого фонда северных регионов Таджикистана на предмет энергопотребления и комфорта для проживания семей, состоящих из нескольких поколений;

- разработка целесообразных по энергосбережению конструктивных решений наружных ограждающих конструкций зданий;

- разработка принципов улучшения объемно-планировочных решений жилых зданий для снижения их удельного энергопотребления с учетом демографической особенности Таджикистана;

- исследование энергопотребления системами отопления и охлаждения реконструированного и модернизированного жилого дома путем математического моделирования;

- выявление оптимальных и допустимых параметров внутренней среды в зданиях, находящихся в климатических условиях Центральной Азии. Нахождение оптимальных периодов охлаждения зданий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- обоснованы принципы учета в объемно-планировочных решениях жилых зданий демографических особенностей Таджикистана, состоящих в обеспечении членов семей каждого поколения изолированной ячейкой проживания с полным необходимым набором помещений, но в непосредственной близости к родственникам другого поколения, на примере массовой серии ТТЖ-1-464;

- определено, что в условиях сухого жаркого климата Центральной Азии целесообразно использовать на наружных стенах вентилируемый фасад с вентилируемой прослойкой над утепляющим слоем. С увеличением толщины воздушной прослойки в конструкции вентилируемого фасада возрастает кратность воздухообмена воздушной прослойки. При этом расход энергии на охлаждение в здании существенно не изменяется, а на отопление увеличивается. Для условий северного Таджикистана оптимальная толщина воздушной прослойки составляет 60 мм;

- установлены расчетные значения температуры внутреннего воздуха жилых помещений в отопительный зимний период и в период охлаждения летом, учитывающие'климатические условия северных регионов Таджикистана. Определена расчетная продолжительность необходимого периода охлаждения зданий в пять месяцев для условий сухого и жаркого климата;

- определены зоны оптимальных и допустимых сочетаний температуры и относительной влажности воздуха, обеспечивающие комфортное проживание в помещениях в сухом жарком климате Центральной Азии.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы следующая:

Предложены научно-обоснованные рекомендации по объемно-планировочным решениям жилых домов с учетом демографических особенностей Таджикистана, тепловой защите зданий в отопительный и охладительный периоды, обеспечивающие комфортные микроклиматические условия в зданиях и снижение энергетических затрат при их эксплуатации.

Практическая значимость работы:

- доказана целесообразность реконструкции и модернизации существующих жилых домов, за счет чего достигается повышение энергетических показателей зданий и комфортности проживания в них;

- даны рекомендации по разработке региональных нормативных документов по определению соответствия микроклиматических параметров помещений современным требованиям.

Методология и методы диссертационного исследования.

Методологической основой работы являются достижения российских и зарубежных ученых в области исследования улучшения объемно-планировочных решений жилых зданий, тепловой защиты, микроклимата помещений при создании благоприятной среды обитания с учетом энергосбережения.

Основными методами, использованными в диссертационной работе, являются: метод сравнения основных технико-экономических показателей при анализе и улучшении объемно-планировочных решений жилых домов; метод теплотехнического расчета наружной оболочки здания с учетом линейных и точечных неоднородностей в части предложений конструкций и их теплозащитных характеристик; математическое моделирование, применяющее метод конечных объемов при исследовании энергетических показателей реконструируемых зданий; метод комплексной интегральной оценки микроклиматических условий, основанный на использовании индексов РМУ, предсказывающего те-плоощущения человека по предложенной О.П. Фангером шкале, и РРБ, указывающего на уровень дискомфорта человека, характеризуя число лиц (%) недовольных микроклиматом, для оценки комфорта проживающих в жилых домах.

Положения, выносимые на защиту, следующие:

- принципы улучшения объемно-планировочных решений зданий массовой застройки с учетом демографических особенностей Таджикистана при снижении удельного энергопотребления;

- результаты анализа экономии энергии на отопление и охлаждение зданий при существующих и предлагаемых конструктивных решениях наружных ограждений полученные путем модельных исследований здания до и после реконструкции с использованием программного комплекса \VUFH-;

- рекомендации по выбору состава наружных ограждений с вентилируемой воздушной прослойкой, круглый год способствующей обеспечению комфортного режима в помещениях жилых зданий;

- предлагаемые расчетные значения температуры внутреннего воздуха для холодного и теплого периодов года, а также зоны комфортных сочетаний температуры и относительной влажности внутреннего воздуха.

Степень достоверности результатов. В диссертации используются общепринятые научные подходы к математическому моделированию нестационарного теплового режима здания, в качестве инструмента исследования применен лицензированный в ФРГ модельный программный комплекс \УиИ+, имеющий доказанную точность по сравнению с натурным экспериментом 2,5 %. Достоверность результатов подтверждается также апробацией и практическим использованием комплекса в США, Европе и Японии.

Апробация результатов. Основные положения работы и результаты докладывались на научных конференциях: VII Международная научно - практическая конференция «Проблемы энергосбережения и экологии в промыш-

ленном и жилищно-коммунальном комплексах. Университет Строительство и Архитектура», НОУ «Приволжский Дом знаний», Пенза, 2006 г; У-я Международная научно-практическая конференция «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стан СНГ», ТТУ им. акад. М.С. Осими, Душанбе, 1315 октября 2011 г.; Международный симпозиум «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее» Московский архитектурный институт (государственная академия), 2012 г.; Международный симпозиум «Архитектурная среда: современность и перспективы» Таджикский технический университет им. акад. М. Осими, группа КНАУФ СНГ, Душанбе, 2012 г.; Республиканская научно-практическая конференция «Современные технологии в электроэнергетике и промышленности», ПИТТУ, Худжанд, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию образования кафедры Архитектуры ТПИ-ТТУ и 80-летию Заслуженного работника РТ, академика Академии Архитектуры и Строительства РТ Якубова Н. X., Душанбе, 2014 г.; Республиканская научно-практическая конференция «Развитие архитектуры, строительство и производство строительных материалов», ПИТТУ, Худжанд, 2015 г.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения, а именно п. 2 «Обоснование, разработка и оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, экономической и конструкционной безопасности на основе математического моделирования с использованием автоматизированных средств исследований и проектирования»; п. 6 «Поиск рациональных форм, размеров зданий, помещений и их ограждений исходя из условий их размещения в застройке, деятельности людей и движения людских потоков, технологических процессов, протекающих в здании, санитарно-гигиенических условий, экологической безопасности»; п. 7 «Развитие теоретических основ строительно-акустических методов и средств, поиск рациональных решений освещения зданий и отдельных помещений, рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, направленных на повышение эффективности капиталовложений, энерго- и ресурсосбережение, создание комфортных условий для людей и оптимальных для технологических процессов».

Внедрение результатов работы. При проведении реконструкции и модернизации пятиэтажных крупнопанельных жилых домов серии 105 и 464 расположенных в 12-м и 34-м микрорайонах г. Худжанда использованы конструктивные и объемно-планировочные решения, разработанные автором. Предложения по нормированию параметров внутренней среды жилых зданий и по объемно-планировочным решениям реконструируемых зданий применяются в учебном процессе Политехнического института Таджикского технического университета им. акад. М. Осими в г. Худжанде для студентов, обучающихся по магистерской программе «Возобновляемые источники энергии и энергоэффективность в зданиях».

Публикации. Научные результаты, приведенные в диссертации, опубликованы в 27 статьях, 10 из них опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, заключение, список литературы (142 наименований, в том числе 31 на иностранных языках), 47 рисунков, 21 таблицы, 26 формул. Общий объем диссертации - 149 страница. Количество приложений 3 - на 19 страницах.

Автор выражает глубокую благодарность профессору Нигматову И. И., проф. д.т.н. Соловьеву А. К., проф., д.т.н. Герду Хаузеру, профессорам Кондра-тенкову А. Н., Якубову Н. X. за ценные советы, данные ими в ходе работы над настоящей диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации отмечается актуальность рассматриваемой задачи, цель исследования, его научная новизна, достоверность полученных результатов, практическая значимость работы, а также содержатся сведения об апробации проведенных исследований и публикациях по теме диссертации.

В первой главе диссертации изложено состояние энергосбережения и комфортности проживания в существующем жилом фонде. На основе анализа объемно-планировочных решений в существующем жилом фонде выявлен его моральный износ. Необходимо ставить задачу модернизации и реконструкции пятиэтажной застройки. Имеется положительный опыт реконструкции и модернизации жилых домов за рубежом. Ограждающие конструкции наружной оболочки существующих жилых пятиэтажных зданий не отвечают современным теплотехническим нормам. Для оценки требуемых затрат теплоты и холода на поддержание микроклимата в реконструируемых зданиях в Таджикистане не хватает микроклиматических норм внутренней среды, ориентированных на проживающих в климатических условиях Центральной Азии. При проведении анализа микроклимата жилых зданий целесообразно использовать показатели, применяемые в международных нормах. Они отражают реакцию человека на тепловой комфорт - индексы РМУ, предсказывающий теплоощущения человека по предложенной О.П. Фангером шкале, и РРБ, указывающий на уровень его дискомфорта, характеризуя число лиц (%), неудовлетворенных тепловлаж-ностными условиями. В европейских нормах помещения делятся на четыре категории с указанием диапазонов оценок микроклимата по индексам РМУ и РРО.

Одной из целей реконструкции и модернизации жилых здания, рассматриваемых во второй главе, является проблема снижения теплопотребления на поддержание микроклимата жилищного фонда. Расширение корпусов существующих пятиэтажных домов за счет пристройки к ним дополнительных объемов по всей длине здания увеличивает площадь квартир и приводит к снижению площади поверхности наружных ограждающих конструкций на 1 м2 общей площади дома (рис. 1, 2, 3, 4). Для увеличения ширины корпуса и поперечной жесткости здания предлагается использовать железобетонную каркасную систему. Каркас располагают с обеих сторон здания с отступом на 2-3,6 м.

За наружной плоскостью каркаса возводятся самонесущие в пределах этажа стены из ячеистобетонных блоков, утепленные снаружи слоем жесткой минеральной ваты. В конструкциях наружных стен здания принят утепленный экран над вентилируемой воздушной прослойкой. Предлагаемые составы наружных ограждающих конструкций зданий (табл. 1) удовлетворяют требованиям СНиП РТ 23-02-2009 «Тепловая защита зданий» по зимним и летним условиям. шо

Рисунок 3 - Фрагмент плана зоны А увеличения Рисунок 4 - Конструктивное решение ширины корпуса пятиэтажного жилого дома узла I

Рисунок 2 - Схематичный разрез жилого дома с устройством

Рисунок 1 - Схема зоны увеличения ширины корпуса пятиэтажного жилого дома серии 105 мансардного этажа

Устройство утепленных мансардных помещений с чердачным пространством взамен плоских и малоуклонных крыш сокращает теплопотери через крышу и обеспечивает долговечность кровли. Дополнительное утепление пола первого этажа, хотя и приводит к незначительному уменьшению высоты этажа, но улучшает гигиенические характеристики пола: снижает показатель теплоусвоения поверхности пола, повышает температуру пола, а также снижает теплопотери через пол. Модернизация дома предполагает также замену старых окон на герметичные со стеклопакетами и энергоэффективным стеклом (с мягким селективным покрытием).

Третья глава посвящена разработке объемно-планировочных решений реконструируемого здания. Разработка принципов улучшения объемно-планировочных решений жилых зданий при снижении удельного энергопо-

Таблица 1 - Теплотехнические характеристики ограждающих конструкции жилых домов _серии 105 и ТТЖ-1-464 после модернизации и реконструкции__

№ пп Схема ограждающих конструкций Материал слоев стен Я0тр, м2-°С/Вт С. м2-°С/Вт

1 54 Про 3 2 1 ÜT- ""''<■ * -Ч 1 • • ¡ ЙГ'-'-^у 5q 3do но дольная стена 1. Внутренняя штукатурка 2. Ячеистобетонный блок плотностью 600 кг/м3 3. Минераповатная плита плотностью 90 кг/м3 4. Вентилируемая воздушная прослойка 5. Фасадный экран 1.69 1,81

2 5 4 2? ЙС Тс 3 2 1 i60 20 280 зрцевая стена i 1. Керамзитобетонная панель плотностью 1400 кг/м3; 2. Цементно - песчаная штукатурка 3. Минераловатная плита плотностью 90 кг/м3 4. Вентилируемая воздушная прослойка 5. Фасадный экран 1,69 1,86

3 0,6 76 5 , 4 321 40 60 100 40 25 Покрытие мансарды 1. Двойная обшивка (листы гипсокартона) 2. Настил деревянный 3. Пароизоляция 4. Минераловатная плита плотностью 90 кг/м3 5. Вентилируемая воздушная прослойка. 6. Обрешетка деревянная 7. Металлочерепица 2,29 2,49

4 о? о: i ------> 7 6 5 1. Двойная обшивка (листы гипсокартона) 2. Настил деревянный 3. Пароизоляция 4. Минераловатная плита плотностью 90 кг/м3 5. Обрешетка деревянная 6. Вентилируемая воздушная прослойка. 7. Настил деревянный 2,09 2,32

. s ft fN ; Че крь ШЙШШ] < ^ ^ _> ^ 2 4 3 2

1 рдачное пере-1тие мансарды

Конструкция пола первого этажа Материал пола Y ПОЛ Вт/ м2-°С утр пол Вт/ м2-°С К", м2-°С/ Вт RoГ и2 "С/ Вт

5 1 2 3 р 4 h 5 ?! 6 О fí щт шм ■//Yz-i/j. (N =>> i Oi 1. Линолеум на теплоизолирующей подоснове 2. Сборная стяжка из ГВЛВ 3. Полиэтиленовая пленка 4. Плиты минераловатные плотностью 160 кг/м3 5. Цементно-песчанная стяжка 6. Засыпка керамзитовым гравием 7. Перекрытие железобетонное 10,56 12 2,09 2,59

требления основана на учете демографической особенности Таджикистана, заключающихся в стремлении к совместному проживанию нескольких поколений семей. На основе рассмотрения четырех вариантов перепланировки выбран один, позволяющий увеличить жилую площадь реконструируемого жилого дома на 75% за счет надстройки мансардного этажа и пристройки к нему дополнительных объемов, а при реконструкции всех жилых домов в застройке увеличить плотность жилого фонда в полтора раза. Разработанные принципы улучшения объемно-планировочных решений реконструируемых жилых домов обеспечивают достаточно высокий уровень комфортности проживания для сложных семей, отвечающий современным нормативным требованиям. Таблица 2 — Технико-экономическая оценка вариантов

Показатели Ед. изм. Исходный, вариант Принятый вариант

Площадь застройки м2 761 936,85

Строительный объем м^ 10730 13288

Общая площадь дома м2 2618 4125,7

Жилая площадь дома м2 1506 2641,2

Подсобная площадь м2 829 1355

Площадь летних помещений м2 787 274,4

Средняя комнатность шт. 2,0 5,33

0.57 0,64

К2 = Ущ ¡К 4.1 3,22

_ р 1 р рек. ж.рек / ж - 1,75

В принятом варианте квартиры размещены в двух уровнях в пределах 1-го и 4-го этажей и дополнительного мансардного этажа, объединенного с пятым этажом. В 5-тикомнатных квартирах типа «А», расположенных соответственно на 1-м - 4-м этажах, осуществлено трехчастное зонирование, предполагающее наличие в квартире не только общесемейной и индивидуальных зон, но и хозяйственно-вспомогательной (рис. 5, 6). В квартирах типа «Б» (рис. 5, 6) также принято двухуровневое расположение помещений с общим входом в квартиру при выделении самостоятельных зон с необходимым составом помещений для различных поколений в семье. Сравнение технико-экономических показателей дома до и после реконструкции, указанное в таблице 2, свидетельствует об улучшении всех показателей объемно-планировочного решения.

11;|.л1 мапафлиши лажа

Рис.5 План секции после реконструкции жилого дома серии ТТЖ-1-464 в двух уровнях

Рис.6 План мансардного этажа жилого дома серии ТТЖ-1-464 после реконструкции

В четвертой главе изложены задачи и результаты математического моделирования энергетических показателей жилых зданий. Приведена постановка задачи теплового режима помещений при математическом моделировании. На наружной поверхности каждого наружного ограждения учитывается теплообмен с наружной средой и теплота солнечной радиации, поглощенная наружной поверхностью. На внешней поверхности каждого внутреннего ограждения учитывается теплообмен этой поверхности с другим помещением. На внутренней поверхности каждого ограждения помещения учитывается лучистый теплообмен внутренней поверхности ограждения со всеми другими внутренними поверхностями, конвективный теплообмен с воздухом, а также приходящаяся на это ограждение доля лучистого потока солнечной радиации, непосредственно проникающей в помещение через светопрозрачные ограждения. Кроме того, на внутренней поверхности каждого ограждения учитывается тепловой поток от расположенных внутри помещения источников теплоты, а также поток, обусловленный испарением влаги. Граничное условие на внутренней поверхности светопрозрачного ограждения отличается от условия для стен учётом теплоты, поглощенной во внутреннем остеклении. Тепловой баланс внутреннего воздуха учитывает конвективный теплообмен воздуха со всеми поверхностями, обращенными в помещение, конвективную теплоту от внутренних источников (люди, техника, кухонное оборудование) и привнесение конвективной теплоты вентиляционным и инфильтрационным воздухом.

Для задания внутренних условий в жилых помещениях были проведены натурные обследования десяти пятиэтажных жилых домов серии 105, расположенных в г. Худжанде. Натурные исследования проводились до и после реконструкции зданий. Исследования осуществлялись в течение одного зимнего месяца (январь 2009 г.) и одного летнего месяца (июль 2009 г.). Целью обследований являлось определение среднего числа людей, присутствующих в доме в различные периоды времени, род их деятельности, а также степень их одетости. Кроме того, были измерены с помощью аспирационных психрометров температура и влажность воздуха в помещении, а также отмечалась оценка людьми собственных ощущений в указанных условиях. По данным о числе людей, их занятиях и одетости впоследствии по программе WUFI+ были вычислены данные о конвективной и лучистой теплоотдаче, влагоотдаче. В главе отражены результаты моделирования теплового режима пятиэтажного жилого дома серии 105 до и после модернизации и реконструкции здания (расширение корпуса на 2 м с каждой стороны). Оценка качества воздушной среды по индексу PMV и PPD представлена на рисунках 7 и 8. Из рисунков видно, что некоторое количество людей в мае (от 2880 до 3623 часов от начала года) и сентябре (от 5833 до 6551 часов от начала года) чувствуют, что им слишком тепло, так как в мае внутренняя средняя температура в помещениях +31 °С, а в сентябре +30,5 °С. В отопительный период (от 0 до 2005 часов от начала года) и (от 6889 до 8759 часов от начала года) прохладно.

Так как при трёхмесячном периоде охлаждения (летом) не обеспечивается тепловой комфорт в помещениях, желателен пятимесячный период охлаждения. В отопительный период при внутренней температуре воздуха +20 °С

согласно индексу РМУ проживающие будут чувствовать себя немного прохладно. Ощущение комфорта наступает при внутренней температуре +24 °С.

Расходы энергии на отопление и охлаждение здания при различных режимах поддержания микроклимата помещений представлены в таблице 3. Из таблицы следует, что в здании до реконструкции при увеличении температуры помещения в отопительный период с +20 °С до +24 °С происходит рост расхода энергии на отопление на 46 %, а при увеличении продолжительности охладительного периода с трех до пяти месяцев расход холода увеличивается на 31 %.

Врячя от начала года в часах

Рисунок 7 - Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды до модернизации и реконструкции здания при внутренней температуре +20 "С в отопительный период и 25 °С в охладительный период и периода охлаждения 3 месяца

Рисунок 8 — Прогнозируемый процент недовольных температурной средой до реконструкции и модернизации здания при обеспечении внутренней температуры +20 °С в отопительный период) и

25 °С в период охлаждения

После реконструкции и модернизации жилого дома при обеспечений в помещении тех же условий, что и в здании до реконструкции (варианты 2 и 3 таблицы 3) доля людей, неудовлетворенных температурными условиями, снижается более чем на 82 % за счет лучших условий в доме в межсезонье. Удельный расход теплоты на отопление при этом снижается на 68,1%, а холода в период охлаждения на 54,5%.

Естественная вентиляция не обеспечивает в климатических условиях Республики Таджикистан должного воздухообмена даже в отопительный период, так как температура наружного воздуха большую часть сезона держится

выше +5 °С. Поэтому при температуре выше +5 °С необходима механическая вентиляция. Средний за год воздухообмен возрастает и растут затраты энергии (варианты 3 и 4 по таблице 3) на отопление на 11,3 %, на охлаждение на 12,5 %. Если круглогодично обеспечивать необходимый воздухообмен 30 м3/ч на человека (а не по потребности вытяжки из кухни, ванной комнаты и санузла), то за счет увеличения расхода наружного приточного воздуха требуемый расход теплоты на отопление даже при применении утилизатора вытяжного воздуха с эффективностью 90% увеличится на 15,8 % по сравнению с вариантом 4 таблицы 3. Если же сравнивать с вариантом 2 до реконструкции, то экономия энергии за отопительный период варианта 5 составит 47,4%.

Расчетной для отопления принята температура 24 °С, как самая комфортная из последовательно исследованных с помощью индексов РМУ и РРБ значений температуры от 22 °С до 25 °С.

Большую долю нагрузки на системы охлаждения составляет солнечная радиация, непосредственно проникающая в помещения через окна. При реконструкции зданий применены стеклопакеты с низким коэффициентом пропускания солнечной теплоты, солнцезащитные устройства в виде маркиз на окнах западной, восточной и южной ориентаций (варианты 5 и б таблицы 3), что позволяет снизить расход энергии на охлаждение при обеспечении внутренней температуры +25 °С на 48,4% по сравнению с вариантом 2. Для помещения западной ориентации расход энергии с апреля по сентябрь снижается на 65%. Следует отметить, что за счет солнцезащиты при увеличенном воздухообмене (вариант 5) расход холода снизится по сравнению с вариантом 4 на 21,4 %.

Обычно для расчетов потребления холода в Таджикистане в летних условиях внутренняя температура в помещении принимается +25 °С. Однако, наружная температура в летний период поднимается до 40 °С и выше. При этом разность между внутренней и наружной температурой воздуха составляет 15 °С. Такие большие перепады температуры отрицательно сказываются на организме человека. Исходя из этого, для условий северных регионов Таджикистана наиболее приемлемой расчётной температурой для жилых помещений в период охлаждения следует считать температуру +27 °С. Предлагаемые уровни расчетной температуры обоснованы значениями индексов РМУ и РРО с учетом низкой влажности, формируемой в помещениях и опросом населения.

По итогам проведённых исследований в модернизируемом жилом доме для снижения расхода энергии на охлаждение и обеспечение комфорта в помещениях летом необходимо осуществлять ночное проветривание через окна. Только в этих случаях можно обеспечить тепловой комфорт в помещениях и снизить расход энергии на охлаждение. Результаты исследований показали, что при внутренней температуре воздуха в отопительный период +24 °С и в период охлаждения +27 °С обеспечиваются оценки комфорта, соответствующие категории II. Показатели индекса РМУ и РРО - приведены на рисунках 9, 10. Видно, что они находятся в удовлетворительной зоне.

Таблица 3 - Расход энергии на поддержание микроклимата жилого здания серии 105 до и после реконструкции, заключающейся в утеплении

наружных ограждающих конструкций, расширении корпуса здания, надстройке мансардного этажа, замене окон на герметичные со ___стеклопакетами с низким коэффициентом пропускания солнечной теплоты (БИОС)_

Вариант Условия внутреннего микроклимата Расход теплоты на отопление Расход холода на охлаждение Суммарный расход энергии на отопление и охлаждение

общий (кВтч) на 1 м (кВтч/м2) общий (кВт-ч) на 1 м (кВтч/м2) общий (кВт-ч) на 1 м2 (кВтч/м2)

До реконструкции и модернизации (общая площадь 1491,1 м*)

1 Отопление при (,= +20 °С и охлаждение при /„ = +25 °С в трехмесячный период (июнь, июль, август) 152 990 102,6 123 720 83 276 700 185,6

2 Отопление при !с= +24 °С и охлаждение при /,= +25 °С в пятимесячный период (май, июнь, июль, август, сентябрь) 224 110 150,3 161 770 108,5 385 890 258,8

После реконструкции и моде рнизации (общая площадь 1910 м2)

3 Отопление при /,= +24 °С и охлаждение при /,= +25 СС в пятимесячный период (май, июнь, июль, август, сентябрь), естественная вентиляция 91 360 47,8 94 410 49,4 185 770 97,2

4 Отопление при /„= +24 °С и охлаждение при /,= +25 °С в пятимесячный период (май, июнь, июль, август, сентябрь), ниже +5 °С естественная вентиляция, выше - механическая 101713,8 53,2 106249,1 55,6 207962,9 108,8

5 Отопление при /,= +24 °С с примением утилизатора теплоты вытяжного воздуха с эффективностью 90 % и охлаждение при и= +25 °С в пятимесячный период (май, июнь, июль, август, сентябрь) при солнцезащите в виде маркиз на окнах западной, восточной и южной ориентации и круглогодичной механической вентиляции 117 890 61,7 83 430 43,7 201 320 105,4

6 Отопление при Г, = +24 °С с примением утилизатора теплоты вытяжного воздуха с эффективностью 90 % и охлаждение при г, = +27 °С в пятимесячный период (май, июнь, июль, август, сентябрь) при солнцезащите в виде маркиз на окнах западной, восточной и южной ориентации и круглогодичной механической вентиляции 27 030 14,2 144 920 75,9

—ЕМУ

- - Среднее ¡качение РМ\Г

1000 2000 .1000 4000 5000 6000 ?000 8000 !Ю00 Время от напяля годя в <пш

Рисунок 9 — Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды в помещениях жилого дома по варианту 6 таблицы 3

—рго

■■ -Среднее значение РРБ

1000 2000 ЗООО 4000 5000 «000 Время пт нача ля годя в часах

000 ОСОО 9СОО

Рисунок 10 - Прогнозируемый процент недовольных температурной средой в помещениях жилого дома по варианту 6 таблицы 3

Сравнивая варианты 2 и 6, можно констатировать, что при обеспечении внутренней температуры в +27 °С вместо +25 °С и, применяя круглогодичную вентиляцию с теплоутилизацией теплоты вытяжного воздуха в отопительный период, применяя маркизы на окнах расход на охлаждение можно снизить на 71,3% (табл. 4).

Таблица 4 - Расход энергии на охлаждение после реконструкции и модернизации с применением маркиз на окнах западной, восточной и южной стороны фасадов

Внутренняя температура, °С Потребляемая энергия на охлаждение (кВт-ч) Возрастание (+)/ Снижение(-) (кВтч)

24 84394,2 +29726,1

25 54668.1 -

26 39692,5 -14975.6

27 27028,6 -27639,5

28 17170,6 -37497,5

Таким образом снизить удельный расход энергии на отопление и охлаждение здания в год можно в 3,4 раза, доведя его до 75,9 кВт-ч/(м2год), вместо 258,8 кВт-ч/(м2'год), тем самым повысив категорию энергоэффективности дома.

По результатам исследований установлено, что при увеличении толщины воздушной прослойки в вентилируемом фасаде расход энергии на охлаждение в здании существенно не изменяется, а на отопление значительно увеличивается. При увеличении кратности воздухообмена в воздушной прослойке расход энергии на отопление в жилом доме увеличивается, а на охлаждение уменьшается. Рекомендуется для условий северных регионов Таджикистана за оптимальную толщину воздушной прослойки с утепленным экраном принять 60 мм.

Предложенные автором зоны оптимальных и допустимых сочетаний относительной влажности воздуха и температуры в жилых помещениях для условий сухого жаркого климата Центральной Азии представлены на рисунке 11. Эти зоны отличаются от принятых в Европе смещением в сторону низкой влажности и высокой температуры. Предложения автора обоснованы значениями индексов РМУ и РРЭ и подтверждены опросом жителей.

Результаты модельных исследований сочетаний относительной влажности и температуры внутреннего воздуха, формирующихся в помещениях реконструированного пятиэтажного жилого дома серии 105, приведены на рисунке 12. Наложение полученных сочетаний на предлагаемые зоны тепловлажностно-го комфорта указывает на достижение оптимальных условий в реконструированном доме в течение большей части года.

Дно лмфг !» : С шшк >м «л 1Ж.Ю

5 / N \ 1

V Ш \ 1 " | Д'

2 я Хо к>/ш< 1 \ \ а Гарш л\

£ 40 2 ши« пня е ' с 1 40 5

1 1 | Я

1 \д< пуст 1мые успо и* }

о \ / о

3 10 Й 10

нско; Ф-'Р школ сухс

16 1« 20 22 24 26 2« 50 И 101.0!.2013 : 00 - 01.01.20Ы . 00» Температура вотдуха в помещении, °С Рисунок 11 - Зоны тепловлажностного ком-форта, предлагаемые для условий сухого жаркого климата Центральной Азии М 16 18 20 22 24 26 2В 10 32 (01.01.2011: 00 - 01.01.2014 :СЮ) Температура воздуха а помещении. °С Рисунок 12 - Полученные моделированием сочетания температуры и относительной влажности воздуха в пятиэтажном жилом доме серии 105 после реконструкции и модернизации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проделанной работы позволяют подвести следующие итоги:

1. В северных регионах Республики Таджикистан увеличение ширины корпуса существующих пятиэтажных домов путем добавления дополнительных объемов с обеих сторон здания вдоль существующих продольных стен и надстройка мансарды позволят сократить на 20—30% удельную площадь ограждающих конструкций на квадратный метр площади жилья, увеличить жилую площадь реконструируемого жилого дома до 75%, а при реконструкции всех жилых домов в застройке увеличить плотность жилого фонда в полтора раза.

2. После выполнения реконструкции пятиэтажных жилых домов, возведенных по серии 105, заключающейся в расширении корпуса здания, надстройке мансарды, утеплении наружных ограждающих конструкций, применении утилизатора теплоты вытяжного воздуха, применении солнцезащитных устройств в виде маркиз на окнах удельный расход теплопотребления можно снизить в отопительный период почти в 2,6 раза, а в целом расход энергии на отопление и охлаждение — снизить в 3,4 раза.

3. В помещениях жилых зданий в летний период в условиях жаркого климата для аккумуляции холода ночного наружного воздуха рекомендуется смешанный тип эксплуатации окон (днем - закрытый, ночью - открытый с 20 часов вечера до 8 часов утра), при котором можно использовать дневную работу кондиционеров. Окна жилых помещений должны быть обеспечены достаточной площадью открывающихся створок.

4. На основе оценки результатов модельных исследований, подтвержденных натурными опросами, индексами РМУ, предсказывающего теплоощущения человека, и РРБ, указывающего на уровень дискомфорта, предложено для климатических условий северных регионов Таджикистана применять для жилых помещений в качестве расчетной для отопления температуру внутреннего воздуха +24 °С, а для охлаждения - +27 - +28 °С. За расчетный период охлаждения следует принять пять самых жарких месяцев (с мая по сентябрь).

5. Предложены зоны оптимальных и допустимых комфортных сочетаний температуры и относительной влажности внутреннего воздуха для условий сухого жаркого климата Центральной Азии. В зону комфорта объединены параметры холодного периода года: в диапазоне температуры от 23 °С при влажности 30 % — 65 % до 25 °С при влажности 28 % - 60 %, и теплого периода года: в диапазоне температуры от 26 °С при влажности 28 % - 60 % до 29 °С при влажности 25 % - 30 %

6. Оценочный срок окупаемости инвестиционных затрат при реконструкции и модернизации зданий по сравнению со сносом существующих зданий и строительством новых на их месте в условиях северного Таджикистана составляет 1,5 года.

Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие рекомендации по использованию результатов диссертации:

1. Интенсифицировать процесс реконструкции существующих пятиэтажных зданий в северных регионах Таджикистана, осуществляя по возможности следующие мероприятия: утепление наружных ограждающих конструкций, расширение корпусов на 1,8 м - 3,6 м, замену окон на более плотные с теплозащитным покрытием, применение маркиз на окнах, надстройку мансардного этажа.

2. Внедрить в разрабатываемые нормы микроклимата для Таджикистана расчетные значения температуры внутреннего воздуха жилых зданий северных регионов Таджикистана, приняв их на уровне +24 °С для отопления и +27 -28 °С для охлаждения, зоны оптимальных и допустимых комфортных сочетаний температуры и относительной влажности внутреннего воздуха, предназначенные для условий сухого жаркого климата Центральной Азии, предложенные автором (рис. 12).

3. Применять толщину воздушной прослойки за фасадной плиткой зданий с навесным вентилируемым фасадом, равной 60 мм, при строительстве в северном Таджикистане.

Перспективы дальнейшей разработки темы можно сформулировать следующим образом:

1. Исследовать и разработать нестационарные солнцезащитные устройства для окон, согласующиеся с архитектурным обликом фасадов.

2. Проработать объемно-планировочные решения жилых зданий с расширением корпуса при реконструкции и модернизации пятиэтажных домов других серий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Нигматов, И.И. Микроклиматические параметры в энергоэффективных зданиях / И.И. Нигматов, Ш.З. Усмонов // Известия Академия наук Республики Таджикистан. — 2011. — №3 — С. 84-85.

2. Усмонов, Ш.З. Моделирование энергетических параметров зданий посредством программного обеспечения WUFI®plus / Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2013. — № 7. — С. 176-180.

3. Усмонов, Ш.З. Определение схемы зоны теплового комфорта в жилых помещениях в условиях сухого жаркого климата Центральной Азии / Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2013. —№ 7, — С. 152-156.

4. Усмонов, Ш.З. Оптимальное чередование слоев в наружных стенах зданий с вентилируемыми фасадами / Ш. 3. Усмонов // Вестник педагогического университета ТГПУ им. С. Айни. — 2013. — № 3(52). — С. 40-42.

5. Усмонов, Ш.З. Методы снижения расхода энергии на охлаждение жилых зданий в условиях сухого жаркого климата северных регионов Таджикистана / Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2013. — № 9. — С. 79-85.

6. Усмонов, Ш.З. Моделирование энергетических затрат на отопление и охлаждение 5-этажного жилого дома и оценка температурных условий по индек-

сам теплового комфорта PMV и PPD / Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2013, —№ 10, —С. 216-229.

7. Усмонов, Ш.З. Конструктивные решения наружной стены при уширении корпусов жилых домов вторичной застройки в условиях сейсмической опасности и сухого жаркого климата Центральной Азии / Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2014. — № 2. — С. 57-64.

8. Усмонов, Ш.З. Методика определения удельного теплопотребление при отоплении и вентиляции здания за отопительный период при применении рекуператоров с различной эффективностью в условиях Центральной Азии (на примере северных регионов Таджикистана) / Ш.З. Усмонов // Журнал «Промышленное и гражданское строительство».— 2014. — №2. — С. 5758.

9. Усмонов, Ш.З. О необходимости определение оптимальных параметров температуры помещений в СНиП РТ 23-02-2009 «Тепловая защита зданий» по индексам теплового комфорта PMV и PPD / Ш.З. Усмонов // Журнал «Промышленное и гражданское строительство». — 2015.— № 1. — С. 54-57.

10.Усмонов, Ш.З. Объемно-планировочные решения жилых зданий на основе массовой серии после их реконструкции для сложных семей и семейных групп народов центральной Азии (на примере Таджикистана)/ Ш.З. Усмонов // Вестник МГСУ. — 2015. —№ 4. — С. 26-38.

Публикация на немецком языке:

1 l.Nigmatow, LI. Rechnerische Bewertung von Dämmmassnahmen an Wohngebäuden in Tadschikistan am Beispiel des Gebietes um Sogd [Электронный ресурс] / I.I. Nigmatow, Sch.S. Usmonow, H. Sinnesbichler, F. Antretter // Fraunhoferinstitut für Bauphysik IBP-Mitteilung. 2012. No. 39 (519). — Режим доступа: http://www.ibp.fraunhofer.de/content/dam/ibp/de/documents/Publikationen/IBP-Mitteilung/IM_519-2012_web_tcm45-1035012.pdf.

!

Подписано в печать: 16.10.2015 Объем: 1,0 п.л. Тираж 130 экз. Заказ № 572 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г.Москва, пр-т Вернадского, д.39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru