CC BY
170
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/ Том 7, №3 (2015) http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/99TVN315.pdf DOI: 10.15862/99TVN315 (http://dx.doi.org/10.15862/99TVN315)
УДК 69.022.3:699.86
Воробьев Валерий Степанович
университет путей сообщения (СГУПС)» Российская Федерация, г. Новосибирск1 организация и экономика строительства» Доктор технических наук Профессор E-mail: vorobjev@stu.ru
Запащикова Наталья Петровна
университет путей сообщения (СГУПС)» Российская Федерация, г. Новосибирск организация и экономика строительства» E-mail: znp76@mail.ru
Оценка технического состояния навесных фасадных систем как инструмент энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий
1 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191 1
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный Заведующий кафедрой «Технология,
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный Преподаватель кафедры «Технология,
Аннотация. Статья посвящена оценке технического состояния навесных фасадных систем с целью оперативного и своевременного принятия решений по обеспечению проектной энергетической эффективности зданий.
Необходимость реализации Государственной программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий, а также низкое качество монтажа элементов навесных фасадов, снижение комфортности проживания из-за увеличения градиента температур наружной и внутренней среды, увеличение энергопотребления, требуют создание системы управления техническим состоянием навесных фасадов, базирующейся на оценке надежности элементов и системы в целом по критерию минимизации средней потери эффективности.
В статье предложена новая категория элементов зданий, а именно: «Строительно-эксплуатационный модуль (СЭМ)» как совокупность несущей части здания и многослойной ограждающей конструкции, совпадающей по геометрическим размерам с площадью вертикальной панели внутреннего помещения; построения модели оценки потери эффективности фасада на основе отказов технического состояния элементов СЭМ с применением теории графов и теории надежности. Построены графы технических состояний элементов ограждающих конструкций, описанные системой дифференциальных уравнений. Приведены расчетные формулы оценки надежности элементов ограждающих конструкций. Приведен критерий оптимизации эффективности системы оценки надежности ограждающих конструкций.
Основные результаты исследований состоят в обосновании создания систем управления техническим состоянием навесных фасадов, базирующихся на мониторинге, предложенном подходе к расчету основных показателей надежности, снижению потерь эффективности за счет своевременного принятия организационно-технологических решений.
Ключевые слова: навесные фасадные системы; техническое состояние; энергетическая эффективность; графы; строительно-эксплуатационный модуль; долговечность; надежность.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Воробьев В.С., Запащикова Н.П. Оценка технического состояния навесных фасадных систем как инструмент энергосбережения и повышения энергетической эффективности зданий // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №2 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/99TVN315.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/99ГУТО15
Государственной программой энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года в жилищном секторе среди типовых технических мероприятий предусмотрены: проведение добровольного энергетического аудита; строительство всех новых жилых зданий по СНиП «Тепловая защита зданий», устанавливающего требования к снижению удельного расхода энергии на цели отопления [1]; утепление квартир и мест общего пользования в многоквартирных зданиях, неподлежащих капитальному ремонту; повышение доли многоквартирных жилых зданий, подлежащих ежегодно комплексному капитальному ремонту (до 3% к 2020 г.) со снижением удельного расхода на отопление по итогам ремонта не менее, чем на 30% [2].
Однако предлагаемые программой мероприятия не могут решить в полной мере проблемы долговечности многослойных ограждающих конструкций и энергосбережения на стадии эксплуатации зданий [3,4]. Необходим постоянный (регулярный) мониторинг технического состояния зданий и, в частности, навесных вентилируемых фасадов. Необходимо создание системы управления техническим состоянием объекта недвижимости. Это направление является относительно новым и актуальным в научных исследованиях и деятельности управляющих компаний жилищно-коммунального комплекса, обусловленное отсутствием нормативов по энергоэффективности зданий и долговечности многослойных ограждающих конструкций.
Энергоэффективность зданий закладывается на стадии проектирования и обосновывается теплотехническими расчетами. На стадии строительства возможно ее снижение из-за замены теплоизоляционных материалов, нарушения отдельных конструктивных решений, технологии производства строительно-монтажных работ, снижения качества их выполнения [5]. На стадии эксплуатации энергоэффективность зданий уменьшается из-за отсутствия системного управления техническим состоянием навесных фасадов. Поэтому актуальной задачей является оценка технического состояния многослойных ограждающих конструкций и выбор методов управления, обеспечивающих тепловую защиту зданий [6].
Введем новую категорию: «строительно-эксплуатационный модуль» (СЭМ) -совокупность несущей части здания и многослойной ограждающей конструкции, совпадающей по геометрическим размерам с площадью вертикальной панели внутреннего помещения. Тогда, всю внешнюю площадь здания можно представить в виде набора СЭМ. Совокупность СЭМ можно считать сложной системой, требующей создания собственной системы управления ее техническим состоянием.
Оценку технического состояния многослойных ограждающих конструкций целесообразно выполнять по строительно-эксплуатационным модулям. Введем обобщающий показатель эффективности мероприятий по энергосбережению системы (ЭС). Количественная оценка ЭС зависит от технического состояния системы в момент времени I и в общем случае может зависеть от предшествующих состояний. При количественной оценке эффективности мероприятий по энергосбережению необходимо учитывать воздействия природных и технических факторов (влажность, температура, механические повреждения и др.), которые носят случайный характер, а также надежность фасадных систем [7,8].
Выделим следующие виды связи между ЭС и надежностью навесных фасадных систем.
1. Потеря ЭС из-за недостаточной надежности элементов ограждающей конструкции. За оценочный показатель в этом случае примем функцию готовности СЭМ Г(1) или коэффициент готовности системы Ксэм, или средний коэффициент снижения эффективности е [9]. Эти показатели характеризуют
потерю эффективности мероприятий по энергосбережению из-за ненадежности ее элементов.
2. Изменение работоспособности многослойной ограждающей конструкции при установленном проценте потери качества функционирования.
При переходе от оценки системы (качества ее функционирования) к надежности воспользуемся известным в теории надежности подходом, заключающимся в построении графа работоспособных и неработоспособных состояний [10]. В качестве вариантов потенциальных отказов элементов приведем следующие: графы состояний алюминиевой и оцинкованной вертикальных систем при последовательном отказе элементов (рис. 1); при произвольном отказе элементов и восстановлении работоспособного состояния (рис. 2).
Рисунок 1. Граф состояний алюминиевой и оцинкованной вертикальных систем при последовательном отказе элементов
Здесь состояния:
0 Фасадная система работоспособна.
1 Отказ облицовочного экрана.
2 Отказ подоблицовочной подконструкции.
3 Отказ вертикальной подконструкции.
4 Отказ утеплителя и ветро-гидрозащитной мембраны.
5 Отказ наружной стены.
Р5(и Ро(« РМ
Рисунок 2. Граф состояний вентилируемого фасада при произвольном отказе элементов и восстановлении работоспособного состояния
Вентилируемый фасад может находиться в п+1 состояниях: 0-е состояние — все элементы СЭМ ограждающей конструкции работоспособны и вентилируемый фасад работоспособен; 1- 5 состояния отражают отказ одного из элементов конструкции при работоспособности остальных. При этом допускаем, что при отказе одного из элементов вся система неработоспособна. Такой вариант возможен при значительных механических повреждениях слоев вентилируемого фасада. Для этого случая при отсутствии репрезентативных выборок по отказам элементов примем следующие допущения:
интенсивность отказов облицовочного экрана; подоблицовочной подконструкции; вертикальной подконструкции; утеплителя и ветро-гидрозащитной мембраны, а также наружной стены постоянны и, соответственно, равны А1, Ая, Аз, Ад и А5, интенсивности их восстановления также постоянны и равны Ц1, ця, цэ, Ц4 и Ц5. В этом случае граф состояний описывается системой дифференциальных уравнений [10]:
с аРо(0
Л
dp.it)
Л
dp.it)
Л
dp.it)
Ж
dp.it)
Л
dp.it)
к. Ш
= Я,/-МП //-/-МП;
= ;. !> (1)-и:рЛ1);
;
= лГЛ^-и.рЛП.
1 + Я: + Я3 + Я, + Я5
)а( О
(1)
Систему дифференциальных уравнений дополняют нормировочным условием
п
X Р(<) =1 •
&РП
В стационарном режиме эксплуатации здания-= 0 (п=0,1, ... ).
&
Тогда
г ;
;
у ;
\ ; (2)
;
V
Вероятности неработоспособных состояний элементов ограждающей конструкции из-за отказа одного из них определяются решением системы алгебраических уравнений (2):
Р< = —Р0, (э)
Иг
Коэффициент готовности СЭМ Ксэм, определяется вероятностью нахождения /-го элемента в работоспособном состоянии:
К = Р =-^--(4)
1V сэм 1 о 5 л 4 у
1 + £ А
,=1 и,
Коэффициент готовности /-го элемента СЭМ навесного фасада определяется как
И
И + 1
Кг= И (5)
Выразим из (5) ^ и подставим в (4). Тогда
1
К = Р =-7-л , (6)
К сэм Р о 5 ( Л \
1
г =1
-1
К
V Кгi У
Сумму вероятностей нахождения элементов фасада в неработоспособном состоянии будем считать вероятностью риска отказа СЭМ Ясэм
5
Ясэм =£ Рг =1 - Ро =1 - Ксэм , (7)
1=1
Тогда среднее время восстановления СЭМ фасадной системы определится выражением
1 5 1
Тсэм . . ^^ Рг, (8)
1-Ксэм г =1 Зг И
где З - коэффициент скорости восстановления /-го элемента СЭМ. Поскольку коэффициент готовности СЭМ равен
Т 0
К = 1 0 . (9)
Ксэм гр +гр У '
1 о 1 в
Здесь То - время наработки на отказ;
Тв - время восстановления.
Средняя наработка на отказ / -го элемента СЭМ будет равна
Т = Ксэм ш Т . (10)
1о К 1в
А IV сэм
Потери эффективности СЭМ под воздействием случайных факторов, действующих на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации зданий с многослойными ограждающими конструкциями из-за ненадежности элементов связаны с понижением внутренней температуры помещения. Ее компенсация может осуществляться дополнительными расходами тепловой энергии, что ведет к росту энергопотребления и снижению энергоэффективности.
Построим модель при следующих допущениях.
1. Возможны (п + 1) состояний СЭМ ограждающих конструкций. Одно состояние соответствует работоспособности всей многослойной конструкции, / — е
Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №3 (май - июнь 2015)
http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru
состояние / = 1, п соответствует неработоспособности одного из п - элементов, («система одного состояния»).
2. Возможны (п + 1) состояний, / — е состояние / = 1, п соответствует отказу. В V-м состоянии достигается выходной эффект Эу («система одного отказа»).
3. Возможны состояния неработоспособности не более 2-х элементов («система двух отказов»).
Общее число возможных состояний графа равно п + 1 + . Здесь С - число сочетаний состояний п элементов СЭМ по двум отказавшим.
Потерю ЭС из-за ненадежности элементов для «схемы одного состояния» определим следующим образом:
П =1 — Рс (11)
Эо
где П - средние потери эффективности в единицу времени;
Эо - средний эффект для работоспособной (идеальной) системы в единицу времени;
Р0 - вероятность того, что все элементы ограждающей конструкции работоспособны.
Потеря ЭС из-за ненадежности элементов по «схеме одного отказа» (допущение 2) может быть рассчитана следующим образом:
П=1 — Ро—Ж=1^ , (12)
Потеря ЭС в этом случае увеличивается на величину потери эффекта одного из отказавших элементов на вероятность его отказа.
С учетом интенсивностей отказов элементов и их восстановлений потерю ЭС можно представить в виде
П = 1 — Ро^+Г^ $ (13)
Потеря эффекта из-за отказа V — го элемента определяется коэффициентом его состояния.
^ = Э, (14)
Эо
Здесь Э-у - средний эффект для V — го состояния системы в единицу времени.
В связи с недостаточностью статистических данных по отказам и восстановлению элементов многослойных ограждающих конструкций воспользуемся приближенным способом расчета при «схеме одного отказа».
Примем
ТЛ=1 = п * £ср1, (15)
Здесь £ср1 - средний коэффициент снижения эффекта при отказе одного элемента. Потери ЭС при расчете по «схеме двух отказов» определяются по формуле:
П
П =1 Ро Тп*=1еуРу ^¡=п-1£уР), (16)
Э
Первая сумма по п(у = 1, п) характеризует потери ЭС по «схеме одного отказа», вторая сумма по 5(у = п — 1, з) характеризует потери ЭС по «схеме двух отказов». Вероятность Ру и Р/ находят по графу состояний (рис. 2).
Качество функционирования систем ограждающих конструкций зданий определяется надежностью их элементов, технологий и качеством строительно-монтажных работ и может быть спрогнозировано во времени для определения предельно допустимых значений параметров материалов и срока службы системы в целом. Это позволяет создать систему управления техническим состоянием навесных фасадов, включающую прогнозирование отказов конструктивных элементов и строительно-эксплуатационных модулей, планирование текущего содержания и ремонта СЭМ и капитального ремонта навесных фасадов в целом.
Своевременное принятие организационно-технологических решений по оценке состояния СЭМ навесных фасадов позволит повысить энергоэффективность зданий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов - Жилищное строительство. 2011. №8. С. 2-6.
2. Михайлов С.А. О Государственной программе энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года / [Электронный ресурс]. URL: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=30 (дата обращения 18.04.2015 г.).
3. Бабков В.В., Колесник Г.С., Долгодворов В.А., Пономаренко Г.Т. О надежности и долговечности навесных фасадных систем // Строительные материалы. 2007. №7. С. 24-26.
4. Воробьев В.С., Запащикова Н.П. Оценка долговечности многослойных ограждающих конструкций / Современная наука: теоретический и практический взгляд // Сборник статей Международной практической конференции 15 августа 2014 г. // Уфа, АЭТЕРНА, 2014, с. 15-17.
5. Запащикова Н.П. Оценка долговечности строительных материалов при возведении зданий // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. Тезисы конференции. Ч. 1. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. -189-190 с.
6. Запащикова Н.П. Оценка качества управления техническим состоянием объекта недвижимости // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -№3. 2014. - 21-23 с.
7. Запащикова Н.П. Основные подходы к исследованию надежности навесных вентилируемых фасадов в домостроении в условиях Сибири // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - №1-2. 2014. - 153-155 с.
8. Запащикова Н.П. Оценка надежности ограждающих конструкций зданий методами физического и вероятностного моделирования // Интернет-журнал «Науковедение» Выпуск 5 (24), сентябрь - октябрь 2014 http://naukovedenie.ru/PDF/76TVN514.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
9. Снегирев А.А., Илюхин А.А. Оценка качества функционирования системы управления с учетом числа состояний отказов ее элементов // Надежность. -2011, - №4. - С. 42-46.
10. Верескун В.Д., Воробьев В.С., Щербаков В.В. Оценка надежности системы управления выправкой пути на базе глобальных навигационных спутниковых систем // Вестник РГУПС. - 2009, - №4. - С. 53-56.
Рецензент: Попов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая механика» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Vorob'ev Valeriy Stepanovich
Federal State Educational Institution of Higher Professional Education —Siberian Transport University
Russia, Novosibirsk E-mail: vorobjev@stu.ru
Zapashchikova Natal'ya Petrovna
Federal State Educational Institution of Higher Professional Education —Siberian Transport University
Russia, Novosibirsk E-mail: znp76@mail.ru
Structural assessment of suspended facade systems as a tool for energy-savings and increase in energy efficiency of buildings
Abstract. This article is devoted to the structural assessment of suspended facade systems to ensure prompt and timely decision-making in providing energy efficiency of buildings.
The need for implementation of the State program of energy-saving and increase in energy efficiency of buildings, as well as low quality of erecting elements of suspended facades, decrease in comfort of living due to increase of temperature gradient in the external and internal environment and increase in energy consumption require creating a control system for maintenance of suspended facades, based on the reliability assessment of elements and whole system by the criterion of minimizing the mean loss of efficiency.
The article proposes a new category of building elements, namely: "Structural and operation module (SEM)" as a set of load-bearing part of building and multi-layer enclosure structure, which coincides by the geometric dimensions with an area of indoor vertical panel, and model making for assessment of loss of the facade efficiency on the basis of technical status failures for SEM elements using theories of graphs and reliability. We constructed graphs of technical states for enclosure structure elements, described by a system of differential equations. We presented calculation formulae to assess reliability of the enclosure structure elements and a criterion of efficiency optimization for a system of reliability assessment of enclosure structures.
The main results of research consist in justifying creation of the control systems of the suspended facade technical status based on monitoring, selected approach to the calculation of the main reliability indices and reduction of efficiency losses at the expense of the timely organizational and technological decision-making.
Keywords: suspended facade systems; technical status; energy efficiency; graphs; construction and operating module; durability; reliability.
REFERENCES
1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Trebovaniya k teplozashchite i energeticheskoy effektivnosti v proekte aktualizirovannogo SNiP «Teplovaya zashchita zdaniy» / V.G. Gagarin, V.V. Kozlov - Zhilishchnoe stroitel'stvo. 2011. №8. S. 2-6.
2. Mikhaylov S.A. O Gosudarstvennoy programme energosberezheniya i povysheniya energeticheskoy effektivnosti na period do 2020 goda / [Elektronnyy resurs]. URL: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=30 (data obrashcheniya 18.04.2015 g.).
3. Babkov V.V., Kolesnik G.S., Dolgodvorov V.A., Ponomarenko G.T. O nadezhnosti i dolgovechnosti navesnykh fasadnykh sistem // Stroitel'nye materialy. 200 7. №7. S. 24-26.
4. Vorob'ev V.S., Zapashchikova N.P. Otsenka dolgovechnosti mnogosloynykh ograzhdayushchikh konstruktsiy / Sovremennaya nauka: teoreticheskiy i prakticheskiy vzglyad // Sbornik statey Mezhdunarodnoy prakticheskoy konferentsii 15 avgusta 2014 g. // Ufa, AETERNA, 2014, s. 15-17.
5. Zapashchikova N.P. Otsenka dolgovechnosti stroitel'nykh materialov pri vozvedenii zdaniy // Innovatsionnye faktory razvitiya Transsiba na sovremennom etape. Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya, posvyashchennaya 80-letiyu Sibirskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobshcheniya. Tezisy konferentsii. Ch. 1. - Novosibirsk: Izd-vo SGUPSa, 2012. - 189-190 s.
6. Zapashchikova N.P. Otsenka kachestva upravleniya tekhnicheskim sostoyaniem ob"ekta nedvizhimosti // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. -№3. 2014. - 21-23 s.
7. Zapashchikova N.P. Osnovnye podkhody k issledovaniyu nadezhnosti navesnykh ventiliruemykh fasadov v domostroenii v usloviyakh Sibiri // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. - №1-2. 2014. - 153-155 s.
8. Zapashchikova N.P. Otsenka nadezhnosti ograzhdayushchikh konstruktsiy zdaniy metodami fizicheskogo i veroyatnostnogo modelirovaniya // Internet-zhurnal «Naukovedenie» Vypusk 5 (24), sentyabr' - oktyabr' 2014 http://naukovedenie.ru 76TVN514.
9. Snegirev A.A., Ilyukhin A.A. Otsenka kachestva funktsionirovaniya sistemy upravleniya s uchetom chisla sostoyaniy otkazov ee elementov // Nadezhnost'. -2011, - №4. - S. 42-46.
10. Vereskun V.D., Vorob'ev V.S., Shcherbakov V.V. Otsenka nadezhnosti sistemy upravleniya vypravkoy puti na baze global'nykh navigatsionnykh sputnikovykh sistem // Vestnik RGUPS. - 2009, - №4. - S. 53-56.
