Влияние параметров жилого дома повышенной этажности на энергопотребление

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЖИЛОГО ДОМА ПОВЫШЕННОЙ ЭТАЖНОСТИ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

INFLUENCE OF PARAMETERS OF RESIDENTIAL EXTREME STORIES ON ENERGY CONSUMPTION

B.A. Езерский, П.В. Монастырев, A.H. Глушкова V.A. Yezerskiy, P.V. Monastyrev, A.I. Glushkova

Тамбовский государственный технический университет, Белостокский технический университет

В статье рассматривается влияние параметров объемно-планировочного решения односекционного жилого дома повышенной этажности с меридиональной ориентацией на потребность в тепловой энергии на отопление.

In the article we are discussing the influence of space-planning solution of one section of extreme stories apartment with meridian orientation for the thermal energy consumption.

В современных условиях, характеризующихся тенденцией снижения энергопотребления в зданиях, уже на этапе проработки эскиза объемно-планировочного решения важно иметь информацию о влиянии планировочных параметров на возможные теплопотери в проектируемом здании во время его эксплуатации.

Такая информация нередко встречается в литературе, однако представлена она в виде закономерностей влияния выбранных 1...2 параметров. Исследования для этих параметров проводились при более низких, чем в настоящее время, требованиях к теплоизоляции зданий. Чаще всего исследовалось влияние на энергопотребление такого обобщенного параметра как коэффициент компактности здания. При создании же объемно-планировочных решений энергоэффективных зданий архитектору необходимо располагать информацией о влиянии конкретных оперативных факторов, непосредственно характеризующих решение здания.

В связи с недостатком подобной информации нами для гипотетического односекционного жилого дома повышенной этажности с меридиональной ориентацией (рис.1) проведено исследование удельного расхода тепловой энергии на отопление qhes, кДж/(м2-°С-сут) (отклик Y) в зависимости от следующих шести факторов, характеризующих объемно-планировочное решение и ориентацию здания:

- этажность здания N3T (фактор Х1), эт.;

- высота этажа здания H3T (фактор Х2), м;

- отношение ширины дома к его длине при постоянной площади секции в плане B/L (фактор Х3);

- отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов SSок./SSок.ст для западной стороны фасада (фактор Х4);

- отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов SS^ок./SS^ок.ст. для восточной стороны фасада (фактор Х5);

- отклонение продольной оси здания от меридиана G (фактор Х6), град..

ю

А У-

т Г 4  * * О ц ь-Л Р 4» Гф--  1.М1 Л Ш

2 3 <

Рисунок 1. Планировочная схема исследуемого жилого здания

При выборе факторов предполагалось, что изменение этажности, высоты этажа, соотношения ширины и длины здания приведут к изменению его объема и площади наружных стен, что несомненно отразиться на энергопотреблении. Исследование этих факторов быть может и не вносит каких-то новых закономерностей, но рассмотрение их вместе дает возможность сравнения вклада каждого из факторов в энергопотребление здания и ранжирования этого вклада.

Изменение площади светопрозрачных проемов, ориентированных на разные стороны горизонта, позволяло изучить роль теплопоступлений от солнечной радиации с учетом ориетации фасада. При этом для выявления степени влияния солнечной радиации на количество поступающей тепловой энергии отклонение продольной оси здания от меридиана варьировалось от -45 до +45° (рис.2).

Выбранные с учетом особенностей здания факторы, варьировались на трех уровнях. Натуральные и кодированные значения факторов приведены в табл.1. Пределы изменения факторов приняты с учетом их значений, возможных для реализации, и предписаний в нормах проектирования.

Для описания поверхности отклика У = /Х2, Х4, Х5, Х6) проведен шестифак-торный вычислительный эксперимент по плану второго порядка (табл.2). При этом использован композиционный трехуровневый симметричный план, имеющий достаточно высокую эффективность по основным статистическим критериям и включающий 44 опыта [4].

Рисунок 2. Отклонения продольной оси здания от меридиана

Таблица1. - Натуральные и кодированные значения исследуемых факторов

№ п/п Наименование фактора Натуральное значение

-1 0 +1

1. Этажность здания (X), эт. 6 8 10

2. Высота этажа здания Hэт (Х2), м 2,8 3,0 3,2

3. Отношение ширины дома к его длине при постоянной площади секции в плане, В^ (Х3) 0,394 0,588 0,820

4. Отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов, 5вок./5вок.ст (X) 0,8 1,0 1,2

5. Отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов, 5ок./50к.ст. (X) 0,8 1,0 1,2

6. Отклонения продольной оси здания от меридиана G (Х6), град -45 0 +45

Для значений факторов, записанных в плане, рассчитывались величины удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, qhdes кДж/(м2-0С-сут) (отклик Y) по методике, приведенной в [2, 3]. Для удобства расчетов использовалась разработанная авторами компьютерная программа «Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий (EP creator)») [1].

В исследовании сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций рассматриваемого здания принято с учетом действующих требований при поэлементном подходе к энергосбережению. Для природно-климатических условий г.Тамбова оно составляло: для наружных стен - 3,181, окон - 0,507, чердачного перекрытия - 4,26, цокольного перекрытия - 4,326 м2-°С/Вт. Предполагалось, что система отопления здания однотрубная с термостатами без авторегулирования на вводе (С = 0,85).

Таблица 2. Матрица планирования и результаты вычислительного эксперимента

№ экс-та X1

1 -1 (6) -1 (2,8) -1 (0,394) -1 (0,8) -1 (0,8) -1 (-45) 53,09

2 +1 (10) -1 (2,8) -1 (0,394) -1 (0,8) -1(0,8) +1 (45) 50,91

3 -1 (6) +1 (3,2) -1 (0,394) -1 (0,8) -1 (0,8) +1 (45) 56,01

4 +1 (10) +1 (3,2) -1 (0,394) -1 (0,8) -1 (0,8) -1 (-45) 53,91

5 -1 (6) -1 (2,8) +1 (0,820) -1 (0,8) -1(0,8) +1 (45) 50,66

,,,

39 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) -1 (0,8) 0 (1,0) 0 (0) 52,94

40 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) +1 (1,2) 0 (1,0) 0 (0) 54,27

41 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) 0 (1,0) -1 (0,8) 0 (0) 52,55

42 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) 0 (1,0) +1 (1,2) 0 (0) 54,66

43 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) 0 (1,0) 0 (1,0) -1(-45) 53,12

44 0 (8) 0 (3,0) 0 (0,588) 0 (1,0) 0 (1,0) +1 (45) 53,07

По результатам вычислительного эксперимента (табл.1) построена регрессионная модель, окончательный вид которой принят после исключения 14 незначимых коэффициентов:

У (ц/ет) = 53,60 - 1,06Х1+ 1,40Х2- 1,27Х3 +0,62Х4 + 1,00Х5-0,02Х6 + 0,01^-

- 0,08Х2Х3 + 0,28ВД - 0,28ЛУТ6 + 0,27Х12 + 0,47Х32 - 0,51Х62.

Об адекватности модели, согласно рекомендаций [5], можно судить анализируя сумму квадратов остатков, остаточную дисперсию 5,2ост, число коэффициентов в модели, коэффициент детерминации Я2. Данная модель обеспечивала: сумму квадратов остатков - ^г)2= 0,0142; остаточную дисперсию при степенях свободы /1 = 43, /2= 30, 82ост = 0,0005; коэффициент детерминации Я2 = 0,9999.

Качество аппроксимации данных полученным уравнением оценивалось также по критерию Фишера ¥. При уровне значимости а = 0,05 и числе степеней свободы /1 = N - 1 = 43, /2= 30 , оказалось, что расчетное значение критерия ¥ = 10482,3108 во много раз превышает табличное значение ¥0,05;43;30 = 1,78, т.е. рассеяние относительно полученного уравнения регрессии многократно меньше рассеяния относительно среднего. Это подтверждает адекватность и эффективность полученного уравнения регрессии и его пригодность для дальнейшего анализа.

Интерпретация влияния выбранных факторов на удельный расход тепловой энергии на отопление здания выполнена на основе анализа уравнения регрессии (1).

Наибольшее влияние на удельный расход тепловой энергии оказывает фактор Х2 -высота этажа здания. С увеличением высоты этажа здания с 2,8 до 3,2 м удельный расход тепловой энергии У изменяется с 52,20 до 55,00 кДж/(м2-0С-сут), т.е. увеличивается на 5,4%. Влияние фактора Х2 незначительно дополняется его взаимодействие с фактором Х3.

На втором месте по силе влияния оказался фактор Х3- отношение ширины дома к его длине при постоянной площади секции в плане. Выявлено, что расход тепловой энергии У неравномерно уменьшается при изменении отношения В/Ь от 0,394 до 0,820. Наибольшее снижение У (до 3,1 %) наблюдается при изменении В/Ь от 0,394 до 0,588. При изменении отношения В/Ь от 0,588 до 0,820 снижение удельного расхода тепловой энергии на отопление здания затухает и составляет около 1,4%. На характер и

силу влияния фактора Х3 незначительное влияние оказывают факторы Х1 (этажность здания) и Х2 (высота этажа здания).

На третьем месте по силе влияния оказались факторы Х1 - этажность здания, и Х5 -отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов для восточной стороны фасада. Установлено, что удельный расход тепловой энергии при увеличении этажности здания с 6 до 10 этажей снижается. Но наибольшее снижение У с 54,93 до 53,60 кДж/(м2-°С-сут) (около 2,4 %) наблюдается при изменении этажности с 6 до 8 этажей, а в интервале изменения от 8 до 10 этажей снижение расхода тепловой энергии замедляется (с 53,60 до 52,81 кДж/(м2-°С-сут), т.е. на 1,4%).

При изменении фактора Х5 с 0,8 до 1,2 отклик У изменяется с 52,60 до 54,60 кДж/(м2-°С-сут), т.е. увеличивается на 3,8%. Данный фактор связан взаимодействием с фактором Х6. При этом выявлено, что влияние фактора Х5 ослабевает с ростом величины Х6

Следующим по силе влияния оказался фактор Х4 - отношение площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов для западной стороны фасада. Оказалось, что удельный расход тепловой энергии У при изменении этого фактора с 0,8 до 1,2 увеличивается с 52,98 до 54,22 кДж/(м2-°С-сут), т.е. на 2,3%. Влияние фактора Х4 усиливается с ростом величины Х6 из-за имеющегося взаимодействия между ними.

На последнем месте оказался фактор Х6 - отклонение продольной оси здания от меридиана. Установлено, что удельный расход тепловой энергии У при отклонении оси от -450 до 00 увеличивается с 53,11 до 53,60 кДж/(м2-°С-сут), т.е. на 0,9%. Однако при отклонении от 00 до +450, наоборот, происходит уменьшение удельного расхода тепловой энергии с 53,60 до 53,07 кДж/(м2-°С-сут) (около 1,0%). Характер и сила влияния фактора Х6 связана с факторами Х4 и Х5.

Графическая интерпретация результатов эксперимента приведена на рис.3. Отметим, что вследствие принятия величины сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций на уровне, соответствующем поэлементному подходу к энергосбережению, на всех графиках величина удельного расхода тепловой энергии на отопление ниже нормативных значений: для жилых зданий в 6...7 этажей цьщ=80 кДж/(м2-°С-сут); 8.9 этажей чГч=76 кДж/(м2-°С-сут); 10 этажей чГч=72 кДж/(м2-°С-сут) [2]. Все рассматриваемые варианты зданий относятся к высокому классу «В» энергетической эффективности [2], так как меньше ч™4 на 25.33%.

Из рис.3,а видно, что в рассматриваемом интервале изменения факторов с уменьшением высоты этажа и увеличением этажности здания снижается удельный расход тепловой энергии на отопление здания. При этом наибольшее снижение У наблюдается при изменении этажности от 6 до 8 этажей.

Увеличение отношения В/Ь с одновременным увеличением этажности (рис.3, б) приводит к непрерывному снижению удельного расхода тепловой энергии на отопление. Наименьшее энергопотребление У имеет место при высоте здания в 10 этажей и планах его этажей, близких по форме к квадрату.

Характер зависимости энергопотребления У от отношения площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов для западной стороны фасада и отклонения продольной оси здания от меридиана (рис.3,в) выявил, что наибольшее значение У наблюдается при ориентации оси здания, близкой к меридиану. Отклонение оси как на -450, так и на +450 от меридиана, снижает энергопотребление здания в результате роста тепло-поступлений через окна, но, очевидно, что это приведет к неравномерному распределению этих теплопоступлений, так как основное количество солнечной энергии будет приходиться на квартиры с той стороны фасада, которая будет ориентирована на юго-запад или юго-восток. Приблизительно такой же характер имеет зависимость энергопотребления от

отношения площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов для восточной стороны фасада (рис.3,г). При отклонениях продольной оси здания на -450 или +450 оправданно снижать площадь проемов с той стороны фасада, которая будет ориентирована на северо-запад или северо-восток.

А)

X, Б 10

¿В

В 7

<5

¡в

з.в з.о зл з.г ^ Высота этэжа м)

о.эо* &.401 ана Р.7Н о.аги;^ Отношение

я)

X*

1 2

1Л

в т,0-1 а

1 т

о Ь»

-0.6 1

63

Х.А

Т 1.2

V

й! 1.0^ Е Г

Б

Э 0.0-

-1 -0,5 0 0.5 1

х

б 0.5, -I

1

0,9 О

0,6

ч 54, /

N ¿3 У

1 -0,5

0,5

-45 225 о.о ^ х, ^ 22 5 0 0 к

Отип. пред оси здания град I Откл. прод. оси аДвНия {&, град )

Рисунок 3. Удельный расход тепловой энергии на отопление здания qhdes, кДж/(м2-0С-сут) (отклик У) в зависимости:

а) от этажности здания Кзт, эт (Х) и высоты этажа Иэт, м (Х2) при факторах Х3, Х4, Х5, Х6 на нулевом уровне;

б) от этажности здания Ыэт, эт (X) и отношения ширины дома к его длине при постоянной площади секции в плане В/Ь (Х3) при факторах Х2, Х^, Х5, Х6 на нулевом уровне;

в) от отношения площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов 5в0к./5в0к.ст Для западной стороны фасада (Х4) и отклонения продольной оси здания от меридиана О (Х6), град при факторах Х\, Х2, Х3, Х5 на нулевом уровне;

г) от отношения площади светопрозрачных проемов к площади стандартных проемов 5Вок./5Вок.ст Для восточной стороны фасада (Х5) и отклонения продольной оси здания от меридиана О (Х6), град при факторах Х\, Х2, Х3, Х4 на нулевом уровне

Проведенное исследование показывает, что при принятии величин сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, соответствующих действующему в настоящее время поэлементному подходу к энергосбережению, изменение параметров объемно-планировочного решения выбранного жилого здания на первый взгляд незначительно

влияет на удельный расход тепловой энергии на отопление. Однако данный вывод может ввести в заблуждение, если не учесть того факта, что речь идет о таком сконцентрированном показателе, как расход тепловой энергии на 1м2 полезной площади. В абсолютном выражении в расчете на целое здание или группу зданий экономия затрат на отопление может составить существенные для финансирования величины.

С другой стороны, исследование уравнения (1) на экстремумы, показало, что максимальное значение удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, достигающее 59,78 кДж/(м2-°С-сут), имеет место при Xi=-1; Х2=+1; Хз=-1; Х4=+1; Xs=+1; Х6=0. Наоборот, минимальное значение удельного расхода тепловой энергии на отопление здания, составляющее 48,55 кДж/(м2-°С-сут), достигается при Х1=+1; Х2=-1; Х3=+1; Х4=-1; Х5=-1; Х6=+1. Таким образом, разница между экстремальными значениями энергопотребления достигает 19%, что убеждает в недопустимости игнорирования оптимальных параметров при решении задачи обеспечения энергоэкономичности зданий.

Литература:

1. Клычников Р.Ю., Монастырев П.В., Езерский В.А. Расчет и составление энергетического паспорта жилых и общественных зданий (EP creator) / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2009610185. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11 января 2009г.

2. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

3.СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

4. Таблицы планов эксперимента для факторных и полиномиальных моделей (справочное издание). Бродский В.З., Бродский Л.И., Голикова Т.И. и др. М.: Металлургия, 1982.

5. Тарасик В.П. Математическое моделирование технических систем. Мн.: ДизайнПРО,

2004.

Literature:

1. R.Y. Klychnikov, P.V. Monastyrev, V.A. Yezerskiy Calculation and complication of energy passport of residential and public buildings (EP creator) / Certificate of official registration for computer №2009610185. It was registered in the Program's Register for computer at 11 January 2009.

2. SNiP 23-02-2003 Heat protection of buildings. M., FGUP CPP, 2004.

3. SP 23-101-2004 Designing the heat protection of buildings. M., FGUP CPP, 2004.

4. V.Z. Brodskiy, L.I. Brodskiy, T.I. Golikova and others. Tables of experiment's plans for factory factors and polynomial models (the reference). M., Metallurgiya, 1982.

5. V.P. Tarasik Mathematical design of technical systems. Mn., DisainPRO, 2004.

Ключевые слова: энергосбережение; энергоэффективность; удельный расход тепловой энергии на отопление; жилое здание; объемно-планировочное решение; регрессионная модель; оптимальные параметры.

Key words: energy supply; energy effectiveness; specific consumption of heat energy for heating; apartment; space-planning solution; regressive model; optimum parameters.

e-mail автора(ов).

1. В.А. Езерский, e-mail wiz75micz@rambler.ru

2. П.В. Монастырев, e-mail monastyrev68@rambler.ru

3. А.И. Глушкова, e-mail kovalo@mail.ru

Рецензент:

Сазонов Эдуард Владимирович доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство» Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета