Задача и алгоритм энергоэффективной реконструкции зданий

А.Н.Шебулдаев

В общем виде реконструкция здания как процесс представлена на Рис.1, где Зэ – заданные (требуемые) показатели энергоэффективности при ограничивающих условиях (характеристики здания по результатам обследования, количество этажей, существующие системы жизнеобеспечения, количество этажей и расположение здания), U – управляющие воздействия по обоснованным архитектурно-строительным, объемно-планировочным и конструктивно-техническим решениям, Э – результат реконструкции (достигаемые в результате показатели энергоэффективности).

Технологическая цепочка является объектом управления и представляет собой  совокупность всех реконструктивных  архитектурных и технических технологических операций, выполняемых в определенной последовательности, начиная с предпроектных работ и проектирования. Таким образом, в рамках полного технологического цикла  по определенной последовательности технологических операций, достигается требуемое состояние энергоэффективности реконструируемого здания с учетом всех его особенностей и ограничений.

Основной особенностью реконструкции с надстройкой является разделение на две взаимосвязанные задачи: выполнение энергоэффективной надстройки как нового строительства и выполнение энергоэффективной реконструкции здания с частично выработанным ресурсом с целью восстановления его теплотехнических  характеристик до требуемого уровня. Кроме того, элементы технологической цепочки (ТЦ) реконструкции могут быть стационарными (строительство или утепление наружных ограждающих конструкций НОК, монтаж окон, утепление входных групп и лестничных клеток) на некотором рассматриваемом отрезке времени эксплуатации здания после их строительства или монтажа, и нестационарными (инженерные системы жизнедеятельности и комфорта), едиными для здания с надстройкой и  регулируемыми, например, в зависимости  от времени года или параметров наружного воздуха.

В качестве элементов ТЦ, в наибольшей степени влияющих на энергоэффективность здания, можно выделить следующие:

• Строительство НОК надстройки.
• Монтаж окон надстройки.
• Утепление НОК надстраиваемого здания.
• Замена окон в надстраиваемом здании.
• Утепление лестничных клеток и входных групп.
• Монтаж системы отопления.
• Монтаж системы вентиляции.
• Монтаж системы горячего водоснабжения ГВС.
• Монтаж системы теплообмена.

Суммарное управляющее воздействие U может быть представлено совокупностью локальных управлений каждым элементом ТЦ, например, в виде:

где  n=9 – количество стационарных и нестационарных элементов ТЦ,
Yi - локальные управления.  

Аналогично представляется показатель энергоэффективности реконструкции Э, например, удельный расход энергии на обеспечение жизнедеятельности и комфорта реконструированного здания за год или относительные затраты условного топлива:

где  Эi - доли энергозатрат элементов ТЦ.   Для здания до реконструкции Эi являются основными числовыми составляющими его энергетического баланса.

Рис 2. характеризует структуру  технологической цепочки реконструкции здания с надстройкой. Каждый элемент ТЦ также может быть представлен в виде самостоятельной  структурной схемы автоматической системы управления по рассогласованию Уi- Эi (Рис.3).

Вследствие того, что здание представляет собой единую теплоэнергетическую систему, существует взаимосвязь и взаимозависимость практически между всеми элементами ТЦ, что отражается перекрестными обратными связями по результатам управления

где Kij - коэффициенты взаимосвязи элементов ТЦ.  Например, коэффициент  k61 характеризует влияние выбранного конструктивного решения НОК  надстройки на параметры системы отопления всего здания, коэффициент  k74 характеризует влияние выбранного конструктивного решения остекления по замене старых окон здания на параметры системы вентиляции.
В векторно-матричной форме выражение (3) имеет вид:

где  У - n-вектор управления,  Э - n-вектор энергоэффективности (энергетический баланс здания), К – матрица  коэффициентов взаимосвязи размерностью n×n.

При выполнении реконструкции с надстройкой по схеме энергоэкономичности управляющие воздействия  элементов ТЦ принимаются на этапе проектирования с экспериментальным подбором  архитектурно-строительных, объемно-планировочных и конструктивно-технических решений с целью уменьшения модуля  Э.

При выполнении реконструкции с надстройкой по схеме энергоэффективности  обосновывается математическая модель реконструкции в дифференциальной или интегральной форме на основе (4) и назначается критерий энергоэффективности Э, например, удельный расход энергии на обеспечение жизнедеятельности и комфорта реконструированного здания за год эксплуатации. Задача энергоэффективной реконструкции формулируется следующим образом:

• Найти такое оптимальное управление Уо, которое обеспечило бы минимум Эмин на заданном отрезке времени при заданных ограничивающих условиях конкретного здания;
• Реализовать на практике технологическую цепочку ТЦ реконструкции здания с оптимальными Уiо.

Для формирования технологической цепочки реконструкции необходимо реально представлять желаемый конечный результат и обладать совокупностью инструментов для его достижения. В этой связи  алгоритм создания технологической цепочки как последовательность действий, которые необходимо выполнить для организации производственного процесса, заключается в следующем:

• определение и математическая формализация цели -  достижение минимума удельного расхода энергии на обеспечение жизнедеятельности и комфорта реконструированного здания за год эксплуатации;
• обоснование технологии и конструктивного исполнения всех элементов ТЦ;
• архитектурное и инженерное проектирование реконструкции;
• обоснование технологического графика реконструкции;
• математическое моделирование выбранных элементов ТЦ и всей цепочки на основе технологического графика;
• определение оптимальных управляющих воздействий (требуемых конструктивных параметров и технических характеристик элементов ТЦ);
• уточненное архитектурное и инженерное проектирование реконструкции;
• выполнение реконструкции;
• контроль результатов, обработка и анализ показателей, экспериментально полученных в процессе функционирования реконструированного здания, для получения оценки его состояния (состояния ТЦ как объекта управления).

ООО Орловская строительная компания.
http://www.orstrcomp.ru/