Оптимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий

метки: Здание, Теплопотеря, Конструкция, Ограждать, Площадь, Энергия, Форма, Поверхность

где R—интегральная отражательная способность тела. Если процессы отражения от поверхности подчиняются законам геометрической оптики и R= 1, то поверхность тела называют зеркальной (блестящей); при идеально диффузном отражении ее называют абсолютно белой. При идеально диффузном (изотропном) отражении энергия отражается телом равномерно по всем направлениям независимо от направления падающего на поверхность излучения.

Часть падающей энергии излучения, проходящая сквозь тело, называется плотностью потока пропускаемого излучения Е _проп , Вт/м2:

,(43)

где D —интегральная пропускательная способность тела. Тела, имеющие интегральную пропускательную способность, равную единице, называются прозрачными или диатермичными (тонкие слои сухого воздуха, слои одноатомных газов).

Рисунок 5.3 — Классификации потоков излучения.

Тела, характеризующиеся величиной, называют полупрозрачными (стекло, кварц, сапфир).

Для многих твердых и жидких тел интегральная пропускательная способность принимается равной нулю, так как они практически являются непрозрачными.

Совместные процессы взаимного испускания, поглощения, отражении и пропускания энергии излучения в системах различных тел называются лучистым теплообменом, причем тела, входящие в данную излучающую систему, могут иметь одинаковую температуру. Для тела, участвующего в лучистом теплообмене с другими телами, согласно закону сохранения энергии, можно составить следующие уравнении теплового баланса (рисунок 5.3):

,(44)

или ,

если зависимость (41) поделить на Е _пад и учесть предыдущие соотношения.

Суммарная величина плотностей потоков собственного и отражённого излучения, испускаемого поверхностью данного тела, называется плотностью эффективного излучения (рисунок 5.3):

• (45)

Рисунок 5.4 — К определению потока результирующего излучения.

Эффективное излучение зависит не только от физических свойств и температуры данного тела, но и от физических свойств и температуры окружающих его тел. Кроме того, оно зависит от формы, размеров и относительного расположения тел в пространстве. Вследствие этих факторов физические свойства эффективного и собственного излучений различны. Различными оказываются и спектры их излучения. Если поверхность тела имеет идеально диффузионное излучение и идеально диффузионное отражение, то его эффективное излучение будет также идеально диффузионным. Понятие эффективного излучения впервые было введено О. Е. Власовым (1929 г.).

Тепловое излучение

... излучения тела, т.е. энергию излучения всех возможных частот, испускаемого с единицы поверхности тела за единицу времени. Интегральная излучательная способность eТ абсолютно черного тела: 2. Законы излучения абсолютно черного тела Законы излучения абсолютно черного тела ... одной и той же температуре, теплообмен между телами путем испускания и поглощения теплового излучения не может привести к ...

Лучистый теплообмен между телами определяется потоком результирующего излучения.

Результирующее излучение представляет собой разность между лучистым потоком, получаемым данным телом, и лучистым потоком, который оно посылает в окружающее его пространство. Результирующий поток может быть найден различными способами в зависимости от расположения условной расчетной поверхности (рисунок 5.4).

В первом способе (Нуссельта) поток результирующего излучения определяется из теплового баланса относительно поверхности, расположенной внутри тела вблизи его поверхности с учетом, что Е _{про п} =0 :

• (46)

Второй способ (О. Е. Власова) состоит в определении q _рез из баланса относительно воображаемой поверхности б — б, находящейся вне тела, но вблизи его поверхности:

• (47)

В этом случае вследствие малого расстояния энергия излучении от тела полностью доходит до условной поверхности б — б.

В общем случае плотность потока результирующего излучения определяется разностью, встречных потоков излучения, падающих на условную поверхность в — в:

• (48)

Результирующий поток излучения может быть величиной положительной, отрицательном и равной нулю (при равновесном излучении).

Между плотностями потоков результирующего и эффективного излучений может быть установлена математическая зависимость, если из (47) выразить

,(49)

,(50)

подставив (50) в (49), получим:

(51)

Для черного тела А=1 и Е _эф =Е ₀ , т. е. эффективное излучение вырождается в собственное.

Из изложенного следует, что поверхностные плотности всех видов полусферического излучения, кроме собственного излучения, являются линейными функциями падающего излучения. Собственное излучение объединяется и увязывается с другими видами излучения через эффективное излучение.

Объемное излучение. Для среды, которая заполняет некоторый объем системы и может быть излучающей, поглощавшей и рассеивающей, характерными являются объемные плотности потоков излучения (Объемное излучение характеризуется также объемной плотностью энергии излучения и , Дж/м³ .).

Аналогично изложенному и в этом случае можно говорить об объемных плотностях собственного, поглощенного, рассеянного и других видах излучения.

Интегральной и монохроматической объемными плотностями потоков собственного излучения называются лучистые потоки, испускаемые единицей объема среды в единицу времени по всем различным исправлениям в пределах пространственного угла щ=4р:

; .(52)

з и з _л измеряются в Вт/м² .

Лучистые потоки, отнесенные ко всему объему, выразятся зависимостями

; .(53)

Потоки монохроматического и интегрального излучений связаны соотношением

• (54)

Плотность поглощенного объемного излучения

• (55)

и плотность рассеянного объёмного излучения

• (56)

представляют собой, как и в зависимостях (41) и (42), некоторые доли плотности падающего объемного излучения з _{п лад} . Величины а и в называются соответственно коэффициентами поглощения и рассеяния. Сумма этих величии называется коэффициентом ослабления среды (k ).

Излучения в производстве и защита от них

... называемый солнечный удар. Тепловой эффект действия излучения зависит от многих факторов: спектру, продолжительности и прерывистости излучения, интенсивности потока, угла падения лучей, величины поверхности, которая излучает, размеров участка организма, ...

Аналогично зависимостям (45) плотностью эффективного объемного излучения называется суммарная величина плотностей потоков собственного и рассеянного излучений:

• (57)

Следовательно, в случае объемного излучения роль отраженного излучения играет рассеянное излучение, а роль поглощательной и отражательной способностей — коэффициенты поглощения и рассеяния.

По аналогии с (46) плотность потока результирующего объёмного излучения выражается зависимостью

• (58)

Последние две зависимости могут быть использованы для получения уравнений, связывающих плотности потоков результирующего и эффективного объёмных излучений, аналогичных (51):

,(59)

Или

,(60)

Рассмотренные виды поверхностных и объемных плотностей потоков излучения являются основными характеристиками лучистого теплообмена на граничных поверхностях и в объеме среды, заполняющей излучающую систему.

Рисунок 5.5 — К определению вектора излучения.

Поля плотностей различных видов излучения зависит от геометрической конфигурации излучающей системы, от распределения температуры, а также от распределения оптических свойств как по объему среды, так и на границах системы.

Вектор излучения. Вектор излучения (радиации) определяет направление наиболее интенсивного переноса лучистой энергии в рассматриваемой точке поля излучения. Численно он равен потоку результирующего излучения, переносимого в единицу времени через единицу поверхности, ортогональной произвольному направлению переноса излучения, т. е. равен разности значений потоков излучения, падающих с двух сторон на указанную поверхность. Это видно из следующего. Элементарный поток, проходящий через площадку dF (рис. 16-5), выразится скалярным произведением вектора излучения на:

;

Или

• (61)

где q _n — проекция вектора излучения на нормаль к поверхности. Для потоков излучения, падающих на одну сторону площадки dF , угол ц₁ <р и имеет положительный знак; для другой стороны площадки ц₂ <р и dQ _пад2 имеет отрицательный знак. Следовательно, через площадку dF будет проходить поток, равный результирующему:

• (62)

Отсюда получаем:

• (63)

Из (63) следует, что проекция вектора излучения на нормаль к поверхности выражает поток результирующего излучения.

Если поверхность облучается с одной стороны, то проекция вектора излучения определяет поток падающего излучения.

Найдем плотность потока результирующего излучения, используя зависимость дли падающего излучения путем интегрирования по двум полупространствам. Учитывая, что, получаем:

;

Или

• (63)

Составляющие плотности потока результирующего излучения в направлении осей координат Ох , Оу , О _z являются компонентами вектора излучения:

• (64)

Следовательно, вектор излучения определяется векторным интегралом от интенсивности излучения по сферическому телесному углу.

Зависимость (64) представляет собой интегральную форму вектора излучения. Кроме интегральной, вектор излучения может иметь градиентную форму.

Градиентную форму вектор излучения принимает в том случае, когда лучистый перенос тепла рассматривается как процесс испускания дискретных частиц — фотонов. Если длина пробега фотоном относительно мала, то аналогично теплопроводности в газах процесс лучистого переноса осуществляется диффузией энергии излучения в фотонном газе. Тогда можно ввести условный коэффициент теплопроводности за счет излучения (радиации) л _рад . В этом случае вектор излучения принимает градиентную форму, аналогичную закону Фурье для вектора теплового потока:

, .(65)

Диффузионное представление о перемещении носителей лучистой энергии справедливо для условий, близких к термодинамическому равновесию, для серой среды, имеющей большую оптическую толщину.

6.1 Оптимизация тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий

В условиях растущего дефицита и постоянного подорожания энергоносителей очень актуальным является поиск путей снижения расхода тепловой энергии при отоплении зданий. Необходимость рационального использования и экономии топливно-энергетических ресурсов вызвана также тем, что большая часть территории нашей страны относится к климатическому району, отличающемуся продолжительным отопительным периодом. На практике предлагаются различные способы экономии энергии на теплоснабжение зданий: применение современных методов теплозащиты наружных ограждений, создание энергоэффективных зданий, улучшение энергетического баланса домов за счет пассивного использования энергии солнца, применение индивидуального автоматического оптимального регулирования энергопотребления.

Значительные резервы экономии тепловой энергии заключены также в рациональном архитектурном проектировании жилых и общественных зданий. В данном случае экономия может быть достигнута за счет выбора дифференцированных по сторонам света стен и размера окон, применением в жилых домах моторизованных утепленных ставней и ветроограждающих устройств и соответствующего выбора форм зданий. В данной статье рассмотрим вопросы оптимизации теплопотерь в зданиях различной формы.

Как известно, чем больше наружная поверхность здания при одинаковом объеме его помещений, тем выше потери тепловой энергии здания. Это подтверждается известным соотношением теплопередачи через наружные стены, где потери тепла через расчётную наружную поверхность в единицу времени рассчитывается по формуле:

,(66)

где — тепловой поток, ( Вт );

• коэффициент теплопередачи, ;
• температуры комнатой и уличной сред, ();

S — площадь наружной стены, ( м ² ).

Во-первых, поставим и решим такую задачу — найти оптимальную форму конструкции дома при минимизации теплопотерь через ограждающие конструкции (через ограждающие стены, пол и потолок).

При анализе оптимизации теплопотерь через ограждающие поверхности коэффициент теплопередачи через стенку () и температуры сред в здании и на улице ( t ) оставим постоянными. Простое аналитическое решение можно получить при оптимизации тепловых потерь в отапливаемых зданиях прямоугольной формы. В решения задачи можно варьировать сторонами здания (или пропорциями сторон здания), но оставляя одинаковыми объемы помещений сравниваемых зданий. Если для сравнения зданий взять одинаковыми высоту этажей, то вместо сравнения объемов помещений можно сравнивать одинаковые полезные площади зданий ().Поэтому для анализа различных зданий и для нахождения оптимальной конструкции дома введено понятие эффективной геометрической конструкции дома ():

,(67)

где — общая площадь теплопотерь,

• полезная площадь здания.

Для сравнения возьмем и рассмотрим три простейших варианта здания прямоугольной формы: квадрат со стороной слабо вытянутый дом со сторонами и сильно вытянутый вариант домано для сравнения возьмем одинаковые полезные площади зданий.

Рисунок 6.1 — Варианты сравниваемых зданий

Произведем расчет оптимальной геометрической конструкции домов. Для каждого предполагаемого дома будут одинаковые начальные условия: полезные площади зданий, равныена одном этаже. Примем высоту здания, количество этажей и крышу здания плоской.

Рассчитаем первый пример с квадратным основанием: общая площадь стен пяти этажей здания, через которые происходит теплопотери, равна

,(68)

а полезная площадь здания пяти этажей равна

• (69)

Тогда эффективная геометрическая конструкция дома квадратной формы равна

• (70)

Те же самые расчеты произведем для дома с прямоугольным основанием:

;(71)

при той же полезной площади здания пяти этажей, равная

• (72)

Тогда эффективная геометрическая конструкция дома слабовытянутой прямоугольной формы равна

• (73)

В третьем примере для сильно вытянутого прямоугольника расчет выполним аналогично:

при полезной площади

Тогда эффективная геометрическая конструкция дома для сильно вытянутой прямоугольной формы равна

Пример № 4 здание цилиндрической формы:

,(74)

полезная площадь равна

,(75)

где n — количество этажей.

При этом эффективная геометрическая конструкция цилиндрического дома

• (76)

Как видим из проведенного анализа, меняя форму конструкции здания можно изменить энергетическую эффективность дома: тогда при одинаковых полезных площадях зданий теплопотери будут сильно меняться в зависимости от формы конструкции здания (в нашем примере на 15% теплопотери увеличиваются в зданиях вытянутой формы).

Во-вторых, найдем эффективность геометрической конструкции дома в зависимости от этажности постройки. Для этого выразим формулу эффективности геометрической конструкции дома для зданий прямоугольной формы в виде

• (77)

Найдем эффективность геометрической конструкции дома для трех заданных нами построений в зависимости от количества этажей. Расчеты приведены в таблице 2:

Таблица 2 — Эффективность геометрической конструкции дома

количество этажей	квадрат	прямоугольник №1	прямоугольник №2	цилиндр
1	2.6	2.625	2.75	2.531
5	1	1.025	1.15	0.931
10	0.8	0.825	0.95	0.731

Как видно из таблицы 2, во-первых, с увеличением этажности во всех формах зданий эффективность геометрической конструкции дома уменьшается, то есть теплопотери уменьшаются через ограждающие стенки. Во-вторых, при сравнении одноэтажных и десятиэтажных домов при одинаковой их полезной площади получим, что эффективность геометрической конструкции квадратного дома уменьшается в — 3,25 раза, слабовытянутого дома — 3,18 раза, а сильновытянутого дома — 2,89 раза.

В-третьих, рассмотрим, как влияет величина основания здания (квадрат) на оптимизацию теплопотерь через ограждающие стены. В таблице 3 приведена эффективность геометрической конструкции домов в зависимости от площади основания и этажности:

Таблица 3 — Эффективность геометрической конструкции домов в зависимости от площади и этажности прямоугольных домов

Площадь основания	одноэтажный дом	пятиэтажный дом	десятиэтажный дом
20х20	2,6	1	0,8
40х40	2,3	0,7	0,5
80х80	2,15	0,55	0,35

В таблице 4 отображена эффективность геометрической конструкции цилиндрических домов в зависимости от площади основания и этажности:

Таблица 4 Эффективность геометрической конструкции домов в зависимости от площади и этажности цилиндрических домов

Площадь основаниям2	одноэтажный дом	пятиэтажный дом	десятиэтажный дом
400	2,531	0,931	0,731
1600	2,266	0,666	0,466
6400	2,133	0,533	0,333

С увеличением площади основания у всех строений уменьшается эффективность геометрической конструкции домов, то есть уменьшаются теплопотери. Этот показатель также уменьшается с увеличением этажности построений.

Также рассмотрим оптимальную форму крыши для дома с целью минимизации теплопередачи через ограждающие конструкции.

На основании вышеизложенного проведем расчеты для двухскатной, четырехскатной, сферической крыши анализируя общую площадь ограждающей конструкции. Для этого площадь основания всех крыш будет одинаковой равная 100 м ² , она не будет учитываться в общей площади теплопотерь т.к. под ней находиться отапливаемое здание.

Рассчитаем общую площадь () и полезную площадь теплопотерь () двухскатной, четырехскатной и сферической форм крыш для этого объединим их под одним общим параметром, площадью основания равной 100 м ² . Параметры двухскатной и четырехскатной крыш: высота крыш , ширина , длинна . Мной будет введен параметр, именуемый полезной шириной основания , для расчета полезной площади основания т.к. скат не позволяет задействовать всю ширину основания, тогда и . Для простоты расчета все скаты крыш будут известны.

Начнем с расчета двухскатной крыши:

• Зададим неизвестные параметры В=С=4 м;
• А=5,65 м;
• В=h;

• Рисунок 6.2 — Основание и половина двухскатной крыши

Общая площадь полезного жилого пространства составит:

• (78)

Общая площадь теплопотерь двускатной крыши составит:

;(79)

Коэффициент полезной площади чердака можно рассчитать по формуле (78):

;(80)

Проведем расчет для четырехскатной крыши с углами наклона крыши.

Также зададим неизвестные параметры:

• A=3,324 м;
• В=3,5 м;
• С=h=4 м;
• С ₁ =3,43 м;
• A₁ =0,74 м;
• D₁ =3,26 м;
• B₁ =0,57 м;

• Рисунок 6.3 — Основание и половина четырехскатной крыши

Общая площадь теплопотерь четырехскатной крыши составит:

,(81)

,(82)

Полезная площадь теплопотерь четырехскатной крыши составит:

,(83)

Коэффициент полезной площади четырехскатной крыши можно рассчитать по формуле (1.84):

,(84)

Расчет для полусферической крыши при r = 5,64 м и h = 5,64 м.

Общую площадь теплопотерь полусферической крыши вычислим используя формулу:

,(85)

Рисунок 6.4 — Полусферическаякрыша

Данную полусферу можно разделить на два этажа высотой по 2,82 м, радиус второго основания будет равен 4,88 м поэтому полезная площадь полусферической крыши:

,(86)

Коэффициент полезной площади крыши можно рассчитать по формуле (87):

,(87)

где N — количество этажей в полусфере

• (88)

Полученные данные отобразим в таблице 4

Таблица 5 — Общие данные

Параметры	Значения
Этажи	1	1	2
Форма построения дома	2 х -скатные	4 х -скатные	Полусфера
Площадь основания, м 2	100	100	100
Площадь теплопотерь, м 2	205,25	232,91	199,7
Площадь полезная, м 2	77	96	156,07
Эффективность, Е	2,65	2,42	1,144

На основе полученных данных можно сделать вывод, что наиболее эффективная геометрическая конструкция крыши — это полусфера, также можно отметить, что у полусферы полезная площадь превосходит другие две почти в двое поэтому ее можно использовать сразу как капитальное строение.

Поэкспериментируем с основанием четырехскатной крыши и двухскатной крыши. Для сравнения возьмем три простейших варианта основания крыши прямоугольной формы: квадрат со стороной слабо вытянутое основание со сторонами и сильно вытянутый вариант основания крыши но для сравнения возьмем одинаковые полезные площади оснований крыши результаты занесем в таблицу 5.

Таблица 6 — Данные расчетов двухскатной и четырехскатной крыш

параметры	квадрат	прямоугольник №1	прямоугольник №2
двухскатная крыша
Площадь полезная, м2	192,06	205,42	215
Эффективность, Е	2,54	2,65	3,06
четырехскатная крыша
Площадь полезная, м2	234,45	232,77	241,36
Эффективность, Е	2,422	2,425	2,54

В том и другом случае эффективность геометрической конструкции снижается с увеличением длинны основания, хотя снижение эффективности четырехскатной крыши не так ярко выраженно как у двухскатной крыши.

6.2 Угловые теплопотери

Результаты расчета и исследований полей температур в угловых частях стен с разными углами примыкания, представленные в работах К.Ф. Фокина [1] и В.Н. Богословского [2], указывают на, то что потери тепла в угловых частях больше, чем других плоскостях стенки. Это происходит по тому, что площадь теплоотдающей поверхности угловой части стены S _ну больше площади тепловоспринимающей поверхности S_ву . Эти теплопотери учитываются в расчетах вертикальных ограждений в размере 5% для административно-бытовых, общественных и производственных зданий [3].

Примем толщину стен 0,5 метра с углами примыкания стен 45 ⁰ , 90⁰ , 135⁰ .

Определим значение S _ну /S _ву при углах b > 90°, b = 90° и b < 90°. За длину внутренней поверхности угла возьмем внутренний размер стены Lву = 1 м, именуемый как «гладь стены» [1].

При угле b = 90° (рис. 6.5) и толщине стены d _нс длина наружной стороны угла, т.к. L _ву = 1 м.

Рисунок 6.5 — Принципиальная схема расчетов угол в=90 ⁰

Площади теплоотдающей S _ну и тепловоспринимающей S_ву поверхностей угловой части стены равны соответствующему произведению длин на высоту стены. Так как отношения внешней площади стены к внутренней равна отношению длины внешней стены к внутренней, то в дальнейших расчетах будем пользоваться длинами стен. Например, при толщине d _нс = 0,5 м отношение L _ну /L _ву = 1,5.

При угле в< 90° (рис. 6.6) можно записать:

• (89)

где L _нс — расстояние между внутренним и внешним углом.

Выразим L _нс через tg (b/2):

• (90)

где в — угол между внешними стенами здания. Так, при в = 45° значение tg(b/2) = 0,414.

Рисунок 6.6 — Принципиальная схема расчетов приугле в=45 ⁰

Для d _нс = 0,5 мполучим L_нс = 0,5/0,41 = 1,12 м, а длина внешней части угла L_ну = 1 + 1,21 = 2,21 м.

Тогда получим

,(91)

На угловую часть добавочные потери теплоты составят не 5%, как указано в СНиП [1] при условии, что толщина стены 0,5 м с углом примыкания в = 90 ⁰ , в других потери для угла примыкания составят:

,(92)

соответственно, рассчитаем добавочные потери теплоты.

Рисунок 6.7 — Принципиальная схема расчетовприугле в=135 ⁰

Аналогичные расчеты проведем для углов 90 ⁰ и 135⁰ полученные данные занесем в таблицу 7.

Таблица 7- Данные расчетов для углов 45 ⁰ ,90⁰ и 135⁰

Угол в, град.	L ВУ, м	L НУ, м	L ну / Lву	Добавочные потери теплоты Q пот , %
45	1	2,22	2,22	7,4
90	1	1,5	1,5	5
135	1	1,19	1,19	4

На основании данных расчетов сложилась определенная картина, чем тупее угол примыкания, тем меньше потери тепла через угол примыкания стен.

6.3 Теплопотери через окна в зависимости от соотношения сторон света.

Учитывать будем три формы теплообмена: теплопередача, теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела), конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией) при последнем температура в доме повышается, а не наоборот.

Расчет теплопотерь через 3 окна размерами 1×1,2 метра, дом 10×10 метров

Для начала проведения расчетов теплопотерь дома через окна необходимо вычислить общую площадь всех ранее оговоренных окон. Расчет проведем по формуле:

,(93)

где — масса жидкости, ;

• объем жидкости, ;
• количество окон.

Теперь для продолжения расчета теплопотерь дома через окна узнаем их характеристики. Для примера возьмем следующие технические показатели:

• Окна сделаны из трехкамерного профиля ПВХ
• Окна имеют двухкамерный стеклопакет

Тепловое сопротивление двухкамерного стеклопакета и трехкамерного профиля такой конструкции окон:

тепловое сопротивление стеклопакета

,(94)

тепловое сопротивление трехкамерного профиля

,(95)

Большую часть окна — 90%, занимает стеклопакет и 10% — профиль ПВХ. Тепловое сопротивление окна рассчитываем по формуле:

• (96)

Имея данные о площади окон и их тепловое сопротивление, выполняем расчет теплопотерь через окна:

,(97)

где — температура в комнате и на улице

и мы с вами получили теплопотери дома через окна.

Добавим в формулу влияние ветра на охлаждающий эффект.

Расчетная формула для вычисления эффективной температуры с учетом охлаждающего эффекта ветра

,(98)

где — эффективная температура с учетом ветра в ^o C

• температура воздуха в ^o C

• скорость ветра в км/час

Результаты занесем в таблицу 8.

Таблица 8 — Охлаждающий эффект в зависимости от скорости ветра

Скорость ветра	Охлаждающий эффект
м/с	0С
0,1	0
0,25	0,5
1,5	4
3	6
5	7
8	8
10	9

Потери тепла с учетом скорости ветра

,(99)

где — процентное отношение ветра на стороны света;

• Рисунок 6.7 — Роза ветров в Вологде

Таблица 9 — Усредненное процентное значение ветра в Вологде за год (потеря тепла при скорости ветра 3,2 м/с)

С	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З
9.7 %	5.3 %	6.4 %	10.8 %	19.2 %	15.3 %	14.8 %	18.5 %

В первую очередь, учитывают внешние теплопоступления. Это, прежде всего, солнечная радиация, проникающая через оконные проемы. Количество тепловой энергии, поступающей таким образом, зависит от расположения окна относительно сторон света, его площади и наличия / отсутствия на нем солнцезащитных элементов:

• (100)

где -средняя удельная тепловая мощность от солнечной радиации в зависимости от ориентации окна Вт*час/м ² ;

• площадь остекленной части окна, м ² ;

• коэффициент, учитывающий наличие солнцезащитных элементов на окне.

Таблица 10 — Коэффициент, учитывающий наличие солнцезащитных элементов на окне

	Отсутствие защиты	Жалюзи	Шторы	Внешний навес
k	1	0,5	0,4	0,3

Таблица 11 — Внешние теплопоступления солнечной радиации за год

ориентация окна	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З	С
q, кВт*год/м2	764.7	1176	1216	1164	1216	1176	764.7	46.8

• (101)

Таблица 12 — Общиеусредненные потери тепла за год

ориентация окна	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З	С
q, кВт*год/м2	-233.7	-977.7	-1064.3	-998.6	-1079.2	-1005.5	-277.5	1046.4

Также рассмотрим потери тепла за самый теплый и холодный месяц года.

Таблица 13 — Общие потери тепла за январь

ориентация окна	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З	С
q, кВт*мес/м2	85.59	86.49	90.08	96.93	93.75	93.34	96.36	89.18

Таблица 14 — Общие потери тепла за июль

ориентация окна	С-В	В	Ю-В	Ю	Ю-З	З	С-З	С
q, кВт*мес/м2	-152.8	-154.6	-161.9	-175.9	-530.7	-168.6	-174.7	-160.1

Усредненные потери тепла за год по соотношению окон к сторонам света получились положительными со всеxсторон кроме северной стороны, поэтому не рекомендуется оставлять окна на северной стороне.

6.4 Влияние растворных швов кладки на теплопотери стен

Кладочные швы, которые входят в состав конструкций ограждающего характера, обладают свойствами теплопроводности. Как правило, при осуществлении проектирования то влияние, которое оказывают шв ы на сопротивление протеканию теплопередачи, не учитывается. Результат — несовпадение тех значений сопротивления теплопередаче, которые существуют на практике, со значениями, полученными в результате расчётов. Вследствие этого заложенные в проект параметры энергетической эффективности строения изменяются. Цель работы — осуществление оценки влияния, которое оказывают кладочные швы, на однородность стен с теплотехнической точки зрения (материал стены — газобетонные блоки), формирование перечня рекомендаций, которые позволят избежать потерь энергии, возникающих вследствие существования швов.

Таблица 14 содержит сведения о расчётных коэффициентах теплопроводности для материала «автоклавный газобетон» (весовая равновесная влажность принимается равной 5%, эксплуатационные условия — «Б», согласно стандарту [1]).

В таблице 15 приведены значения коэффициентов теплопроводности, соответствующие газобетону. При укладке стен используются дополнительные материалы помимо основного (к примеру, в стенах существуют кладочные швы, для создания которых применяются растворы).

Данные швы обладают свойством теплопроводности. Коэффициент r, учитывающий однородность стены в теплотехническом плане, должен обязательно включаться в расчёты для стен, которые создаются с применением нескольких материалов. Потери тепла через стены увеличиваются в той мере, которую оказывают кладочные швы.

Таблица 15. Теплотехнические характеристики

Материал, используемый для создания стены	Коэффициент теплопроводности (5%-ная влажность), лБ [Вт/(м·єС)]
газобетон D400 (марка по плотности)	0,117
газобетон D500 (марка по плотности)	0,147
газобетон D600 (марка по плотности)	0,183

Существует несколько категорий кладки стен с применением газобетона: [2]: первая категория — на клею, вторая категория — на растворе. Если кладка относится ко второй категории, то она выполняется на растворе, состоящем из песка и цемента (кладочные швы имеют толщину 10±2 мм).

Что касается кладки первой категории, то для её осуществления применяется специальный клей (толщина получающихся швов 02±1 мм).

Компании, занимающие ведущие позиции в сфере производства и сбыта автоклавного газобетона, оснащены оборудованием, возможности которого позволяют создавать газобетонные блоки с максимальным отклонением высотных размеров в 1 миллиметр. Учитывая данный факт, можно сделать вывод о целесообразности использования при применении автоклавного газобетона для стены кладки на клею.

Если кладочный шов имеет малую толщину, то значение коэффициента r повышается (а это, в свою очередь, позволяет повысить сопротивление стены теплопередаче).

При уменьшении толщин кладочных швов потери энергии через стены снижаются, вследствие чего на достижение оптимальной температуры в здании тратится меньшее количество ресурсов. Наглядно продемонстрировать вышесказанное можно на примерах. Так, в первом примере будет изучено влияние на теплопередачу швов, формирующихся в стенах, для кладки которых используется раствор (средняя толщина — 1 см), во втором примере — влияние на теплопередачу швов, формирующихся в стенах, для кладки которых используется специальный клей (средняя толщина — 2 мм).

Для обоих примеров будет использоваться один и тот же материал кладки стены (газобетонные блоки марки D400, марка указывается по плотности, с толщиной блока, равной 375 миллиметрам).

Чтобы упростить реализацию расчётов, раствором была признана смесь из цемента и песка (плотность — 1800 кг/м3, лБ=0.93 Вт/м·°С).

Значение термического приведённого сопротивления, которое оказывает теплопередаче регулярный элемент стены, было получено посредством сложения проводимостей [3].

Непосредственно в ходе расчётов была применена формула (10), указанная в своде правил [3].

Пример 1. Осуществляется кладка стен с применением блоков из газобетона (марка по плотности — D400, толщина материала — 374 мм).

Категория кладки — вторая, средняя толщина швов — 1 см.

Чтобы произвести расчёт, должен быть принят регулярно повторяющийся кладочный элемент. В рамках работы задача была решена следующим образом: был взят фрагмент стены с размерами блока 625Ч250 мм (размер блока, выполненного с применением автоклавного газобетона, являющийся стандартным для оборудования Wehrhahn, которое применяется в России для производства газобетонных блоков).

Швы для расчёта — вертикальный, горизонтальный два.

Описанный выше регулярный элемент был разделён с помощью плоскостей, направление которых — параллельное потоку тепла, на участки, в рамках которых теплопроводность приобретает различные значения. Были получены два участка, обладавших свойствами однородности и являвшихся одинаковыми. Параметры участков:

;(102)

;

;(103)

;

• где — сопротивление теплопередаче, которое оказывается газобетонной составляющей регулярного элемента;
• площадь газобетонной составляющей регулярного элемента, который имеет перпендикулярное потоку тепла расположение;
• о -сопротивление теплопередаче растворной составляющей регулярного элемента;

По формуле (104) можно осуществить расчёт численного значения, которое будет принято коэффициентом теплотехнической однородности:

(104)

Рисунок 6.8 — Схема регулярного элемента, который был использован для определения численного значения коэффициента теплотехнической однородности стен. Материал для кладки стены — газобетон, средняя толщина швов, полученных раствором — 1 см

Пример 2. Кладка стен из выполняется из аналогичных первому примеру блоков из газобетона, при кладке используется специальный клей, позволяющий снизить толщину кладочного шва до 2 мм.

Ниже представлен процесс расчёта сопротивления, которое описанная выше кладка стен оказывает теплопередаче.

Регулярно повторяющийся кладочный элемент, который необходим для осуществления расчётов, был принят тот же самый, что и в первом примере (единственное отличие — 2-миллиметровая толщина кладки).

Значения, полученные при расчёте показателей для изучаемого регулярного элемента во втором примере:

;(105)

;

;(106)

Использованы те же самые обозначения, что и в первом примере.

Сопротивление теплопередаче, которое оказывает весь регулярный элемент в совокупности, примет значение:

(107)

На основании полученных данных можно рассчитать значение коэффициента теплотехнической однородности:

Рисунок 6.9 — Схема регулярного элемента, который был использован для определения численного значения коэффициента теплотехнической однородности стен. Материал для кладки стены — газобетон, средняя толщина швов, полученных при помощи специального клея — 2 см

Описанные выше примеры свидетельствуют о значительном влиянии, которое оказывают кладочные швы на сопротивление теплопередаче, которое оказывают стены, выполненные из газобетонных блоков (марка — D400 по плотности).

Так, для 375-миллиметровых блоков было получено, что при использовании раствора для кладочных швов (в этом случае толщина шва примерно равняется 1 см) дополнительные потери тепла, обусловленные существованием швов, могут составить 27%, при применении специального клея показатель снижается до 7%.

Таблица 2 содержит информацию по количественным значениям коэффициентов однородности теплотехнического характера для разных марок газобетона, используемого для кладки стен. Также значение данного коэффициента может меняться в зависимости от толщины стены.

Таблица 16 — Коэффициенты однородности в теплотехническом плане для газобетона, используемого при кладке стен

Марка газобетона	Толщина стены, мм	Коэффициент теплотехнической однородности, r для кладки на клею (толщина шва 2 мм)	Коэффициент теплотехнической однородности, r для кладки на растворе (толщина шва 10 мм)
D400	100,150,200, 250,300,375	0,93	0,73
D500	100,150,200, 250,300,375	0,94	0,78
D600	100,150,200, 250,300,375	0,96	0,82

Согласно представленным в таблице 15 данным, при повышении плотности газобетонного материала, то влияние, которое кладочные швы оказывают на теплотехническую однородность всей стены, снижается. Нужно заметить, что при применении для швов клея либо раствора, который обладает меньшей способностью к теплопроводности, значения рассматриваемых коэффициентов повысятся (а значит, то сопротивление, которое стены оказывают теплопередаче, увеличится).

На основании описанных результатов можно сформировать следующий перечень выводов.

• если толщина кладочных швов имеет небольшие значения, то сопротивление теплопередаче, которое оказывает стена, приобретает большие значения (потери тепла через такую стену, возникающие вследствие наличия в ней швов, меньше);
• если плотность газобетонного материала, который используется для производства блоков для стен, высокая, то влияние кладочных швов на однородность стены в теплотехническом плане меньше;

-если коэффициент теплопроводности у раствора, используемого при кладке стены, имеет небольшое значение, то влияние, которое оказывают кладочные швы на однородность стены в теплотехническом плане, меньше (из-за этого потери тепла через стену вследствие существования таких швов снизятся).

Чтобы снизить влияние, которое оказывают кладочные швы на однородность стен, выполненных с применение газобетонных блоков, в теплотехническом плане, нужно применять для осуществления кладки специальный клей, позволяющий довести толщину шва до 2±1 мм. Если для производства кладки применяется раствор, то его коэффициент теплопроводности должен быть минимальным.

7 .1 Организация процесса разработки и строительства программного продукта для расчета нагрузок на ролики МНЛЗ

7.1.1 Экспертная оценка трудоемкости выполнения разработки

Расчет трудоемкости разработки производится по следующей формуле:

,(108)

где- трудоемкость работ по стадиям проектирования;

• n — количество стадий проектирования.

Воспользуемся экспертными методами определения трудоемкости работ на каждую стадию процесса. Определим, пользуясь собственным опытом и знаниями максимальное и минимальное время необходимое для разработки каждого пункта, а исходя из них ожидаемое время. Ожидаемое время определяется по формуле:

,(109)

где Т _ож — ожидаемое значение трудоемкости;

• минимально возможная продолжительность работы (предполагаемая продолжительность при наиболее благоприятных условиях);
• максимальная продолжительность работы (предполагаемая продолжительность при самых неблагоприятных условиях).

Затраты времени на каждую стадию разработки проекта представлены в таблице16.

Таблица 17 — Затраты времени по стадиям разработки проекта

Стадия разработки	чел. дни	чел. дни	Ожидаемые затратывремени, чел. дни
Подготовительный этап	35	45	50
Анализ аналогов проекта	14	18	20
Подготовка грунта	30	45	48
Закладка фундамента	45	60	66
Кладка стен здания	150	170	196
Итого:	274	338	380

Вывод: Ожидаемые затраты времени составили 380 чел. дней.

7.1.2 Определение состава исполнителей, их функций и фондов времени работы

Строительство здания ограничено жесткими условиями, в первую очередь обусловленными необходимостью оперативного выполнения разработки с оптимальным качеством. Время выполнение поставленной задачи не более 12,7 мес. Число человек, работающих над проектом — 41 чел., а именно:

• руководитель проекта;
• исполнитель проекта. Функции исполнителей работ:
• руководитель проекта: руководит проектом, определяет общие требования к конструкции здания, выявляет ошибки;
• исполнитель: реализует требования руководителя, выявляет и исправляет ошибки.

Распределение объемов работы между исполнителями приведено в таблице 18.

Таблица 18 — Распределение фонда времени

Этапы проектирования	Руководитель	Исполнитель
	%	чел. дни	%	чел. дни
Подготовительный этап	90	45	10	5
Анализ аналогов проекта	90	18	10	2
Подготовка грунта	20	10	80	39
Закладка фундамента	10	7	90	60
Кладка стен здания	15	30	85	167
Итого:	—	110	—	273

Вывод: таким образом, объем всех выполняемых работ равен 273 чел. дней.

7.2 Технико-экономическое обоснование проекта

Рассчитаем сметную стоимость разработки.

Для исчисления амортизационных отчислений на оборудование необходимо определить стоимость всего оборудования и программного обеспечения для выполнения проекта. Полная стоимость всех необходимых затрат представлена в таблице 19.

Таблица 19 — Стоимость оборудования и программного обеспечения

Оборудование	Стоимость, тыс. руб.
Силикатный кирпич	7260
Плиты перекрытия	5503
Арматура	3456
Бетон	5540
Окна	2880
Итого	24640

Поскольку предполагается, что ЭВМ уже есть, ее стоимость не входит в затраты, считается только размер амортизационных отчислений на оборудование, который определяется по формуле:

,(110)

где Ц _об — стоимость строительного материала (24640 тыс. руб.);

t _p — время работы, дней (273 день);

Т _р — число рабочих дней в году (251 день);

• норма отчисления на амортизацию оборудования(10% в год).

В итоге получим:

Затраты на основную заработную плату исполнителей определяются исходя из оклада и трудоемкости исполняемых ими работ.

,(111)

гдеЗП _ср ._мес — среднемесячная заработная п2лата;

Т _р — трудоемкость выполняемых работ;

22 — среднее число рабочих дней в месяце.

Примем следующие размеры окладов для участников разработки: руководитель — 50000 руб., исполнитель — 800000 руб. Расчет фонда заработной платы приведен в таблице 20.

Таблица 20 — Расчет заработной платы

Исполнитель работ	Время, дни	ЗП дн, руб.	Сумма ЗП, тыс. руб.	Доп. ЗП, тыс. руб.
Руководитель	110	2273	250	250	—
Исполнитель	273	36600	9927	9927	—
Фонд заработной платы	1018.1	1018.1	346

Ставка тарифов страховых взносов для основных категорий работодателей в 2011 году составляет 34% от общего фонда ЗП:

,(112)

Ставка страховых взносов для основных категорий работодателей:

26%- пенсионный фонд РФ;

2.9% — фонд социального страхования;

2.1% — фонд обязательного медицинского страхования (Федеральный);

3% — фонд обязательного медицинского страхования (Территориальный):

,(113)

,(114)

Расчет затрат на прочие расходы определяется в процентном соотношении от суммы предыдущих статей затрат (5%).

,(115)

Смета затрат на разработку представлена в таблице 21.

Таблица 21 — Смета затрат на разработку

Статья затрат	Сумма, тыс.руб.	В процентах отобщей суммы, %.
1.Затраты на оборудование	24640	72.64
2.Затраты на амортизацию оборудования	2679	7.9
3.Заработная плата	1018,1	3
4.Страховые взносы	346	1.02
5.Накладные расходы	611	1.8
6.Прочие расходы	220,26	0.65
Сметная стоимость:	33920	100

Вывод: таким образом,с учетом затрат на строительные материалы, амортизацию оборудования, заработную плату, страховые взносы, накладные расходы и прочие расходы сметная стоимость строительства здания составит33920тыс.руб.

7.3 Технико-экономические показатели проекта

Технико-экономические показатели проекта включают в себя технические и экономические результаты, выявленные и рассчитанные в ходе выполнения организационно — экономической части данной диссертации. Все данные занесены в таблицу 22; 23.

Таблица 22- Технико-экономические показатели квадратного здания проекта

Показатель	Единица измерения	Значение показателя
Высота здания	метры	27
Трудоемкость разработки	чел. дни	380
Число исполнителей работ	чел.	41
Сметная стоимость разработки	тыс.руб.	33920

Таблица 23- Технико-экономические показатели цилиндрического здания проекта

Показатель	Единица измерения	Значение показателя
Высота здания	метры	27
Трудоемкость разработки	чел. дни	390
Число исполнителей работ	чел.	41
Сметная стоимость разработки	тыс.руб.	32880

Таблица 24- Технико-экономические показатели четыреxскатной крыши проекта

Показатель	Единица измерения	Значение показателя
Площадькрыши	м2	232,91
Трудоемкость разработки	чел. дни	38
Число исполнителей работ	чел.	21
Сметная стоимость разработки	тыс.руб.	1597

Таблица 25- Технико-экономические показатели сферической крыши проекта

Показатель	Единица измерения	Значение показателя
Площадькрыши	м2	199,7
Трудоемкость разработки	чел. дни	42
Число исполнителей работ	чел.	21
Сметная стоимость разработки	тыс.руб.	1343

Вывод: поскольку проект разрабатывался с использованием передовых технологий, которые в то же время являются весьма распространенными и с использованием стандартов, то здание может использоваться достаточно длительное время без морального устаревания в течение как минимум 15-20 лет. Оптимальный вариант для строительства: здание цилиндрической формы, крыша сферическая.

При осуществлении работ, к которым работники допущены по своим квалификации и профессии, ими должны соблюдаться требования, указанные в действующих на настоящий момент инструкциях по трудовой охране. Кроме того, ими обязательно должны учитываться те требования, которые предъявляются изготовителем средств защиты, технического оборудования, инструмента, оснастки и фигурируют в инструкциях по эксплуатации конкретных объектов. Ниже представлен анализ причин, которые могут привести к получению работниками травм во время совершения производственной деятельности, также описаны мероприятия, реализация которых поможет снизить количество производственных повреждений травматического характера.

8.1 Организация площадки строительства, рабочих мест и участков

С точки зрения безопасности организация площадки строительства, рабочих мест и участков должна быть осуществлена так, чтобы работники при осуществлении всех предусмотренных видов деятельности находились в безопасности.

Организация площадки строительства, рабочих мест и участков в обязательном порядке сопровождается определением зон, в пределах которых действует постоянная опасность для людей. Также должны быть определены зоны, в которых опасные факторы производства могут воздействовать на работников потенциально. На границах определённых зон устанавливаются заграждения защитного назначения, если же в пределах территории существуют только факторы, которые приводят к опасности для работников лишь потенциально, то на их границах устанавливаются специальные знаки безопасности либо ограждения сигнального назначения.

Если площадка строительства находится в населённом пункте, то она должна иметь ограждения со всех сторон — это необходимо для предотвращения несанкционированного попадания на площадку жителями. Если ограждение непосредственно контактирует с зоной, где осуществляются регулярные перемещения людей, то ограждение сверху должно быть оборудовано сплошным защищающим людей козырьком.

Шурфы, колодцы и иные грунтовые выемки в тех местах, куда потенциально могут попасть люди, должны иметь ограждения, крышки или щиты. При наступлении тёмного времени суток грунтовую выемку нужно обозначить электрическими лампами сигнального назначения.

В месте, где осуществляется въезд автотранспорта на площадку проведения строительства, устанавливается схема, предписывающая, как транспорту нужно двигаться по площадке. Если выезд со строительной площадки находится в проезде или на обочине дороги, то возле него должны быть установлены читаемые дорожные знаки, регулирующие движение ТС в районе выезда с площадки строительства.

Ширина проходов к местам, где осуществляется работа (а также ширина самих рабочих мест) должна составлять как минимум 60 см. Минимально допустимое значение высоты проходов в свету — 1,8 метра.

Вход в сооружение или здание, которое возводится на площадке строительства, должен иметь защиту в виде расположенного сверху сплошного навеса. Минимальная ширина навеса определяется суммой ширины, которую имеет вход, с как минимум двухметровым вылетом от стены строения.

Предназначенные для лифтов, клеток лестниц и оборудования проёмы, которые сооружаются в перекрытиях, должны иметь ограждение либо защитный сплошной настил.

Осуществление складирования на рабочем месте оборудования и материалов должно осуществляться так, чтобы они не снижали ширину проходов и не формировали опасность для рабочего при выполнении ими определённого вида строительных работ. Материалы изоляционного, лакокрасочного, отделочного характера, в состав которых входят вредные либо взрывоопасные компоненты, могут храниться на рабочем месте только в том количестве, которое максимально необходимо для работы в течение одной смены.

Мусор, образовавшийся при строительстве, нужно опускать с лесов и возводимых строений в контейнерах, закрытых ящиках либо по закрытым желобам. Сброс мусора без каких-либо приспособлений разрешается только в том случае, если высота сброса не превышает трёх метров. Места, куда попадает мусор в результате сброса, должны быть ограждены со всех сторон (допускается также установления надзора, задачей которого будет предупреждение о существующей опасности).

На местах, где производится подготовка к применению мастик, клеев, красок и материалов иного характера, в состав которых входят вредные либо взрывоопасные компоненты, действия, из-за которых может возникнуть искра или огонь, не допускаются. Для таких рабочих мест обязательно регулярное проветривание.

8.2 Эксплуатация строительных машин

Место, где будут работать машины, должно определяться с учётом обеспечения пространства, где машина сможет свободно маневрировать. В месте, определённом для эксплуатации машины, должны находиться надписи предупреждающего характера, а также знаки безопасности.

Эксплуатация машин требует предварительного принятия мер, которые позволят свести к минимуму вероятность произвольного изменения местоположения машиной либо е опрокидывания.

8.3 Эксплуатация инструмента, оснастки технологического характера

Работы строительно-монтажного плана невозможны без оснастки (к ней относятся, в частности, штучные и сыпучие материалы, тары для смеси из бетона, подмачивающие средства, устройства для захвата грузов), СИЗ и ручного инструмента строительного назначения.

Подмачивающие средства должны обладать рабочими ровными настилами, максимальный размер зазора между соседствующими досками — 5 мм. Если настил расположен на высоте 1,3 метра (или больше), то по его границам обязательно должны быть борты и ограждения. Щиты настилов могут соединяться внахлёст только по длине (завершения элементов, которые стыкуются, должны располагаться на опоре, причём перекрывать её по каждой стороне как минимум на 0,2 метра).

Леса должны иметь закрепление на стене строения, которое возводится. Каждые 10 дней (или чаще) строительные леса должны осматриваться мастером либо прорабом.

Крюки средств, которые используются для захвата грузов, оснащаются замыкающими устройствами предохранительного назначения. Такие устройства не допускают произвольное падение груза с устройства.

Тара, траверсы и стропы при их эксплуатации, должны осматриваться ответственным за техническое состояние данных приспособлений лицом в сроки, которые прописываются в требованиях.

8.4 Транспортные работы

Владелец ТС должен обеспечить технический сервис транспорта в устанавливаемые для этого сроки заводом, который занимается производством ТС. Кроме того, владельцем транспорта должен обеспечиваться его ремонт.

Грузы для сведения к минимуму вероятности падения или перекатывания размещаются и крепятся на ТС в соответствии с условиями технического характера, которые устанавливаются для данной процедуры применительно к конкретному грузу.

8.5 Газопламенные работы, работы по электрической сварке

Если газопламенная работа либо работа по электрической сварке осуществляется на каком-либо строительном ярусе, то на нём и на всех ярусах, которые лежат ниже (при условии, что настил, защищённый материалом, не поддающимся сгоранию, отсутствует), сгораемых материалов не должно быть в радиусе как минимум 5 метров (если на ярусе есть установки и материалы, которые могут взорваться — как минимум 10 метров).

При работе со сварочными проводами нужно предпринимать меры, в результате которых будет сведена к минимуму вероятность нанесения повреждения изоляции провода либо его соприкосновения со сталью, нагретыми трубами, маслом, водой.

Металлические составляющие оборудования, которое используется для сварки, при отсутствии напряжения на нём, а также конструкции и изделия, которые свариваются между собой, обязательно должны иметь заземление в течение сварочных работ.

Если рабочее место, где работает электросварщик, не имеет защитного навеса, то электросварка не может проводиться при снегопаде либо дожде.