Влияние процесса старения ограждающих конструкций и инженерных систем жилых зданий на микроклимат помещений

Актуальность темы

Здание — это антропогенная система для защиты от внешних климатических воздействий, а так же для определенного вида человеческой деятельности. Все потребности человека объединены в интегральном понятии качества, т. е в совокупности свойств, характеризующих степень пригодности зданий к использованию по назначению и удовлетворение запросов потребителя. Наиболее емкое понятие, характеризующее качество жилья, — это комфортность. Комфортность рассматривается как совокупность таких факторов как гигиена, функциональность и безопасность. Наиболее традиционная составляющая комфортности — это гигиена внутренней среды, обусловливаемая параметрами микроклимата. Основным показателем микроклимата является тепловлажностный режим в помещениях, который связан с теплотехническими свойствами ограждающих конструкции. Изучение влияния на человека только тепловлажностного режима не достаточно. Необходимо более широкое исследование таких факторов, как экологическая чистота внутренней среды, звуковой комфорт. Управление качеством жилья — важнейшая проблема общества.

Внутренняя среда жилых и общественных зданий формируется в основном с помощью ограждающих конструкций и инженерных устройств. Принятые при проектировании характеристики ограждающих конструкций зданий во время эксплуатации претерпевают изменения, как правило, в худшую сторону и приобретают новые свойства. Эти свойства, называемые эксплуатационными показателями, образуют совокупность санитарно — гигиенических, экономических и эстетических характеристик жилого здания, обусловливают его качество и пригодность реальной конструкции к дальнейшей эксплуатации.

Под действием нагрузок, теплоты, влаги, солнечного воздействия, химических и биологических агентов происходит старение материала, протекают другие более медленные процессы, изменяющие свойства материалов и конструкций. По исчерпании сроков службы отдельных элементов возникают повреждения или отказы, т. е. происходит частичная или полная потеря эксплуатационных свойств. Процесс старения отдельных элементов и конструкций затягивается на многие десятки, а иногда и сотни лет. Постепенное или одномоментное ухудшение технических и связанных с ними эксплуатационных показателей элементов здания, вызываемое объективными причинами или внешними воздействиями, называется физическим износом. Нарушение условий эксплуатации здания в результате несвоевременных текущих ремонтов ускоряет развитие физического износа элементов зданий, а также ухудшает микроклимат помещений.

Трещины и щели в ограждениях способствуют проникновению наружного воздуха в помещение. Через неплотности и повреждения защитного слоя конструкций происходит попадание атмосферной влаги в ограждение, что вызывает снижение теплозащитной способности здания в холодный период года. Последствиями этого являются также неоправданно большие теплопотери и, как следствие, понижение температуры как на внутренней поверхности ограждения, так и внутреннего воздуха помещения. Трещины и щели, возникающие на стенах домов во время длительной эксплуатации, также способствуют повышению шумового фона за счет проникновения уличного шума в помещение.

В квартирах длительно эксплуатируемых зданий может происходить застой воздуха, связанный как с износом вентиляционных систем, так и с износом ограждающих конструкций, способствующим понижению температуры и плотности внутреннего воздуха в холодный период года, а следовательно, воздухообмена. В результате нарушения воздухообмена и температурно-влажностного режима помещения на внутренних поверхностях наружных ограждений квартир возможно появления плесени. Накапливаемые в таких зданиях вредные вещества негативно воздействуют на организм человека. Выявление конкретных причин, обусловливающих повышение загрязняющих веществ в помещении, определение реальных способов снижения их концентраций, а следовательно уменьшения вероятности возникновения отрицательных последствий, является чрезвычайно важной проблемой.

Требования к уровню комфорта жилья постоянно изменяются с развитием общества. С повышением требований к теплозащите зданий уровень теплового комфорта вновь строящихся зданий выше, чем построенных несколько лет назад. Жилые здания, возведенные с одним уровнем комфорта, спустя какой-то промежуток времени, перестают соответствовать улучшенным критериям оценки, т. е. морально устаревают. С увеличением срока эксплуатации здания возникает необходимость в прогнозировании отрицательного влияния физического и морального износа ограждающих конструкций и инженерного оборудования здания на параметры микроклимата помещений.

С развитием износа ограждающих конструкций жилых зданий происходит нарушение внутренней среды помещений, что вызывает у людей ощущение дискомфорта. Практически во всех домах старой постройки (эксплуатируемых более 30 лет) наблюдается отклонение параметров микроклимата в худшую сторону, хотя работы по устранению отказов и проведению ремонтов в этих домах проводятся своевременно. Для поиска необходимых технических решений и рационального обеспечения параметров внутренней среды старых домов необходимо выявить зависимость изменения микроклимата помещений от развития износа их элементов.

Известен достаточно широкий круг работ отечественных и зарубежных ученых, занимающихся данными проблемами: Беляева B.C.- Боброва Ю.Л.- Богословского В.Н.- Бодрова В.И.- Валова В.М.- Ильинского В.М.- Кувшинова Ю.Я.- Лыкова А.В.- Майнерта 3. Осипова Г. Л.- Сазонова Э.В.- Табунщикова Ю.А.- Титова В.П.- Ушкова Ф.В.- Шильда Е. и других. Однако вопросы, связанные с прогнозированием изменения микроклимата в результате старения материала конструкций и элементов здания, несмотря на очевидную актуальность и многочисленные ссылки, до последнего времени детально не прорабатывались. Так, до настоящего времени не исследовалось суммарное воздействие воздушных потоков, температуры, вредных веществ, звукового давления, проникающих через сквозные щели ограждений, и их дальнейшее влияние на жизнедеятельность человека.

Создание и изучение метода расчета влияния физического и морального износа элементов зданий на изменение микроклимата помещений поможет решить актуальные проблемы повышения качества жилых домов: обеспечить необходимое сочетание требуемой комфортности и безопасности воздушной среды, снизить эксплуатационные затраты строительных объектов. Важность решения проблемы микроклимата жилых помещений и его улучшения определяется тем, что в жилище человек проводит большую часть своей жизни, это место отдыха и восстановления утраченной в процессе труда работоспособности, место постоянного пребывания наиболее ранимых контингентов населениядетей и престарелых.

Автор выражает искреннюю благодарность за научную, практическую и консультативную помощь профессору ВГАСУ Э. В. Сазонову.

Цель и задачи исследования

Создание методики расчета изменения микроклимата помещений под влиянием процесса старения ограждений и инженерного оборудования жилых домов на основе математических моделей процессов теплопереноса, конвективной диффузии веществ и распространения звуковой энергии через ограждающие конструкции для проведения мониторинга технического состояния здания.

Достижение поставленной цели достигается решением следующих задач:

— выявлением причины изменения параметров внутренней среды помещений на основе статистического анализа экспериментальных данных технического состояния жилых домов и оценкой их изменения в зависимости от износа ограждающих конструкций и инженерного оборудования здания;

— определением зависимости между физическим износом элементов зданий и параметрами микроклимата помещений;

— разработкой математической модели изменения параметров внутренней среды под воздействием износа ограждающих конструкций зданий, проверкой ее адекватности на основе натурных исследований;

— уточнением методики проведения информационно — диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и разработкой рекомендации по проведению мониторинга микроклимата жилых помещений в эксплуатируемых домах;

— определением эффективности применения мониторинга по сравнению с планово-предупредительными ремонтами (ППР);

— разработаткой алгоритма для автоматизированного расчета изменения параметров внутренней среды помещений при изменении технического состояния здания.

Научная новизна работы. При решении поставленных задач в процессе исследований получены следующие новые научные результаты:

— выявлены закономерности появления неисправностей ограждающих конструкций жилых объектов в процессе эксплуатации в зависимости от их ориентации по сторонам света, направления и скорости ветра, этажности;

— обоснованы причины и получены зависимости изменения параметров микроклимата помещений под воздействием изменения характеристик ограждающих конструкций жилых зданий в процессе их старения;

— выявлены факторы изменения воздухообмена жилых помещений от изменения физического износа вентиляционных систем и ограждающих конструкций здания;

— разработана физико-математическая модель формирования нестационарной теплопередачи, фильтрации воздуха и массообмена через ограждающую конструкцию здания с учетом ее износа;

— выявлены особенности звукового режима жилых помещений в домах с различным эксплуатационным износом наружных стен и различными конструкциями световых проемов;

— скорректирована методика проведения мониторинга технического состояния конструкций зданий, в состав которой включен план информационно-диагностического обеспечения внутренней среды помещений и определена эффективность применения мониторинга по сравнению с ППР;

— разработан алгоритм для автоматизированного расчета изменения параметров внутренней среды помещений при изменении технического состояния здания.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы вычислительной математики и математического моделирования, применены численные, в том числе вариационные, методы, сравнительный и системный анализ, теория дифференциальных уравнений в частных производных, теория гидродинамики и тепломассообмена.

На защиту выносятся:

1. Выявленные закономерности изменения технического состояния жилых объектов в процессе эксплуатации и их влияние на изменение параметров внутренней среды помещений;

2. Приближенные решения задач тепло — массопереноса через ограждающую конструкцию здания с учетом ее износа;

3. Разработанная модель звукового потока, проникающего через трещину в ограждающие конструкции здания;

4. Полученные результаты экспериментальных исследований влияния износа зданий на воздухообмен помещений, концентрацию радона и особенности звукового режима в жилых домах;

5. Разработанная методика проведения информационно — диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и микроклимата жилых помещений.

Практическая значимость результатов исследований заключается в разработке и создании эффективного информационно-диагностического обеспечения технического состояния конструкций зданий и микроклимата помещений как способа повышения качества внутренней среды гражданских зданий.

Результаты диссертационной работы используются в процессе обучения студентов по дисциплинам «Техническая эксплуатация зданий и сооружений», «Сантехническое устройство зданий», «Теплогазоснабжение и вентиляция зданий» и при дипломном проектировании в Воронежском государственном архитектурно — строительном университете.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Повышение качества среды жизнедеятельности города и сельских поселений архитектурными средствами» (Орел, 2005 г.) — научно — практических конференциях Воронежского архитектурно — строительного университета (Воронеж, 2004;2005 гг.) — научно — практической педагогической конференции «Качество подготовки специалистов строительного комплекса» (Липец, 2004 г.).

Результаты диссертационной работы использованы в научном отчете по проекту «Исследование влияния автотранспортного загрязнения на физический износ зданий и сооружений селитебных территорий» в соответствии с ведомственной научной программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (Регистрационный номер НИР в ФГУП ВНТИЦ — 0120.504 711, Воронеж 2005 г.) — в научном отчете по проекту «Исследование влияния условий планировки примагистральных территорий города на экологическую безопасность населения» в соответствии с ведомственной научной программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (Регистрационный номер НИР в ФГУП ВНТИЦ -0120.0 504 712, Воронеж 2005 г.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 научных статей общим объемом 28 страниц. Лично автору принадлежат 25 страниц. Две работы опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, согласно перечню, определяемому ВАК.

Достоверность. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, включенные в диссертацию, обоснованы теоретическим анализом современных методик и математическими доказательствами. Они подтверждены расчетами на ЭВМ, натурными исследованиями с использованием оборудования лаборатории энергоаудита при ГОУ ВПО ВГАСУ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа, состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (120 наименований). Диссертация составляет 181 страницу, в том числе содержит 56 рисунков, 42 таблицы и 6 приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате натурных исследований 47 жилых домов в г. Воронеже, имеющих износ ограждающих конструкций и инженерных систем 5.40%, установлено, что на изменение внутренней среды помещений значительное влияние оказывает техническое состояние элементов здания. Для повышения эффективности эксплуатации гражданских зданий необходимо проведение мониторинга внутренней среды помещений, позволяющего прогнозировать состояние микроклимата в домах со значительным износом. Приведенные данные показывают значимость рассматриваемой проблемы и необходимость ее комплексно-экономической оценки.

2. Получены статистические зависимости изменения внутренней среды помещений от технического состояния элементов зданий, позволяющие прогнозировать скорость движения, влажность, температуру внутреннего воздуха, воздухообмен, концентрацию радона, уровень звука в помещениях с физическим износом ограждающих конструкций и инженерных систем 5.40%. Полученные зависимости явились основой для создания математической модели изменения микроклимата помещений.

3. Разработанная физико — математическая модель изменения параметров внутренней среды помещений под воздействием износа ограждающих конструкций здания позволяет определять состояние микроклимата внутри помещения в зависимости от технического состояния здания. При создании математической модели использованы численные, в том числе вариационные, методы, имеющие достаточно большую степень сходимости по сравнению с другими методами. Ее реализация позволяет исследовать изменения расхода воздуха и вредных веществ, проникающих через ограждающую конструкцию, температурного поля ограждения, плотность звуковой энергии, проникающей в помещение при увеличении ширины раскрытия трещины. Результаты исследований полученной модели адекватно подтверждаются натурными экспериментами.

4. На основе математической модели разработан алгоритм и программа расчета параметров микроклимата помещений при изменении технического состояния здания. Предложенный автоматизированный расчет позволяет проводить сравнительный анализ проектных решений по обеспечению нормируемых параметров внутренней среды жилых помещений и оценивать состояние конструкций и систем, не проводя сложных и дорогих экспериментальных исследований.

5. Скорректирована методика проведения мониторинга жилых объектов, позволяющая определять срок ремонта их элементов по реальному состоянию воздушной среды и техническому состоянию здания, а не по нормативным срокам планово-предупредительных ремонтов. Предложенный подход к оценке состояния элементов жилых домов основан на совместном рассмотрении результатов исследований микроклимата помещений, износа ограждающих конструкций и инженерных систем здания.

6. Проведение мониторинга технического состояния здания и его параметров внутренней среды по сравнению с ППР по нормативным срокам обеспечил вает получение экономического эффекта в размере 22,3 р. на 1 м общей площади жилого дома.