4.16 Оптимизация параметров вновь возводимых энергоэффективных блокированных зданий

Мартынов В.Л. (КрНУ им. Михаила Остроградского, г. Кременчуг, Украина)

Для повышения энергоэффективности блокированных вновь возводимых зданий, сохранения биосферы разработан компьютеризованный способ оптимизации параметров энергоэффективных гранных блокированных зданий (параметров формы, сопротивления теплопередаче светопрозрачных и непрозрачных ограждающих конструкций каждой грани, площади окон на каждой грани здания) по критерию минимизации теплового баланса здания с окружающей средой за отопительный период. Данный способ возможно применять при проектировании как энергоэффективных, так и обычных зданий.

To improve energy efficiency of buildings blocked, preserving the biosphere developed computerized method for optimizing the parameters of energy efficient buildings sided blocked (the shape parameters, thermal resistance of translucent and opaque envelope each face area of ​​windows on each side of the building) by minimizing the heat balance of the building with the environment during the heating period . This method may be used in the design of energy efficiency and traditional buildings.

В настоящее время, когда углеводородное и ядерное топливо имеет высокую стоимость и его использование ведет к загрязнению окружающей среды и разрушению биосферы, использование энергоэффективных зданий, использующих для энергоснабжения экологически чистую возобновляемую энергию солнца, земли, ветра, является актуальным.

При проектировании энергоэкономичных вновь возводимых зданий стоит задача повышения их энергоэффективности. Это возможно за счет оптимизации геометрических параметров формы с точки зрения минимального теплового баланса ограждающих конструкций с окружающей средой (атмосферой, землей, блокированным домом), оптимизации параметров утеплителя стен (сопротивления теплопередаче), расположения окон. Тепловой баланс учитывает как теплопотери через ограждающие конструкции, так и поступления тепла от солнечной радиации. Оптимизация параметров может повысить энергоэффективность до 30 процентов.

Анализ последних исследований и публикаций. Решению вопроса повышения энергоэффективности зданий посвящены работы [1–3], но в них определялись оптимальные пропорции зданий с точки зрения минимизации теплопотерь через ограждающие конструкции по одному параметру пропорций. В работах [4, 5] отдельно оптимизировалась форма здания и отдельно параметры утеплителя непрозрачных конструкций здания с точки зрения минимального теплового баланса ограждающих конструкций. В работе [6, 8] рассматривалась многопараметрическая оптимизация энергоэффективных зданий. В работе [7] оптимизировалась форма цилиндрического здания и распределение утеплителя для отопительного периода. В работе [9] предлагался способ оптимизации многогранной формы энергоэкономичных зданий и распределения утеплителя по ограждающим конструкциям без учета окон.

Постановка задачи. Для повышения энергоэффективности зданий предложить способ оптимизации геометрических параметров многогранной формы блокированного дома, параметров сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, оптимального расположения окон с точки зрения минимального теплового баланса ограждающих конструкций с окружающей средой.

Основная часть. Здания могут блокироваться одной или несколькими гранями, полностью или частично (рисунок 1). Для расчетов оптимальных параметров блокированной многогранной формы, где переменными являются параметры здания, составляется тепловой баланс ограждающих конструкций с окружающей средой и блокированным зданием. При этом объем здания, количество утеплителя, площадь окон остаются неизменными.

Рисунок 1 – Варианты блокировки зданий

При этом учитывается возможность блокирования здания не полной гранью, а частично. Площадь блокированной грани S_блокi равна произведению блокированной части G на высоту грани h.

S_блокі = G h. (1)

Целевая функция теплового баланса грани согласно [6] определяется

. (2)

Тепловой баланс ограждающих конструкций здания

, . (3)

Система ограничений:

– суммарное количество утеплителя и площадь окон остаются неизменными, ограничиваются параметры сопротивления теплопередаче утеплителя и площадь окон на каждой из граней

, (4)

– сопротивление теплопередаче окон и стен нормируется [10] при следующих ограничениях:

, (5)

, , (6)

– объем здания остается постоянным

V=abh=const . (7)

В формулах (1) – (7):

^{– температуры внутреннего и наружного воздуха;}

r_i – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью грани; – энергетическая освещенность грани коротковолновой радиацией за отопительный период; – интенсивность энергетической освещенности грани коротковолновой радиацией в течении отопительного периода; – азимут здания; – коэффициент теплообмена между наружной поверхностью ограждения и наружным воздухом; – площадь непрозрачной грани ограждающих конструкций; – площадь блокированной части непрозрачной грани ограждающих конструкций; – сопротивление теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций; N_сут – количество суток отопительного периода; – сопротивление теплопередаче светопрозрачных ограждающих конструкций; – количество градусо-суток отопительного периода; – коэффициент, учитывающий затенение оконного проема непрозрачными элементами; – коэффициент относительного проникновения солнечной радиации для светопрозрачных конструкций; K_і – коэффициент реальных условий облачности, которые влияют на оступление солнечной радиации.

Решение данной задачи сводится к оптимизации нелинейной функции с несколькими переменными с использованием компьютера методом Хука–Дживса.

Для исследования рассматривалась блокированое здание, расположенное в г. Запорожье (48^й градус северной широты), объемом V= 968 м³ в виде прямоугольного параллелепипеда с частичным блокированием одной стороной. Азимут здания A_зд = 195 градусов (рисунок 2). Азимуты вертикальных стен A_ст1= 15⁰, A_ст2= 105⁰, A_ст3= 195⁰ , A_ст4= 285⁰.

В плане здание имеет вид двух блокированных прямоугольников (рисунок 2). Существующие параметры имеют следующие значения (которые могут изменяться). Три параметра формы (a = 13 м, b = 10,8 м, h = 6,6 м), шесть параметров сопротивления теплопередаче непрозрачных ограждающих конструкций каждой из граней R_ст1 = 2,8 м²К/Вт, R_ст2 = 2,8 м²К / Вт, R_ст3 = 2,8 м²К/Вт, R_ст4 = 2,8 м²К/Вт, R_кр = 4,0 м²К/Вт, R_пол = 4,0 м²К/Вт, пять параметров площади окон каждой из граней S_ок1 = 22,32 м², S_ок2 = 7,50 м², S_ок3 = 15,60 м², S_ок4 = 0м², S_оккр = 0м², пять параметров сопротивления теплопотерь светопрозрачных конструкций каждой из граней R_ок1 = 0,7 м²К/Вт, R_ок2 = 0,7 м²К / Вт, R_ок3 = 0,7 м²К/Вт, R_ок4 = 0,7 м²К/Вт, R_оккр = 0,7 м²К/Вт. Здание блокируется одной стеной частично на величину G = 6,7 м.

По приведенному алгоритму с использованием разработанной программы SOLAROPTIM оптимизированы параметры здания. Оптимизация трех групп параметров: параметров формы здания (a, b, h), сопротивления теплопотерям ограждающих конструкций R_стi, R_окi и площади S_окi светопрозрачных конструкций каждой грани способствовала уменьшению теплопотерь через ограждающие конструкции на 22,34 процента (рисунок 3).

Оптимальные параметры формы составляют (a = 9,89 м, b = 9,88 м, h = 9,9 м), параметры сопротивления теплопотерям непрозрачных конструкций R_ст1 = 3,94 м²К/Вт, R_ст2 = 3,79 м²К/Вт, R_ст3 = 3,44 м²К/Вт, R_ст4 = 3,96 м²К/Вт,

R_кр = 3,57 м²К/Вт, R_пол = 3,52 м²К/Вт, параметров площади окон S_ок1 = 2,5 м²,

S_ок2 = 6,92 м², S_ок3 = 21,00 м², S_ок4 = 0 м², S_оккр = 15,00 м².

Рисунок 2 – Блокированное здание

Рисунок 3 – Оптимизация параметров формы, утеплителя и расположения окон

Заключение

Разработан компьютеризированный способ и программа SOLAROPTIM для оптимизации геометрических параметров блокированных энергоэффективных зданий гранной формы (пропорций здания, параметров сопротивления теплопередаче светопрозрачных и непрозрачных ограждающих конструкций каждой грани, площади окон на каждой из граней здания) с точки зрения минимизации теплового баланса ограждающих конструкций с окружающей средой с целью повышения энергоэффективности в течение отопительного периода. Для дома, расположенного в г. Запорожье, в виде прямоугольного параллелепипеда, который блокируется частично одной стороной, оптимизация пара­метров (формы, утеплителя, площади окон) привела к сокращению теплопотерь на 22,34 процента. Данный способ возможно применять при проектировании как энергоэффективных, так и обычных зданий.

Литература

1. Маркус Т.А. Здания, климат и энергия / Т.А. Маркус, Э.Н. Морис. – Л. : Гидрометеоиздат, 1985. – 540 с.

2. Табунщиков Ю. А. Математическое моделирование и оптимизация тепло­вой эффективности зданий / Ю. А. Табунщиков, М. М. Бродач. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002. ― 194 с.

3. Мартинов В. Л. Геометричне моделювання параметрів енергоактивних житлових будинків / В.Л. Мартинов // Матеріали VI Міжнародної науково-практичної конференції «Геометрическое моделирование и компьютерные технологии: теория, практика, образование». – Харьків, 2009. – С. 153–158.

4. Сергейчук О. В. Оптимізація розподілу утеплювача по поверхні будівлі при заданому класі його ефективності / О.В. Сергейчук // Матеріали VI Міжнародної Кримської науково-практичної конференції «Геометричне та комп’ютерне моделювання: енергозбереження, екологія, дизайн». – Сімферополь, 2009. – С. 44–49.

5. Сергейчук О.В. Оптимізація форми енергоефективної будівлі, зовнішня оболонка якої n–параметрична поверхня / О. В. Сергейчук // Матеріали VIІ Міжнародної Кримської науково-практичної конференції «Геометричне моделювання та комп’ютерний дизайн». – Сімферополь, 2010. – С. 150–155.

6. Мартинов В.Л. Багатопараметрична оптимізація гранних енергоефективних будівель / В. Л. Мартинов // Матеріали VIІ Міжнародної науково-практичної конференції «Геометричне моделювання, комп’ютерні технології та дизайн : теорія, практика, освіта». – Ужгород, 2011. – С. 135–139.

7. Мартинов В.Л. Оптимізація циліндричної форми енергоефективних будівель та розподілу утеплювача / В. Л. Мартинов // Матеріали ХIІI Міжнародної науково-практичної конференції “Актуальні проблеми геометричного моделювання”. – Мелітополь, 2011. – С. 133–138.

8. Мартынов В.Л. Оптимизация параметров энергоэффективных зданий // В.Л. Мартынов // Материалы III международной научно-практической конференции «Биосферносовместимые города и поселения». – Брянск, – 2012. – С. 137–143.

9. Мартинов В.Л. Оптимізація багатогранної форми енергоекономічної будівлі та розподілу його утеплювача / В.Л. Мартинов // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Технічна естетика і дизайн». Випуск 89. – К. : КНУБА, 2012.– С. 143–147.

10. Теплова ізоляція будівель : ДБН В.2.6-31:2006. – [Чинні від 2007-04-01] // Мінбуд України. – К. : Укрархбудінформ, 2006. – 65 с. – ( Державні будівельні норми України).