CC BY
70
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2019, №5, Том 11 / 2019, No 5, Vol 11 https://esj.today/issue-5-2019.html URL статьи: https://esj.today/PDF/61SAVN519.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Фриев А.М., Погодин Д.А. Исследование методов повышения энергоэффективности жилых зданий // Вестник Евразийской науки, 2019 №5, https://esj.today/PDF/61SAVN519.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Friev A.M., Pogodin D.A. (2019). Research of methods for increasing energy efficiency of residential buildings. The Eurasian Scientific Journal, [online] 5(11). Available at: https://esj.today/PDF/61SAVN519.pdf (in Russian)
УДК 69 ГРНТИ 67.13
Фриев Алим Муратович
НИУ «Московский государственный строительный университет», Москва, Россия
Магистрант
Кафедра «Технологий и организации строительного производства»
E-mail: alimfriyev@gmail.com
Погодин Денис Алексеевич
НИУ «Московский государственный строительный университет», Москва, Россия Доцент кафедры «Технологий и организации строительного производства»
Кандидат наук E-mail: PogodinDA@mgsu.ru
Исследование методов повышения энергоэффективности жилых зданий
Аннотация. На сегодняшний день задача повышения энергоэффективности является одной из важнейших для всех отраслей производства и жизнедеятельности человека. Одной из ведущих отраслей производства в современном мире выступает сфера строительства. Проблема создания и эксплуатации современного здания состоит в том, что в большинстве случаев при его проектировании не учитывается вовсе или учитывается с недостаточной степенью фактор энергосбережения. Так какие же методы обладают наибольшей степенью влияния на увеличение итогового показателя энергетической перспективности жилых зданий? Для ответа на этот вопрос были выделены основные методы, подверженные дальнейшей обработке, а также критерии сравнения, имеющие технологическую, организационную, экономическую и эксплуатационную направленность. Использованный в работе метод экспертного оценивания послужил сбору и систематизации данных, на основании которых был произведен расчет и получены средние данные опроса по экспертам с вычислением итоговой оценки эффективности. В качестве метода сбора данных был выбран метод анкетирования и разработана опросная анкета, представленная в статье. Достаточная согласованность мнений экспертов для репрезентативности исследования подтверждена с помощью статистического критерия Колмогорова-Смирнова. Затем применив диаграмму Парето, было установлено, что для повышения энергетической эффективности жилого дома необходимо рассмотреть практическое внедрение следующих решений в процесс возведения здания: использование современных строительных материалов при устройстве ограждающих конструкций; внедрение автоматического контроля распределения энергии; оптимизация объемно-планировочных решений здания; использование энергоэффективных стеклопакетов при устройстве окон. Так
же автором указаны перспективы дальнейшего исследования данного вопроса. Проведенное научное исследование является частью диссертационной работы.
Ключевые слова: энергосбережение; повышение энергоэффективности; жилое здание; метод экспертной оценки; диаграмма Парето; критерий; организационно-технологические показатели
Введение
Энергосбережение является одной из самых серьезных задач 21 века. От результатов ее решения косвенно зависит место нашего общества в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень жизни граждан. Стратегическая цель энергосбережения заключается в повышении энергоэффективности во всех отраслях жизнедеятельности общества, во всех отдельно взятых регионах и в целом по стране [1]. Одной из ведущих отраслей производства в современном мире выступает сфера строительства. По всему миру на здания приходится достаточно высокий уровень энергопотребления, который равен 40 % от мирового показателя, а также уровень выбросов парниковых газов в атмосферу, значительно превышающий выбросы от транспортных средств [2].
Разработка принципов возведения энергоэффективного жилого здания имеет прямую зависимость с развитием и экономическим успехом государства. Новейшие энергосберегающие технологии в строительстве, помимо экономии финансовых ресурсов, открывают и принципиально новые возможности для снижения выбросов в атмосферу вредных веществ, которые образуются при обогреве зданий [3].
Проблема создания и эксплуатации современного здания состоит в том, что в большинстве случаев при его проектировании не учитывается вовсе или учитывается с недостаточной степенью фактор энергосбережения [4].
Исходя из вышесказанного, возникает необходимость в рассмотрении способов увеличения показателей энергоэффективности и выбора методов повышения энергоэффективности, которые обладают наибольшей степенью влияния на увеличение итогового показателя энергетической перспективности жилых зданий [5].
Формирование предметов исследования и критериев оценивания
Для получения достоверных данных о предмете рассматриваемой проблемы, в настоящей работе в качестве метода исследования был принят метод экспертной оценки [6]. Для проведения исследования и получения целесообразного результата необходимо выделить основные методы повышения энергоэффективности жилых зданий, которые будут подвержены дальнейшей обработке. Данные методы являются предметами научно-технического исследования и представлены следующими наименованиями [7]:
• создание энергоэффективной схемы приточно-вытяжной вентиляции;
• использование современных строительных материалов при устройстве ограждающих конструкций;
• использование энергоэффективных стеклопакетов при устройстве окон;
• рациональное использование ландшафта застройки;
• оптимизация объемно-планировочных решений здания;
• эффективная регулировка воздушных потоков;
• внедрение автоматического контроля распределения энергии.
В представленный перечень не включены некоторые современные методы, которые уже нашли довольно широкое применение в современной строительной практике.
Для того чтобы охарактеризовать предмет исследования, необходимо выделить критерии на соответствие предъявленным требованиям. Критерии данного исследования должны иметь технологическую, организационную, экономическую и эксплуатационную направленность. По ним эксперты будут оценивать, как влияет на строительное производство тот или иной метод повышения энергоэффективности зданий [8].
Таким образом, на основании вышеприведенных тезисов, критериями данного исследования будут являться:
Затраты труда при производстве работ [чел.-дни];
Продолжительность строительства [дни];
Стоимость строительства [тыс. руб.];
Финансовые затраты эксплуатации [тыс. руб./год];
Комфортность функционирования [безразм.];
Экологичность [экв. С02, г/м2].
Научно-техническая гипотеза данного исследования заключается в предположении, что изучение принципов создания энергоэффективного жилого здания позволит улучшить как эксплуатационные характеристики жилья, так и организационно-технологические показатели процесса строительства ориентировочно на 3-5 %.
Цель исследования, которой мы ограничиваемся в данной статье, является определение наиболее эффективных методов увеличения показателей энергоэффективности жилого здания.
Основное исследование
Пользуясь методом и формулами, представленными в статье Мусатовой Т.Е. и Желиховского Д.О. «Методика прогнозирования эффективности инновационного проекта на основе экспертных оценок», был произведен расчет необходимого количества экспертов [9]. Таким образом, для проведения исследования с известной ошибкой репрезентативности, не превышающей 10 %, необходимо участие девяти экспертов, обладающих необходимыми компетенциями по предмету исследования. Таким образом, в опросе участвовали специалисты, состоящие в Национальном реестре строителей [10].
Для проведения опроса была разработана анкета, представленная на рисунке 1. Экспертам было необходимо дать оценку предложенным методам по выявленным критериям. Оценка представляет собой натуральное число от 1 до 10, где:
1-2 - явно отрицательное влияние метода повышения энергетической эффективности на строительный процесс по данному критерию;
3-4 - преимущественно отрицательное влияние;
5-6 - нейтральное влияние;
7-8 - преимущественно положительное влияние;
9-10 - явно положительное влияние метода.
Соответственно, чем выше оценку имеет метод по какому-либо критерию, тем большим положительным эффектом он обладает в сравнении с другими рассматриваемыми предметами исследования. Сдвоенная группировка баллов предназначена для более гибкого проставления оценок экспертами в случае незначительной разницы между сравниваемыми методами.
Уважаемый эксперт!
С целью исследования степени влияния методов повышения энергоэффективностп жплых зданий на строительное производство просим Вас принять участие в экспертном опросе. Для этого оцените представленные ниже методы по десятибалльной шкале, где
10 — .максимально положительный эффект от внедрения технологии в процесс строительства;
1 - максимально отрицательный эффект от внедрения технологии в процесс строительства.
№ n/n критерии сравнения
наименование метода затраты труда продолжи тельность строитель CTBA стоимость строитель ства финансовые затраты эксплуата Ц1Ш комфорт нос'ть функшю ннрования экологии ность
Чел дни Дни Тыс. руб. Тыс. руб./год
1 Энергоэффективная схема ириточно-вытяжной вентиляции
2 Современные строительные материалы при устройстве ограждающих конструкций
3 Энергоэффектнвные стеклопакеты
4 Рационализация использования ландшафта застройки
5 Оптимизация объемно-планировочных решений здания
6 Эффективная регулировка воздушных потоков
7 Внедрение автоматического контроля распределения энергии
фамилия, инициалы Подпись
Рисунок 1. Опросная анкета (разработано автором)
Результаты экспертного опроса были сгруппированы по критериям оценивания и представлены в таблицах.
После сбора данных следует произвести их анализ на предмет согласованности мнений экспертов для подтверждения репрезентативности исследования и дальнейшего формирования выводов [11].
Проверка была выполнена при помощи статистического критерия Колмогорова-Смирнова. Этот критерий предназначен для проверки принадлежности анализируемой выборки данных некоторому закону распределения. При выполнении условия проверки по данному критерию будет подтверждена статистическая гипотеза о согласованности мнений экспертов [12; 13].
В данном случае произведено семь итераций по числу предметов исследования. Далее вычислены относительные накопленные итоги - частоты статистических данных. И затем определена наибольшая разница относительных накопленных частот на каждом итерационном шаге, на основании которой и сделан вывод о репрезентативности исследования.
В качестве примера продемонстрируем вычисления для массива данных по критерию №1 - затраты труда.
Шаг 1. Определим результаты экспертного опроса накопленным итогом. Результаты накопленным итогом вычисляются по формуле 1 (таблица 1):
щ = щ + п— (1)
где п - результат экспертного опроса накопленным итогом; 1 - порядковый номер интервала.
Таблица 1
Результаты опроса накопленным итогом
№ Наименование Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7 Э8 Э9
1 Итерация 1 5 8 4 8 6 7 6 7 6
2 Итерация 2 14 18 14 14 14 15 12 16 15
3 Итерация 3 19 23 17 18 20 18 18 21 19
4 Итерация 4 21 25 19 19 23 21 19 25 20
5 Итерация 5 29 33 28 28 29 29 26 34 27
6 Итерация 6 32 37 30 29 30 32 31 38 31
7 Итерация 7 37 42 37 35 37 36 37 45 36
Разработано автором
Шаг 2. Вычислим относительно накопленные частоты разницы в мнениях экспертов. В табличном расчете представлены следующие данные:
f- относительно накопленная частота (отношение текущего значения n к максимальному);
D - разница между максимальным и минимальным значением относительно накопленных частот на каждом интервале.
Относительно накопленная частота вычисляется по формуле 2 (таблица 2):
щ
^ = max (п0 (2)
где f - относительно накопленная частота;
i - порядковый номер интервала;
max (n) - максимальное значение результата накопленным итогом.
Таблица 2
Расчет параметров для анализа данных
№ Наименование Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7 Э8 Э9 Di
1 Частота Г: на шаге 1 0.135 0.190 0.108 0.229 0.162 0.194 0.162 0.156 0.167 0.120
2 Частота Г: на шаге 2 0.378 0.429 0.378 0.400 0.378 0.417 0.324 0.356 0.417 0.104
3 Частота Г: на шаге 3 0.514 0.548 0.459 0.514 0.541 0.500 0.486 0.467 0.528 0.088
4 Частота Г: на шаге 4 0.568 0.595 0.514 0.543 0.622 0.583 0.514 0.556 0.556 0.108
5 Частота Г: на шаге 5 0.784 0.786 0.757 0.800 0.784 0.806 0.703 0.756 0.750 0.103
6 Частота Г: на шаге 6 0.865 0.881 0.811 0.829 0.811 0.889 0.838 0.844 0.861 0.078
7 Частота Г: на шаге 7 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.000
Разработано автором
Разница между максимальным и минимальным значением относительно накопленных частот на каждом интервале вычисляется по формуле 3:
Di = max(/) - min (/) (3)
где D - разница относительно накопленных частот;
i - порядковый номер интервала;
max (f) - максимальное значение относительно накопленной частоты на данном интервале;
min (f) - минимальное значение относительно накопленной частоты на данном интервале.
Шаг 3. Затем определяется максимальное значение разницы D, которое сравнивается с эмпирическим значением критической разницы Dpm, вычисляемой в соответствии с таблицей 2 по формуле 4:
ß«p"=1'22/v« = 1'22/v38;i4= °,197 (4)
где Dxpum - критическое значение разницы относительных частот.
N = 38,14 > 35 - объем выборки анализируемых данных, который определяется как сумма всех результатов экспертного опроса.
Наибольшее расчетное значение по таблице критических значений разницы относительных частот равно ßmax = 0,120.
Так как
^тах < ^крит,
0,120 < 0,197,
предположение о согласованности мнений экспертов в результатах опроса подтверждается.
Шаг 4. Определение согласованности мнений экспертов для других критериев произведем в табличной форме (таблица 3).
Таблица 3
Сравнение D-критериев Колмогорова-Смирнова
№ Критерий а N Dmax DKpm" Итог
1 Затраты труда 0.10 38.14 0.120 0.197 +
2 Продолжительность 0.10 36.51 0.071 0.202 +
3 Стоимость строительства 0.10 36.71 0.153 0.201 +
4 Стоимость эксплуатации 0.10 35.90 0.064 0.204 +
5 Комфортность функционирования 0.10 32.55 0.138 0.214 +
6 Экологичность 0.10 31.50 0.203 0.217 +
Разработано автором
Таким образом, все результаты опроса признаются корректными и могут быть подвержены дальнейшей обработке для принятия на их основе решения по поставленному вопросу.
После того, как данные, полученные в результате экспертного опроса, были проанализированы, и была установлена согласованность мнений экспертов, производится моделирование собранных данных.
В таблице 4 и 5 отображены средние данные опроса по экспертам и критериям соответственно с вычислением итоговой оценки эффективности.
Таблица 4
Средние значения результатов экспертного опроса
№ Наименование Э1 Э2 Э3 Э4 Э5 Э6 Э7 Э8 Э9
1 Энергоэффективная приточно-вытяжная вентиляция 6.33 7.17 6.83 6.83 7.00 6.33 6.67 7.17 6.17
2 Материалы ограждающих конструкций 7.00 7.67 7.67 7.00 7.33 7.83 7.67 7.33 7.17
3 Энергоэффективные стеклопакеты 6.50 7.00 5.83 6.50 6.67 7.17 7.67 7.00 6.33
4 Рационализация использования ландшафта застройки 5.83 6.00 6.33 5.50 5.83 6.17 5.67 5.33 5.50
5 Оптимизация объемно-планировочных решений 6.83 7.50 7.17 7.67 6.67 7.17 7.17 7.33 7.17
6 Эффективная регулировка воздушных потоков 5.17 5.33 4.67 5.33 5.33 5.50 5.67 5.83 5.67
7 Автоматика распределения энергии 7.17 7.17 7.67 7.67 7.17 7.00 7.33 7.17 6.50
Разработано автором
Таблица 5
Средние значения результатов опроса по критериям
№ Наименование Затраты труда Продолжительность строительства Стоимость строительства Финансовые затраты эксплуатации Комфортность функционирования Экологичность
1 Энергоэф. приточно-вытяжная вентиляция 6.33 4.56 6.89 7.78 9.00 5.78
2 Материалы ограждающих конструкций 8.33 8.11 4.56 9.33 5.56 8.56
3 Энергоэффективные стеклопакеты 4.56 8.00 3.78 9.67 6.33 8.11
4 Рационализация использования ландшафта 2.11 3.44 3.22 8.44 8.67 8.89
5 Оптимизация объемно-планировочных решений 7.89 7.00 5.44 8.89 8.67 5.22
6 Эффективная регулировка воздушных потоков 3.00 4.11 3.78 7.22 9.00 5.22
7 Автоматика распределения энергии 5.78 6.78 6.00 9.67 9.44 5.56
Разработано автором
На рисунке 2 приведена линейчатая диаграмма по результатам экспертной оценки в соответствии с группировкой по критериям оценивания.
Затем, для определения наиболее эффективных методов увеличения энергетической эффективности жилых зданий, следует воспользоваться диаграммой Парето (рисунок 3), в которой методы расположены в порядке убывания их итоговой эффективности [14; 15].
Согласно диаграмме, для повышения энергетической эффективности жилого дома необходимо рассмотреть практическое внедрение следующих решений в процесс возведения здания:
• использование современных строительных материалов при устройстве ограждающих конструкций;
• внедрение автоматического контроля распределения энергии;
• оптимизация объемно-планировочных решений здания;
использование энергоэффективных стеклопакетов при устройстве окон.
Внедрение автоматического контроля распределения энергии
Эффективная регулировка воздушных потоков
Оптимизация объемно-планировочных решений здания
Рационализация использования ландшафта застройки
Энергоэффективные стеклопакеты
Современные строительные материалы при устройстве ограждающих конструкций
Энергоэффективная схема приточно-вытяжной вентиляции
Экологичность
Комфортность функционирования
I Финансовые затраты эксплуатации
Стоимость строительства
Продолжительность строительства
Затраты труда
0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00
Рисунок 2. Линейчатая диаграмма по результатам опроса по критериям (разработано автором)
Страница 8 из 11
61SAVN519
Рисунок 3. Диаграмма Парето для отбора методов повышения энергоэффективности (разработано автором)
Выводы
В рамках данной статьи было выполнено научно-техническое исследование, в ходе которого при помощи экспертных оценок были определены наиболее оптимальные с точки зрения организационно-технологических, экономических и эксплуатационных критериев методы повышения энергоэффективности жилых домов. Собранные данные опроса были подвержены статистической обработке, в ходе которой выяснилось, что по критерию Колмогорова-Смирнова эксперты обладают достаточной степенью согласованности мнений. По результатам опроса были рассчитаны средние значения и итоговые значения эффективности, а также построена диаграмма Парето, с помощью которой был определен ряд наиболее эффективных методов.
Для практического подтверждения полученного результата и получения процентного соотношения увеличения эксплуатационных характеристики жилья и организационно-технологических показателей процесса строительства необходимо дальнейшее исследование.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abdelaziz E.A., Saidur R., Mekhilef S. A review on energy saving strategies in industrial sector // Renewable and sustainable energy reviews. 2011. №15. Pp. 150— 168.
2. Григорьев Л.М. Экология и экономика: сокращение загрязнения атмосферы страны // Бюллетень о текущих тенденциях российской экономики. 2017. C. 4-9.
3. Абакумов Р.Г., Ярыгина А.Ю. Проблематика системного управления энергосбережением в жилищном фонде // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. №2. С. 13-15.
4. Григорян М.Н., Сайбель А.В. Архитектурная экология. Энергоэффективное строительство // Инженерный вестник Дона. 2012. №4. С. 1-3.
5. Hoque M.E., Rashid F., Prodhan M.Y, Arman A. Analysis of Energy Consumption and Efficiency to Reduce Power Losses in Industrial Equipment // International Conference on Mechanical Engineering. 2017. № 37. Pp. 1-7.
6. Шишкина Н.А. Роль и значение метода экспертных оценок в системе оценивания качества инновационных проектов // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2013. №2. C. 162-165.
7. Шарипов А.Я., Силин В.М. Энергосберегающие и энергоэффективные технологии - основа энергетической безопасности // Некоммерческое Партнерство «Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике», исследования 20062007 гг.
8. Субботин С.А. Комплекс характеристик и критериев сравнения обучающих выборок для решения задач диагностики и распознавания образов // Математические машины и системы. 2010. №1. C. 25-38.
9. Мусатова Т.Е., Желиховский Д.О. Методика прогнозирования эффективности инновационного проекта на основе экспертных оценок // Современные проблемы науки и образования. 2015. №1. 634 c.
10. Полный Национальный Реестр Специалистов (НОСТРОЙ) в строительстве: включенные и исключенные специалисты, 2019 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.reestr-sro.ru/nrs/stroitelstvo/ (дата обращения: 15.07.2019).
11. Орлов А.И. Экспертные оценки. Учебное пособие // М.: ИВСТЭ, 2002.
12. Marsaglia G., Tsang W.W., Wang J. Evaluating Kolmogorov's Distribution // Journal of Statistical Software. 2003. Pp. 1-4.
13. Лемешко Б.Ю. Критерии проверки гипотез об однородности. Руководство по применению // Новосибирск. 2018. C. 20-29.
14. Чулков В.О. Инфографическое моделирование структуры виртуального пространства воспитательно-образовательного процесса индивида. Часть I // Вестник Евразийской науки. 2018. №5. C. 1-7.
15. Richard Koch. The 80/20 Principle // Paperback - October 19, 1999. Страница 10 из 11
Friev Alim Muratovich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Moscow, Russia
E-mail: alimfriyev@gmail.com
Pogodin Denis Alekseevich
Moscow state university of civil engineering (national research university), Moscow, Russia
E-mail: PogodinDA@mgsu.ru
Research of methods for increasing energy efficiency of residential buildings
Abstract. Today, the task of improving energy efficiency is one of the most important for all sectors of production and human life. One of the leading industries in the modern world is the construction industry. The problem of creating and operating a modern building is that in most cases, when designing it, it is not taken into account at all or the energy saving factor is not taken into account. So what methods have the greatest degree of influence on increasing the total energy potential of residential buildings? To answer this question, the main methods were identified that were further processed, as well as comparison criteria with a technological, organizational, economic and operational focus. The method of expert assessment used in the work served to collect and systematize the data on the basis of which the calculation was made and the average data of a survey of experts was obtained with the calculation of the final performance rating. The questionnaire method was chosen as the data collection method and the questionnaire presented in the article was developed. Sufficient consistency of expert opinions for the representativeness of the study was confirmed using the Kolmogorov-Smirnov statistical test. Then, applying the Pareto diagram, it was found that in order to increase the energy efficiency of a residential building, it is necessary to consider the practical implementation of the following solutions in the process of building construction: the use of modern building materials when building walling; introduction of automatic control of energy distribution; optimization of space-planning decisions of the building; the use of energy-efficient double-glazed windows for windows. The author also indicates the prospects for further research on this issue. Conducted scientific research is part of the dissertation.
Keywords: energy saving; improving energy efficiency; residential building; expert evaluation method; Pareto chart; criterion; organizational and technological indicators
