автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений многоэтажных производственных зданий для систем естественного освещения в виде световых колодцев с учетом светоклиматических условий Юго-Восточного Китая

На правах рукописи

Чэнь Гуанлун

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ МНОГОЭТАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЁСТЕСТВЕННОГО

ОСВЕЩЕНИЯ В ВИДЕ СВЕТОВЫХ КОЛОДЦЕВ С УЧЕТОМ СВЕТОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ЮГО-ВОСТОЧНОГО КИТАЯ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005541382

005541382

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Стецкий Сергей Вячеславович

Официальные оппоненты: Гагарин Владимир Геннадиевич

доктор технических наук, профессор, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, заведующий лабораторией строительной

теплофизики

Щепетков Николай Иванович

доктор архитектуры, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)» (МАРХИ), заведующий кафедрой «Архитектурная физика»

Ведущая организация: ОАО «ЦНИИПромзданий»

Защита состоится «18» декабря 2013 года в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан <^Г» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_исследования. Современное промышленное

строительство в Китае находится в периоде своего интенсивного развития, связанного с усилением экономической роли страны в мировом промышленном производстве. Активизация промстроительства выражается как во введении новых производственных мощностей, так и в реконструкции и модернизации существующих производств. В связи с этим возникает необходимость как в эффективной эксплуатации новых и реконструированных производств, так и в повышении производительности труда. Всему этому отвечают приемы архитектурно-строительного проектирования на основе естественных методов регулирования внутреннего микроклимата. Принцип естественного регулирования позволяет относительно простыми архитектурными и конструктивными приемами создавать качественную внутреннюю среду, что улучшает условия труда персонала и уменьшает расход электроэнергии на непроизводственные нужды, прежде всего на цели искусственного освещения, искусственной вентиляции и кондиционирования воздуха.

Вопросам создания качественной внутренней среды в производственных зданиях различных отраслей промышленности Китая до настоящего времени уделялось недостаточно внимания, а в случае их решения они не основывались на современных научных принципах по проектированию внутренней среды.

Это объясняет необходимость разработки научно-обоснованного подхода к созданию качественной микроклиматической среды в помещениях на основе методов естественного регулирования. Все это доказывает важность и актуальность представленных в диссертации научных исследований.

Микроклиматическая среда в помещениях, создаваемая при проектировании на основе естественных методов регулирования, в конечном итоге базируется на объемно-планировочных и конструктивных решениях зданий, которые в свою очередь в значительной степени зависят от климатических условий района строительства. Научные исследования в этой области в течение многих лет велись такими учеными, как Н.М. Гусев, H.H. Киреев, В.М. Ильинский, В.К. Лицкевич, В.Г. Гагарин, А.Н. Кондратенков, А.К. Соловьев, В.А. Земцов, Г. Бодманн, В. Крохманн, Р. Гопкинсон и многими другими.

Анализ опыта проектирования и строительства промышленных зданий показал наличие значительных резервов в вопросах создания качественного внутреннего микроклимата. При этом в научном смысле резервом является

метод комплексных исследований среды, учитывающий взаимосвязь и взаимозависимость отдельных средовых режимов. В данной работе сделана попытка комплексного исследования светового режима в помещениях, оцениваемого как теоретически, так и экспериментально.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в том, что через совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений производственных зданий были разработаны научные и практические предложения по созданию качественной внутренней световой среды на основе принципов естественного регулирования.

Целью диссертации является совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений многоэтажных производственных зданий с системой естественного освещения в виде световых колодцев.

Задачами диссертации являются:

♦ Разработка научных и проектных предложений по созданию многоэтажных промзданий со световыми колодцами и совершенствование их конструктивных и объемно-планировочных решений;

♦ Разработка предложений по созданию эффективной системы естественного освещения многоэтажных промзданий как по их светотехническим, так и конструктивным характеристикам;

♦ Определение влияния конструктивных и архитектурных решений предлагаемой системы естественного освещения на комфортные условия для людей и оптимальные условия для технологических процессов, на энерго- и ресурсосбережение.

♦ Разработка методики расчета внутренней естественной освещенности от предлагаемой конструктивной системы естественного освещения в виде "световых колодцев";

♦ Разработка предложений по учету местных светоклиматических условий для основных экономических передовых провинций Китая, основанных на современных российских документах и методиках.

Объектом исследований являются многоэтажные производственные здания, рабочие Помещения в них и их конструктивные и объемно-планировочные решения, связанные с устройством системы естественного освещения в виде световых колодцев.

Предметом исследований является совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений многоэтажных производственных зданий при устройстве новой системы их естественного освещения.

4

Методом исследований является теоретическое и экспериментальное определение параметров качественной световой среды в рассматриваемых зданиях при данных климатических условиях. Это определение проводится на основе как объективных, так и экспертных оценок.

Научная новизна работы:

♦ Для конструкций световых колодцев предложен метод расчета коэффициента естественной освещенности (КЕО), который применим в условиях ясного неба, характерных для солнечном климате рассматриваемого региона;

♦ Обобщены основные теоретические и практические положения проектирования и строительства многоэтажных производственных зданий в условиях Китая как в исторической ретроспективе, так и в настоящее время;

♦ Даны предложения по учету местных светоклиматических условий для основных экономических зон Китая (Харбин, Пекин и Шанхай), что позволило в данных исследованиях основные положения российских нормативных документов по естественному освещению;

♦ Определено влияние конструктивных и архитектурных решений элементов системы естественного освещения в виде световых колодцев на конструктивные и объемно-планировочные решения самих зданий, а также на комфортные условия для персонала, на повышение производительности труда и энергосбережение.

Практическая значимость результатов работы:

♦ Сделаны предложения по конструктивным и планировочным решениям многоэтажных производственных зданий для светоклиматических условий юго-восточного Китая на основе светотехнических критериев;

♦ Даны рекомендации по конструктивным решениям, размерам, пропорциям и расположению элементов предлагаемой системы естественного освещения многоэтажных производственных зданий в виде "световых колодцев", при которых обеспечивается наилучшее качество, как световой, так и общей микроклиматической среды в рабочих помещениях рассматриваемых зданий;

♦ Достигнут определенный экономический эффект от осуществления основных рекомендаций по работе. Этот эффект основывается на экономии электроэнергии на искусственное освещение и на заметном повышении производительности труда на рассматриваемом производстве;

♦ Показано, что комфортность внутренней микроклиматической среды в

5

многоэтажных промзданиях при рассматриваемых климатических условиях может быть практически полностью обеспечена естественными (пассивными) методами контроля внутреннего микроклимата что, на основе эффективных конструктивных и архитектурных решений рассматриваемых зданий позволяет достигнуть качественного улучшения условий труда на рассматриваемом производстве.

На защиту выносятся следующие положения:

♦ Метод расчета коэффициента естественной освещенности в помещениях при системе естественной освещенности в виде световых колодцев;

♦ Рекомендации по конструктивным и планировочным решениям многоэтажных производственных зданий в светоклиматических условиях юго-восточного Китая;

♦Рекомендации по устройству, конструктивному и планировочному решению элементов системы естественного освещения рассматриваемых промзданий в виде световых колодцев;

♦ Предложения по учету местных светоклиматических условий для основных экономических зон Китая - регионов Харбина, Пекина и Шанхая.

Достоверность результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических и натурных исследований, В работе использовались современные научные методики исследований и измерений с помощью новых образцов приборов и оборудования.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XIV международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов МГСУ. Москва, апрель 2011г. (с. 216 - 218 в сборнике докладов).

Внедрение результатов диссертации. Рекомендации по работе были приняты для дальнейшего практического применения руководством швейного комбината в городе Фучжоу (КНР).

Публикация. Результаты работы опубликованы в 3 статьях в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации и в сборнике докладов XIV международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов МГСУ.

Личный вклад соискателя отражен в постановке самой научной проблемы, в разработке метода расчета освещенности, создаваемой световыми колодцами и в рекомендациях по совершенствованию конструктивных и

б

объемно-планировочных решений рассматриваемых зданий и их систем освещения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и списка использованной литературы, включающего 77 источников. Работа содержит 227 страницы машинописного текста, включающего 87 рисунков и 50 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность и рассматриваются основные цели и задачи исследования. Отмечается научная новизна и практическая значимость работы и достоверность проведенных научных исследованиях. Содержатся сведения об апробации результатов исследований, личном вкладе автора и публикациях по теме диссертации.

В первой главе приводится анализ опыта проектирования и строительства многоэтажных производственных зданий как в Китае, так и за рубежом. Вопросы проектирования рассматривались с точки зрения создания качественной внутренней световой среды. Рассматривались как традиционные, так и современные системы естественного освещения. Отмечается, что традиционные конструктивные решения систем освещения базируются в основном на боковых и верхних светопроемах и на их комбинациях, что характерно либо для одноэтажных промзданий, либо для многоэтажных производственных зданий небольшой ширины. Применение фонарей верхнего света для многоэтажных зданий позволяет улучшить световую среду лишь в их верхних этажах.

Из современных систем естественного освещения многоэтажных промзданий наиболее эффективными могут считаться полые трубчатые световоды и световые колодцы. В данной работе рассматриваются именно они, как наиболее дешевый, хотя еще и малоизученный вариант современных систем естественного освещения (рис. 1).

План проведения научных исследований показал необходимость учета в расчете световых колодцев принципов расчета как полых трубчатых световодов, так и зенитных фонарей шахтного типа, так как показано промежуточное положение световых колодцев между вышеуказанными конструктивными типами этих систем со светотехнической точки зрения. При этом также крайне важно учитывать их солнцезащитные качества.

7

В результате была очерчена проблема создания качественной внутренней среды по светотехническим и инсоляционным (солнцезащитным) критериям. Противоречия в требованиях, определяемых в соответствии с этими критериями, должны решаться при комплексном проведении исследований с использованием не только объективных, но и субъективных методов.

Плафонный ленточный зенитный фонарь ——-

'СУ

у

4

Сплошное остекление светового колодца —-атриума

V/ /// 777 /// V// 777 777

Рис. 1. Световые колодцы атриумного типа для многоэтажных промзданий (схема поперечного разреза)

В главе приводится анализ эффективности солнцезащитных устройств различных типов и их влияние на освещенность в помещении за счет перераспределения световых потоков. Отмечается, что такой подход к роли солнцезащитных устройств целесообразен лишь в условиях солнечного климата, который характерен для рассматриваемого региона.

Также в первой главе приводится анализ природноклиматических условий Китая. В этой связи рассматривались вопросы светоклиматического районирования этой страны, что необходимо для создания научных основ проектирования качественной световой среды в рабочих помещениях рассматриваемых промзданий. Оно проводилось по аналогии с принципами светоклиматического районирования СССР, РФ, СНГ и ряда стран Ближнего и Среднего Востока по ранее действовавшим и современным светотехническим нормам (СНиП П-4-79 и СНиП 23.05.95*). Приведение к единообразию китайского подхода к светоклиматическому районированию с советскими и российскими нормами необходимо потому, что данные исследования проводятся на основе научных методик СССР и РФ. При анализе этих нормативных документов было определено, что более детально

Боковые ___ светопроемы

X

рассматриваемый в работе юго-восточный регион Китая может быть отнесен (по экстраполяции) к У-б поясу светового климата по советской классификации (СНиП П-4-79) и к 6 группе административных районов по ресурсам светового климата в соответствии с действующими российскими нормами (СНиП 23.05.95*). Таким образом, появляется возможность использовать советские и российские нормативы и стандартные методики для светотехнических исследований в условиях Китая, так как светотехническое районирование имеет прямой выход на нормативные значения коэффициентов естественной освещенности для различных разрядов зрительных работ (таб. 1).

Таблица 1. Сравнительные данные по светоклиматическому районированию территорий

России и Китая

РФ КНР

NN п/п Номер пояса по старым СНиП Город (район) по новым СНиП в РФ и за рубежом Номер пояса по старым СНиП Номер административного района по новым СНиП Город (район) в КНР

1 IV' Хабаровск, Чита, Кызыл IV №4 Харбин, Дацнн, Улан-Хото

V Краснодар, Грозный, Махачкала У-а * №5 Пекин, Тяньцзинь, Шищячжуан

У-б * №6** Шанхай, Нанкин, Ханчжоу

*. Подтверждение автором ранее сделанных предложений по разделению световых поясов на подрайоны (по старым СНиП);

**. Предложение автора по экстраполяции номеров групп административных районов (по новым СНиП)

В выводах по главе 1 отмечается, что на основе анализа проектных решений многоэтажных решений многоэтажных промзданий позволил выявить актуальные проблемы в вопросах совершенствования внутренней световой среды, которые могут быть решены лишь на основе рациональных конструктивных и архитектурных решений рассматриваемых зданий и новых эффективных систем естественного освещения, к которым, в частности, относятся световые колодцы. Также сделаны предложения по учету местных светоклиматических условий для основных экономических районов Китая.

Во второй главе рассматривается многоэтажный производственный корпус швейной фабрики в городе Фучжоу, расположенном на юго-востоке

Китая, неподалеку от города Шанхай. Данное производство было выбрано как в силу своего типичного проектного решения, так и в силу наличия комплекса проблем, связанных с микроклиматом производственных помещений (рис. 2 и

3).

Рис. 2. Схематический план рассматриваемого корпуса швейной фабрики в городе Фучжоу

—— С

Рис. 3. Характерный разрез 1-1 корпуса швейной фабрики в городе Фучжоу (фрагмент)

В частности, была отмечена недостаточная естественная освещенность в

рабочих помещениях, дискомфортные контрасты и яркости, неравномерность естественного освещения и значительные тепловые поступления от солнечной радиации.

План проведения эксперимента содержал следующие основные мероприятия:

1) обследование экспериментального участка в существующем виде;

2) реконструкцию экспериментального участка с устройством световых колодцев;

3) теоретические и экспериментальные исследования световой среды на экспериментальном участке после завершения реконструкции и проведение этапа субъективной экспертной оценки среды;

4) определение возможной экономической эффективности предлагаемых решений по устройству световых колодцев.

Проведенные исследования, основой которых является разработка методики расчета освещенности от световых колодцев, базируются на предположении о том, что вертикальные световые потоки в колодцах, за счет многократных отражений, преобразуются в горизонтальные. Такое предположение позволяет рассматривать световые колодцы, являющиеся остекленными каналами для естественного света от зенитных фонарей, в нижерасположенные помещения как источники бокового естественного света (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная схема к определению геометрического КЕО в помещении при использовании световых колодцев

Это позволяет рассматривать световые колодцы не как часть системы комбинированного освещения (при наличии боковых светопроемов в помещении), а как часть системы двухстороннего бокового естественного освещения при значительно меньшей глубине помещений (рис. 5). В этом случае расчет КЕО упрощается, а наименьшие его значения увеличиваются, что позволяет достичь требуемых уровней освещенности даже при минимальной световой эффективности световых колодцев, рассматриваемых как дополнительные боковые светопроемы. При использовании колодцев достигаются такие положительные характеристики световой среды, как увеличение значений КЕО, равномерности естественного освещения, достижения большей психологической связи с окружающей средой и т.д.

looqL gooo I 2000 [. рооо booo. 1500 ioooL gcoo L aooITT ?ooo bcoo

' ОГ.ПП ' * 1 I itnn ' annn

Рис. 5. Сводный график расчетных КЕО при двухстороннем боковом освещении обследуемого помещения после его реконструкции

Для расчета освещенности создаваемой световыми колодцами на основе выводов из исследований В.А. Земцова и А.К. Соловьева, была выведена формула, учитывающая отраженную составляющей внутренней естественной освещенности, имеющая следующий вид: 6 _Ld- A- COS /? • cosy • r0

где: е°рк - расчетное значение КЕО при дополнительном боковом освещении

от световых колодцев;

А - площадь выходного проема светового колодца;

12

Р и у - координационные углы расположения расчетной точки и центра выходного проема световода (светового колодца);

г - расстояние расчетной точки до центра выходного проема световода (светового колодца);

Го - коэффициент, учитывающий повышение КЕО вследствие отражения света от внутренних поверхностей помещения;

Ьо - яркость диффузора (светового участка) световода (светового колодца).

Вопросы солнцезащиты рассматривались с практической точки зрения. Были определены необходимые размеры СЗУ для полного исключения инсоляции в рабочих помещениях, и в качестве наиболее простых были рекомендованы мобильные СЗУ в виде металлизированной пленки на остеклении.

В главе также анализируются варианты конструктивного решения многоэтажных промзданий при возможном устройстве в них системы световых колодцев. Рассматриваются примеры зданий с различными конструктивными системами и схемами из сборного и монолитного железобетона и определяется возможное расположение световых колодцев в оптимальном сочетании с применяемыми конструкциями. Примеры наиболее характерных предлагаемых решений приведены на рисунках 6, 7, 8 и 9.

1. Световой фонарь

2. Ребристые плиты покрытия

3. Железобетонная колонна

4. Железобетонный ригель

5. Световой колодец

6. Проем в перекрытии

7. Ребристые плиты перекрытия

8. Поперечная рама каркаса

Рис. 6. Устройство световых колодцев в сборных многоэтажных промзданиях с балочным

каркасом

1V' •V'

'л» >>?>>>')>> )>> »> т »

1. Пролетная панель

2. Световой фонарь

3. Световой колодец

4. Надколонная панель

5. Проем светового колодца в перекрытии

6. Капитель колонны

7. Стеновое ограждение

8. Колонна каркаса

Примечание

Проемы в перекрытии устроены на месте пролетных панелей

Рис. 7. Устройство световых колодцев в сборных многоэтажных промзданиях с безбалочным

каркасом

1. Колонны каркаса

2. Световой фонарь

3. Световой колодец

4. Проем в перекрытии под световой колодец

5. Поперечные балки

6. Продольные балки

Вид по 1-І

1. Колонна каркаса

2. Поперечные балки перекрытия

3. Продольные балки перекрытия

4. Проем под световой колодец

5. Плита перекрытия

6. Ограждение проема

Рис. 8. Устройство световых колодцев в многоэтажных монолитных каркасных промзданиях с балочными перекрытиями с плитами, опертыми по контуру

1. Монолитная безбалочная плита

2. Проемы под световые колодцы

3. Колонны каркаса

Рис. 9. Устройство световых колодцев в многоэтажных монолитных каркасных промзданиях с безбалочными перекрытиями без капителей

В выводах по главе 2 отмечается, что для проведения исследований в выбранном типичном многоэтажном промздании была разработана методика проведения эксперимента. В этом здании был выявлен комплекс проблем, связанных со световой среды, которые эффективно были решены при использовании новой системы естественного освещения здания в виде световых колодцев. Отмечается, что был разработан как метод расчета КЕО от световых колодцев, так и предложения по конструктивным и объемно-планировочным решениям многоэтажных промзданий при использовании в них световых колодцев.

В третьей главе диссертации рассматриваются проводившийся эксперимент по субъективной экспертной оценке внутреннего микроклимата, а также вопросы повышения производительности труда и экономии электроэнергии на цели искусственного освещения на обследуемом предприятии. Экспертная оценка внутренней среды имеет вспомогательное значение, но она, в силу комплексной методики проведения эксперимента, может служить средством проверки полученных в объективной стадии эксперимента результатов. Так, например, по данным экспертного эксперимента, после реконструкторских мероприятий значительно улучшились оценки внутреннего светового и инсоляционного режимов.

В результате повышения качества внутреннего микроклимата в рассматриваемом помещении, отмеченного как в объективной, так и в стадии эксперимента, наблюдается также и определенный рост производительности труда, который на экспериментальном участке достигал 4,0% (рис. 10).

Экономические следствия повышения производительности труда в главе не рассматривались, т.к. они выходили за рамки проводимых исследований.

Был детально рассмотрен вопрос о потреблении электроэнергии на

искусственное освещение в рассматриваемых производственных помещениях. Для этого использовалась стандартная методика "критической наружной освещенности", в соответствии с которой определялось время действия системы искусственного освещения в помещении, что напрямую зависело как от условий наружного естественного освещения, так и от качества внутренней световой среды.

р%

0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75

120 ■

115

110

I I I I I I

1. Исходный базовый график по материалам предыдущих исследований;..

2. Исходный базовый график по материалам настоящих исследований

е%

Рис. 10. Сравнительный график зависимости производительности труда от уровней освещенности и коэффициента естественной освещенности при работе на полуавтоматическом оборудовании для рассматриваемого производства

Было установлено значительное снижение времени действия осветительной установки на рассматриваемом экспериментальном участке предприятия. Для всего рассматриваемого корпуса швейной фабрики эта экономия может составить около 25000 кВт-ч, что в денежном выражении в современных условиях КНР составляет около 4000 долларов США в год.

В главе также рассматриваются вопросы, связанные с ограждениями световых колодцев, размерами их поперечного сечения и схемы их расположения в плане здания. В частности, было определено, что известная часть световых колодцев должна быть ограждена несветопрозрачными (глухими) конструкциями с оптимальной высотой 1,2м, что повышает уровни КЕО в помещении за счет дополнительных отраженных от них световых потоков (рис. 11).

Отношение высоты глухой части ограждения светового колодца к высоте остекленной части

Рис. 11. График зависимости уровней освещенности от световых колодцев при различных вариантах их ограждений

1. Солнечное освещение; 2. Диффузное освещение

Также было определено, что оптимальная площадь фонарей над световыми колодцами для случая комбинированного естественного освещения составляет 6,0 - 11,0% площади пола помещения, а размещение световых колодцев целесообразно осуществлять вдоль здания, в центральной его зоне с шагом колодцев в 5,0 - 7,0 метров.

В выводах по главе 3 приведен анализ натурного эксперимента по экспертной оценке световой среды в производственных помещениях многоэтажных промзданий, который показал положительное отношение наблюдателей к внутренней световой среде после проведения реконструкторских мероприятий по устройству световых колодцев. Отмечается, что при новой системе естественного освещения заметно увеличивается производительность труда и отмечается экономия электроэнергии на цели дополнительного искусственного освещения. Делается также ряд выводов по оптимальным размерам, площадям и расположению световых колодцев, а также по соотношению площадей их светопрозрачных и глухих ограждений.

В четвертой главе диссертации приводятся основные рекомендации, которые касаются оптимальных планировочных и конструктивных решений многоэтажных промзданий в рассматриваемых климатических условиях, а также проектирования светопрозрачных элементов эффективных систем естественного освещения и солнцезащитных устройств в таких зданиях.

В частности, рекомендуется широтная ориентация многоэтажных промзданий, которые в этом случае будут иметь основные фасады с окнами, ориентированными на южные или северные стороны горизонта. В первом случае солнцезащита боковых светопроемов не требуется, а во втором случае она может иметь минимальные размеры из-за высокого положения солнца в расчетный жаркий период года. Торцы рассматриваемых зданий получают максимальный нагрев от прямых лучей солнца утром и вечером, но благодаря своей небольшой площади снижают тепловую нагрузку на помещения.

Рекомендуемые планировочные решения многоэтажных производственных зданий предполагают функциональное зонирование рабочих помещений по принципу их максимальной изоляции от теплового воздействия солнечной радиации. Основные рабочие помещения рекомендуется располагать по южным и северным сторонам здания. Западные и восточные части производственных многоэтажных корпусов рекомендуется использовать под подсобно вспомогательные нужды. Защита от теплового действия инсоляции в этих помещениях обеспечивается уменьшением числа окон или их площади, что объясняется их второстепенным функциональным назначением. Планировочные схемы рассматриваемых зданий рекомендуется принимать зальными или коридорными (рис. 12).

Рекомендации по проектированию светопрозрачных конструкций в многоэтажных промзданиях для рассматриваемых климатических условий сводятся к следующему. Окна рекомендуется, из соображений солнцезащиты, принимать узкой вертикальной формы с однокамерными стеклопакетами или с раздельным остеклением. Фонари следует выполнять зенитными (плафонного, купольного или пирамидального типа) и их остекление следует выполнять аналогично остеклению световых колодцев, из однослойного витринного стекла в металлических или пластиковых переплетах.

Световые колодцы следует располагать продольными рядами в центральной зоне этажей с шагом, зависящими от расположения несущих конструкций здания. В плане световые колодцы следует выполнять круглой, квадратной или прямоугольной формы с размерами от 1,5*6м (по одному световому колодцу через шаг колонн) до 1,5x1,5м (по два световых колодца в каждом, шаге).

/ С'ис-щпросмы с солнцсзацщтой

Свстопросмы без солццгеащты

....................миик...................................✓

Условные обозначения

Рис. 12. Рекомендуемые зальная и коридорная планировки многоэтажных производственных

зданий

Солнцезащитные устройства рекомендуется принимать регулируемого типа в виде жалюзи или солнцезащитной пленки, т.е. простых и дешевых средств, которые могут применяться и в многочисленных существующих промзданиях, аналогичных рассматриваемым.

Оптимальные соотношения размеров остекленных и глухих частей световых колодцев, рассмотренные в главе 4 работы, по светотехническим критериям приводят к рекомендациям по устройству глухих несветопрозрачных ограждений внизу этажных частей колодцев, высотой 1,2м. В этом случае такие участки становятся также бортиками безопасности, аналогичными подоконным частям наружных стен (рис. 13).

ш

Подсобные помещения

Коммумикац. помещения

Рабочие помещения

Одинарное остекление **

Световой '' колодец

../ //

//

//

1? I

Бортовой элемент

І

Защитная сетка

Рис. 13. Вариант устройства заполнения светопроемов световых колодцев

1,6

1.5

1.45 1.4

1.2 1,15 1,1

1.0

0,9

0,8

0,7

0.6

0.5

Т^час '

!

г- Сривая зависимости

і I

1 |

- — - 1 — 4- - —

[ Кривая зависимости 11« от значений еЯ,ш%

і і

Оптимальная

высота светового колодца 5,0м

[ 1 ;

1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

Нк(Ъ0,м

0 1 2 :3 4 5 6 7; 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17

3 этаж: 2,^5м 2 этаж: 7,25м 1 этаж: 11,75м Рис. 14. График зависимости значений е^, Тгс и Нк при солнечном наружном освещении

Определен также оптимальный размер световых колодцев по высоте и

количество этажей в многоэтажных производственных зданиях, при которых эффективна предлагаемая система освещения с использованием световых колодцев. Данные рекомендации вытекают из совместного анализа уровней естественной освещенности, обеспечиваемой при использовании световых колодцев на различных этажах промзданий и энергозатрат на искусственное освещение на этих же этажах (рис. 14). На основе такого анализа было определено, что оптимальная высота (длина) световых колодцев для рассматриваемого случая составляет 5,0м, что говорит об эффективности их применения лишь для верхних этажей многоэтажных промзданий (в рассматриваемом случае — для третьего и второго этажей).

в..

В

V-

в в

ь

ь

1

Рис.15. Основные размеры, пропорции и расположение световых колодцев в рассматриваемых зданий

Ьцск - расстояние между центрами световых колодцев (5 - 7м);

Ьзд - ширина здания (15- 20м); Ьск - длина светового колодца (2,5 - 3,0м);

Ьк - пролет рам каркаса (5 - 7м); Вк - шаг рам каркаса (5 - 7м);

Во - ширина светопроемов (5 - 7м); Вп - ширина простенков;

Век - ширина светового колодца (1,5 - 2,0м);

1 - оптимальное отношение: Ьск/Вск = 1,5;

2 — оптимальная площадь светового колодца: 8ск = 3,75 — 6,0м2

Для первых этажей многоэтажных промзданий световая эффективность колодцев сильно уменьшается, однако они остаются эффективными как средства психологической связи с окружающей средой и как средство нивелирования неравномерности естественного освещения помещений при освещении через боковые светопроемы.

В главе также приводятся рекомендации по размерам, формам и пропорциям световых колодцев и по их расположению в контексте конкретных планировочных и планировочных решений многоэтажных производственных зданий (рис. 15), что основывается на критериях обеспечения в них качественной световой среды.

В выводах по главе 4 рассматриваются основные рекомендации по принципиальным вопросам конструктивных и объемно-планировочных решений как самих рассматриваемых зданий, так и световых колодцев. Также даются рекомендации по оптимальному ориентированию корпусов производств рассматриваемого типа, по функциональному зонированию их площадей, по солнцезащите окон, фонарей и остекления световых колодцев и т.д.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Показано, что световой, инсоляционный и температурный режимы в помещениях зданий для условий жаркого и солнечного климата должны рассматриваться и оцениваться комплексно. Эти режимы внутреннего микроклимата являются факторами, связанными с общими климатическими характеристиками рассматриваемого региона, совместно влияют на качество внутреннего микроклимата и определяют эффективные архитектурные и конструктивные решения как самих зданий, так и элементов систем их естественного освещения, являющихся частью ограждающих конструкций;

2. Показано также, что для создания качественной световой среды в рабочих помещениях многоэтажных производственных зданий с помощью естественных методов контроля, наиболее эффективной является система естественного освещения с использованием "световых колодцев";

3. Разработана методика расчета естественной освещенности, создаваемой "световыми колодцами", в которой используется предположение о трансформации направления световых потоков, которые претерпевают перераспределение в пределах этих элементов системы освещения. Предложенная методика расчета базируется на материалах и результатах

22

исследований, проведенных ранее в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и Научно-исследовательском институте строительной физики РААСН по расчету освещенности, создаваемой в помещениях полыми трубчатыми световодами или зенитными фонарями шахтного типа;

4. На основе нормативных документов Российской Федерации по строительной светотехнике, с использованием аналогии предложен новый подход к учету светоклиматических условий основных экономических регионов Китая, отличный от использующегося в этой стране. Это даст возможность привести методики и результаты научных исследований по строительной светотехнике в условиях Китая к согласованию с действующими российскими нормами, методиками и научными документами в этой области;

5. Подтверждена правильность подхода к расчету коэффициента естественной освещенности (КЕО) по методике "ясного неба", применение которой было рекомендовано ранее для южных регионов с жарким и солнечным климатом. Показано, что оценка реальных условий освещенности в помещениях для рассматриваемых условий возможна лишь при учете как облачного, так и ясного состояния небосвода, с соответствующим расчетами КЕО как по стандартной нормативной (для пасмурного неба), так и по альтернативной методикам (для ясного неба), результаты которых в данной работе хорошо коррелировались с натурными измерениями КЕО;

6. В результате проведенных исследований определено, что рекомендуемые реконструкторские мероприятия по созданию эффективной системы естественного освещения с помощью "световых колодцев" при своем осуществлении в виде результата имеют повышение качества внутреннего микроклимата в рассматриваемых производственных помещениях по светотехническим, инсоляционным и температурным показателям. Это создаёт комфортные условия для работающих;

7. Предложения по конструктивным и объемно-планировочным решениям как самих рассматриваемых зданий, так и элементов систем их естественного освещения, повышая качество внутреннего микроклимата, способствовали также определенному росту производительности труда и заметной экономии электроэнергии на цели искусственного освещения. Все эти улучшения были обоснованы теоретическими исследованиями и подтверждены результатами натурных исследований, которые включали в себя и проведение субъективного экспертного опроса по оценке качества внутренней световой

23

среды;

8. Разработаны предложения по ориентации, планировочному решению и функциональному зонированию многоэтажных промзданий в рассматриваемых климатических условиях. Также были даны рекомендации по оптимальному конструктивному и планировочному решению световых колодцев в зависимость от принятых конструктивных и строительных систем и схем рассматриваемых производственных зданий. Рекомендованы оптимальные размеры, формы, пропорции и шаг световых колодцев, а также соотношение площадей их глухих и светопрозрачных ограждений.

Основные публикации по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. C.B. Стецкий, Чэнь Гуанлун. Светотехническое районирование территории Китая на основе Советских и Российских нормативных документов // Вестник МГСУ. - 2012. - №4. - С. 476 - 486.

2. C.B. Стецкий, Чэнь Гуанлун. Создание качественной световой среды в помещениях производственных зданий для климатических условий юго-восточного Китая // Вестник МГСУ. - 2012. - №7. - С. 16-25.

3. C.B. Стецкий, Чэнь Гуанлун. Оптимизация геометрических параметров световых колодцев для многоэтажных производственных зданий в условиях юго-восточного Китая //ВестникМГСУ. -2012. -№11. - С. 23 -31.

В прочих изданиях:

4. Чэнь Гуанлун. Вопросы светоклиматического районирования территории Китая // Четырнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов МГСУ, Москва 27 - 29 апреля. -2011.-С.216-218.

Подписано в печать: 16.11.13 Тираж: 135 экз. Заказ № 1043 Объем: 1,5 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451841

ЧЭНЬ ГУАНЛУН

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ МНОГОЭТАЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ ДЛЯ СИСТЕМ ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ В ВИДЕ СВЕТОВЫХ КОЛОДЦЕВ С УЧЕТОМ СВЕТОКЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

ЮГО-ВОСТОЧНОГО КИТАЯ

Специальность 05.23.01. «Строительные конструкции, здания и сооружения»

Научный руководитель: л Профессор, к.т.н.

Москва 2013 г.

Оглавление

Введение......................................................................................................3

Глава 1. Состояние вопроса проектирования многоэтажных производственных зданий с учетом комфортности внутренней световой среды в климатических условиях Китая........................................................10

1.1. Конструктивные и архитектурно-планировочные решения.........10

1.2. Функциональные и физико-технические вопросы проектирования многоэтажных производственных зданий.......................................................20

1.3. Системы естественного и совмещенного освещения в производственных зданиях и современные конструктивные элементы этих систем.........................................................................................25

1.4. Анализ данных по световому климату основных экономических районов Китая и предложения по совершенствованию существующего подхода к учету местных светоклиматических характеристик....................51

1.5. Выводы по главе 1...........................................................71

Глава 2. Экспериментальные и теоретические исследования по совершенствованию световой среды в многоэтажных производственных зданиях..................................................................................................72

2.1 Выбор типичного объекта для проведения экспериментальных исследований и разработка методики проведения эксперимента....................72

2.2 Натурные и теоретические исследования существующей световой среды в помещениях обследуемого здания.................................................82

2.3 Метод расчета естественной освещенности при использовании системы естественного освещения в виде световых колодцев.........................98

2.4 Натурные и теоретические исследования световой среды в помещениях обследуемого здания после реконструкторских мероприятий...............................................................................114

2.5 Конструктивные и планировочные решения многоэтажных промзданий при устройстве в них световых колодцев с целью совершенствования внутренней световой среды.............................................128

2.6 Выводы по главе 2

138

Глава 3. Разработка новых конструктивных и объемно-планировочных решений для создания комфортной световой среды в многоэтажных производственных зданиях......................................139

3.1. Методика проведения и анализ результатов эксперимента по экспертной оценке световой среды...................................................................139

3.2. Повышение производительности труда при улучшении объективных и экспертных оценочных показателей качества световой среды........................................................................................143

3.3. Экономия электроэнергии на искусственное освещение в условиях рассматриваемого производственного здания..........................147

3.4. Оптимальные решения световых колодцев по геометрическим параметрам, размещению и конструкциям ограждений.................................156

3.5. Выводы по главе 3.........................................................180

Глава 4. Рекомендации по конструктивным и архитектурным решениям рассматриваемых производственных зданий и их элементов в виде световых колодцев по критериям комфортности внутренней среды........................................................................................181

4.1. Рекомендации по архитектурно-планировочным решениям многоэтажных промзданий.................................................................................181

4.2. Рекомендации по конструктивным, планировочным и геометрическим решениям световых колодцев................................................185

4.3. Рекомендации по проектированию солнцезащитных устройств.............................................................................................................191

4.4. Рекомендации по конструктивным решениям перекрытий и покрытий многоэтажных промзданий при устройстве системы естественного освещения в виде световых колодцев................................................202

4.5. Рекомендации по конструктивному решению заполнения светопроемов световых колодцев.......................................................208

4.6. Выводы по главе 4.........................................................218

Выводы по диссертации.........................................................................220

Список использованной литературы

222

Введение

Внутренняя микроклиматическая среда в рабочих помещениях многоэтажных производственных зданий является важным и актуальным вопросом проектирования таких зданий в условиях климата Китая и сложившейся застройки крупных китайских городов.

По результатам многочисленных научных исследований, посвященных рассмотрению как отдельных факторов внутренней среды в помещениях, так и их различных сочетаний, был сделан важный вывод о том, что внутренний микроклимат должен рассматриваться как комплекс естественного, а не механического взаимодействия отдельных факторов внутренней среды.

Этот вывод и является основополагающей идеей для проведения новых научных исследований, изложенных в данной диссертационной работе.

Исследования внутренней микроклиматической среды должны быть направлены на разработку ряда мер архитектурно-планировочного и строительно-конструктивного характера по созданию оптимальных, а по возможности и комфортных условий пребывания и работы людей в помещениях рассматриваемых зданий в конкретных климатических условиях.

Обычно комфортность внутреннего микроклимата зависит от оптимального сочетания ряда факторов, обеспечивающих комфортные параметры основных микроклиматических режимов в помещении: температурно-влажностного, инсоляционно-светового шумового и воздушно-аэрационного.

Очевидно, что для климатических условий Китая, большая часть территории которого расположена в южных широтах, весьма важен вопрос создания в помещении здания комфортного температурно-влажностного режима. Одновременно с этим вследствие солнечности климата важными становятся и вопросы солнцезащиты помещений, от которых зависят параметры инсоляционно-светового режима. Кроме этого, для производственных зданий наиболее важное значение имеет именно световой режим в помещениях.

Комплексный подход к созданию комфортного микроклимата в рабочих помещениях производственных зданий для условий жаркой и солнечной внешней среды позволяет изучать отдельные факторы внутренней среды, но с обязательной увязкой их взаимодействия и взаимозависимости.

Данная работа представляет собой лишь определенный шаг в направлении изучения комфортности внутренней среды в помещениях. Для исследований были выбраны световой и инсоляционный режимы; при этом используемый комплексный подход делает необходимым учет и аспектов температурно-влажностного режима в рассматриваемых помещениях. Это, несомненно, должно привести к оптимизации научных выводов и практических рекомендаций с учетом многообразия взаимодействующих факторов, определяющих комфортность внутреннего микроклимата.

Китайская Народная Республика в настоящее время является одной из ведущих стран мира в области экономики.

Как следствие этого, в городах Китая опережающими темпами велось и ведется не только гражданское, но и промышленное строительство. Также в стране активно ведется реконструкция промышленных зданий, связанная с модернизацией различных производств.

Обширная территория Китайской Народной Республики делится на ряд климатических регионов, в которых климат изменяется от горного и континентального до жаркого, сухого жаркого или влажного.

В основном промышленность и крупные города страны сосредоточены в восточной части Китая, на плоскогорьях, равнинах и побережьях, где климат в основном жаркий, переходящий в субтропический и даже тропический.

Световой климат Китая в большинстве его районов характеризуется высоким уровнем солнечной активности, что также приводит к перегреву помещений через светопроёмы и наружные ограждающие конструкции зданий.

Несмотря на крупные успехи Китая в экономике, страна до сих пор испытывает определенный дефицит энергоресурсов: энергия в основном

расходуется в производственных целях; в быту и общественной жизни потребление энергии достаточно скромное. Однако и в промышленном производстве осуществляется программа экономии электроэнергии -главным образом на цели искусственного освещения и вентиляции.

Вследствие этого в сфере промышленного строительства Китая все больше внимания уделяется разработке энергоэффективных проектов на основе естественных (пассивных) методов регулирования параметров внутренней микроклиматической среды в здании. Здесь используются не только научно-обоснованные методы проектирования, но и архитектурные традиции страны - то есть традиционные архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий, традиционные строительные материалы и технологии и т.д.

Строительство современных производственных зданий на основе западных проектных решений в "интернациональном" стиле также ведется достаточно широко. Однако эти здания являются "фасадом" промышленного Китая и изначально проектируются как энергозатратные объекты, внутренняя среда в которых обеспечивается и поддерживается за счет искусственных (активных) методов регулирования, к которым, прежде всего, относятся искусственная вентиляция, искусственное освещение и кондиционирование воздуха.

Актуальность данной работы заключается в том, что автор разработал ряд научных основ создания комфортной внутренней световой среды на основе естественных методов ее регулирования, при совершенствовании конструктивных и объемно-планировочных решений зданий.

Данные разработки направлены на улучшение условий труда в рабочих помещениях многоэтажных производственных зданий для климатических условий юго-восточного региона Китая.

Работа в целом призвана способствовать решению целого ряда вопросов, являющихся насущными для архитектурно-строительной науки и практики Китая, и результаты исследования могут быть использованы как в

нормативных документах этой страны, так и в ее архитектурно-строительном проектировании.

Объектом исследования являются многоэтажные производственные здания, рабочие помещения в них и их конструктивные и объемно-планировочные решения, связанные с устройством системы естественного освещения в виде световых колодцев.

Предметом исследований является совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений многоэтажных производственных зданий при устройстве новой системы их естественного освещения.

Научно-технический гипотезой диссертации является возможность повышения эффективности функционирования многоэтажных производственных зданий на основе новых качеств внутренней световой среды в этих зданиях.

Целью диссертации является совершенствование конструктивных и объемно-планировочных решений многоэтажных производственных зданий с системой естественного освещения в виде световых колодцев.

Задачи диссертации:

♦ Разработка научных и проектных предложений по созданию многоэтажных промзданий со световыми колодцами и совершенствование их конструктивных и объемно-планировочных решений;

♦ Разработка предложений по созданию эффективной системы естественного освещения многоэтажных промзданий как по их светотехническим, так и конструктивным характеристикам;

♦ Определение влияния конструктивных и архитектурных решений предлагаемой системы естественного освещения на комфортные условия для людей и оптимальные условия для технологических процессов, на энерго- и ресурсосбережение.

♦ Разработка методики расчета внутренней естественной освещенности от предлагаемой конструктивной системы естественного освещения в виде "световых колодцев";

♦ Разработка предложений по учету местных светоклиматических условий для основных экономических передовых провинций Китая,

основанных на современных российских документах и методиках.

Методология исследований заключается в теоретической и экспериментальной оценке качества световой среды в рассматриваемых зданиях при устройстве в них нового конструктивного типа системы естественного освещения.

Научная новизна диссертации:

♦ Для конструкций световых колодцев предложен метод расчета коэффициента естественной освещенности (КЕО), который применим в условиях ясного неба, характерных для солнечном климате рассматриваемого региона;

♦ Обобщены основные теоретические и практические положения проектирования и строительства многоэтажных производственных зданий в условиях Китая как в исторической ретроспективе, так и в настоящее время;

♦ Даны предложения по учету местных светоклиматических условий для основных экономических зон Китая (Харбин, Пекин и Шанхай), что позволило в данных исследованиях использовать основные положения российских нормативных документов по естественному освещению;

♦ Определено влияние конструктивных и архитектурных решений элементов системы естественного освещения в виде световых колодцев на конструктивные и объемно-планировочные решения самих зданий, а также на комфортные условия для персонала, на повышение производительности труда и энергосбережение.

Достоверность результатов диссертации:

Достоверность результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических и натурных исследований. В работе использовались современные научные методики исследований и измерений с помощью новых образцов приборов и оборудования.

Апробация результатов диссертации:

Результаты работы докладывались на XIV международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов МГСУ. Москва, апрель 2011г. (с. 216 - 218 в сборнике докладов)

Практическая значимость результатов диссертации:

♦ Сделаны предложения по конструктивным и планировочным решениям многоэтажных производственных зданий для светоклиматических условий юго-восточного Китая на основе светотехнических критериев;

♦ Даны рекомендации по конструктивным решениям, размерам, пропорциям и расположению элементов предлагаемой системы естественного освещения многоэтажных производственных зданий в виде "световых колодцев", при которых обеспечивается наилучшее качество как световой, так и общей микроклиматической среды в рабочих помещениях рассматриваемых зданий;

♦ Достигнут определенный экономический эффект от осуществления основных рекомендаций по работе. Этот эффект основывается на экономии электроэнергии на искусственное освещение и на заметном повышении производительности труда на рассматриваемом производстве;

♦ Показано, что комфортность внутренней микроклиматической среды в многоэтажных промзданиях при рассматриваемых климатических условиях может быть практически полностью обеспечена естественными (пассивными) методами контроля внутреннего микроклимата, что на основе эффективных конструктивных и архитектурных решений рассматриваемых зданий позволяет достигнуть качественного улучшения условий труда на рассматриваемом производстве.

На защиту выносятся следующие положения:

♦ Метод расчета коэффициента естественной освещенности в помещениях при системе естественной освещенности в виде световых колодцев;

♦ Рекомендации по конструктивным и планировочным решениям многоэтажных производственных зданий в светоклиматических условиях юго-восточного Китая;

♦ Рекомендации по устройству, конструктивному и планировочному решению элементов системы естественного освещения рассматриваемых промзданий в виде световых колодцев;

♦ Предложения по учету местных светоклиматических условий для основных экономических зон Китая - регионов Харбина, Пекина и Шанхая.

Внедрение результатов диссертации:

Рекомендации по работе были приняты для дальнейшего их практического применения руководством швейного комбината в городе Фучжоу (КНР).

Публикация результатов исследований:

Результаты работы опубликованы в 3 статьях в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК министерства образования и науки Российской Федерации.

Личный вклад и соответствие специальности:

Личный вклад автора отражен в постановке самой научной проблемы, в разработке метода расчета освещенности, создаваемой световыми колодцами и в рекомендациях по совершенствованию конструктивных и объемно-планировочных решений рассматриваемых зданий и их систем освещения.

Тема диссертации соответствует специальности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения".

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех гла