Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК. 728.1.

Підвищення енергоефективності житлових будинків на основі

оптимізації їх форми

18.00.02 - архітектура будівель і споруд

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата архітектури

Кащенко Тетяна Олександрівна

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат архітектури, доцент, Косенко Юрій Анатолійович, Київський національний університет будівництва і архітектури, кафедра архітектурного проектування цивільних будівель і споруд

АНОТАЦІЇ

В дисертаційній роботі розглядаються питання підвищення енергоефективності житлових будинків шляхом пошуку оптимальних параметрів їх форми. Дослідження базується на вивченні досвіду енергозбереження в архітектурі, формалізації процесів формоутворення енергоефективного житла, побудові структурних та структурно-логічних моделей для ранжування факторів за впливовістю на енергозбереження. Розроблено інформаційну модель впливу параметрів форми будинку на його енергоефективність. Отримано рівняння розрахунку показника енергоефективності для точкових та подовжених житлових будинків. Сформульовано оптимізаційну задачу та розроблено алгоритм загальної методики підвищення енергоефективності житлових будинків. Розроблені методики порівняльної оцінки варіантів будинків, оптимізації їх форми та її додаткового коригування.

Ключові слова: житловий будинок, енергозбереження, енергоефективність, структурно-логічна та інформаційна моделі, параметри форми будинку, оптимізація, алгоритм.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы повышения энергоэффективности жилых зданий на основе оптимизации параметров их формы. Проведен анализ проблемы энергосбережения в области жилищного строительства предложена концепция оптимизации основных параметров формы здания. Выполнена классификация энергоэффективных зданий и выявлены их целевые признаки и семантические характеристики. Формализованы основные качества жилых зданий как основа для комплексной оценки их энергоэффективности.

Определена стратегия исследования энергоэффективных жилых зданий.

Рассмотрение архитектурно-природной среды на уровне изучения связей её составляющих позволило разработать структурную и структурно-логическую модели для ранжирования факторов, влияющих на энергосбережение. Доказано существенное влияние характера формы здания на энергосбережение. Для факторов, выявленных на основе проведенного моделирования, составлены ряды зависимостей их параметров и показателя энергоэффективности. Составлена информационная модель влияния параметров формы здания на его энергоэффективность для точечных и протяженных жилых зданий.

Разработан алгоритм общей методики провышения энергоэффективности жилых зданий, включающий этапы: подготовительный, сравнительной оценки вариантов жилых зданий, оптимизации параметров их формы и её дополнительной корректировки путем рационального расположения оконных проемов на плоскости фасада и выбора дифференцированного колористического решения.

Для реализации теоретических исследований разработаны практические рекомендации применения предложенных методик в архитектурном проектировании жилых зданий.

Развитие исследований диссертационной работы может быть осуществлено в направлении расширения количества параметров, которые используются в моделях, изучения влияния архитектурно-планировочного решения здания на его энергоэффективность, адаптации методики к решению задач оценки энергоэффективности зданий других типологических групп, а также использование результатов исследования в составе систем компьютерного проектирования.

Ключевые слова жилое здание, энергосбережение, энергоэффективность, структурная и структурно-логическая модели, параметры формы здания, оптимизация, алгоритм.

The thesis is dedicated to problems of increasing of energy efficiency of dwelling houses. The structural and structural-logical models of environment are developed for ranking factors on degree of their influence on energy savings. Is developed information model of quantity relation between selected factors and energy efficiency. Equation of degree of energy efficiency of dwelling buildings is obtained. The basic results of dissertation are developing of method of comparing variants of dwelling buildings, method of optimisation parameters of their forms and their additional correction.

Key word: dwelling building, energy savings, energy efficiency, structural and structural-logical models, parameters of the form of the building, optimisation, algorithm.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. До найважливіших проблем сучасності відноситься проблема раціонального використання енергетичних ресурсів, що давно вже набула глобального значення в економічному та екологічному аспектах. В Україні економія енергетичних ресурсів, зокрема в архітектурі є нагальною проблемою, що безпосередньо відноситься до архітектури житла.

За результатами проведеного аналізу , переважна кількість житлових будинків міст і сіл України на сьогоднішній день не відповідає вимогам енергоощадності з причин недосконалості архітектурних рішень, використання в будівництві неефективних конструктивних матеріалів та застарілих типів інженерних систем.

Відомо, що житлові будинки в містах і сільській місцевості України потребують 25-30 % палива від загальної його кількості, що витрачається щорічно в державі. Для загальної характеристики витрат палива на опалення будинків в середньому по Україні за один опалювальний період на 1млн. м² житлової площі витрачається приблизно 55000 т натурального палива, що у 1,5 рази більше ніж у США та у 2 рази - ніж у Швеції. Тобто, в нашій країні не набули ще необхідного розповсюдження архітектурні рішення, що запобігають надмірним витратам теплової енергії.

Актуальність теми визначається необхідністю розвитку методів підвищення енергоефективності житла, які використовуються в процесі проектування нових житлових будинків та при реконструкції існуючих.

Загальною теоретичною базою даних досліджень є роботи в галузі оптимізації містобудування та архітектури: Азгальдова Г.Г., Бархіна Б.Г., Дьоміна М.М., Єжова В.І., Клюшніченка Є.Є., Ковальського Л.М., Лаврика Г.І., Макухіна В.Ф., Михайленка В.Є., Мойсеєнко З.В., Панченко Т.Ф., Підгорного О.Л., Рєпіна Ю.Г., Рудницького А.М., Сазонова К.О., Слєпцова О.С., Тімохіна В.О., Уреньова В.П., Фільварова Г.І., Фоміна І.О., Шилова Е.Й., Штолька В.Г., Яблонського Д.Н., а також Буравченка С.Г., Василенка Л.В., Григор'єва Е.П., Заіки О.В., Когута П.М., Косенка Ю.А. , Лазарєва О.І., Осітнянка А.П., Середюка І.І., Яблонської Г.Д. та інших.

Безпосередньо проблемам енергозбереження присвячені роботи Айзена М.А., Антонюка Д.I., Бєляєва В.С., Гершковича В.Ф., Сарнацького Е.В., Селіванова Н.Н., Стронського Л.М., Фердта Р.А., Хавхун Г.Н., Хохлової Л.П., Черних Г.Ф. та інших, питанням теорії архітектури та естетики - Акина О., Габричевського А.Г., Кравця В.І., Мардера А.П., Саприкіної Н.А. та інших.

При проведенні досліджень було проаналізовано результати опублікованих з цієї проблеми робіт іноземних авторів: Бекмана У., Волошина М.А., Даніелса К., Зейтуна Ж., Кноуелса Р., Маркуса Т.А., Морріса Е.Н., Фаті Н. та інших.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Суттєве скорочення енерговитрат в архітектурі, зокрема в житловому будівництві, передбачається здійснити за рахунок застосування нових методів енергозбереження, необхідність використання яких документально закріплена Законом “Про енергозбереження”, затвердженим Постановою Верховної Ради України від 01.07.94. На цій основі урядовими організаціями розроблено Національну енергетичну програму України; Комплексну Державну програму енергозбереження України (КДПЕУ), схвалену Постановою Кабінету Міністрів України від 5 лютого 1997 р., Додаткові заходи та уточнені показники виконання КДПЕУ відповідно до указу Президента України від 10.03.2000р. №457 (ст.1,п.14), Глобальну стратегію енергозбереження для України в межах програми TACIS, Державну науково-технічну програму енергозбереження в житловому і цивільному будівництві, Постанову Кабінету Міністрів України “Про державну експертизу з енергозбереження” від 15 липня 1998р. №1094, накази Міносвіти та Держкоменергозбереження “Про першочергові заходи щодо підвищення громадсько-освітнього рівня у сфері енергозбереження” та “Про затвердження Програми освіти населення України з енергозбереження”, Державні стандарти енергозбереження та інші. Тема дисертаційної роботи відповідає цим документам та безпосередньо пов'язана з державною програмою енергозбереження в галузі житлового будівництва в розділі використання методів проектування енергоефективних будівель.

Провідними організаціями в галузі енергозбереження на Україні є: Державний комітет України з енергозбереження, Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, Науково-дослідний інститут будівельних матеріалів та виробів, Київський Зональний науково-дослідницький інститут експериментального проектування (КиївЗНДІЕП), Інститут енергозбереження НАН України, Національний технічний університет КПІ, Київський національний університет будівництва і архітектури (КНУБА), Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури (ХДТУБА), науково-виробниче підприємство ”Укргеліопром”, Корпорація “Укрбудматеріали”, акціонерне товариство “Укренергозбереження” та інші.

Метою роботи є підвищення енергоефективності житлових будинків шляхом вибору таких параметрів їх форми, що забезпечують зниження тепловитрат.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі розв'язуються задачі:

- визначення зв'язку заходів енергозбереження та формоутворення архітектурно-будівельного об'єкту, виявлення цільових характеристик та семантичних ознак енергоефективних житлових будинків;

- формалізація зв'язків компонентів архітектурно-природного середовища з урахуванням їх впливу на ступінь енергоефективності будинку;

- ранжування факторів, що впливають на енергоефективність житлового будинку, на основі структурного та структурно-логічного моделювання;

- встановлення кількісної залежності параметрів форми будинку та його енергоефективності;

- формування методики і алгоритмів порівняльного аналізу житлових будинків за ознакою їх енергоефективності, оптимізації загальної форми та додаткового коригування її характеристик;

- розробка рекомендацій щодо практичного використання методики підвищення енергоефективності житлових будинків на основі вибору оптимального за критерієм енергоефективності варіанту параметрів форми житлового будинку та характеристик поверхні його фасадів;

Об'єктом досліджень є параметри форми житлових будинків, що забезпечують мінімізацію тепловитрат.

Предметом досліджень є енергоефективність житлових будинків, пов'язана з характеристиками їх форми.

Методика досліджень базується на використанні порівняльного аналізу при вивченні історичних та сучасних прикладів енергоефективних будинків, структурно-логічного моделювання при дослідженні впливу параметрів форми будинку на його енергоефективність, математичної оптимізації та комп'ютерного моделювання при проведенні порівняльної оцінки будинків за ознакою їх енергоефективності, а також методів експериментального проектування при апробації запропонованих методик на практиці.

Наукова новизна роботи полягає у здійсненні систематизації напрямків удосконалення архітектурного об'єкта за ознакою його енергоефективності, виявленні семантичних характеристик енергоефективних будинків, створенні структурної та структурно-логічної моделей зв'язків факторів архітектурно-природного середовища для їх ранжування за вагомістю впливу на ступінь енергоефекивності будинку; розробці інформаційної моделі впливу параметрів форми будинку на його енергоефектитвність, в розробці способу кількісної порівняльної оцінки енергоефективних якостей архітектурного об'єкта за даними статистичного аналізу сформованої інформаційної моделі, розробці теоретичних основ методик підвищення енергоефективності житлових будинків на основі здійснення порівняльної оцінки варіантів форми будинків, оптимізації та додаткового коригування.

Практичне значення отриманих результатів роботи полягає у підвищенні енергоефективності житлового будинку шляхом визначення раціональних параметрів його форми.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень впроваджено: в Державному комітеті будівництва, архітектури та житлової політики України при реалізації Програми реконструкції будинків перших масових серій, Державному проектному інституті Діпромісто (Київ) при формуванні бази даних порівняльної оцінки енергоефективності варіантів житлової забудови, в Науково-дослідному інституті теорії, історії архітектури та містобудування (НДІТІАМ) при теоретичних дослідженнях концептуальних напрямків енергоефективності в архітектурі, в учбовому процесі архітектурного факультету Київського Національного університету будівництва і архітектури (КНУБА) при архітектурному курсовому та дипломному проектуванні.

Основні результати роботи оприлюднено на 57, 59, 60 науково-практичних конференціях Київського національного університету будівництва та архітектури (КНУБА) в 1996 --1999 р.р., на міжнародних науково-практичних конференціях "Архітектура та екологія" в 1995р. в м. Сімферополі та "Житло, енергія, екологія" в 1998р. в м.Львові, на міжнародному науково-практичному семінарі "Клімат та архітектура" в 1997р. в м. Сімферополі.

Основні результати дисертації опубліковано в 9 статтях в наукових збірках.

Дисертація складається з вступу, трьох розділів і висновків загальним обсягом 113 сторінок тексту та 45 ілюстрацій на окремих аркушах, додатків, а також списку використаних джерел, що включає 145 назв.

ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено з'вязок роботи з науковими програмами, сформульовано мету та основні задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення результатів дослідження, а також апробацію результатів роботи.

У першому розділі “Аналіз актуальних проблем енергозбереження в архітектурі” проведено аналіз сучасного стану проблеми, історії розвитку наукових досліджень в цій галузі та розглянуто сучасні екологоспрямовані тенденції в архітектурі, визначено поняття енергоефективних будівель та представлена класифікація існуючих типів енергоефективних будівель, визначено основні риси, притаманні таким будинкам, розглянуто їх семантичні особливості, формалізовано енергоефективні якості житлового будинку.

Системний розгляд поставленої проблеми вимагає вивчення її витоків, тенденцій розвитку, можливостей формалізації з метою встановлення закономірностей, що в свою чергу передбачає вибір і застосування відповідних методів. Оскільки проблема енергозбереження в архітектурі тісно пов'язана, як показав її аналіз, з питаннями теорії архітектури, методології та методики архітектурного проектування, екології і сфери законодавства та інших питань, то для означення області досліджень, що реалізуються в даній роботі, пропонується структурувати інформаційний простір дослідження за рівнями, глибиною розгляду та методами досліджень. Для всебічного дослідження проблеми енергоефективності в архітектурі запропоновані підготовчий, теоретичний, науково-методичний та прикладний рівні. Кожен з цих рівнів передбачає визначення проблеми у відповідній галузі та методів її дослідження.

Вивчення сучасного стану проблеми енергозбереження в житловому будівництві України та зарубіжних країн свідчить про актуальність та перспективність розробки методик виявлення якостей об'єктів, що проектуються, на ранніх стадіях їх розробки.

Класифікація архітектурно-будівельних об'єктів за ознакою їх енергоефективності базується на єдності їх енергетичної основи. Включення до переліку класифікаційних ознак ознаки енергоефективності дає можливість провести аналіз будівель з визначенням характеру отримання ним енергії, способу її перетворення та використання.

За ступенем взаємовпливу зовнішнього середовища на внутрішнє середовище будівлі можна розділити на повністю залежні від зовнішніх факторів, взаємодіючі з зовнішнім середовищем та незалежні (автономні). Житлові будинки відносяться до другої групи та вирізняються за способом отримання, акумуляції та використання енергії, поділяються за ступенем енергоактивності, за видом енергії, що використовується, за специфічними прийомами проектування.

За видом альтернативних джерел енергії, що використовуються, житлові будинки поділяються на типи: вітроенергоактивні, енергоактивні з використанням низько потенційної гідро- та геотермальної енергії , біоенергоактивні, геліоенергоактивні. Як окремі типи виділяються будинки з специфічними прийомами проектування: заглиблені та атріумні. За ступенем заміщення енергії не відновлюваних джерел енергії житлові будинки поділяються на: будинки малої енергоактивності - до 10%; середньої енергоактивності -10 -60%; високої енергоактивності - 60-100%;будинки енергетично автономні -100%; будинки надлишкової енергоактивності -.>100%.

Пріоритетна орієнтація на використання відповідного виду енергоджерела відбивається на структурі житлових будинків і споруд. Проектування з урахуванням домінуючих факторів енергозбереження призводить до виявлення регіональних особливостей будівлі.

Розвиток архітектурної форми з точки зору її енергоефективності доцільно розглянути в системі " людина - природа - архітектура". Аналіз еволюції системи свідчить про зростання на сучасному етапі значення факторів, що мають енергетичну основу.

Семантика образу енергоефективних будинків складається з семантичних ознак, притаманних об'ємно-просторовому та архітектурно-планувальному рішенню, що охоплює загальну характеристику об'єму, пластику, фактуру та колір площин фасадів, елементів у вигляді символів та атрибутів енергетичної раціоналізації форми, що досягається на основі оптимізації енергетичного стану об'єкта в певному середовищі.

Проведений аналіз житлових будівель з точки зору поставленої мети досліджень дозволив синтезувати основні цільові ознаки енергоефективності будівель, на основі чого було формалізовано основні енергоефективні якості будівлі.

Принципами функціонування енергоефективного будинку є: максимальне отримання енергії, максимальна акумуляція, мінімальні витрати, мінімальні втрати. Тобто, енергетичний баланс Е будинку можна записати як:

Е = mахЕ_{теплонадходжень}+mахЕ _{аккумуляції} - міnЕ_витрат - minЕ_втрат (1.1),

де Е_{теплонадходжень} - показник кількості теплонанадходжень до будинку;

Е _{акумуляції} - показник кількості акумульованої в будинку енергії;

Е_витрат - показник кількості енергії, що корисно витрачається у будинку ;

Е_втрат - показник кількості енергії, що неефективно втрачається в будинку.

Оцінка ступеню енергоефективності будинків є однією з основних задач в процесі їх проектування. Зважаючи на визначену в Україні пріоритетність урахування умов холодної пори року, що закріплено нормативними документами, критерієм оцінки енергоефективності є зменшення тепловитрат, тобто режим енергозаощадження.

На цій основі комплексна оцінка Е енергоефективності будинку визначається як сума оцінок енергоефективних якостей його елементів і характеристик, тобто

Е = е _і , або Е =е₁+ е₂+ … + е _n. (1.2.),

де е _і - показник енергоефективності елементу будинку.

Проведена формалізація урахування енергоефективності будинку є підставою для моделювання зв'язків елементів архітектурно-природного середовища з подальшим виявленням кількісних показників енергоефективності будинків.

Висновки по першому розділу.

Аналіз стану і тенденцій розвитку сучасної архітектури, зокрема архітектури житлових будівель, свідчить про зростання ролі енергозбереження як екологічного та економічного фактору, що суттєво впливає на формування сучасних житлових будинків.

Вивчення проблем енергозбереження в житловому будівництві України дозволило виявити актуальні напрямки дослідження та визначити область дослідження цієї проблеми на теоретичному, методичному та прикладному рівнях.

Результати досліджень досвіду енергозбереження в архітектурі довели, що існує об'єктивна основа підвищення енергоефективності житлових будинків на основі оптимізації характеристик її форми.

Класифікація енергоощадних житлових будинків дозволила визначити типи будинків, форма яких найбільшим чином пов'язана з підвищенням їх енергоефективності.

Вивчення еволюції форми і структури житла відповідно ступеню розвитку засобів енергозабезпечення і енергозбереження дозволило виявити тенденції оптимізації архітектурної форми за критерієм енергоефективності.

На основі дослідження проблем естетичного сприйняття нових форм і елементів сучасних енергоефективних будинків сформульовано основні семантичні ознаки енергоефективної будівлі.

Формалізація основних характеристик житлових будинків дозволила запропонувати підхід до комплексної оцінки ступеню його енергоефективності.

У другому розділі “ Теоретичні основи оцінки енергоефективності житлових будинків” розроблено стратегію дослідження енергоефективності житлового будинку за критерієм його енергоефективності. Проведено структурне та структурно-логічне моделювання зв'язків факторів архітектурно-природного середовища з метою їх ранжування за вагомістю впливу окремих факторів. Складено інформаційну модель впливу параметрів будинку на показник його енергоефективності та проведено її статистичний аналіз, за результатами якого отримані рівняння розрахунку показника енергоефективності будинку. Запропоновано алгоритм проведення порівняльної оцінки будинків за критерієм енергоефективності з подальшою оптимізацією параметрів обраного варіанту та детального коригування проектного рішення.

Для визначення траєкторії досліджень розглянуто трьохвимірний інформаційний масив, який узагальнює інформаційний простір дослідження проблеми енергозбереження в архітектурі. Масив структуризовано за інформаційними зрізами, в яких визначені галузі, рівні та об'єкти дослідження. Використання цього масиву дозволяє реально спланувати стратегію рішення проблеми найрізноманітнішими шляхами. У межах даної роботи предметом дослідження є енергоефективне житло, тому стратегію дослідження енергоефективності розроблено для житлових будівель. У запропонованому інформаційному масиві розроблена стратегія відповідає розгляду будинку на теоретико-філософському рівні у проблемно - аналітичній галузі, де передбачається постановка проблеми з формулюванням окремих задач; на науково-методичному рівні в проблемно - аналітичній галузі - з вивченням та аналізом існуючих методик дослідження енергоефективності та вибору напрямків їх удосконалення; на науково-методичному рівні - в предметній галузі, який включає виявлення предметної основи проектування енергоефективних будівель, наявності аналогів енергоефективного житла, що є основою розробки та удосконалення методик проектування та оцінки енергоефективних якостей житлових будинків; відпрацюванню на практичному рівні у предметній галузі застосування удосконалених методик проектування енергоефективного житла; реалізації розроблених методик в дослідницько - експериментальній галузі на практичному рівні, що передбачає їх застосування у реальному проектуванні енергоефективних житлових будинків.

В даній роботі для дослідження проблеми житлових будинків на науково-методичному рівні застосовано метод системного аналізу, який дає можливість на основі структурної та структурно-логічної моделей провести аналіз факторів, що впливають на енергозбереження.

Визначення об'єктивно існуючих зв'язків між факторами є основою створення моделі архітектурного середовища, що включає досліджуваний архітектурний об'єкт, у вигляді графа, на основі якого можна скласти структурну та структурно-логічну моделі, представлені у вигляді матриць. Стуктурна модель демонструє наявність зв'язку між факторами в системі і є відображенням графу, прийнятого як неорієнтований. Структурно-логічна модель, враховуючи напрямки зв'язку між факторами графа, прийнятого орієнтованим, показує ступінь впливовості факторів, розподіляє їх на ті, що впливають та на ті, на які впливають, тобто керуючі та керовані. Метою проведення аналізу є ранжування факторів за значущістю та ступенем впливовості. Згідно з положеннями методів математичної статистики до подальшого розгляду виділяються ті фактори, кількість зв'язків яких більше чи дорівнює середньому значенню кількості зв'язків по системі.

Розрахунок приведеного показника впливовості для груп факторів показав, що найбільш впливовими в системі “середовище - людина- будинок” з точки зору дослідження енергоефективності є групи факторів “кліматичних” (60 зв'язків) та “об'ємно-просторових і планувальних” (26 зв'язків).

Розрахунок приведеного показника впливовості, як комплексного урахування ступеня впливовості та залежності фактору у системі, показав, що для достовірності подальших досліджень повинні бути вибраними фактори з приведеним показником впливовості більшим чи рівним граничному значенню 2, а саме: об'єм, площа віконних прорізів, розташування віконних прорізів, висота, довжина, ширина, геометрична форма плану, орієнтація, колір. Таким чином, в групі об'ємно-просторових і планувальних факторів виявлені фактори, що найбільшим чином впливають на енергозбереження в системі архітектурно-природного середовища.

Найбільш впливовий фактор розглядається як цільова функція, і тому фактор енергозбереження визначається як цільовий. Фактори : “об'єм”, “площа віконних прорізів, “розташування віконних прорізів”, “висота”, “довжина”, “ширина”, “геометрична форма плану”, “орієнтація”, “колір” розглядаються як фактори безпосереднього впливу на об'єкт керування - фактор енергозбереження і використовуються для створення структурної системи процесу керування цим фактором.

В даному дослідженні об'єктом оптимізації є форма житлового будинку, а метою оптимізації - встановлення таких значень цих параметрів, при яких параметр цільової функції є мінімальним. Таким чином, критерієм оптимальності є мінімальне значення цільової функції, тобто показника тепловитрат.

Початковими умовами проведення порівняльної оцінки є параметричні обмеження об'єктивно існуючих для даного рівня проектування факторів: кліматичні умови даного регіону, існуючий ландшафт, фізіологічні вимоги до мікроклімату та параметрів приміщень, функціональна призначеність будівлі, технологічна база, вибір несучих та огороджуючих конструкцій, ефективність застосованих інженерних систем. Для коректного проведення порівняльної оцінки об'єкти, що порівнюються, повинні задовольняти цим обмеженням.

Граничні умови при вирішенні даної оптимізаційної задачі задають межі можливої зміни параметрів об'ємно-просторового рішення будинку і формулюються розробником проекту. Граничні умови можуть залежати від обмежень нормативних документів, композиційних або функціональних задач проектування.

Таким чином, підтверджується коректність постановки задачі порівняльної оцінки та оптимізації параметрів форми житлового будинку за критерієм енергоефективності.

Для виявлення ступеню впливу зміни параметрів форми будинку на параметр енергозбереження необхідно змоделювати математичні залежності динаміки зміни окремих параметрів архітектурної форми та цільової функції.

Методи математичного моделювання дозволяють скласти систему логіко-математичних співвідношень, які описують явище, що досліджується. Такі співвідношення повинні бути складеними для кожного з переліку відібраних формоутворюючих факторів: геометрична форма плану, метричні розміри, геометрична форма об'єму, площа віконних прорізів на фасаді, орієнтація, колір.

Виходячи з практики проектування при формуванні базової інформаційної моделі параметрів житлового будинку, що складається з локальних залежностей показника енергоефективності та окремих параметрів архітектурної форми, її поділено на дві окремі інформаційні моделі точкових та подовжених житлових будинків. Обраний для проведення дослідження метод математичного моделювання дозволяє поєднати описані вище локальні цільові функції впливу окремих факторів на фактор енергозбереження в єдину функцію і проаналізувати її.

Метод множинної регресії, застосований для аналізу інформаційної моделі дозволяє отримати рівняння лінійної залежності показника тепловитрат від визначених факторів та перевірити достовірність складеної математичної моделі.

За результатами регресійної статистики та дисперсійного аналізу встановлено, що для обох моделей, що розглядаються, коефіцієнт множинної кореляції дорівнює 0,99, коефіцієнт детермінованості - 0,99. Це підтверджує повну залежність результату цільової функції від параметрів обраних факторів та безперечність наявності зв'язку між ними. Коефіцієнти парної кореляції для моделей точкового та подовженого будинків показують, що існує суттєвий зв'язок між всіма факторами прийнятими для розгляду.

На основі проведених статистичних досліджень отримані математичні рівняння, які дозволяють за значеннями керуючих факторів встановити оцінку енергоефективності будинку:

- для точкових будинків

Е_точ=122,68 + 0,58(H/L) + 1,22 В - 1,49L - 95,59 К_{комп.пл.} +51,73К_{комп.об.} +14,41 К_кол. +0,036К_оскл.0 +0,11К_оскл.45 +0,043К_оскл.90 +0,028К_оскл135+0,018К_оскл.180 (2.3.),

де Е_точ - показник енергоефективності точкового будинку;

H - висота точкового будинку;

L - довжина точкового будинку;

В - ширина точкового будинку;

К_{комп.пл.} - коефіцієнт компактності плану точкового будинку;

К_{комп.об.} - коефіцієнт компактності об'єму точкового будинку;

К_кол. - коефіцієнт відносної кольоровості поверхні фасаду будинку;

К_оскл.0 - коефіцієнт осклення північного фасаду точкового будинку;

К_оскл45 - коефіцієнт осклення східно-північного, західно-північного фасаду точкового будинку;

К_оскл.90 - коефіцієнт осклення східного, західного фасаду точкового будинку ;

К_оскл.135 - коефіцієнт осклення південно-східного, південно-західного фасаду точкового будинку;

К_оскл.180 - коефіцієнт осклення південного фасаду точкового будинку.

- для подовжених будинків:

Е_под=78,83 - 4,54(H/L) - 0,084В -0,018L-34,06К_{комп.пл.} + 24,02К_{комп.об} +3,43К_кол +0,029 К_оскл.0+0,005К_оскл.45 +0,009 К_оскл.90+0,012 К_оскл135+0,021К_оскл18.0 (2.4.),

де Е_под - показник енергоефективності подовженого будинку;

H - висота подовженого будинку;

L - довжина подовженого будинку;

В - ширина подовженого будинку;

К_{комп.пл.} - коефіцієнт компактності плану подовженого будинку;

К_{комп.об.} - коефіцієнт компактності об'єму подовженого будинку;

К_кол.- коефіцієнт відносної кольоровості поверхні фасаду подовженого будинку;

К_оскл.0 - коефіцієнт осклення північного фасаду подовженого будинку;

К_{оскл45 -} коефіцієнт осклення східно-північного, західно-північного фасаду подовженого будинку;

К_оскл.90- коефіцієнт осклення східного, західного фасаду подовженого будинку;

К_оскл.135 - коефіцієнт осклення південно-східного, південно-західного фасаду подовженого будинку;

К_оскл.180 - коефіцієнт осклення південного фасаду подовженого будинку.

Отримані рівняння є основою проведення порівняльної оцінки житлових будинків та вирішення задач оптимізації параметрів архітектурної форми за критерієм енергозбереження.

Для практичного застосування цих рівнянь у процесі проектування енергоефективного житла необхідно розробити технологію проведення вибору варіантів проектних рішень житлових будинків з найменшим показником тепловитрат, тобто визначити послідовність окремих етапів та кроків порівняння цих варіантів. Запропонований в дисертаційній роботі алгоритм порівняння будинків за ознакою енергоефективності передбачає етапи: підготовчий і основні - порівняльної оцінки, оптимізації параметрів, додаткового коригування. На кожному з основних етапів можна здійснити вибір варіанту проектного рішення житлового будинку з найменшим показником тепловитрат.

Висновки по другому розділу.

В результаті аналізу задач енергозбереження в архітектурі сформовано інформаційний масив, що дозволяє визначити стратегію дослідження енергоефективності житлового будинку.

Розгляд архітектурно-природного середовища на рівні вивчення зв'язків його складових дозволив розробити структурну та структурно-логічну моделі, аналіз яких дав можливість провести ранжування факторів, що впливають на енергоефективність будинку, а також виявити цільовий критерій оптимізації - енергозбереження.

В результаті дослідження розроблених моделей доведена можливість вирішення оптимізаційної задачі за цільовим критерієм - енергозбереженням- при встановлених граничних умовах методом лінійного програмування для пошуку значення параметрів, що мінімізують цільову функцію.

Аналіз впливу факторів, відібраних за проведеним ранжуванням, на енергоефективність будинку дозволив синтезувати інформаційну модель для створення математичної моделі розрахунку оцінки його енергоефективності залежно від параметрів форми будинку.

Для аналізу математичної моделі енергоефективності будівлі було застосовано метод множинної регресії, що дозволило за даними регресійної статистики та дисперсійного аналізу довести її достовірність.

На основі статистичного аналізу математичних моделей точкових та подовжених житлових будинків отримано рівняння для розрахунку значення оцінки енергоефективності при заданих параметрах форми житлового будинку. Отримані рівняння дозволяють провести порівняльну оцінку варіантів житлових будинків за ознакою їх енергоефективності або вирішити поставлену оптимізаційну задачу за критерієм енергоефективності.

Згідно обраної стратегії вирішення задач, поставлених в роботі, розроблено загальний алгоритм визначення ступеню енергоефективності житлових будинків, який є основою для подальшої розробки методики порівняльної оцінки енергоефективності будівель та оптимізації їх параметрів.

У третьому розділі “Методика вибору та оптимізації житлового будинку за критерієм його енергоефективності” викладені методика порівняльної оцінки варіантів проектних рішень житлових будинків за критерієм енергоефективності, методика оптимізації форми будинку та методика коригування окремих параметрів, особливості застосування методик в дослідженні, а також рекомендації щодо використання їх у практиці проектування. енергозбереження будівельний житловий будинок

В умовах реального проектування енергоефективних житлових будинків важливим є наявність засобу оперативної оцінки енергоефективних якостей варіантів проектних рішень. Особливо важливим є проведення такої оцінки на ранніх стадіях проектування для вчасного вибору перспективних варіантів з використанням в розрахунках мінімально можливої кількості параметрів форми архітектурного об'єкту.

Для проведення розрахунку оцінки енергоефективності слід встановити параметри варіанту форми житлового будинку, що досліджується, і перевірити їх на відповідність граничним умовам по даному типу будинку. Після перевірки на граничні умови можна перейти до розрахунку значення цільової функції за формулами, які були отримані в другому розділі дисертації до відповідно групи житлових будинків - точкових чи подовжених. Проведення розрахунків дає ряд оціночних показників енергоефективності запропонованих варіантів, з яких, згідно поставленої мети досліджень, слід вибрати варіант з найменшим значенням цільової функції. Технологія проведення порівняльної оцінки відпрацьована на прикладах порівняння стандартних секцій житлових будинків Білоцерківського домобудівельного комбінату.

Оптимізація проектних рішень житлових будинків за критерієм енергоефективності полягає у пошуку комбінації значень параметрів архітектурної форми, при яких значення цільової функції буде найменшим при заданих початкових і граничних умовах. Оптимізаційний розрахунок може бути проведеним у вигляді одночасного підбору значень сукупності параметрів форми, або пошуку відповідного значення окремого параметру при закріплених інших параметрах форми житлового будинку. На основі розробленої моделі підрахунку тепловитрат визначається чутливість цільової функції до змін значень окремих факторів. Оцінка чутливості цільової функції може бути визначена по абсолютним або приведеним нормованим показникам: абсолютної зміни (АЗ) та нормованої зміни (НЗ) цільової функції. При вирішенні оптимізаційних задач за цими показниками легко визначити саме той фактор, зміна якого найбільшим чином вплине на покращення значення енергоефективності будинку. Процес проведення оптимізаційних розрахунків продемонстровано на прикладі удосконалення параметрів форми точкового житлового будинку підвищеної поверховості , спроектованого в КиївЗНДІЕП.

Зважаючи на те, що архітектурне проектування є творчим процесом, то отриманий результат слід перевірити і за іншими критеріями, що визначають якість архітектурного рішення, наприклад, естетичними. Аналіз отриманих результатів дає можливість архітектору прийняти запропоновані зміни параметрів проектного рішення або продовжувати пошук.

Метою застосування додаткових методик є покращення енергоефективних якостей обраного варіанту будинку без зміни кількісних характеристик параметрів, отриманих при оптимізації. Таке коригування енергоефективних якостей форми житлового будинку можна здійснити за рахунок диференційованого розміщення віконних прорізів тієї ж сумарної площі та варіативного підбору кольору фасаду. Методика, що пропонується, дозволяє скоригувати розташування віконних прорізів та перерозподілити їх загальну площу на основі інсоляційної карти фасаду, яка показує зони фасаду з однаковою тривалістю інсоляції.

Згідно вище описаного підходу до коригування теплонадходжень до будинку шляхом диференціації площі віконних прорізів без зміни їх сумарної площі, встановленої після оптимізації параметрів будинку, доцільним буде прийняття рішення щодо максимального збільшення їх площі в зоні фасаду з найбільшою інсоляцією та максимального зменшення їх площі в зоні з найменшою інсоляцією.

Для подальшого детального удосконалення енергоефективних якостей будинку за рахунок диференційованого використання кольору на окремих фасадах необхідно мати карту розподілу умовних температур на фасаді будинку. Тепловий потік визначається зміною температури на поверхні конструкції , тому зміна умовної температури на фасаді внаслідок зміни кольору впливає на тепловий потік через стіну. В межах даного дослідження пропонується підхід до коригування колористичного рішення різноорієнтованих фасадів та диференціації використання кольору на окремих фасадах на основі побудови карти умовних температур на поверхні фасаду.

Додаткові методики коригування характеристик форми житлових будинків розроблені з метою удосконалення енергоефективних якостей будівлі відповідно до конкретних умов його будівництва та розглядаються як початковий етап синтезу методів розробки архітектурно-планувальних рішень енергоефективних житлових будинків, як основи наступних наукових досліджень.

Таким чином, дослідження характеру взаємозв'язків компонентів, що складають архітектурне середовище, проведені в даній роботі, довели суттєвість впливу параметрів форми житлового будинку на ступінь його енергоефективності.

За допомогою розроблених методів в дисертаційній роботі встановлено значення сукупності параметрів форми точкових та висотних житлових будинків, які в межах встановлених початкових та граничних умов, забезпечують досягнення мінімального значення показника тепловитрат. Це сприяє цілеспрямованому визначенню бажаних орієнтовних значень параметрів форми житлового будинку для забезпечення мінімізації його тепловитрат.

Результати даного дослідження можуть бути використаними при проектуванні нових будинків та при реконструкції існуючих. Гнучкість розробленої методики дозволяє використовувати її для вирішення задач вибору варіантів з кращими показниками енергоефективності на різних стадіях проектування, зокрема, на ранніх стадіях, що є особливо важливим. Розроблена методика також може бути використаною в діагностичних цілях щодо існуючої забудови з точки зору енергозбереження.

Впровадження в практику отриманих результатів дисертаційної роботи підтверджують їх достовірність і доцільність. У наступних дослідженнях передбачається розробити методику розрахунку теплонадходжень до будинку, а також методику комбінованого урахування тепловитрат та теплонадходжень. З цієї позиції також вважається можливим перехід від статичної моделі до розгляду енергоефективності будинку у динаміці. Крім того, в подальших дослідженнях можливим напрямком є побудова фізичної моделі теплообмінних процесів у будинку для урахування не відносних, а абсолютних фізичних показників енергетичного балансу будинку.

Отримані в дисертації результати можуть бути застосованими для більш глибокого дослідження еволюції архітектурних об'єктів, пов'язаної з розвитком технологій енергозбереження. На такій же основі результати роботи можуть бути розвиненими для використання в експериментальних і прогностичних проектах в галузі архітектури .

Практична задача оптимізації основних параметрів форми житлового будинку з метою підвищення їх енергоефективності, що розв'язана в даній дисертаційній роботі, має перспективи розвитку шляхом розширення, поглиблення та адаптації її до проектування інших типологічних груп архітектурних об'єктів.

Теоретичні дослідження дисертації, що призвели до практичного результату, можуть бути розвинутими в напрямку дослідження архітектурних об'єктів різного ієрархічного рівня - від районного планування до окремого будинку та його елементів.

Використані методи досліджень дозволяють продовжити дослідження в галузі вивчення впливу характеру архітектурно-планувального рішення, структури, окремого приміщення та інтер'єру. З цієї позиції перелік факторів, запропонований в роботі, може бути доповненим у відповідності до поставленої задачі.

Реалізація методик вимагає виділення окремим питанням розробку програм, що доповнять стандартні системи автоматизованого проектування, а також, розробку об'єктно орієнтованої САПР енергоефективних архітектурних об'єктів.

Окремим напрямком розвитку впровадження результатів дослідження в практику є застосування матеріалу дисертації в учбовому процесі в вищих учбових закладах архітектурного спрямування та закладах підвищення кваліфікації архітекторів і будівельників. Запропонована в дисертаційній роботі методика може бути застосована в навчальному процесі на рівні опрацювання окремих питань енергозбереження в теоретичних курсах, на рівні курсового та дипломного проектування, а також як один із заходів щодо формування екологічного мислення студентів на основі поглибленого розуміння проблеми енергозбереження в архітектурі.

Висновки по третьому розділу.

Розробка теоретичних основ оцінки енергоефективності житлових будинків дала можливість розробити загальну методику вибору оптимальної форми житлового будинку за критерієм його енергоефективності, яка дозволяє здійснювати порівняльну оцінку варіантів проекту, оптимізацію обраного рішення а також його коригування за додатковими умовами. Роботоздатність методики перевірена шляхом вирішення ряду практичних задач, представлених в дисертаційній роботі.

Реалізація розробленої методики порівняльної оцінки житлових будинків за ознакою їх енергоефективності дає можливість вибору варіанту раціональної форми житлових будинків на ранніх стадіях проектування, що дозволяє скоротити час на розробку проектних рішень енергоефективного житла.

Застосування запропонованої методики оптимізації параметрів форми житлового будинку за критерієм енергоефективності дозволяє провести оптимізацію сукупності параметрів форми будинку або її окремих параметрів та розробити на їх основі варіант оптимальної форми енергоефективного житлового будинку при заданих умовах.

Приведені додаткові методики локального коригування окремих параметрів форми житлових будинків дозволяють при необхідності деталізувати параметри окремих елементів та диференціювати їх розташування без зміни загальної форми запроектованого будинку, що є важливим при реконструкції існуючих будинків та детальній розробці нових проектів.

Використання запропонованої методики коригування параметрів віконних прорізів на основі інсоляційної карти фасаду дозволяє визначити зони їх раціонального розташування на площині фасаду.

Розроблена методика коригування колористичного рішення фасадів будинку дає можливість диференційовано вибирати колір для різноорієнтованих фасадів та окремих їх зон з метою наступного підвищення енергоефективності будинку.

Розроблені методики дозволяють визначити оптимальні параметри для точкових та подовжених будинків, а також оптимальні параметри форми будинків при додаткових обмеженнях по одному з них. Базуючись на результатах розрахунків за методикою коригування колористичного рішення фасадів з метою підвищення енергоефективності будинку, запропоновано кольори для фасадів будинку залежно від їх орієнтації.

Дані методики порівняльної оцінки та оптимізації параметрів форми за цільовим критерієм енергоефективності та додаткові методики удосконалення параметрів форми житлових будинків є основою для проведення подальших досліджень архітектурно-планувальних рішень енергоефективного житла, організації його внутрішнього простору та особливостей вирішення інтер'єрів приміщень. Запропоновані методики можуть бути включеними до існуючих комп'ютерних систем проектування архітектурних об'єктів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ

Аналіз стану проблеми енергозбереження в сучасній світовій і вітчизняній архітектурній практиці, зокрема, в архітектурі житла, дозволив виявити актуальні задачі дослідження, розв'язання яких спрямоване на підвищення енергоефективності житлових будинків.

На основі проведених теоретичних досліджень запропоновано концепцію підвищення енергоефективності житлових будинків шляхом оптимізації основних характеристик їх форми на етапі проектування.

Виходячи з поставлених задач дослідження, сформовано загальний інформаційний масив досліджуваної проблеми, який дозволив синтезувати стратегію досліджень енергоефективності житлових будинків в певному природно- архітектурному середовищі.

В результаті аналізу розгорнутого переліку факторів архітектурно-природного середовища та їх зв'язків розроблено структурну та структурно-логічну моделі, аналіз яких дозволив здійснити ранжування факторів і довести впливовість характеристик форми будинку на енергозбереження.

Дослідження кількісної залежності зміни параметрів виявлених характеристик форми будинку та показника енергоефективності надало можливість скласти інформаційну модель, статистичний аналіз якої дозволив довести її достовірність та отримати формулу розрахунку показника енергоефективності залежно від конкретних параметрів форми точкових та подовжених житлових будинків.

Для реалізації результатів дослідження розроблено алгоритм проведення порівняльної оцінки, оптимізації параметрів форми будинку та їх коригування, який дозволяє визначити варіант проектного рішення з найменшим показником тепловитрат будинку і є основою загальної методики порівняльної оцінки житлових будинків за ознакою енергоефективності.

Розроблена методика порівняльної оцінки будинків за критерієм їх енергоефективності дозволяє здійснити вибір варіанту форми будинку з характеристиками, що забезпечують найменші тепловитрати, серед розроблюваних варіантів.

Оптимізаційні розрахунки на основі розробленої методики дають можливість підібрати значення всіх або окремих параметрів форми будинку з метою зниження його тепловитрат. Двохетапна структура алгоритму оптимізації дозволяє використовувати методику як для удосконалення параметрів форми нового будинку, що проектується, так і при реконструкції.

Запропоновані в методиці додаткові можливості коригування параметрів форми житлових будинків дають можливість уточнення розташування елементів фасаду та їх колористичного рішення з метою підвищення енергоефективності будинків.

На основі розроблених методик та проведених експериментальних розрахунків визначено оптимальні параметри для точкових і подовжених будинків, рекомендовано оптимальні параметри форми будинків при додаткових обмеженнях по одному з параметрів, а також запропоновано кольори фасадів будинків залежно від їх орієнтації.

Впровадження теоретичних і практичних результатів в державних установах, проектних і науково - дослідних інститутах, в вищому навчальному закладі підтвердило теоретичну цінність наукових положень роботи і практичну доцільність запропонованих методик.

Аналіз отриманих в дисертаційній роботі результатів вказує на можливість розвитку дослідження проблеми підвищення енергоефективності житлових будинків шляхом розширення кількості параметрів, що враховуються в запропонованих моделях; поглиблення вивчення впливу структури та планувального рішення будинку на його енергоефективність; адаптації розробленої методики щодо визначення енергоефективності будинків інших типологічних груп, а також використання її в складі комп'ютерних систем проектування архітектурних об'єктів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

Кащенко Т.О. Архітектура енергозбереження // Сучасні проблеми архітектури та містобудування: Науково - технічний збірник. Вип. 1. -К.,КНУБА,1997.-С.122-127

Кащенко Т.О. Архітектура як енергетичне середовище // Теорія та історія архітектури і містобудування: Збірник наукових праць Державного науково-дослідного інституту теорії та історії архітектури та містобудування .-Вип.3. На честь Г.Н. Логвина. - К.: НДІТІАМ,1998.-С. 55-59.

Кащенко Т.О. Вплив факторів енергозбереження на семантичний образ муніципального житла// Сучасні проблеми архітектури та містобудування: Науково - технічний збірник. Вип. 6 ( спеціальний): Шляхи розвитку міського середовища. .-К.,КНУБА,1999.-С.122-127.

...