Повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий на основе интеллектуальных технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий на основе интеллектуальных технологий

Пайлеванян Бениамин Спиридонович

Работа выполнена в Государственном образовательном

учреждении высшего профессионального образования

Московском государственном строительном университете

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ,

Действительный член РААСН

Теличенко Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Примин Олег Григорьевич

Кандидат технических наук, профессор Князева Валентина Петровна

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ)

Защита диссертации состоится «19» ноября 2009 г. в «14» часов на заседании диссертационного совета Д. 212. 138. 07 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129 337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26, зал заседаний Учёного Совета.

Телефон / факс: (499) 188-15-87. Электронная почта: adp1946@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «16» октября 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

д. т. н., проф. ______________________ Потапов А. Д.

Общая характеристика работы

Актуальность работы подтверждается тем, что окружающая среда в сегодняшнем мире, в частности, в нашей стране, находится в состоянии, справедливо вызывающее тревогу человеческого сообщества. Поэтому необходимо решительно и наступательно прилагать усилия в области развития экологической безопасности с целью достижения положения, при котором будет отсутствовать угроза нанесения ущерба природной среде и здоровью населения, в т. ч. путём создания и эксплуатации энергоэффективных, неагрессивных по отношению к окружающей среде и человеку зданий, в которых максимально будут использоваться возобновляемые ресурсы и процессы в совокупности с технологиями энергосбережения и автоматизации.

Соответствие направления диссертации современным требованиям к охране окружающей среды подчёркивается тем, что анализ тенденций развития теории и практики строительных и информационных технологий показал, что уже наметились позитивные сдвиги в международном опыте экологизации городов. В разных регионах мира, особенно в Германии и Австрии, активно возводятся и эксплуатируются «эко»-здания, и уже есть положительная оценка их работы.

Актуальность темы обусловлена неразвитостью информационной базы, фрагментарностью и отсутствием системной и целостной, с учётом современных инновационных возможностей, программы по охране окружающей среды урбанизированных территорий и внутренней среды зданий от негативных воздействий, исходящих от зданий и действующих как на внешнюю среду, так и на здоровье и жизнедеятельность людей, находящихся внутри помещений.

Анализ научных трудов и исследований, нормативной и методической документации, опыта практических отечественных и зарубежных разработок выявил ряд нерешённых вопросов в поставленной автором проблеме комплексной интеграции и оптимизации экологических и информационно-интеллектуальных технологий с целью повышения уровня экологической безопасности зданий, их энергоэффективности и рациональной интеллектуализации.

Целью диссертации является повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий при их проектировании, строительстве, эксплуатации и реконструкции с привлечением информационных систем и интеллектуальных технологий, основанных на принципах саморегулирования и автоматизации управления процессами жизненного цикла зданий.

Объект исследования -- проектируемые, возводимые, эксплуатируемые и реконструируемые здания, подвергающие негативному воздействию окружающую среду, а также среду внутри зданий.

Предметом исследования выступают системы автоматизированного проектирования (САПР); экологически безопасные архитектура, конструкции и материалы; энергоэффективные и технические системы, обеспечивающие минимизацию антропогенного воздействия зданий на природную и формируемую внутреннюю среды.

Методология исследования: системный анализ, занимающийся приложением методов и моделей теории систем для принятия решений; комплекс логистических и математико-статистических методов и процедур, направленных на получение от специалистов информации, необходимой для подготовки и выбора рациональных решений; компьютерное программирование и моделирование.

Научная новизна выносимых на защиту результатов работы заключается в следующем:

§ Впервые поставлена и решена задача интеграции решений, связанных с обеспечением экологической безопасности и энергетической эффективности зданий на основе использования информационно-интеллектуальных технологий.

§ Научно обосновано и доказано, что проектирование и внедрение энергоэффективных технологий и систем экологической безопасности независимо и по отдельности оказывается недейственным для достаточного повышения уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий.

§ Впервые введён термин «экоумное» здание, базирующийся на обеспечении современных требований к энергоэффективности и экологической безопасности зданий.

§ Разработана и исследована модель интеграции интеллектуальных технологий на основе современных систем автоматизированного проектирования и конструирования.

§ Использован и доведён до практического применения при решении поставленной задачи метод экспертных оценок, позволяющий системно оценить потребительские качества зданий и энергоэффективность предполагаемой интеграции интеллектуальных технологий.

Практическая значимость исследования заключается в разработке и доведении до практического использования методов, позволяющих на различных стадиях жизненного цикла зданий (проектирование, строительство, эксплуатация, реконструкция) принимать решения, обеспечивающие оперативное управление уровнем экологической безопасности и энергоэффективностью зданий; в создании рекомендаций по внедрению инновационных мер, максимально снижающих деструктивное влияние зданий на окружающую среду и улучшающих их микроклимат; а также в применении полученных в процессе научных изысканий результатов и выводов при ведении учебного процесса в профильных ВУЗах, в т. ч. в рамках преподавания дисциплины «Использование вычислительной техники в инженерных расчётах» в Московском государственном строительном университете (МГСУ).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на конференциях молодых учёных МГСУ; опубликованы в различных научных и научно-популярных печатных и интернет-изданиях в виде специализированных и пленарных докладов и статей, включая издания, рекомендованные Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования Российской Федерации («Промышленное и гражданское строительство», «Экология урбанизированных территорий», «Вестник МГСУ» и других); озвучены на всероссийских и международных научно-практических конференциях и форумах.

По вопросам автоматизации зданий были проведены консультационные встречи с коллективами компаний «Kieback & Peter» и «Siemens» (ФРГ), занимающимися высокотехнологичным производством и внедрением по всему миру систем технического оснащения зданий под ключ.

С целью глубокой проработки вопросов, связанных с системами автоматизированного проектирования, неоднократно проводились совещания с представительствами в Российской Федерации компаний «Graphisoft» (Венгрия) и «Autodesk» (США).

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы (150 наименований, в т. ч. 23 иностранных источника) и публикаций автора, а также приложений, подтверждающих практическое использование и внедрение результатов исследования.

Объём работы составляет 160 страниц. Основной текст содержит 145 страниц, 6 таблиц, 33 рисунка.

Автор искренне признателен и глубоко благодарен заведующему кафедрой Строительства тепловых и атомных электростанций (СТАЭ), доктору технических наук, профессору, академику РААСН Теличенко В. И., под руководством которого проводилась данная диссертационная работа.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования; определены цель, объект и предмет диссертации; раскрыты методология, научная новизна и практическая значимость работы; приведены основные научные положения, выносимые на защиту; а также рассмотрен ряд статистических показателей и даны определения базовых понятий.

В первой главе проанализированы современные методы повышения уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий на основе интеллектуальных технологий, в т. ч. рассмотрены: системные методы при проектировании зданий, биоклиматическая архитектура и гармонизация зданий с особенностями климата, экологически чистые строительные материалы, энергоэффективные и технические системы.

Как представляется автору, нынешние проекты зданий должны основываться на принципах анализа жизненного цикла, инженерной и экологической безопасности, энергоэффективности, комфортности, использования информационных систем, компьютерных и интеллектуальных технологий. Научные труды и опыт практических разработок показали, что объединить все эти принципы в одном здании, обеспечить совокупный эффект от их применения задача многофакторная и, в настоящее время, решается лишь фрагментарно.

Обзор литературы показал, что понятие «экологическая безопасность» в строительной отрасли впервые было введено в конце 80-х -- начале 90-х годов и связано с трудами следующих учёных: Забегаев А. В., Кононович Ю. В., Маршалкович А. С., Потапов А. Д., Пупырев Е. И., Слесарев М. Ю., Теличенко В. И., Тетиор А. Н., Щербина Е. В. и ряда других. При этом оно включает в себя не только внутреннюю здоровую атмосферу, но и гармонию здания с окружающей средой, способствующую сохранению природы, городского пространства, среды жизнедеятельности человека и, в то же время, использующего природные возобновляемые (условно неисчерпаемые) ресурсы: солнечный свет и чистый воздух, атмосферное тепло и дождевую воду, ландшафт и ветер.

В ходе исследования автором акцентируется внимание на то, что новейшие продукты в области САПР дают возможность существенно повысить эффективность проектирования, управления и распространения данных. Многие проблемы, касающиеся загрязнения окружающей среды и лояльности к человеку внутренней среды, можно решить ещё в зародыше, в процессе проектирования. И сегодня уже имеются технологии, помогающие создавать экологически рациональные проекты.

Солнечная радиация, температура наружного воздуха, скорость и направление ветра -- всё это относится к существенным факторам, оказывающим немаловажное воздействие на тепловой баланс зданий. Осуществляя выбор ориентации и габаритов здания необходимо стремиться лучшим образом использовать особенности и конструктивное воздействие внешней среды и минимизировать её деструктивное влияние.

В главе подчёркивается важность принятия разнообразных мер, которые могут способствовать повышению уровня экологической безопасности вновь строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых зданий, а именно: применение экологически корректных материалов (дерево, камень, кирпич) и продуктов рециклизации неорганического мусора (бетон, стекло, металл) с отказом от вредных стройматериалов (асбест); улучшение изоляции воздуховодов и трубопроводов; снижение потерь за счёт большой теплоотдачи зданий; замена обычных окон на стеклопакеты с низким показателем теплопередачи и использование стёкол с переменной управляемой прозрачностью; изоляция стен и крыш; оборудование приточно-вытяжной вентиляции установками рекуперации тёплого воздуха; модернизация систем автоматизации и оснащение их энергосберегающими приборами и средствами; перенос температурных установок в граничные зоны комфортных уровней.

В конце первой главы проанализированы технические системы и сделан вывод о том, что современные автоматические системы управления технологическими процессами, являясь «мозговым центром» здания и интегрируя важную информацию о его инженерных системах, наблюдают, управляют, регулируют и оптимизируют: системы отопления, вентиляции, кондиционирования и охлаждения; освещение и жалюзи; противопожарные и охранные системы; лифты и т. д.

Во второй главе представлены методологические основы оценки потребительских качеств зданий при внедрении интеллектуальных технологий. В процессе систематизации и рационализации всего спектра полученной информации пришло понимание того, что важно иметь эффективную методику оценки потребительских качеств зданий. При этом было выявлено то обстоятельство, что потребительские показатели (рис. 1) имеют различную физическую природу, и ряд из них не поддаётся математическому описанию с последующей возможностью нахождения оптимального сочетания показателей.

В сложившейся ситуации, в качестве методологической основы решения задачи оценки потребительских качеств зданий в данной диссертационной работе предлагается использовать методологию экспертных оценок -- группы методов, наиболее часто используемых в практике оценивания сложных систем на качественном уровне на основе мнений экспертов.

Сущность методов экспертных оценок заключается в про-ведении экспертами интуитивно-логического анализа проблемы с количественной оценкой суждений и фор-мальной обработкой результатов. Получаемое обобщённое мнение экспертов принима-ется как решение поставленной задачи. экологический безопасность управление

Рис. 1. Показатели потребительских качеств зданий с точки зрения инженерной инфраструктуры.

Поднятые в диссертации проблемы, решаемые методами экспертных оценок, относятся к таким, в отношении которых имеется достаточное обеспечение информацией. В связи с этим, методы опроса и обработки основываются на использовании принципа «хорошего измерителя». Данный принцип означает, что выполняются следующие гипотезы:

§ эксперт является хранилищем большого объёма ра-ционально обработанной информации, и поэтому он мо-жет рассматриваться как качественный источник инфор-мации;

§ групповое мнение экспертов близко к истинному ре-шению проблемы.

При получении и обработке экспертных оценок возможно применение различных методов. Учитывая специфику тематики исследования, представляется актуальным использование экспертами метода ранжирования. Выявлено, что потребительские качества зданий могут быть описаны и оценены эмпирическим набором ранжированных показателей, которые генерируются группой экспертов по различным методикам. Эмпирический набор устанавливается экспертами в соответствие с локальными требованиями нормативных и других предписывающих документов, а также с учётом международного опыта, требований заказчика-инвестора, требованиями потребителей и на основе знаний и практического опыта самих экспертов.

При этом среди множества потребительских качеств зданий рекомендуется выделить один главный; в качестве последнего, в нашем случае, с целью повышения уровня экологической безопасности зданий и экономии энергии, следует выбрать систему показателей энергетической эффективности зданий.

Для высокоточного анализа полученных в ходе опроса данных, автором, в рамках ведения научной деятельности, на базе основ по вычислительной информатике в диссертационной работе разработана специализированная программа под условным названием «Эксперт», написанная на языке программирования «C++» с использованием программного комплекса «C++ Builder». Основанная на методе ранжирования, она позволяет систематизировать полученную информацию от экспертов и выявить наиболее рациональный вариант.

Анализ, проведённый в данной главе, позволил автору окончательно сформулировать методологическую схему исследования (рис. 2).

Рис. 2. Методологическая схема исследования.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором на базе инновационных разработок от Graphisoft, в области систем автоматизированного проектирования экологически безопасных энергоэффективных интеллектуальных зданий (рис. 3).

Рис. 3. Программное обеспечение для осуществления проектирования на базе комплекса инновационных решений от Graphisoft.

На основе суммирования результатов анализа достоверно установлено и обосновано, что проектировщики имеют возможность использовать для решения стоящих перед ними задач:

§ мощные системы автоматизированного проектирования (САПР, или CAD -- Computer-Aided Design)  для создания чертежей, конструкторской, технологической документации и 3D моделей;

§ CAE-системы (Computer-aided engineering) для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов;

§ CAM-системы (Computer-Aided Manufacturing) для технологической подготовки производства.

Показано, что информационное моделирование строительства (BIM -- Building Information Modeling) даёт возможность тщательно подготовить и оптимизировать цифровой прототип, прежде чем он будет реализован физически. При этом пользователи не просто видят модель на экране, но и могут испытать её. Благодаря этому экономятся время и средства, повышается качество и рождаются новаторские экологические решения.

В конце данного раздела диссертации последовательно исследованы и систематизированы этапы применения систем автоматизированного проектирования с целью выработки и принятия решений по наиболее эффективной реализации зданий с высоким уровнем экологической безопасности и энергоэффективности (рис. 4).

Четвёртая глава посвящена интеграции интеллектуальных технологий при проектировании, возведении и реконструкции зданий.

Анализ современного состояния градостроительной сферы наглядно показал, что «зелёные» и «умные» здания, позволяющие экономить энергию и улучшать внутреннюю среду здания, оказывающую непосредственное влияние на состояние здоровья и функционирование человека, -- самые актуальные и востребованные направления в области повышения уровня экологической безопасности урбанизированных территорий.

Доказано, что в полной мере экологичными можно назвать «экоумные» здания (ecosmart building), в ко-торых достигнуто равновесие между биоклиматической архитектурой, экологически чистыми материалами, энергоэффективными и техническими системами, позволяющими контролировать и минимизировать расход энергии, равно как и увеличивать комфорт внутреннего пространства, способствуя, тем самым, продлению дееспособного срока жизни человека (рис. 5).

Рис. 4. Последовательность этапов применения систем автоматизированного проектирования.

Рис. 5. Технологии «экоумного» здания, основанного на принципе интеграции «зелёных» и «умных» технологий.

Рассмотрение в данной главе вопросов рационального совмещения методов, повышающих уровень экологической безопасности и энергоэффективности зданий, является значительным и актуальным направлением в данной диссертации для последующего развития и внедрения, ибо в этом случае возникает синергетический эффект, характеризующийся тем, что объединённое действие элементов автоматизированного проектирования, «зелёных» зданий и «умных» технологий существенно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента и их суммы.

Также в четвёртой главе представлена структура «интеллектуального» здания (рис. 6), структура поэтапной реализации комплексной интеграции интеллектуальных технологий (рис. 7) и рассмотрены вопросы экономической эффективности инвестиций в теплоснабжение и энергосбережение.

В последней пятой главе представлена практическая реализация результатов исследования путём апробации интеграционной модели на основе экологической реконструкции учебного здания -- Корпуса поточных аудиторий Московского государственного строительного университета -- основного аудиторного фонда комплекса сооружений МГСУ.

Основные задачи, решаемые при реконструкции -- повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности здания, устранение проблемы протечки кровли, добавление новых учебных и производственных помещений, внедрение элементов биоклиматической архитектуры, а также усовершенствование его эксплуатационных характеристик за счёт интеллектуализации систем и процессов.

В ходе исследования были разработаны различные модели реконструкции объекта и выбран среди них, на основе метода экспертных оценок, наиболее рациональный и оправданный с точки зрения защиты окружающей среды и вложенных инвестиций (рис. 8).

Экологическая реконструкция КПА дала возможность существенно снизить затраты энергии на климатизацию и общее негативное воздействие на окружающую среду, а также повысить пространственный, тепловой, акустический и электромагнитный комфорт здания, значительно улучшив качество внутренней среды.

Рис. 6. Основополагающие компоненты в структуре «интеллектуального» здания.

Рис. 7. Поэтапная (с возможностью параллельного ведение нескольких этапов) комплексная интеграция интеллектуальных технологий.

Рис. 8. Авторский проект реконструкции Корпуса поточных аудиторий Московского государственного строительного университета (МГСУ).

Основные выводы

1. Исходя из структуры потребления энергии (транспорт -- 26 %, промышленность -- 31 %, эксплуатация зданий -- 41 %) а также учитывая, что в процессе эксплуатации зданий до 85 % энергии тратится на его обогрев и охлаждение, а 17--19 % на освещение, необходимо разрабатывать проектные и конструктивные решения, ориентированные на будущие стандарты минимально допустимого расхода энергии.

2. Установлено, что проектирование и возведение зданий, основанных на интеграции исследуемых в рамках диссертации «зелёных» и «умных» технологий, может существенно повысить уровень их экологической безопасности и уменьшить объём потребления ими ныне энергии. При этом приоритетность в выборе энергосберегающих технологий должны иметь комплексные решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений и защите окружающей среды. Современное здание должно представляться как симбиоз экологических архитектурных и инженерных решений. Для такого рода зданий автором вводится термин «экоумное» здание.

3. На основе системного анализа результатов исследования по тематике диссертации, выведены параметры, положительно влияющие на экологичность и комфортность зданий, в т. ч. на количество энергии, требующейся для их возведения, эксплуатации и технического обслуживания. В частности, к ним относятся:

§ проектирование с использованием комплекса специализированных САПР;

§ расположение, габариты, функциональное назначение и биоклиматическая архитектура зданий с учётом климатических особенностей, рельефа местности и существующей застройки в районе строительства;

§ энергоэффективные мероприятия, конструкции и оболочки зданий;

§ конструктивная, технологическая и организационная гибкость процессов проектирования, возведения, эксплуатации и реконструкции зданий;

§ экономное потребление первичной и оптимальное использование нетрадиционных и возобновляемых (условно неисчерпаемых) источников энергии;

§ естественная климатизация и освещение с рациональной интеллектуализацией и автоматизацией систем и процессов эксплуатации зданий;

§ экологически чистые строительные материалы, применение материалов повторного использования.

4. Исследовано и обосновано, что наружный климат и водные ресурсы, тепло земли и биомасса -- всё это является источником энергии, которую необходимо учесть ещё на стадии проектирования и использовать при эксплуатации зданий в интересах снижения их негативного антропогенного воздействия на природу и человека.

5. Методология проектирования должна основываться на анализе здания как единой системы c использованием экспертных методов. При этом выявлено, что конечный выбор оптимальной совокупности взаимосвязанных инновационных архитектурно-планировочных и инженерных решений следует отнести к компетенции группы экспертов, на которых будет возложена ответственность за выбор окончательного варианта.

6. Показано, что результаты исследования, разработанные теоретические положения и практические методы могут быть рекомендованы для использования при проектировании, возведении, эксплуатации и реконструкции зданий, обеспечивая повышение уровня их экологической безопасности и энергоэффективности.

Список публикаций автора, в которых изложены результаты исследований по теме диссертации

1. Пайлеванян Б. С.: «Реконструкция Корпуса поточных аудиторий МГСУ». / Научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодёжи -- путь к обществу, основанному на знаниях». Сборник научных докладов. Москва, 2006 г. Стр. 79--81.

2. Пайлеванян Б. С.: «Экологическая реконструкция городов». / Научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодёжи -- путь к обществу, основанному на знаниях». Сборник научных докладов. Москва, 2007 г. Стр. 34--35 (пленарный доклад).

3. Пайлеванян Б. С.: «Анализ современных методов повышения уровня экологической безопасности эксплуатируемых и реконструируемых зданий на основе интеллектуальных технологий». / Научно-технический журнал «Вестник МГСУ». Москва, 2008 г. № 3. Стр. 103--106.

4. Теличенко В. И., Пайлеванян Б. С.: «Интеграция интеллектуальных технологий при проектировании, возведении и реконструкции зданий». / Общественно-научный журнал «Экология урбанизированных территорий». Москва, 2008 г. № 4. Стр. 34--37.

5. Теличенко В. И., Пайлеванян Б. С.: «Анализ и интеграция концепций построения экологических и интеллектуальных зданий». / Научно-технический и производственный журнал «Промышленное и гражданское строительство». Москва, 2009 г. № 4. Стр. 42--44.

6. Пайлеванян Б. С.: «Экоумные здания, основанные на принципе интеграции «зелёных» и «умных» технологий». / Научно-практическая конференция «Научно-техническое творчество молодёжи -- путь к обществу, основанному на знаниях». Сборник научных докладов. Москва, 2009 г. Стр. 186--187.

Размещено на Allbest.ru