Повышение энергоэффективности здания Физико-технического института Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского за счет модернизации оболочки
Введение 4
Раздел 1. Сведения о нормативных документах по энергоэффективности, методы ее повышения, климатический анализ условий строительства 8
1.1. Анализ отечественного и мирового опыта строительства
энергоэффективных зданий 8
1.1.1. Требования отечественных и зарубежных правовых и
нормативных документов в области энергоэффективного
проектирования 8
1.1.2. Принципы проектирования энергоэффективных конструкций
наружных стен 11
1.1.3. Принципы проектирования энергоэффективных
светопрозрачных конструкций 14
1.1.4. Принципы проектирования солнечного воздушного
коллектора и стены Тромба 15
1.1.5. Принципы проектирования солнцезащитных устройств в
климатических условиях Крыма 20
1.2. Анализ климата для города Симферополя 24
Выводы по Разделу 1 35
Раздел 2. Оптимизация оболочки здания с учетом климатических условий места строительства 36
2.1. Краткие сведения об определении суммарной солнечной радиации
на вертикальную поверхность при действительных условиях облачности и построении карт изолиний 36
2.2. Разработка вариантов замены светопрозрачных конструкций 40
2.2.1. Применение стеклопакетов с большим сопротивлением
теплопередаче 40
2.2.2. Применение солнцезащитных стеклопакетов Solar 44
2.2.3. Уменьшение площади остекления с учетом соблюдения
требований освещенности 46
2.3. Разработка и обоснование выбора энергоэффективных
солнцезащитных устройств для здания в период перегрева 49
2.3.1. Анализ исходной солнцезащиты 49
2.3.2. Обоснование выбора солнцезащитных устройств 52
2.4. Расчет эффективности применения солнечного воздушного коллектора 58
Выводы по Разделу 2 63
Раздел 3. Результаты модернизации оболочки здания 65
3.1. Комплексная оценка вариантов повышения энергоэффективности объектов, позволяющая выбрать лучший из вариантов модернизации
оболочки здания 65
3.2. Расчет сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций
здания 72
3.3. Сравнение результатов в отопительный период для здания в
комплексе с построением теплового баланса 77
3.4. Сравнение результатов по тепловым поступлениям в период
перегрева для здания в комплексе 87
Выводы по Разделу 3 89
Заключение 91
Список использованных источников 92
Приложения 97
Актуальность темы исследований. Необходимость и значимость увеличения энергетического потенциала жилищной сферы и зданий общественного назначения определяется стратегической направленностью экономического развития Российской Федерации на формирование энергоэффективной экономики, как в масштабах страны, так и в масштабах отдельных регионов и муниципальных образований [44].
Изучение способов повышения энергоэффективности зданий является достаточно актуальным. Вопрос применения энергосберегающих методов, технологий и материалов связан, прежде всего, с ограниченностью энергетических ресурсов, что приводит к увеличению их стоимости при существующих объемах потребления. При проведении работ по реконструкции с повышением энергоэффективности необходимо применение комплексного подхода. Этот подход обеспечит применение методов, которые позволят снизить теплопотери в зданиях за счет разработки и использования энергоэкономичных объемно-планировочных и конструктивных решений и мероприятий, основанных на использовании энергоэффективного оборудования.
На данный момент одной из приоритетных задач в области строительства стала энергетическая эффективность проектируемых и уже существующих архитектурных объектов в силу преобладающего значения общеэкономических факторов. Для осуществления поставленной задачи был принят целый ряд нормативно-правовых документов, основными из которых являются:
• Федеральный закон от 23.11.2009 № 261 -ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»;
• Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 № 1715-р «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года»;
• Федеральный закон «О внесении изменений
и дополнений в Федеральный закон «О техническом регулировании», который разработан в июле 2009 г. и введен в действие. В соответствии
с ним показатели энергоэффективности предъявляются в качестве обязательных требований к объектам технического регулирования [8].
В сфере строительства и реконструкции применение энергоэффективных материалов, конструктивных решений и специальных приемов, основанных на использовании солнечной энергии, обеспечит уменьшение тепловых потерь и, следовательно, позволит экономить ресурсы и снижать количество выбросов в атмосферу, что в перспективе способствует повышению экологической безопасности.
Расчеты теплопоступлений от светопрозрачных конструкций позволяют на этапе проектирования подобрать наиболее эффективный вид заполнения оконного проема для обеспечения наилучшего энергосбережения. Для получения величины теплопоступлений необходимо значение количества солнечной радиации на вертикальную поверхность при действительных условиях облачности. В справочниках по климатологии эти данные отсутствуют. В работе [11] произведен расчет значений солнечной радиации с построением карт изолиний, что позволяет выполнять расчет теплопоступлений для городов Крыма и Юга России, данные о которых отсутствуют в справочниках.
Степень изученности проблемы. В своих исследованиях Бродач М.М., Гагарин В.Г., Горшков А.С., Корниенко С.В., Кузнецов А.В., Леонова А.Н., Марков Д.И., Корниенко С.В., Орр Д., Смирнова С.Н., Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В., Шойхет Б.М. обращались к вопросу ресурсосбережения и повышения энергоэффективности за счет архитектурно-планировочных решений, применения биопозитивных конструкций.
Изучению методов использования пассивного солнечного нагрева с помощью стены Тромба посвящены работы таких ученых как Балкомб Дж. Д., Брызгалин В.В., Дворецкий А.Т., Казанцев П.А., Косо Й., Поччоев. М.М., Сабади П.Р., Соловьев А.К., Файст В., Холлоуэй Д., Хужаев П.С и солнечных воздушных коллекторов - Блисс Р., Вырлан П.М., Донован М., Клоуз Дж. Д., Леф Дж., Плешка М.С., Харченко Н.В.
Такие ученые как Буравченко В.С., Дворецкий А.Т., Клевец К.Н., Моргунова М.А., Сергейчук О.В., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. в своих трудах занимаются проектированием и разработкой солнцезащитных устройств.
Цель работы - повышение энергоэффективности здания путем совершенствования оболочки здания, использования пассивного солнечного нагрева в зимний период и обеспечения солнцезащиты в летний период для предотвращения перегрева помещения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Рассчитать тепловые потери и поступления здания ФТИ КФУ им. В.И. Вернадского при исходной конструкции здания.
2. Предложить варианты модернизации оболочки здания, включающие в себя методы по повышению теплотехнических показателей конструкции, снижению тепловых потерь, увеличению количества тепловых поступлений за счет использования пассивного солнечного нагрева и организации солнечной защиты в период охлаждения здания.
3. На основе комплексной оценки предложенных вариантов модернизации выбрать вариант с наилучшими показателями, определить для него показатели энергетической эффективности здания и сравнить их с показателями для исходного варианта.
Объект исследования - научно-прикладные основы повышения энергетической эффективности общественного здания с использованием архитектурно-планировочных и конструктивных решений.
Предмет исследования - модернизация оболочки здания с применением эффективной солнцезащиты, устройств пассивного солнечного нагрева и с учётом климатических условий места строительства.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе использованы такие методы исследования: анализ опубликованных ранее материалов и электронных ресурсов по смежным отраслям науки - строительная
физика, строительная климатология, архитектурное проектирование, энергоэффективное проектирование; геометрическое моделирование карт изолиний среднечасовой солнечной радиации по методике, описанной в [30] с помощью ПК SURFER и AutoCAD; использование математического моделирования для численного определения показателей повышения энергоэффективности зданий; применение системного анализа для комплексной оценки объекта строительства для различных вариантов модернизации оболочки здания с использованием программы MS Excel.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии новых методических подходов к модернизации оболочки здания за счет применения ресурсосберегающих, архитектурно-планировочных решений с использованием устройств пассивного солнечного нагрева и устройств солнечной защиты.
Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что:
- разработан алгоритм поиска наиболее энергоэффективных архитектурных и конструктивных решений общественных зданий;
- разработаны карты изолиний среднечасовой суммарной солнечной радиации при действительных условиях облачности за отопительный период для Крыма и Юга России;
- разработаны критерии комплексной оценки показателей энергетической эффективности, что позволяет выбрать лучший из вариантов модернизации оболочки объектов строительства;
- предложен методика моделирования солнцезащитных устройств с целью минимизации величины нежелательной солнечной инсоляции.
Краткая характеристика структуры работы. Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения. Работа изложена на 96 страницах. Содержит 47 рисунков, 37 таблиц, список литературы из 45 источников, 1 приложение.
В ходе работы был выполнен анализ возможных методов повышения энергетической эффективности зданий и климатических условий для города Симферополя. Были рассчитаны тепловые потери и тепловые поступления для здания Физико-технического института КФУ им. В. И. Вернадского при исходной конструкции здания. Было установлено, что сопротивление теплопередаче применяемых светопрозрачных конструкций не соответствует требованиям строительных норм, предложенная солнцезащита является неэффективной. В выпускной работе рассмотрены варианты модернизации оболочки здания, которые включают в себя методы по снижению тепловых потерь за счет повышения теплотехнических показателей конструкции, по организации солнечной защиты от перегрева здания в летний период.
На основе комплексной оценки был выбран лучший из предложенных вариантов модернизации оболочки здания: для северного фасада - вариант с заменой стеклопакетов и уменьшением площади остекления; для восточного и западного фасадов - вариант с заменой стеклопакетов, уменьшением площади остекления и устройством солнцезащиты; для южного фасада - вариант с заменой стеклопакетов, устройством солнцезащиты и солнечного воздушного коллектора.
В результате работы построены тепловые балансы для исходного варианта и для каждого из вариантов модернизации с определением доли органического топлива. Для выбранного варианта модернизации доля органического топлива в тепловом балансе за отопительный период составила 54,4%. Было выполнено сравнение вариантов по тепловым поступлениям в период перегрева, в соответствии с которым для модернизированного варианта тепловые поступления по сравнению с исходным уменьшены на 41,7 %.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
