Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
М.: РГОТУПС, 1999. — 374 с.
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Научный консультант, д.т.н., профессор В.В.Гурьев.
Поскольку перед строительным комплексом была поставлена задача разработать и осуществить в короткие сроки переход на новую систему теплозащиты зданий, необходимо было разработать комплексную программу, которая охватывала бы создание системы нормативов, научные исследования и разработку технических решений ограждающих конструкций с повышенными теплотехническими и эксплуатационными свойствами, а также исследования эффективных теплоизоляционных материалов, систем энергосберегающего инженерного оборудования; проведение реструктуризации стройиндустрии с задачей освоения на ДСК модернизированных серий типовых зданий для массового строительства. Одновременно необходимо было разработать и внедрить систему управления этой программой, включая планирование и финансирование организационно-технических мероприятий, НИОКР, проектных и строительных работ, координацию и контроль их выполнения. Таким образом, решение комплекса конструкторских материаловедческих, инновационно-технологических и управленческих задач, направленных на совершенствование ограждающих конструкций гражданских зданий с целью экономии энергии при их эксплуатации и создание экономически обоснованной системы нормирования этих конструкций безусловно являются актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение. С учетом изложенного цель и задачи работы были сформулированы следующим образом. Цель работы Разработать научные и практические основы обеспечения энергосбережения в отвечающих современным нормативным требованиям гражданских зданиях за счет снижения тепловых потерь в ограждающих конструкциях с эффективными утеплителями и использования при их внедрении в массовое производство инновационных технологий управления проектированием и строительством, с учетом экономической целесообразности повышения эксплуатационных качеств и долговечности ограждений. Основные задачи исследования
1. Провести натурные обследования гражданских зданий и обобщить опыт повышения теплозащитных свойств массовых типов ограждающих конструкций с учетом влияния процессов влаготеплопереноса на эксплуатационные свойства и долговечность ограждений, структурные параметры и реономные свойства высокодисперсных газонаполненных теплоизоляционных материалов и на основе этого предложить стратегию, пути и принципы совершенствования слоистых ограждений с эффективными утеплителями для обеспечения экономии энергии при их эксплуатации.
2. Изучить сопротивление теплопередаче многослойных конструкций в зависимости от эксплуатационных свойств и долговечности утеплителей; определить влияние температурно-влажностных факторов на теплопроводность минераловатных и пенопластовых утеплителей и с учетом этого разработать усовершенствованные ограждающие конструкции из кирпича и бетона в сочетании с эффективными утеплителями, отвечающие требованиям действующей нормативной документации по энергосбережению в зданиях. Установить влияние на повышение теплозащитных свойств светопрозрачных и непрозрачных ограждающих конструкций теплоотражающих низкоэмиссионных пленок и покрытий.
3. Исследовать влияние эксплуатационных воздействий и нагрузок на сопротивляемость теплопередаче, выносливость и долговечность малоинерционных легких слоистых конструкций и на основании этого разработать конструктивные решения и метод расчета многослойных металлических панелей с использованием конструкционных утеплителей из пенопластов с управляемыми структурными параметрами.
4. Обосновать экономическую целесообразность повышения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, разработать удельные показатели энергоэффективности и нормативную базу энергосбережения при проектировании зданий и в результате этого предложить концепцию комплексного подхода к управлению внедрением энергосберегающих ограждающих конструкций в строительном комплексе.
5. Определить экономическую эффективность внедрения в строительстве ограждающих конструкций с повышенными эксплуатационными свойствами и долговечностью с использованием предложенной методики управления энергосберегающими параметрами зданий (на примере Московского строительства). Научная новизна работы
1. Впервые предложены научно-обоснованные принципы создания энергосберегающих конструктивных систем тепловой защиты зданий с использованием теплоизоляционных и светопрозрачных материалов с регулируемыми структурными параметрами, позволяющими получить необходимый резерв длительных физико-механических свойств для обеспечения заданной долговечности ограждающих конструкций и повышения теплотехнических свойств граждений зданий.
2. В результате системных исследований разработан метод ускоренных испытаний слоистых ограждений на долговечность с учетом комплексного воздействия ветровых пульсаций и температурных перепадов, выявивший особенности напряженно-деформированного состояния легких панелей в условиях, моделирующих действительную работу стеновых ограждений эксплуатируемых зданий, что позволило разработать конструктивные решения малоинерционных многослойных панелей с пенопластовым утеплителем гражданских зданий. Предложены селективные покрытия для снижения радиационной составляющей теплопотерь через утеплитель более массивных непрозрачных ограждающих конструкций, позволившие повысить их сопротивление теплопередаче до современных нормативных требований. Новизна и оригинальность этих конструктивных решении подтверждены авторскими свидетельствами на изобретения.
3. На основании обобщения результатов экспериментальных исследований слоистых конструкций и физико-механических характеристик газонаполненных пластмасс: - предложен инженерный метод расчета легких многослойных стеновых панелей с утеплителем из фенольных пенопластов, учитывающий совместный вклад в работу конструкции пенополимера и продольных несущих элементов, благодаря чему возрастает несущая способность и надежность панели, а особая геометрия несущих элементов обеспечивает высокие теплозащитные свойства ограждения за счет снижения воздухопроницаемости фасада; - определены усталостные характеристики газонаполненных пластмасс применительно к условиям эксплуатации многослойных конструкций. Установлены общие закономерности снижения выносливости пенопластов с возрастанием числа циклов и частоты нагружения. Доказано, что разрушение пенопластов происходит в результате образования и развития трещин в местах с наиболее ослабленными различными дефектами структурными элементами.
4. Предложена модель, учитывающая влияние диффузной составляющей на увеличение теплопроводности при длительной эксплуатации теплоизоляции в ограждении, обусловленной развитием трещин и образованием структурных дефектов при циклических воздействиях.
5. Впервые введен в практику технического нормирования ограждающих конструкций потребительский подход, основанный на удельном энергопотреблении зданий. С учетом этого разработан метод нормирования теплозащиты по экономически-целесообразному сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций на основе окупаемости затрат за срок жизненного цикла теплозащитной оболочки здания, позволивший снизить капитальные вложения на применение теплозащиты в результате оптимизации ее конструкции. В составе этого метода предложены также критерии эффективности теплозащиты ограждений при проектировании, строительстве и эксплуатации гражданских зданий, включая принципы их расчета и контроля на всех стадиях инвестиционно-строительного цикла.
6. Решена важная народнохозяйственная задача, заключающаяся в создании научно-методических основ эффективности тепловой защиты зданий, базирующихся на комплексе результатов конструкторских, материаловедческих и управленческих исследований, включая разработку инновационных моделей и системы управления качеством проектирования энергосберегающих ограждающих конструкций в массовом строительстве.
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Научный консультант, д.т.н., профессор В.В.Гурьев.
Поскольку перед строительным комплексом была поставлена задача разработать и осуществить в короткие сроки переход на новую систему теплозащиты зданий, необходимо было разработать комплексную программу, которая охватывала бы создание системы нормативов, научные исследования и разработку технических решений ограждающих конструкций с повышенными теплотехническими и эксплуатационными свойствами, а также исследования эффективных теплоизоляционных материалов, систем энергосберегающего инженерного оборудования; проведение реструктуризации стройиндустрии с задачей освоения на ДСК модернизированных серий типовых зданий для массового строительства. Одновременно необходимо было разработать и внедрить систему управления этой программой, включая планирование и финансирование организационно-технических мероприятий, НИОКР, проектных и строительных работ, координацию и контроль их выполнения. Таким образом, решение комплекса конструкторских материаловедческих, инновационно-технологических и управленческих задач, направленных на совершенствование ограждающих конструкций гражданских зданий с целью экономии энергии при их эксплуатации и создание экономически обоснованной системы нормирования этих конструкций безусловно являются актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение. С учетом изложенного цель и задачи работы были сформулированы следующим образом. Цель работы Разработать научные и практические основы обеспечения энергосбережения в отвечающих современным нормативным требованиям гражданских зданиях за счет снижения тепловых потерь в ограждающих конструкциях с эффективными утеплителями и использования при их внедрении в массовое производство инновационных технологий управления проектированием и строительством, с учетом экономической целесообразности повышения эксплуатационных качеств и долговечности ограждений. Основные задачи исследования
1. Провести натурные обследования гражданских зданий и обобщить опыт повышения теплозащитных свойств массовых типов ограждающих конструкций с учетом влияния процессов влаготеплопереноса на эксплуатационные свойства и долговечность ограждений, структурные параметры и реономные свойства высокодисперсных газонаполненных теплоизоляционных материалов и на основе этого предложить стратегию, пути и принципы совершенствования слоистых ограждений с эффективными утеплителями для обеспечения экономии энергии при их эксплуатации.
2. Изучить сопротивление теплопередаче многослойных конструкций в зависимости от эксплуатационных свойств и долговечности утеплителей; определить влияние температурно-влажностных факторов на теплопроводность минераловатных и пенопластовых утеплителей и с учетом этого разработать усовершенствованные ограждающие конструкции из кирпича и бетона в сочетании с эффективными утеплителями, отвечающие требованиям действующей нормативной документации по энергосбережению в зданиях. Установить влияние на повышение теплозащитных свойств светопрозрачных и непрозрачных ограждающих конструкций теплоотражающих низкоэмиссионных пленок и покрытий.
3. Исследовать влияние эксплуатационных воздействий и нагрузок на сопротивляемость теплопередаче, выносливость и долговечность малоинерционных легких слоистых конструкций и на основании этого разработать конструктивные решения и метод расчета многослойных металлических панелей с использованием конструкционных утеплителей из пенопластов с управляемыми структурными параметрами.
4. Обосновать экономическую целесообразность повышения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, разработать удельные показатели энергоэффективности и нормативную базу энергосбережения при проектировании зданий и в результате этого предложить концепцию комплексного подхода к управлению внедрением энергосберегающих ограждающих конструкций в строительном комплексе.
5. Определить экономическую эффективность внедрения в строительстве ограждающих конструкций с повышенными эксплуатационными свойствами и долговечностью с использованием предложенной методики управления энергосберегающими параметрами зданий (на примере Московского строительства). Научная новизна работы
1. Впервые предложены научно-обоснованные принципы создания энергосберегающих конструктивных систем тепловой защиты зданий с использованием теплоизоляционных и светопрозрачных материалов с регулируемыми структурными параметрами, позволяющими получить необходимый резерв длительных физико-механических свойств для обеспечения заданной долговечности ограждающих конструкций и повышения теплотехнических свойств граждений зданий.
2. В результате системных исследований разработан метод ускоренных испытаний слоистых ограждений на долговечность с учетом комплексного воздействия ветровых пульсаций и температурных перепадов, выявивший особенности напряженно-деформированного состояния легких панелей в условиях, моделирующих действительную работу стеновых ограждений эксплуатируемых зданий, что позволило разработать конструктивные решения малоинерционных многослойных панелей с пенопластовым утеплителем гражданских зданий. Предложены селективные покрытия для снижения радиационной составляющей теплопотерь через утеплитель более массивных непрозрачных ограждающих конструкций, позволившие повысить их сопротивление теплопередаче до современных нормативных требований. Новизна и оригинальность этих конструктивных решении подтверждены авторскими свидетельствами на изобретения.
3. На основании обобщения результатов экспериментальных исследований слоистых конструкций и физико-механических характеристик газонаполненных пластмасс: - предложен инженерный метод расчета легких многослойных стеновых панелей с утеплителем из фенольных пенопластов, учитывающий совместный вклад в работу конструкции пенополимера и продольных несущих элементов, благодаря чему возрастает несущая способность и надежность панели, а особая геометрия несущих элементов обеспечивает высокие теплозащитные свойства ограждения за счет снижения воздухопроницаемости фасада; - определены усталостные характеристики газонаполненных пластмасс применительно к условиям эксплуатации многослойных конструкций. Установлены общие закономерности снижения выносливости пенопластов с возрастанием числа циклов и частоты нагружения. Доказано, что разрушение пенопластов происходит в результате образования и развития трещин в местах с наиболее ослабленными различными дефектами структурными элементами.
4. Предложена модель, учитывающая влияние диффузной составляющей на увеличение теплопроводности при длительной эксплуатации теплоизоляции в ограждении, обусловленной развитием трещин и образованием структурных дефектов при циклических воздействиях.
5. Впервые введен в практику технического нормирования ограждающих конструкций потребительский подход, основанный на удельном энергопотреблении зданий. С учетом этого разработан метод нормирования теплозащиты по экономически-целесообразному сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций на основе окупаемости затрат за срок жизненного цикла теплозащитной оболочки здания, позволивший снизить капитальные вложения на применение теплозащиты в результате оптимизации ее конструкции. В составе этого метода предложены также критерии эффективности теплозащиты ограждений при проектировании, строительстве и эксплуатации гражданских зданий, включая принципы их расчета и контроля на всех стадиях инвестиционно-строительного цикла.
6. Решена важная народнохозяйственная задача, заключающаяся в создании научно-методических основ эффективности тепловой защиты зданий, базирующихся на комплексе результатов конструкторских, материаловедческих и управленческих исследований, включая разработку инновационных моделей и системы управления качеством проектирования энергосберегающих ограждающих конструкций в массовом строительстве.