2960

На правах рукописи

Шевченко Анатолий Андриянович

ОБОСНОВАНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЙ МАССОВОЙ ЗАСТРОЙКИ

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2004

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кононович Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент Тишков Владимир Александрович

Ведущая организация

ЗАО «Нижегородский институт Сантехпроект»

Защита состоится «27 2004 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время жилой фонд городов в основном представлен типовыми многоэтажными зданиями с современными видами инженерного обустройства.

Существующие в настоящее время методы и принципы расчета отдельных элементов теплового режима зданий, локальная оптимизация их параметров по критериям минимума стоимости и материалоемкости оказываются недостаточными для обеспечения эффективного функционирования комплексов теплоподачи. Попытки восполнения этого пробела при эксплуатации оказываются малоэффективными вследствие невозможности учета всей совокупности факторов, влияющих на тепловой режим. Очевидна необходимость комплексного подхода к решению вопросов проектирования и эксплуатации объектов, который должен быть ориентирован на достижение конечного результата - гарантированного выдерживания санитарно-гигиенических параметров тепловой среды в помещениях зданий массовой застройки в отопительный период. Это требует разработки комплексных мероприятий, связанных с обоснованием и выбором технических и организационных решений, реализация которых позволит обеспечить необходимый тепловой режим.

Предлагаемые меры опираются на научные положения обеспеченности внутренних условий и расчета надежности тепловых сетей, которые разработаны д.т.н., профессорами В.Н. Богословским, А.А. Иониным, Ю.В. Кононовичем. Вместе с тем требуется уточнение и развитие существующих методов обеспечения теплового комфорта для зданий массовой застройки.

Исследования явились обобщением и продолжением опыта жилищного строительства в г. Нижнем Новгороде, в котором автор принимал активное участие. Одновременно они являются составной частью НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2000-2003 годы, тема «Повышение энергоэкономической эффективности реконструируемых зданий массовой застройки на основе совершенствования методов их эксплуатации» (№ Г.Р. 01200107235).

Целью исследования является разработка научно-методических решений по выявлениюзакономерностей динамикитепловогорежима эксплуатируемых жилых зданий массовой застройки в отопительный период для гарантированного обеспечения нормируемых температурных условий в помещениях при минимуме энергозатрат.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи по обоснованию комплексных мероприятий по обеспечению теплового режима эксплуатируемых жилых зданий массовой застройки: уточнить методический подход и разработать меры, направленные на поддержание теплового комфорта в жилых зданиях массовой застройки с учетом их специфических конструктивных и теплофизических характеристик; выявить количественные характеристики отклонения теплового режима зданий от расчетных в зависимости от продолжительности стояния температур наружного воздуха в трех диапазонах, соответствующих основным режимам теплоснабжения; уточнить

математическую модель теплообмена человека в помещении при разных видах деятельности и степени утепленности одежды для выявления комфортных и дискомфортных тепловых условий; разработать инженерные методы расчета по оценке влияния на тепловые условия: ограждений, нагревательных приборов, возможных единовременных воздействий наружного климата, интенсивности теплоподачи в помещения; обосновать минимальную производительность систем отопления, при которой можно ожидать критического состояния теплового режима здания или неизбежности чрезвычайных ситуаций.

Научная новизна работы заключается в обосновании комплексных мероприятий по выявлению энергозатрат в характерных помещениях эксплуатируемых зданий массовой застройки с различными конструктивными и теплофизическими характеристиками наружных ограждающих конструкций; в анализе и получении количественных характеристик температурного режима помещений для трех диапазонов регулирования централизованного теплоснабжения; в уточнении математической модели теплообмена человека в жилом помещении при авариях систем теплоснабжения; в количественной оценке моделей расчетных ситуаций и возможных погрешностей при различных воздействиях наружного климата; в обосновании минимальной теплопроизводительности систем отопления для избежания чрезвычайных тепловых ситуаций.

Практическое значение работы представляют: комплексные мероприятия по обеспечению теплового режима эксплуатируемых жилых зданий массовой застройки с пониженными теплотехническими характеристиками; расчетные количественные характеристики охлаждения и нагревания помещений при изменении теплоподачи на отопление в трех диапазонах основных режимов централизованного теплоснабжения; научное обоснование минимальной теплопроизводительности систем отопления жилых зданий массовой застройки, предотвращающей критическое понижение температурного режима в помещениях.

Реализация результатов исследований, предназначенных для практики реконструкции, эксплуатации, наладки и управления систем теплоподачи, проводилась под руководством автора на объектах домостроительного комбината № 1 и непосредственно в жилых зданиях по заданию администрации г. Нижнего Новгорода. Подготовлены и переданы администрации города предложения по совершенствованию энергосбережения в жилых домах. Они являются основой по разрабатываемым территориальным строительным нормам по проектированию, строительству, эксплуатации и наладке систем централизованного теплоснабжения.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ННГАСУ «Строительный комплекс» (1998г.), «Архитектура и строительство» (2001, 2002, 2003 гг.); на международных конференциях: «Великие реки» (г. Нижний Новгород, 2002, 2003гг.); «Проблемы строительного комплекса России»( г. Уфа, 2003 г.); «Строительство - 2003» (г. Ростов-на-Дону, 2003 г.).

На защиту выносятся следующие научные результаты: методика выбора допустимого теплового режима эксплуатируемых зданий массовой застройки при пониженных теплотехнических характеристиках наружных ограждений;

уточненные количественные характеристики процессов, отклоняющих тепловой режим зданий от расчетных (продолжительность стояния температуры наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации, скорость ветра, интенсивность внутренних тепловыделений); нормирование внутреннего теплового режима в холодный период года, соответствующее градациям тепловых условий - комфортные, с пониженным уровнем комфортности, с допустимым температурным режимом при ограниченном времени пребывания; количественная оценка моделей расчетных ситуаций с обоснованием возможных погрешностей расчета; количественная оценка минимальной относительной теплопроизводительности систем отопления, при которой возможно возникновение критического состояния теплового режима здания или неизбежны чрезвычайные ситуа- ции.

Публикации. Основные положения проведенной работы изложены в 14 научных публикациях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 146 наименований. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста и включает 31 рисунок и 25 страницприложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы разработки комплексных мероприятий по обеспечению теплового режима эксплуатируемых зданий массовой застройки, имеющих пониженные по сравнению с требуемыми по современным нормам теплофизические характеристики. Сформулированы цели, задачи исследований, научнаяновизна.

Впервой главе приведен анализ путей энергосбережения в эксплуатируемых жилых зданиях массовой застройки.

ВРоссийской Федерации более 70 % населения проживают в городах. Их основную застройку представляют многоэтажные полносборные и блочные жилые здания, возведенные по типовым проектам индустриальными методами.

Полносборные здания массового жилого строительства отличаются меньшей теплоустойчивостью по сравнению с кирпичными зданиями традиционной постройки с чугунными нагревательными приборами. Теплоподача в них осуществляется, как правило, от систем централизованного теплоснабжения. Основным принципом, положенным в основу создания отечественных систем теплоснабжения, является надежное снабжение тепловой энергией потребителей в количествах не меньше установленной нормы. Для городских систем теплоснабжения, основными потребителями которых являются жилые здания, это означает поддержание одинаковых температурных параметров во всех жилых помещениях на уровне не ниже минимальных санитарно-гигиенических норм, устанавливаемых для основной категории населения.

На практике создание теплового комфорта возможно при подаче тепловой энергии, рассчитанной на поддержание во всех помещениях более высокой температуры по сравнению с минимальной нормой, а дифференциация темпе-

4

ратуры обеспечивается за счет варьирования воздухообмена помещений. Крупный вклад в разработку и совершенствование теории и практики теп-

лоподачи в жилые здания от систем централизованного теплоснабжения внесли отечественные ученые: В.Н. Богословский, О.Е. Власов, Н.К. Громов, П.П. Денисов, Н.М. Зингер, А.А. Ионин, П.Н. Каменев, Ю.В. Кононович, С.Ф. Копьев, Ю.Я. Кувшинов, А.Н. Сканави, Е.Я. Соколов и др. В диссертации проведен анализ их работ, а также зарубежных исследований в этой области.

В городских системах теплоснабжения жилищно-коммунального сектора центральное качественное регулирование отпуска теплоты осуществляется по

ратурой наружного воздуха t''H > tH5 - В третьем диапазоне (III) качественное

регулирование невозможно из-за ограничения максимальной температуры τ\, а величина tH этого диапазона может опускаться вплоть до tH (КОБ=0,98).

Вторая глава посвящена количественному обоснованию вероятностных показателей возмущающих воздействий на тепловой режим зданий. Решение задачи по расчету температурного режима помещения в условиях резкого похолодания проводится с учетом того, что начальная температура резкого похо-

лодания t*H.O- случайная величина. Наиболее вероятные ее значения близки средней температуре наиболее холодного периода, которому будет соответствовать продолжительность периода похолодания ΔΖ*р.п. (рис. 2), определяемая зависимостью

Вероятностные значения продолжительности отопительного периода и относительной (в долях) продолжительности стояния температур по

КОБ=0,99 III диапазон может достигать 1470 ч, что практически в 4 раза пре-

вышает среднестатистическую величину продолжительности). Следует также отметить достаточно большую продолжительность диапазона температур, в пределах которого теплоподача на отопление не регулируется и является избыточной.

Обобщенные значения изменчивости влияния солнечной радиации на тепловой режим здания характеризуются показателем температурной надбавки Δtp=Δtc. р+ΔtР.Е к температуре наружного воздуха, где Δtс. р учитывает дей-

7

ситуаций при работе систем водоснабжения и водоотведения, вызывающих угрозу полного отказа этих систем.

Отметим совпадение температуры tП l с расчетной, соответствующей I условию комфортности, полученному профессором В.Н. Богословским. Данные

Тепловое равновесие может поддерживаться без напряжения механизма теплорегуляции (tП1 ) и при умеренном теплонапряжении (tП 2 ) и имеет вид

В четвертой главе представлен разработанный инженерный метод расчета температурного режима помещений. Приводимый в литературе инженерный метод расчета охлаждения помещения при постоянном значении tH и скачко-

образном изменении теплоподачи предполагал определять температуру tB через Z, ч, после нарушения режима обогрева при начальной температуре t'B по формуле

где q - удельные теплопотери здания, кДж/(м3 .°С), β - коэффициент аккумуляции.

В формуле (3) определяющей величиной является коэффициент β, учитывающий только теплотехнические характеристики теплоемких наружных ограждающих конструкций, что характерно только для зданий старой кирпичной застройки. Погрешность для зданий массовой застройки достигает 50 %. Для уменьшения погрешности расчета разработан метод расчета охлаждения и нагрева помещения при возмущающих воздействиях непериодического характера.

Нестационарный тепловой режим наружных ограждений в конечном виде в диссертации представлен величиной

где С н = с р δ F -теплоемкость тела; Ki=(tn(o-o)-t0) /(tc -t0).

Допустимая погрешность расчета обеспечивается введением поправочного

помещения в течение первых двух суток охлаждения (D=4,0... 6,5) для наружных стен и до трех суток при D>7,0. Как видно из рис. 4 (заштрихованная

8

часть), отклонения температуры воздуха, связанные с приближенным расчетом теплового режима ограждения, не превышают 10 %.

Аналогично проведен анализ влияния внутренних ограждающих конструкций, теплообмена различных типов нагревательных приборов при их остывании или нагреве на тепловой режим помещений, что позволило провести расчет температуры помещения при изменении режима обогрева.

Случай первый. Нарушение режима обогрева помещения при постоянной tH : сначала происходит уменьшение (прекращение) теплоподачи на отопление

втечение времени ZOXJI, которое сменяется натопом (рис.5).

Впериод охлаждения изменение температуры воздуха в конечном виде (рис. 6) равно

(5)

При малой тепловой инерционности нагревательного прибора (m>5)

(6)

где νв.о =QпР.о / Qуд·

При неограниченно долгом (Z->co) протекании процесса ν в.о(°°)->0, а оо)-> tH. усл, такое состояние наступает по прошествию времени Ζ> 4β.

В период нагревания помещения (Ζ' > ZОхл) за счет теплоподачи нагрева-