CC BY
78
ВЕСТНИК лтчп.11
10/2013
УДК 628.8 Ш.З. Усмонов
ФГБОУ ВПО «МГСУ», ПИТТУ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗАТРАТ НА ОТОПЛЕНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ 5-ЭТАЖНОГО ЖИЛОГО ДОМА И ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ПО ИНДЕКСАМ ТЕПЛОВОГО КОМФОРТА PMV И PPD
Проведен анализ микроклиматических параметров жилого дома, которые соответствуют категории II, согласно стандарту EN 15251, на основе комплексной, интегральной оценки с применением индекса теплового комфорта PMV и дискомфорта PPD. На основе модельных исследований установлены предельные значения температуры воздушной среды в помещениях за отопительный период.
Ключевые слова: модернизация, вентиляция, экономия энергии, тепловой комфорт, микроклимат, оптимальная температура, рекуперация тепла, PMV индекс, PPD индекс, реконструкция, мансарда, надстройка.
В городах северного Таджикистана доминируют возведенные на индустриальной основе крупнопанельные дома, для которых характерно высокое потребление энергии, при этом в них несвоевременно проводится текущий ремонт. Наружные ограждающие конструкции рассчитаны на нормируемый ранее коэффициент теплопередачи, что в 2...2,5 раза ниже современных норм и требует дополнительного утепления.
Ситуация, сложившаяся в Республике Таджикистан в сфере капитального строительства и жилищно-коммунального хозяйства, характеризуется рядом негативных явлений:
острой нехваткой жилья, особенно социального назначения — для малообеспеченных граждан;
неудовлетворительным состоянием жилого фонда и др. Самым простым, эффективным и надежным техническим решением при реконструкции зданий является надстройка мансардного этажа. Устройство мансарды улучшает эстетический вид здания, красивая необычная мансарда придает своеобразный стиль городской застройке. Устройство мансардных помещений в чердачном пространстве взамен плоских и малоуклонных крыш сократит теплопотери через крышу и обеспечит долговечность кровли.
Остро стоят вопросы сохранности жилого фонда и рационального использования энергетических ресурсов. Например, при объеме жилищного строительства сегодня в России 45.. .50 млн м2, что составляет около 2 % от эксплуатируемого жилищного фонда, экономия энергоресурсов за счет ужесточения норм строительной теплотехники в жилищном строительстве в ближайшие 10 лет не превысит и 5 % [1]. В Республике Таджикистан объемы жилищного строительства в разы ниже. Поэтому для получения реальных и ощутимых результатов по энергосбережению основное внимание необходимо уделять сохранности, реконструкции, модернизации и капитальному ремонту жилого фонда и его энергоэффективности.
Снос этих зданий является дорогостоящим мероприятием и может быть осуществлен только по соображениям градостроительной целесообразности. Несущие конструкции этих зданий допускают возможность надстройки мансардных этажей.
Геометрическая форма здания оказывает существенное влияние на расходы энергии. В СНиП РТ 23-02—2009 «Тепловая защита зданий» был введен геометрический критерий компактности здания в виде отношения площади ограждающей оболочки здания к замкнутому в нее объему. Необходимого снижения расхода энергии за счет этого критерия для зданий различной этажности можно добиться в следующих случаях:
0,25 — для 16-этажных зданий и выше;
0,29 — 10.. .15 этажей включительно;
0,32 — 6.9 этажей включительно;
0,36 — 5-этажных зданий;
0,43 — 4-этажных зданий;
0,54 — 3-этажных зданий;
0,61; 0,54; 0,46 — для 2-, 3- и 4-этажных блокированных и секционных домов соответственно;
0,9 — двух- и одноэтажных домов с мансардой;
1,1 — одноэтажных домов [2].
Аналогичные показатели используются в нормах Германии с 1975 г.
При увеличении ширины корпуса зданий с 12 до 15 м можно сэкономить 9.10 % удельного расхода тепла на отопление и снизить стоимость 1 м2 полезной площади на 5,5.7,0 %. А повышение этажности с 5 до 9 позволяет снизить расход тепла на здание на 3.5 % [3]. Поэтому ширину корпусов зданий предпочтительно принимать не 9.12 м, а 15 и даже 18 м. При этом глубина помещений жилых домов может составить 5,4-6,0-7,2 или 9,0 м.
Увеличения ширины корпуса здания можно добиться путем пристройки к нему дополнительных объемов. Увеличение ширины корпуса можно осуществлять по всей длине дома или дискретно. В качестве дополнительных объемов могут быть отапливаемые помещения, пристраиваемые к существующим комнатам, а также остекленные или открытые лоджии, веранды, галереи.
По результатам моделирования энергетических параметров 5-этажного жилого дома серии 105 постройки 1980 г., расположенного в г. Худжанде Республики Таджикистан (выполненного в Институте строительной физики им. Фраунгофера в Германии посредством программного обеспечения WUFI+), расход энергии за отопительный период при обеспечении внутренней температуры воздуха +20 °С составляет 152987,7 кВтч. При обеспечении внутренней температуры воздуха +25 °С расход энергии в период охлаждения (летом), который обычно принимают равным трем самым жарким месяцам (июнь, июль, август), для всего дома составляет 123718,1 кВтч.
По результатам оценки микроклиматических условий был выполнен расчет теплоощущений людей по индексу predicted mean vote (PMV [4—6]) и уровня дискомфорта по показателю predicted percentage of dissatisfied (PPD [4—6]). Расчет показал, что средняя оценка качества воздушной среды по индексу PMV составляет 0,5 (рис. 1).
Рис. 1. Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды до модернизации и реконструкции здания при внутренней температуре +20 °С (отопительный период) и +25 °С (охладительный период) и периода охлаждения 3 мес.: +3 — слишком тепло; +2 — тепло; +1 — слегка тепло; 0 — нейтрально; -1 — слегка прохладно; -2 — прохладно; -3 — холодно
Из рис. 1 видно, что некоторое количество людей в течение определенного времени в мае (от 2880 до 3623 ч) и сентябре (от 5833 до 6551 ч) чувствуют, что им слишком тепло, так как в мае внутренняя средняя температура в помещениях +30,97 °С, а в сентябре +30,54 °С. В отопительный период (от 0 до 2005 ч) и (от 6889 до 8759 ч) прохладно (см. рис. 1).
Индекс PPD по своей сути противоположен индексу РМУ и характеризует процент неудовлетворенных температурными условиями. Для исследуемого здания PPD составил в среднем 44,32 % (рис. 2).
Рис. 2. Прогнозируемый процент недовольных температурной средой до модернизации и реконструкции здания при обеспечении внутренней температуры +20 °С (отопительный период) и +25 °С (период охлаждения)
По двум графикам (см. рис. 1, 2) можно сделать вывод, что 3-месячный период охлаждения не обеспечивает тепловой комфорт в помещениях, необходим 5-месячный период охлаждения. В период охлаждения внутреннюю температуру принимаем +25 °С. А в отопительный период при внутренней
температуре воздуха +20 °С, согласно индексу РМУ, проживающие будут чувствовать себя немного прохладно. Обеспечение комфортной среды наступает при внутренней температуре +24,3 °С в отопительный период. Исследования показали, что именно при такой температуре и 5-месячном периоде охлаждения обеспечивается тепловой комфорт в течение года в помещениях (рис. 3).
Рис. 3. Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды при обеспечении внутренней температуры +24,3 °С в отопительный период и 25 °С в период охлаждения и изменении периода охлаждения: вместо 3 мес. — 5 (май — сентябрь)
Исходя из сказанного для анализа микроклиматических параметров в зданиях следует использовать комплексную интегральную оценку с применением индексов теплового комфорта РМУ и PPD при учете теплоизоляционных свойств одежды (с1о). Для этого требуется разработка отечественных норм по микроклимату здания.
При внутренней температуре в помещении +24,3 °С и 5-месячном периоде охлаждения (с мая по сентябрь), по индексу PPD процент людей, неудовлетворенных температурными условиями снижается и составит 11,18 (рис. 4) вместо 44,32 %. В целом расход энергии на отопление здания составил 224113,3, а на охлаждение — 161774,3 кВтч. При этом увеличение расхода энергии на отопление происходит на 46 %, на охлаждение — на 31 %.
100
90
80
70
N® 0s 60
a" 50
i.
a. 40
30
20
10
0
I
L Ik li li
Iff " "/"¿"Г ' fft| iv^
11,IS
—PPD
- -Среднее значение PPD
1000 2000
3000 4000 5000 6000 Время от начала года, ч
7000 8000 9000
Рис. 4. Прогнозируемый процент недовольных температурной средой до модернизации здания при обеспечении внутренней температуры +24,3 °С в отопительный период и +25 °С в период охлаждения
Для снижения расходов энергии на отопление и охлаждение, а также для обеспечения внутреннего теплового комфорта помещений в жилом доме необходимо осуществить реконструкцию и модернизацию. При реконструкции 5-этажного жилого дома серии 105, находящегося в сейсмоопасной зоне, для увеличения ширины корпуса и поперечной жесткости здания используем железобетонную каркасно-монолитную систему. Каркас располагают с обеих сторон здания с заглублением на 2 м и заполняют пенобетонными теплоизоляционными блоками с плотностью 600 кг/м3 и толщиной 300 мм. Этот прием особенно эффективен для существенного повышения сейсмостойкости здания. Ширину корпуса принимаем 14,8 вместо 10,8 м (рис. 5). При этом увеличивается площадь кухонь и отдельных жилых комнат.
Рис. 5. Схема зоны увеличения ширины корпуса 5-этажного жилого дома серии 105
Существенно снижает потребление энергии в зимний период и расход энергии на кондиционирование летом, а также создает комфортные условия внутри помещений применение в домах фасадной системы POLYALPAN, средний слой панелей которой из защищенного обшивками закрытопористого пенополиуретана. Коэффициент теплопроводности этих панелей варьируется в пределах 0,026...0,03 Вт/м°С.
Пространственную жесткость конструкции мансардного этажа можно обеспечить продольными связями, в случае необходимости вводятся дополнительные элементы жесткости в виде раскосов на уровне стоек рамы или чердачного перекрытия. Покрытие и наружное ограждение мансарды крепятся за крайние стойки поперечных рам. Они могут выполняться из металлочерепицы, плоского и гофрированного металлического листа по обрешетке. Внутренняя облицовка помещений мансарды выполняется из двух листов гипсокартона, которые крепятся к наклонным стойкам самонарезающими винтами с внутренней стороны, и в целях предотвращения обрушения утеплителя при пожаре предусматривается металлическая просечная сетка.
Для теплозащиты мансардного этажа применяем эффективный утеплитель, на примере минераловатной плиты с X = 0,042 Вт/м°С, толщиной 120 мм. С внутренней стороны утеплителя предусматривается пароизоляция в виде полихлорвиниловой пленки 0,2 мм толщиной, с наружной стороны — слой гидроизоляции.
Необходимым элементом конструкции покрытия мансарды, особенно в условиях сухого жаркого климата, является вентиляционный канал.
Усовершенствованная конструкция покрытия имеет не один, а два вентиляционных канала, второй — на чердаке, с двух противоположных сторон которой от канала расположены окна для сквозного проветривания. Окна на чердаке зимой закрыты, а летом — открыты. Вентиляционные каналы имеют входы воздуха под карнизом и выходы на уровне конька покрытия мансардного этажа (рис. 6). На чердачном помещении можно размещать рекуператор, элементы установки солнечной энергии и т.п.
После реконструкции и модернизации жилого дома с применением
вентилируемого фасада POLYALPAN и
дома серии 105 с применением мансард-
эффективного утеплителя из минерало-^^ * ного этажа
ватной плиты (рис. 7, а), пенобетонных
блоков (рис. 7, б), ограждающих конструкций мансарды (рис. 7, в), внесения изменений в конструкцию пола посредством принятия дополнительного утепляющего слоя из жестких минераловатных плит (рис. 7, г), замены старых окон на герметичные, со стеклопакетами, расход энергии в отопительный период при обеспечении внутренней температуры воздуха +24,3 °С (при существующей естественной вентиляции дома с кратностью воздухообмена при инфильтрации 0,3 ч-1), составляет 91360,8 кВтч. При обеспечении внутренней температуры воздуха +25 °С во время 5-месячного периода охлаждения расход энергии составляет 94412,6 кВтч.
5 4 32 1
! Керамэитобетон плотностью 1400 кг/м3
2 Цементно-песчаная штукатурка
3 Минеральная плита плотностью 145 кг/м5
4 Вентилируемая воздушная прослойка
5 Утепленный экран
Н '» ■ЬМ-М-и
а
Рис. 7. Схема ограждающих конструкций жилого дома серии 105 после реконструкции и модернизации (начало): а — торцевая стена
Рис. 6. Схематичный разрез жилого
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
76 5 4 321
1 Двойная обшивка (суперлисты Кнауф)
2 Настил деревянный
3 Пароизоляцин
4 Минеральная плита плотностью 14з кг/м1
5 Вентилируемая воздушная прослойка
6 Обрешетка
7 Металлочерепица
1 Линолеум
2 Сборная стяжка из ГВЛВ
3 Плиты минераловатные плотностью 200 кг/м3
4 Цементная стяжка
5 Керамзитовая засыпка
6 Перекрытие ж/б
Рис. 7. Схема ограждающих конструкций жилого дома серии 105 после реконструкции и модернизации (окончание): б — продольная стена; в — ограждающая конструкция мансарды; г — конструкция пола первого этажа
б
в
г
По полученным результатам после реконструкции и модернизации экономия энергии в отопительный период при существующей вентиляции составит более 59 %, а в период охлаждения — почти 42 % по сравнению с периодом до реконструкции и модернизации жилого дома.
Следует отметить, что существенная экономия в отопительный период достигнута за счет герметичности оболочки здания при наличии внутренней тепловой нагрузки. Резкое снижение притока свежего воздуха через притворы современных окон делает практически неработоспособной систему естественной вытяжки в подсобных помещениях. Появляется духота, увеличивается относительная влажность воздуха, что приводит к выпадению конденсата на окнах и появлению грибков и плесени на откосах и стенах.
Воздух в помещениях — важный фактор, влияющий на здоровье, и, как следствие, на трудоспособность людей, находящихся в этих помещениях.
Человек, проводя основную часть жизни дома, где отсутствуют природные механизмы очищения воздуха, вынужден очищать его своими легкими, так как процесс загрязнения воздуха идет постоянно. За сутки человек вдыхает до 24 кг воздуха, это в 16 раз больше, чем количество выпиваемой в сутки воды [7].
По данным Института экологии человека и Гигиены окружающей среды РАМН, в обычной квартире присутствует до 150 видов химических испарений. Это испарения лака и краски, мебельного клея от ДСП, бытовой химии и ан-тропотоксинов — продуктов жизнедеятельности человека, а также домашних животных.
Современный городской житель 90 % времени проводит в помещении. По оценкам экологов, воздух в доме в 4...6 раз грязнее и в 8...10 раз токсичнее уличного. Около 10 % инфекционных и простудных заболеваний приобретается вне стен, а 90 % — внутри помещений [7].
При отсутствии должной вентиляции в воздухе снижается содержание кислорода, возрастает концентрация углекислого газа и радона, увеличивается содержание вредных для человека микробов и бактерий. Все это ведет к повышенной утомляемости людей, головным болям, снижению концентрации внимания, к респираторным заболеваниям и некоторым другим специфическим проявлениям недомогания.
При модернизации многоквартирных жилых домов с естественной вытяжкой для притока свежего воздуха рекомендуется использовать приточные клапаны, монтируемые непосредственно в переплеты герметичных окон или наружную стену. Оконные клапаны при этом могут устанавливаться не только в заводских условиях при изготовлении окон, но и уже на смонтированных окнах без замены стеклопакетов и их демонтажа. При этом могут оставаться старые вытяжные решетки с фиксированным проходным сечением.
Из-за широкого применения современных воздухонепроницаемых строительных материалов и окон со стеклопакетами все большее применение имеют приточно-вытяжные системы с механической вентиляцией жилых помещений.
При применении так называемой смешанной вентиляции, совмещающей в себе одновременно естественную и механическую, после утепления здания при механической вентиляции с кратностью воздухообмена 0,3 ч-1 расход энергии составляет 101713,8 кВтч, на охлаждение — 106249,1 кВтч.
ВЕСТНИК лтчп.11
10/2013
Следует отметить, что традиционная естественная вентиляция в герметичных домах неэффективна. Использование принудительной вентиляции решает проблему воздухообмена, а также снижает расход энергии на охлаждение.
Одним из самых эффективных мероприятий по снижению расходов энергии на отопление может стать внедрение вентиляционных систем с рекуперацией теплоты. Такая система позволяет обеспечить помещение свежим воздухом с комфортной температурой, уменьшая нагрузку на систему отопления.
Эффективность рекуператоров колеблется в пределах от 20 до 95 %. Данный коэффициент зависит напрямую от вида рекуператора. Например, энергоэффективный рекуператор EcoLuxe ЕС-3400Н3 возвращает в помещение 84.95 % тепла и до 80 % влаги. Благодаря новейшей конструкции с тройным теплообменником мембранного типа без дренажа и нагревателей работает до температуры -35 °С. Модифицированная версия способна работать до температуры -55 °С. В рекуператорах EcoLuxe нет дренажа, зимой в помещение помимо тепла возвращается до 80 % влаги [8]. Монтаж производится легко и универсально в любом положении в пространстве.
Новейшая технология питания двигателей позволяет экономить до 50 % электроэнергии по сравнению с обычными асинхронными двигателями, имеет высоконапорные характеристики при практически бесшумной работе рекуператора [8].
Можно применять устройства приточно-вытяжной механической вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха кратностью воздухообмена от механической вентиляции 0,3 ч-1. В домах серии 105 приточно-вытяж-ную установку с рекуператором можно разместить на чердаке здания.
После реконструкции и модернизации здания и применения рекуператора с эффективностью 90 % при обеспечении внутренней температуры в отопительный период +24,3 °С, в охладительный период +25 °С по индексу РМУ следует, что люди, живущие в доме, имеют теплоощущения со средним значениям РМУ -0,18 (рис. 8). А показатель индекса PPD (рис. 9) составляет 7,71 %. После проведенных мероприятий отмеченных выше процент неудовлетворенных температурными условиями снижается более чем на 82 %. После применения рекуператора с эффективностью 90 % расход энергии на отопление составляет 117888,5 кВтч. Экономия энергии за отопительный период при приточно-вытяжной механической вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха с эффективностью рекуператора 90 % составляет 47,5 %. При этом показатель индекса РМУ составляет -0,08, а PPD — 9,73 %.
Некоторые параметры микроклимата согласно стандарту EN 15251 «Исходные параметры микроклимата помещений для проектирования и оценки энергетической эффективности зданий в отношении качества воздуха, теплового комфорта, освещения и акустики» для разных категорий здания приведены в табл. 1. Полученные показатели являются приемлемыми и отвечают нормам теплового комфорта согласно стандарту EN 15251 для существующих зданий по категории II (табл. 2).
Рис. 8. Прогнозируемая средняя оценка качества воздушной среды после модернизации и реконструкции здания при применении рекуператора с эффективностью 90 % и обеспечении внутренней температуры +24,3 °С в отопительный период и +25 °С в период охлаждения
Рис. 9. Прогнозируемый процент недовольных температурной средой после реконструкции и модернизации здания при применении рекуператора с эффективностью 90 %
Табл. 1. Категории здания в зависимости от требований, предъявляемых к микроклимату помещений [9—10]
Категория здания Описание уровня требований к микроклимату
I Высокий уровень ожидаемых требований рекомендуется для помещений, в которых присутствуют очень чувствительные люди с особыми требованиями, такие как пожилые люди, инвалиды, больные люди, маленькие дети
II Нормальный уровень требований следует использовать для вновь строящихся и реконструируемых зданий
III Приемлемый, средний уровень требований может быть использован для существующих зданий
IV Значения параметров ниже уровня, установленного для здания соответствующей категории. Эта категория считается приемлемой только в отдельной, ограниченной части здания
Табл. 2. Связь уровня дискомфорта и индекса теплоощущений человека с категорий здания при проектировании в нем отопления и охлаждения [9—10]
Показатели реакции человека на тепловой комфорт
Категории Уровень дискомфорта PPD, % Предсказание теплоощущений человека РМУ
I < 6 -0,2 < РМУ < 0,2
II < 10 -0,5 < РМУ < 0,5
III < 15 -0,7 < РМУ < 0,7
IV > 15 РМУ < -0,7; или 0,7 < РМУ
Следует отметить, что в Республике Таджикистан пока отсутствуют отечественные нормы по микроклимату зданий. Безусловно, при их разработке необходимо использовать международные стандарты.
При применении рекуператора с эффективностью 20 % расход энергии на отопление составит 135244,7 кВтч, с эффективностью 40 % — 130276 кВтч, при эффективности 60 % — 125335,7 кВт ч, при эффективности 80 % — 120358,7 кВтч, при эффективности 90 % — 117888,5 кВтч, а при эффективности 95 % расход энергии на отопление составит 116632,9 кВтч (рис. 10).
Установка рекуператоров после реконструкции и модернизации жилого дома позволяет существенно снизить нагрузку на систему отопления всего здания.
140000
Рекуператор тффекти выостъю 2Л % Рекуператор'эффективностью 40 % Рекуператор эффек: I.. о % Рекуператор "э^ьфективностыо 80 % Рекуператор зффестияиостью 70 со — --Рекуператор -эффективностью 95 %
115000
20 40 60 ВО
Эффекта вность рекуператора. %
I ] 7888,5 116632,9
100
Рис. 10. Расход энергии за отопительный период при применении рекуператоров с различной эффективностью
Выводы. 1. Для анализа микроклиматических параметров в зданиях следует использовать комплексную интегральную оценку с применением индекса теплового комфорта РМУ и PPD и оценку теплоизоляционных свойств одежды (с1о). Требуется разработка отечественных норм по микроклимату здания.
2. На основе полученных модельных данных для климатических условий северных регионов Таджикистана в отопительный период за оптимальную температуру внутреннего воздуха в жилых помещениях следует принять +24,3 °С вместо 20.22 °С.
3. За оптимальный расчетный период охлаждения рекомендуется принять пять самых жарких месяцев (май — сентябрь) вместо обычно принимаемых трех.
4. Экономия энергии за отопительный период при приточно-вытяжной механической вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха с эффективностью рекуператора 90 % составляет 47,5 %.
5. Установка рекуператоров после реконструкции и модернизации жилых зданий позволяет существенно снизить нагрузку на систему отопления всего здания.
Библиографический список
1. Булгаков С.Н. Новые технологии системного решения критических проблем городов // Известия вузов. Строительство. 1998. № 3. С. 5—23.
2. МКС ЧТ (СНиП РТ) 23-02—2009. Тепловая защита зданий.
3. Нигматов И.И. Проектирование зданий в регионах с жарким климатом с учетом энергосбережений, микроклимата и экологии. Душанбе : Ирфон, 2007. 303 с.
4. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005, рр. 8—17.
5. Fanger. P. O. Thermal comfort analysis and applications in environmental engineering. New York, McGraw-Hill, 1970. 244 p.
6. FangerP.O. Thermal comfort. Robert E. Crieger, Malabar, Florida, 1982.
7. Ватин Н.И., Самопляс Т.В. Системы вентиляции жилых помещений многоквартирных домов. СПб., 2004. 66 с.
8. Компания АИРКОН ГРУПП. Воздушный рекуператор тепла и влаги EcoLuxe EC-3400H3 для систем приточно-вытяжной вентиляции. Режим доступа: http://www. climatexpo.ru/main/members/novelty/1216/. Дата обращения: 05.05.2013.
9. EN 15251. Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. May, 2007.
10. OlesenB.W. Information paper on EN 15251 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. P. 114. Energy Performance of Buildings. CENSE, 15.02.2010, рp. 1—7.
Поступила в редакцию в июле 2013 г.
Об авторе: Усмонов Шухрат Заурович — соискатель кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; старший преподаватель, Худжандский политехнический институт Таджикского технического университета (ПИТТУ), 735700, Таджикистан, г. Худжанд, ул. Ленина, д. 226, usmonov.shuhrat@gmail.com.
Для цитирования: УсмоновШ.З. Моделирование энергетических затрат на отопление и охлаждение 5-этажного жилого дома и оценка температурных условий по индексам теплового комфорта PMV и PPD // Вестник МГСУ 2013. № 10. С. 216—229.
Sh.Z. Usmonov
SIMULATION OF ENERGY DEMAND FOR HEATING AND COOLING OF A 5-STOREY RESIDENTIAL BUILDING AND EVALUATION OF THERMAL CONDITIONS BASED ON PMV AND PPD THERMAL COMFORT INDICES
The energy demand of a 5-storey residential building (a 105 series design structure built in 1980), located in the city of Khujand, Tajikistan, was simulated at the Fraunhofer
BECTHMK
Institute of Building Physics in Germany using WUFI+ software. The purpose of the simulation was to reduce the energy demand for its heating and cooling, as well as to ensure thermal comfort inside the building in the course of its reconstruction and modernization. Reconstruction and modernization of this residential building includes the construction of POLYALPAN ventilated façade, application of mineral wool insulation sheets, aerated concrete blocks, and replacement of old windows by the sealed double glazing.
The analysis of micro-climatic parameters of this residential building is performed in furtherance of Category II of EN 15251 "Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics", and it is based on the comprehensive assessment of the values of heat indexes PMV (Predicted Mean Vote) and PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied). The research is based on the modeling pattern limiting the air temperature values on the premises during the heating period and reducing the energy demand for its heating through the employment of a heat exchanger. The findings prove that the analysis of micro-climatic parameters of buildings would benefit from the comprehensive and integrated assessment of the values of thermal comfort indexes PMV and PPD and from the evaluation of thermal insulation properties of clothes. Moreover, the findings demonstrate the need for development of national standards of the microclimate inside residential buildings. The research was based on the data simulating the climatic conditions in the northern region of Tajikistan during an extremely hot summer season and the optimum indoor air temperature of +24,3 °C instead of 20—22 °C. The research has proven that it is advisable to record the cooling data for five hottest months (May through September) instead of three, which is a common practice. The energy savings of 47,5 % were achieved using a 90 % efficient heat recovery procedure during the winter period when mechanical ventilation systems are in operation. Using heat exchangers after the renovation and modernization of residential buildings can significantly reduce the load on the heating system of a building.
Key words: modernization, ventilation, energy saving, thermal comfort, microclimate, optimum temperature, heat recovery, PMV (Predicted Mean Vote) index, PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) index, reconstruction, mansard, additional storey.
References
1. Bulgakov S.N. Novye tekhnologii sistemnogo resheniya kriticheskikh problem goro-dov [New Technologies for Comprehensive Resolution of Critical Urban Problems]. Izvestiya Vuzov: Stroitel'stvo [News of Institutions of Higher Education. Construction] 1998, no. 3, pp. 5—23.
2. MKS ChT (SNiP RT) 23-02—2009. Teplovaya zashchita zdaniy. [MKS CHT (Construction Norms and Rules of the Republic of Tajikistan) 23-02—2009. Thermal Protection of Buildings].
3. Nigmatov I.I. Proektirovanie zdaniy v regionakh s zharkim klimatom s uchetom ener-gosberezheniy, mikroklimata i ekologii [Design of Buildings in Hot Climates with Account for Energy Saving, Microclimate, and Ecology]. Dushanbe, Irfon Publ., 2007, 303 p.
4. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 2005, pp. 8—17.
5. Fanger P.O. Thermal Comfort Analysis and Applications in Environmental Engineering. New York, McGraw-Hill, 1970, 244 p.
6. Fanger P.O. Thermal Comfort. Robert E. Crieger, Malabar, Florida, 1982.
7. Vatin N.I., Samoplyas T.V. Sistemy ventilyatsii zhilykh pomeshcheniy mnogokvar-tirnykh domov [Ventilation Systems for Living Spaces of Multiple-occupancy Buildings]. St.Petersburg, 2004, 66 p.
8. Kompaniya AIRKON GRUPP. Vozdushnyy rekuperator tepla i vlagi EcoLuxe EC-3400H3 dlya sistem pritochno-vytyazhnoy ventilyatsii. [AIRKON GRUPP Company. Heat and Moisture Exchanger EcoLuxe EC-3400H3 for Combined Extract-and-input Systems]. Available at: http://www.climatexpo.ru/main/members/novelty/1216/. Date of access: 05.05.2013.
9. EN 15251. Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. May, 2007.
10. Olesen B.W. Information paper on EN 15251 Indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. P. 114. Energy Performance of Buildings. CENSE, 15.02.2010, pp. 1—7.
About the author: Usmonov Shukhrat Zaurovich — applicant, Department of Architecture of Civil and Industrial Buildings, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 129337, 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; Senior Lecturer, Khujand Polytechnic Institute, Tajik Technical University (PITTU), 226 Lenina st., Khujand, 735700, Tajikistan; usmonov.shuhrat@gmail.com.
For citation: Usmonov Sh.Z. Modelirovanie energeticheskikh zatrat na otoplenie i okhlazhdenie 5-etazhnogo zhilogo doma i otsenka temperaturnykh usloviy po indeksam teplovogo komforta PMV i PPD [Simulation of Energy Demand for Heating and Cooling of a 5-Storey Residential Building and Evaluation of Thermal Conditions Based on PMV and PPD Thermal Comfort Indices]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 216—229.
