Электронная библиотека
Программисту веб-дизайнеру
Другие материалы
Оптимизация тепловых потерь при выборе проекта дома или коттеджа
Оптимизация тепловых потерь в здании прямоугольной формы
Часто употребляя термин "проект коттеджа", люди понимают под этим объемную картинку, выполненную с использованием визуальных компьютерных 3D-технологий, но в действительности это - полный комплект документов, включающей в себя подробную проектную документацию (схему разводки канализации, газа и т.д.), строительные чертежи, смету расхода строительных материалов и многое другое. Выбирая тот или иной проект, будущий владелец дома чаще всего руководствуется эстетическими соображениями и соображениями престижа, зачастую не обращая внимание на то, каким будет готовый дом в эксплуатации.
И только через несколько лет, когда пройдет эйфория, может выясниться, что дом чрезвычайно дорогой в эксплуатации и требует больших затрат на отопление зимой и кондиционирование летом. Может оказаться, что невзирая на установку теплоизоляции, в помещениях холодно, отопительный котел и кондиционеры не справляются с полноценным обогревом всех помещений, поэтому приходится уменьшать отапливаемую площадь дома или устанавливать существенно более дорогостоящее и энергоемкое оборудование.
Бывает, что владелец нового дома через 2-3 года вынужден раскошелиться на дополнительную теплоизоляцию. Если она установлена снаружи - ее приходится дополнять внутри, и наоборот. Бдительность будущего владельца домовладения снижается тем, что в рекламных материалах производители обещают фантастические показатели теплоизоляции современных материалов, но приводимые ими цифры и характеристики потребителю ничего не говорят. Еще хуже, если владелец сразу после сдачи вынужден выставить на продажу непригодный для проживания огромный новый дом, в который было вложено много лет труда, море денег и надежд.
Посмотрим на проблему оптимизации тепловых потерь со стороны прикладной (математической) физики и попытаемся понять, почему так происходит и что изначально было не правильно. Не вдаваясь в доказательства и не приводя сложных формул, попробуем взглянуть на вопрос тепловых потерь глазами прикладной математики и математического моделирования. Материал предоставлен в очень доступной форме, поясняет проблему "на пальцах" и не требует никаких специальных знаний.
Современные проекты делаются при помощи специальных компьютерных программ. Они позволяют проанализировать проект с точки зрения строительных огрехов, создать полный пакет строительной документации и чертежи. Можно вставить дом в виртуальное окружение, оценить объем строительных материалов, посмотреть видео-динамику. Это создает иллюзию "полноценности" любого компьютерного проекта.
Многое зависит от квалификации специалиста, который делает проект дома или здания и уровня его подготовки. Компьютерный дизайнер может нарисовать прекрасный и очень привлекательный с внешней точки зрения проект, однако это не означает, что дизайнер твердо знает основы физики и термодинамики в объемах школьного курса (не говоря уже о высшем физико-математическом образовании). Хорошо, если у дизайнера есть интуитивные знания, но так бывает нечасто.
Раскошеливаться на строгие и точные математические расчеты - для большинства частных застройщиков дело не выполнимое из-за острого дефицита квалифицированных специалистов-математиков, многие из которых выехали за рубеж и не нашли себя там по профессии, а оставшиеся здесь математики переквалифицировались в другие специальности.
Математическое моделирование на уровне прикладных программ не успевает за бурным развитием современных компьютеров и программного обеспечения, а современным компьютерам может не хватать вычислительной мощности процессора для проведения строгих научных расчетов. Сегодня даже при проектировании большинства высотных домов не производят строгие математические расчеты поведения и колебания высоких конструкций и заглубленных фундаментов на сваях, ветровой и колебательной устойчивости, а что уж говорить об индивидуальных постройках и проблемах тепловых потерь частного коттеджа в динамике температур ...
Если Вы собираетесь приобрести новый проект или тем более получить его бесплатно, поинтересуйтесь - производился ли строгий расчет тепловых потерь данного объекта для динамики температур внешней среды? И не оценочно, а полноценно, с использованием формул высшей математики. Вы получите или невразумительный, или отрицательный, или даже лживый ответ - потому что такие расчеты для новых проектов коттеджей сегодня никто не производит.
В лучшем случае Вам скажут, что нужно делать хорошую теплоизоляцию и ставить мощный котел. А между тем, приблизительную оценку будущих тепловых потерь можно сделать достаточно просто.
В математической физике процесс стандартного теплопереноса описывается линейными дифференциальными уравнениями второго порядка в частных производных и краевыми условиями поведения системы на границе. Поведение системы с потерей или получением извне тепла обуславливается только тем, что происходит на внешних границах системы (на стенах, крыше, на полу фундамента).
Очень важно, насколько хороша не только теплоизоляция внешних стен и крыши, но и какова общая площадь, через которую идут внешние тепловые потери и происходит тепловое излучение. Чем меньше внешняя площадь - тем ниже скорость остывания внутренних помещений. Чем больше внешняя площадь - тем скорость остывания выше.
Чтобы "на глаз" оценить объемы тепловых потерь частного дома, достаточно запомнить одну простую вещь: объемы тепловых потерь зависят от площади внешних поверхностей дома (крыши, наружных стен и пола под фундаментом). Чем выше эти показатели - тем больше понадобится поточных расходов на отопление и тем мощнее должен быть отопительный котел. Чем больше площадь внешних стен, крыши и пола под фундаментом, тем больше потребуется расхода энергии на реальное отопление.
Если Вы приобретаете готовый проект коттеджа, попросите сделать Вам расчет не только отапливаемой площади и отапливаемого объема помещений, но и площади всех наружных стен, крыши и нижней части фундамента дома (если там есть отапливаемые подвальные помещения, то с учетом стен подвала). От отапливаемого объема и площади зависит номинальная мощность отопительных приборов и котла. А от площади наружных стен и крыши - скорость остывания помещения и реальная мощность, расходуемая на поддержку комфортной температуры в доме.
Выбирайте такой проект коттеджа или частного дома, у которого при равных объемах полезной (жилой) отапливаемой площади суммарная площадь наружных стен, крыши и пола под фундаментом наименьшая. Самые простые расчеты проводятся так, как будто в доме нет ни окон, ни дверей - одни сплошные стены и крыша (окна и двери мы сможем потом подкорректировать). Считать нужно абсолютно все элементы наружных стен, фундамента и крыши, даже самые маленькие. А затем сравнить разные проекты. Вы удивитесь, насколько сильно у похожих по внешнему виду и жилой площади проектов могут отличаться эти показатели.
Минимизация общей площади внешних стен и крыши - единственный путь минимизации Ваших затрат на отопление и реальный способ уменьшить тепловые потери в доме. Рассмотрим упрощенный пример в качестве иллюстрации. Вряд ли такой пример можно использовать для реального частного строительства, но он позволит наглядно проиллюстрировать проблему тепловых потерь.
Предположим, что дом отапливается по периметру жилых этажей. Для нестрогих оценочных расчетов можно предположить, что дом излучает тепло равномерно во все стороны. Под домом земля не промерзает и нагревается. После нагревания у наружных стен дома снаружи более теплый воздух поднимается над домом, но эти процессы мы пока не рассматриваем. Мы считаем, что дом равномерно утеплен и обогревает вокруг себя и землю, и атмосферу.
Из геометрии известно, что при равных объемах и плоских стенках наименьшая площадь поверхности у куба. Куб - это объемное тело, у которого все стенки образованы квадратами.
Если для примера рассмотреть куб со сторонами по 10 метров, мы получим гипотетическое кубическое здание общим объемом 1000 куб. м и площадью всех сторон 6 х 100 = 600 кв. м. Длина внешних стен по периметру составит 40 метров.
Площадь наружных стен такого гипотетического частного дома составит 4 х 100 = 400 кв.м, а площадь плоской крыши и пола под фундаментом - соответственно по 100 кв.м. Для комфортного проживания мы можем сделать потолки высотой по 3 метра и небольшие перекрытия, получив 3 отапливаемых жилых этажа и 300 кв. м общей жилой площади (без учета лестниц и т.п.).
Будем считать, что в основании нашего гипотетического дома лежит прямоугольник со сторонами A и B, общая высота здания с плоской крышей составляет те же самые 10 метров, и общий отапливаемый объем остается прежним - 1000 куб. м.
Объем U = A х B х 10 м = 1000 куб. м
Отсюда длина стороны B = 100 / A
Площадь S всех стен, пола и крыши такого дома прямоугольной конструкции составит соответственно
S = 200 + 20 х A + 2000 / A
Рассмотрим прямоугольный дом с длиной одной стороны A = 5 метров.
Для сохранения объема 1000 куб. м длина второй стороны должна составлять соответственно B = 100 / 5 = 20 метров.
Площадь всех наружных стен, крыши и пола в этом случае составит
S = 200 + 20 х 5 + 2000 / 5 = 700 кв. м
Сделав для комфортного проживания 3 этажа, мы получим отапливаемую жилую площадь 300 кв. м. Но площадь наружных стен увеличится на 100 кв. м по сравнению с кубической формой. Тепловые потери через внешние стены, пол и крышу и дополнительный расход тепла составят 117% по сравнению с кубическим домом:
700 кв. м / 600 кв. м х 100% = 117%
А теперь рассмотрим, что будет, если мы построим прямоугольный вытянутый одноэтажный барак с плоской крышей высотой 3,33 метра, длиной одной стены 5 метров и отапливаемым объемом 1000 куб. м. В этом случае длина второй стены барака должна составлять 60 метров, а отапливаемая площадь будет те же 300 кв. м.
Площадь наружных стен, крыши и пола одноэтажного барака составит
S = 2 х 60 х 5 + 2 х 60 х 3,33 + 2 х 5 х 3,33 = 1033 кв. м
Пусть 100% - расходы потерь тепла кубического здания. Если мы сравним трехэтажное здание кубической и прямоугольной формы и одноэтажный барак, то расходы на их отопление будут соотноситься
1033 / 600 х 100% = 172% - сравнение с кубическим 3-этажным зданием
1033 / 700 х 100% = 148% - сравнение с рассмотренным 3-этажным зданием прямоугольной формы со сторонами 5 и 20 метров.
Теперь становится понятным, что на отопление кубического или прямоугольного трехэтажного и вытянутого одноэтажного здания с одинаковой отапливаемой площадью и отапливаемым объемом масштабы расходов могут разительно отличаться.
При одинаковой толщине стен и способе укладки одинаковой теплоизоляции трехэтажное здание кубической формы теряет тепла намного меньше, чем вытянутое одноэтажное строение, отопить которое зимой, кажется, не представляется возможным. Недаром говорят, что в одноэтажных бараках жить невозможно - летом слишком жарко, а зимой - очень холодно. Это обусловлено в первую очередь особенностями геометрии стен и крыши длинного одноэтажного барака.
Вышесказанное объясняет высокую популярность почти квадратных в основании или прямоугольных не сильно вытянутых форм домов с 2-3 этажами в массовом частном строительстве. По массовому "народному" опыту, именно такие реально эргономичные и более экономичные формы позволяют минимизировать затраты не только на проект и строительство, но и на отопление частного дома. Они позволяют сохранять равномерное тепло в доме даже холодной морозной зимой при минимуме расхода топлива.
Почему так происходит - легко объясняет физика и геометрия на простейшем примере. В современной прикладной математике существует специальный раздел с развитым математическим аппаратом - методы оптимизации, который изучает задачи подобного класса. Удивительно, почему разработчики современных коттеджей до сих пор не производят строгие расчеты оптимизации тепловых потерь коттеджа за счет разумного уменьшения площади наружных стен и крыши и не изучают основы методов оптимизации в строительстве.
Выполняя теплоизоляционные работы в индивидуальном строительстве, нужно теплоизолировать следующие элементы здания.
1. Теплоизоляция скатной крыши;
2. Теплоизоляция перекрытий;
3. Теплоизоляция перегородок;
4. Теплоизоляция наружних стен;
5. Техническая изоляция.
Эффективность геометрической конструкции дома в аспекте тепловых потерь можно оценивать отношением площади тепловых потерь дома (наружных стен, крыши и пола под фундаментом) к полезной площади дома, которую можно использовать под жилье.
Чем ниже коэффициент E, тем экономичнее является общая геометрическая конструкция дома с точки зрения тепловых потерь в расчете на каждый квадратный метр площади дома. Сведем полученные ранее данные в общую таблицу.
Этажей
3 эт.
3 эт.
1 эт.
Тип строения
куб
здание
барак
Длина дома
10 м
20 м
60 м
Ширина дома
10 м
5 м
5 м
Высота дома
10 м
10 м
3,33 м
Площадь теплопотерь
600 кв. м
700 кв. м
1033 кв.м
Площадь дома полезная
300 кв. м
300 кв. м
300 кв. м
Процент теплопотерь
100%
117%
172%
Процент теплопотерь
-
100%
148%
Эффективность E
2,00
2,33
3,44
Эффективность E = S теплопотерь / S дома
Если коэффициент эффективности геометрической конструкции дома E уменьшается, это означает, что общая геометрическая конструкция дома является эффективной. Отношение жилой площади дома к площади внешних конструкций, с которых происходит утечка тепла, оптимальна. Если же коэффициент E превышает параметр 2,5 и тем более 3 - геометрию дома нужно менять, строить такое частное здание в холодном климате недопустимо.
Если рассматривать многоэтажное строительство, при строительстве высотных зданий коэффициент эффективности геометрической конструкции E может принимать значения, меньшие 2 - удельные расходы на отопление высотных зданий ниже, чем на отопление малоэтажных домов.
В качестве примера рассмотрим прямоугольное высотное здание с потолками по 3 метра, количеством этажей N и квадратным основанием со стороной A. Тогда мы получим следующие отношения:
S дома = N x A x A - площадь всех N этажей
S теплопотерь = 2 x A x A + 12 x A x N - площадь стен, крыши и фундамента
Эффективность E = S теплопотерь / S дома = 2 / N + 12 / A
Если построить "свечку" с квадратным основанием 20 х 20 метров и высотой в 25 этажей по 3 метра каждый, то коэффициент эффективности данной высотной конструкции с точки зрения тепловой потери составит
Эффективность E = 2 / 25 + 12 / 20 = 0,68
Рассмотрев высотное здание в N этажей с прямоугольным основанием A x B метров и высотой потолков H, можно получить обобщенную формулу расчета коэффициента удельной эффективности геометрической конструкции:
S дома = N x A x B - площадь всех N этажей
S теплопотерь = 2 x A x B + 2 (A + B) x H x N - площадь тепловых потерь
Эффективность E = S теплопотерь / S дома
Эффективность E = 2 / N + 2 H x (1 / A + 1 / B)
Для гипотетического небоскреба с основанием 50 х 60 метров и 80 этажами по 4 метра высотой, включая перекрытия, можно получить следующее значение коэффициента геометрической эффективности конструкции:
E = 2 / 80 + 2 x 4 x (1 / 50 + 1 / 60) = 0,32
Из всего вышесказанного с точки зрения прикладной математики и математического моделирования можно сделать следующие выводы о наиболее перспективных путях развития строительства в ближайшее время в аспекте эффективности энергосбережения и минимизации удельных тепловых потерь - а значит, и расходов на отопление.
Во-первых, это массовое строительство многоэтажных высотных домов с небольшой площадью фундамента. Площадь дома увеличивается за счет роста количества этажей в доме. Жильцы таких домов будут экономить энергию на отопление в том числе за счет оптимальной конфигурации дома. Коэффициент эффективности геометрической конструкции таких домов должен быть заметно ниже 1 и максимально стремиться к нулю.
Многоэтажное строительство является более экономичным в странах с холодным климатом с точки зрения отопления и должно быть приоритетным. Проживание в частных домах оправдано только в теплое время года.
Во-вторых, это строительство частных домов компактной конструкции, имеющих 2-3 жилых этажа и использующих отапливаемые помещения под крышей. Экономия должна достигаться не только за счет использования современных теплоизоляционных материалов и сплошного утепления всех наружных конструкций дома, крыши, стен, фундамента и полов, но и за счет эффективности общей геометрии отапливаемой части дома.
Геометрия частного дома индивидуальной постройки или дома, рассчитанного на проживание 2-3 семьей, должна быть таковой, чтобы коэффициент эффективности геометрической конструкции приближался к показателю 2 и не превышал значение 2,5. При значениях коэффициента 3 и более конструкцию дома нужно считать непригодной для использования в отопительный сезон вне зависимости от степени утепления конструкций.
© 2008-2017. Юлия Кафтанова. Вы можете перепечатывать и использовать данные материалы любым способом без разрешения при условии обязательного указания фамилии автора. Ссылка на сайт не обязательна - материал носит научно-познавательный характер. Использование материалов без указания фамилии автора запрещено. Использование материалов без фамилии автора и источника в дипломах, курсовых, научных статьях и иных подобных работах запрещено.
Вы можете бесплатно скачать реферат "Оптимизация тепловых потерь в здании прямоугольной формы" (текст этой статьи для печати, rar-распаковывающийся архив). Не разрешено не указывать источник и фамилию автора при использовании настоящих текстов и материалов студентами в качестве студенческих рефератов и докладов. На сайтах, предлагающих рефераты, допустима только прямая ссылка на настоящую веб-страницу с текстом материала и запрещена прямая ссылка на файл формата .doc, .pdf или копирование файла реферата на посторонний веб-сайт ("прямая выкачка" запрещена). Запрещено взымать деньги, услуги и т.п. за использование материалов настоящего веб-сайта.
Удостоверение N 553 / 1987 г. Автор настоящих статей и материалов с 01.09.1985(1977) г. по 22.05.1987 г. прошла дополнительное профессиональное обучение по программе "Машиностроительное черчение" с получением дополнительной профессиональной специальности "Черчение" (спец. аттестация - "отлично"). УПК Киевского района (учебно-производственный комбинат), г. Харьков. Министерство образования УССР (Украина, СНГ).
Защита авторских прав на цикл статей - наш сертификат. Для увеличения сертификата кликните изображение мышью. Оказываем помощь в регистрации Ваших авторских прав на литературное произведение, цикл фотографий, информацию научного и иного характера и другое. Авторам - авторские права, оказываем помощь в регистрации и защите Ваших авторских прав в Украине (СНГ), новые услуги Клиентам с 2015-2017 года. Копировать запрещено.
Кодекс Украины об административных правонарушениях
Статья 96. Нарушение требований законодательства, строительных норм, государственных стандартов и правил во время строительства
Необеспечение заказчиком осуществления авторского надзора в случаях, когда такой надзор является обязательным согласно требованиям законодательства, -
влечет за собой наложение штрафа от четырехсот до пятисот необлагаемых минимумов доходов граждан.Неподача или несвоевременное представление заказчиком информации о передаче права на строительство объекта другому заказчику, изменение генерального подрядчика или подрядчика, лиц, ответственных при проведении авторского и технического надзора, ответственных исполнителей работ, а также информации о начале выполнения подготовительных или строительных работ и о введении в эксплуатацию законченного строительством объекта в случаях, когда представление такой информации является обязательным, -
влечет за собой наложение штрафа от семидесяти до ста необлагаемых минимумов доходов граждан.Статья 96-1. Нарушение законодательства во время планировки и застройки территорий
6. Осуществление авторского надзора с нарушением требований законодательства -
влечет за собой наложение штрафа на главного архитектора проекта (архитектора) от четырехсот до пятисот необлагаемых минимумов доходов граждан.7. Осуществление технического надзора с нарушением требований законодательства -
влечет за собой наложение штрафа на лицо, которое осуществляет технический надзор, от четырехсот до пятисот необлагаемых минимумов доходов граждан.Действия, предусмотренные частями 6 или 7 этой статьи, совершенные лицом, которое на протяжении года было подвержено административному взысканию за такие же нарушения,
влекут за собой наложение штрафа на главного архитектора проекта (архитектора), на лицо, которое осуществляет технический надзор, от пятисот до шестисот необлагаемых минимумов доходов граждан.Научные статьи и материалы научного автора К.305 (Украина, г. Харьков) можно официально заказать в Харьковской универсальной научной библиотеке по адресу: ул. Кооперативная, 13, Харьков, UA-61003, Украина (акт. кода К.305 2009-2020 гг., Харьков, Украина, паспорт гражданки Украины ММ670618, родилась 18 сентября 1970 года и постоянно безвыездно проживает в городе Харькове, Украина, в 1994 году окончила ММФ ХНУ им. В.Н. Каразина, диплом КЗ N 002101, аттестат Р N 586275 об окончании сш N 9 г. Харькова 1987 года).
В 2009-2020 году у харьковского украинского научного автора К.305 вышли следующие издания:
УДК 531.0 ББК 22.311 K.305 "Специальные функции математической физики", часть 1 "Функции Бесселя и цилиндрические функции в элементарном изложении с программами вычислений", 2009 г., г. Харьков
УДК 531.0 ББК 22.311 K.305 "Специальные функции математической физики", часть 3 "Моделирование аномальных и экстраординарных природных и техногенных процессов", 2009 г., г. Харьков
УДК 549:291,33 ББК 86.41:26.31 К.305 "Всё о камнях и минералах. Магические и лечебные свойства камней", 2009 г., г. Харьков
Приложение 1 к УДК 549:291,33 ББК 86.41:26.31 К.305 "Контактная и неконтактная литотерапия", 2009-2020 год, г. Харьков (с авторским видеорядом 2010 г. для компьютера)
Приложение 2 к УДК 549:291,33 ББК 86.41:26.31 К.305 "Магнитотерапия и лечение магнитами", 2009-2020 год, г. Харьков (с авторским видеорядом 2010 г. для компьютера)
ISBN 966-7343-29-5(4) К.305, 1994-1998, г. Харьков. Восстановленное в 2010 г. автором К.305 издание автора К.305 "Рекуррентные отношения для решений дифференциальных уравнений второго порядка"
Другие научные и популяризаторские материалы харьковского научного автора К.305 (Украина) за период 2009-2020 года и ранее можно заказывать в Харьковской универсальной научной библиотеке по адресу: ул. Кооперативная, 13, Харьков, UA-61003, Украина.
Примечание. Сохраняйте книги и статьи на мобильный телефон и скачивайте их с Вашего телефона на компьютер. Удобное скачивание книг через мобильный телефон (в память телефона). Быстрый Интернет. Материал носит неофициальный характер и приведен для ознакомления. Прямые ссылки на файлы книг запрещены.