Оптимальное проектирование кровельных конструкций.

Одной из важнейших задач, стоящих перед строительным комплексом страны, является энергосбережение и снижение теплопотерь при эксплуатации зданий.

Этому вопросу в последнее время посвящены работы ряда авторов: профессоров Гагарина В.Г., Табунщикова А.М., кандидатов технических наук Гликина С.М., Матросова Ю.А., Бродач М.М., Иванова Г.С., Дмитриева А.Н. и других ученых, которые внесли значительный вклад в развитие теории, совершенствование объемно-планировочных решений зданий и ограждающих конструкций.

Так в работе [1] указывается, что решение задачи энергосбережения возможно только при комплексном подходе к ее реализации, а одной из составляющих этой задачи является обязательно оптимальный уровень теплоизоляции. При этом подчеркивается, что при отсутствии в цепи энергосбережения хотя бы одного элемента, например, опять же, оптимальной теплоизоляции ограждающих конструкций, не будет обеспечиваться никакого энергосбережения и окупаемости затрат.

В документах, определенных законом о техническом регулировании предполагается разделение требований на обязательные и рекомендуемые. В работе [1] отмечается, что в предполагаемом Техническом регламенте к обязательным требованиям могут быть отнесены требования по нормированию уровня теплозащитных свойств ограждения из условия обеспечения санитарно-гигиенической безопасности. Это положение также приведено и рекомендуется в Своде правил 23-101-2004 г.

Таким образом, можно отметить, что в работах ведущих ученых подчеркивается роль именно оптимального уровня теплозащиты и предлагается обязательно учитывать условия, которые рассчитываются по методикам СНиП 23-02-2003.

Как известно, одним из путей совершенствования конструкций является разработка методик проектирования, позволяющих определять наилучшие конструкции для заданных условий. В настоящее время определился новый подход к проектированию теплозащиты, который получил развитие в оптимизации тепловой эффективности зданий [2]. В этой работе в отличие от зарубежного опыта применения «системы энергетически независимых инновационных решений» разработаны теоретические основы системного подхода к зданию, как единой энергетической системе.

В рамках оптимизации энергетической эффективности, сооружение рассматривается как система, которая включает три подсистемы:

- внешний источник (или потребитель) энергии;

- ограждающие конструкции;

- внутренние источники и энергетические выделения от жизнедеятельности человека.

Обобщенная энергетическая модель всего здания для практического использования в проектировании требует детализации. Это учитывается в теории системного моделирования теплоэнергетический эффективности сооружений и отмечается, что подобная детализация будет только уточнять общую модель [2]. При этом математический аппарат подхода является достаточно гибким, что позволяет развивать общие модели и на их основе разрабатывать методики для практического использования.

Однако детализация не только уточняет, но и усложняет модель, т.к. рассматривая модели отдельных конструкций, требуется определять и для них также наилучшие параметры. Например, характеристики ограждения. При этом не очевидно, что наилучшие параметры ограждения, по критерию, например, стоимости, могут быть наилучшими для показателей энергетической эффективности здания. С точки зрения оптимизации, локальный оптимум в этом случае не совпадает с глобальным наилучшим решением.

Существует несколько методов решения таких задач, один из них - метод поэтапной оптимизации, который хорошо согласуется с процессом разработки проекта. Такой подход аналогичен методу «восходящего проектирования», когда на основе моделирования определяются параметры, начиная с элементов, деталей, узлов и заканчивая общими характеристиками системы. Для отдельной конструкции подсистемы находятся оптимальные параметры, которые на следующем уровне детализации модели здания закрепляются как ограничения, т.е. локальный оптимум учитывается в виде ограничений на следующем этапе оптимизации.

Параметры ограждения должны отвечать ряду требований, определенных в СНиП. Независимо от уровня описания, выполняется это оптимизация обобщенной системы или только отдельной конструкции ограждения, требования СНиП рассматриваются как заданные ограничения.

Как известно, значительный резерв экономии тепловой энергии заложен в совершенствовании кровельных ограждающих конструкций, поэтому процедура оптимизации их параметров должна входить отдельным проектным модулем в обобщенные модели зданий. Однако в настоящее время в проектных организациях, несмотря на полное обеспечение средствами вычислительной техники, компьютерные технологии для проектирования кровли и тем более оптимизации ее параметров не используются.

Можно назвать несколько возможных причин этого положения.

Во-первых, отсутствие достаточно развитого программного обеспечения.

Во-вторых, решаются в основном архитектурные, дизайнерские и другие задачи, а параметры стандартного ограждения, в лучшем случае толщина теплоизоляционного слоя, принимается по таблицам. В проектировании сказываются традиции, когда выпускались только материалы подобные рубероиду.

В-третьих, оптимизация параметров, на первый взгляд, не просматривается, когда, ориентируясь на СНиП, требуется только выполнить ограничения. В этом случае наилучшее решение будет явно на границе допустимой области.

В настоящее время с появлением новых групп материалов при проектировании рассматривается большое количество альтернативных вариантов конструктивных решений. Битумные, битумно-полимерные материалы образуют параметрический ряд, из которых могут комплектоваться кровельные системы с разными эксплуатационными параметрами [3]. Прибавив сюда теплоизоляционные материалы различных типов, марок и параметров, получаем множество конструкций. При выборе варианта на практике используют, в первую очередь, два важнейших критерия – стоимость и надежность, а компромисс между ними находится субъективно. Следует более четко определить критерий оптимизации, а постановку задачи выполнить таким образом, чтобы локальное наилучшее решение не противоречило глобальному оптимуму. В тоже время критерий должен отвечать смыслу задачи и учитывать возможные изменения требований к конструкции.

В предлагаемой работе выполнена постановка задачи оптимизации кровельной системы, где в качестве критерия оптимальности принят обобщенный показатель эффективности.

Большое разнообразие конструкций кровли, которые могут отличаться принципиально, делает оптимальное проектирование кровли сложной задачей.

Но задача конкретизируется, если рассматривать проектирование оптимальных параметров, задавшись определенными конструкциями из параметрического ряда материалов марки «КТ^®». Компоновка рассматриваемых конструкций приведена в таблице 1.

При оптимизации должны удовлетворяться требования комфортности условий, экономические и технические требования. Выработать один критерий, который учитывал бы все эти показатели, не представляется возможным.

Можно выполнить расчеты в несколько этапов, на каждом из которых проводится оптимизация по одному показателю. Например, по показателю экономической эффективности (экономическая оптимизация) или по показателю конструктивного совершенства (конструктивная оптимизация). В данном случае рассматривается оптимизация по двум локальным критериям – стоимость и эксплуатационный ресурс кровельной системы, которые в известном смысле являются противоречивыми. В процессе разработки стремятся стоимость минимизировать, а показатель ресурса максимизировать, при этом улучшение одного показателя ухудшает другой.

Задача оптимизации параметров кровельных систем в общем виде можно представить следующим образом:

Ограждение характеризуется определенными параметрами Х:

от которых зависит стоимость Сс и эксплуатационный ресурс Т ограждения. При этом к параметрам и конструкции ограждения предъявляются определенные требования М:

Задача заключается в том, чтобы в области допустимых значений параметров Х найти такие, при которых будут минимальная стоимость Сс ограждения, максимальный эксплуатационный ресурс Т и выполняться условия М. Оптимизация по нескольким показателям приводит к многокритериальной задаче. Имеется несколько подходов к решению такого класса задач.

Можно выбрать один показатель и по нему выполнить оптимизацию, а остальные отнести к ограничениям. Но в данном случае возникает неопределенность, т.к. заранее не известны ни ресурс, ни стоимость, ни их соотношение. Поэтому будет целесообразнее сформировать обобщенный показатель эффективности, который и будет соответствовать целевой функции. Преимущество обобщенного показателя в том, что он более универсальный, а в сочетании с различными коэффициентами позволяет найти различные компромиссные решения.

Постановка задачи в предлагаемом виде дополняет теорию энергетической эффективности в плане оптимизации отдельных подсистем обобщенной модели здания.

В задаче учитывается ограниченное, но в тоже время достаточное количество факторов, поэтому ее формализация, реализованная в компьютерной программе, становится удобным средством для практического использования и может составить отдельный проектный модуль системы автоматизированного проектирования кровли.

В результате оптимизации определяются конструктивные параметры кровельных систем, обеспечивающие наилучшие значения показателя эффективности.

1 Гликин С.М. «Энергосбережение в зданиях, прогрессивные ограждающие конструкции и практические методы их расчета» - М:, ЦНИИПромзданий, 2005 – 230 с.

2 Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. –М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.- 194 с.

3 Шуняев С.Н. и др. Руководство по применению битумно - полимерных материалов марки «КТ® » в кровлях и гидроизоляции. – Екатеринбург, Компания «КровТрейд», 2006 г. – 132 с.

4 Шуняев С.Н., Побединский В.В., Берстенев А.В. Программный комплекс «Проектирование многослойных строительных конструкций». –М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Реестр программ для ЭВМ, свидетельство о регистрации № 2006610355, от 20.01.2006 г. – 155 с.

По всем возникающим вопросам Вас могут проконсультировать технические специалисты Компании «КровТрейд»