1. Способ уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий при модернизации и реконструкции, включающий надстройку вышележащих этажей с одновременным уширением с одной или каждой стороны здания путем возведения наружных ограждающих конструкций на всю высоту здания на свайном фундаменте и дополнительных перекрытий в уровнях существующего здания с частичной перепланировкой его помещений, отличающийся тем, что для увеличения полезного объема здания и улучшения его формы дополнительно производят объединение двух или более соседних малоэтажных зданий в одно вторичное здание с повышением этажности и уширением с любой или с каждой стороны или в любой другой комбинации сторон, причем форму возводимого объединенного здания выбирают из условия уменьшения удельных потерь тепла при непропорциональном увеличении его полезного объема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры реконструированного здания принимают максимально возможными, а их пропорции при любом количестве объединяемых зданий - обеспечивающими стремление формы здания к шаровой, или равноцилиндрической, или кубической при любом их сочетании.

 

(57) Реферат / Формула:
Способ уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий при модернизации и реконструкции, включающий надстройку вышележащих этажей с одновременным уширением с одной или каждой стороны здания путем возведения наружных ограждающих конструкций на всю высоту здания на свайном фундаменте и дополнительных перекрытий в уровнях существующего здания с частичной перепланировкой его помещений, отличающийся тем, что для увеличения полезного объема здания и улучшения его формы дополнительно производят объединение двух или более соседних малоэтажных зданий в одно вторичное здание с повышением этажности и уширением с любой или с каждой стороны или в любой другой комбинации сторон, причем форму возводимого объединенного здания выбирают из условия уменьшения удельных потерь тепла при непропорциональном увеличении его полезного объема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры реконструированного здания принимают максимально возможными, а их пропорции при любом количестве объединяемых зданий - обеспечивающими стремление формы здания к шаровой, или равноцилиндрической, или кубической при любом их сочетании.

 

---

009747
Изобретение относится к области модернизации и реконструкции старых зданий и сооружений преимущественно с повышением плотности застройки старых малоэтажных микрорайонов, обеспеченных развитой инфраструктурой, а именно к способам уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий. Оно направлено на существенное уменьшение расходов трудовых и материальных ресурсов на сооружение дополнительных объемов и площадей внутри реконструируемых зданий и сооружений.
При патентном поиске не удалось найти сведений о целевом патентовании способа увеличения объема или изменении конфигурации реконструируемых зданий с целью уменьшения удельного потребления тепловой энергии на отопление. Однако известно много способов уменьшения удельного расхода тепла на отопление путем повышения термического сопротивления ограждающих конструкций за счет их дополнительного наружного покрытия теплоизолирующими материалами [1, 2]. При этом, как правило, не учитывается эффект влияния размеров и конфигурации здания на удельные расходы тепла на отопление: объемные [Вт/м3] и площадные [Вт/м2].
Известен способ утепления при ремонте и реконструкции зданий [1], заключающийся в новой технологии использования торкрет-бетона с полистиролом для дополнительной тепловой изоляции ограждений. Недостатком его является отсутствие учета снижения удельного потребления тепла на отопление здания при увеличении его объема.
Известен способ восстановления жилых зданий, сооруженных методом крупнопанельного строительства [2], заключающийся в дополнительной установке перед старым зданием самонесущего каркаса, который соединяют с имеющейся структурой здания. В несущий каркас вставляют сборные комнатные секции или элементы стен, пола и потолка. Полученные новые помещения объединяют со старым зданием путем общей перепланировки.
Преимуществом данного способа является увеличение общего объема здания с улучшением его формы с точки зрения влияния на удельный расход тепла на отопление. Недостатком является отсутствие учета снижения удельного потребления тепла на отопление.
За прототип принят способ реконструкции зданий [3], заключающийся в надстройке вышележащих этажей и одновременном уширении здания с возведением ограждающей теплой керамзито-железобетонной стены и дополнительных перекрытий в уровнях существующего здания с частичной перепланировкой его помещений.
Преимуществом этого способа является увеличение общего объема вторичного здания с улучшением его формы с точки зрения влияния на удельный расход тепла на отопление. Недостатками являются большая удельная площадь ограждающих конструкций, возводимых со всех сторон здания по его контуру, а также отсутствие учета снижения удельного потребления тепла на отопление.
В приведенных в качестве аналогов патентах даже не упоминается о возможности уменьшения удельных затрат тепла на отопление при увеличении объема здания и изменения его формы в результате реконструкции, т.к. основной целью реконструкции старых зданий, особенно в ставших центральными районах городов, является увеличение жилой площади и комфортности при соблюдении нормативов теплозащиты и удельных расходов теплоты, которые различаются только для зданий коттеджного типа (12 этажа) и многоэтажных без учета других параметров. Поэтому снижение удельного расхода тепла на отопление здания при его реконструкции с повышением этажности и уширением с одной или нескольких сторон является сопутствующим явлением.
Задачами предлагаемого способа являются
уменьшение удельных расходов тепла на отопление имеющихся в микрорайоне зданий не только за счет дополнительной наружной тепловой изоляции ограждающих конструкций, но и за счет эффекта от увеличения объема и изменения формы зданий при реконструкции;
снижение удельной площади наружных ограждающих конструкций, возводимых при модернизации и реконструкции зданий;
экономия площади земли в микрорайоне под реконструируемыми и новыми зданиями при существенном увеличении плотности застройки (м2 жилья на 1 га).
Для решения указанных задач авторами предлагается способ уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий при модернизации и реконструкции, использующий принцип увеличения отопительного объема преимущественно малоэтажных и малообъемных зданий по сравнению с результатом их реконструкции и включающий надстройку вышележащих этажей с одновременным уширением одной или с каждой стороны здания путем возведения наружных ограждающих конструкций на всю высоту здания на свайном фундаменте и дополнительных перекрытий в уровнях существующего здания с частичной перепланировкой его помещений. Отличия указанного способа в том, что для увеличения полезного объема здания и улучшения его формы дополнительно производят объединение двух или более соседних малоэтажных в одно вторичное здание с повышением этажности и уширением с любой или с каждой стороны или в любой другой комбинации сторон.
Сущность изобретения состоит в том, что при реконструкции старых зданий увеличение их объема производят путем объединения двух и более зданий в одно - вторичное здание - с соответствующим проекту заполнением новыми помещениями промежутков между старыми зданиями, значительным увеличением этажности и уширением реконструированного здания. В итоге резко увеличивается этажность (в
- 1 -
009747
2-3 раза) и ширина здания (на 20-30%), что приводит к существенному снижению удельных тепловых затрат во вторичном здании по сравнению с результатом реконструкции таких старых домов без их объединения при одинаковом термическом сопротивлении ограждающих конструкций. Одновременно экономится территория, занимаемая одним реконструированным домом, включившим оба старых малоэтажных здания, по сравнению с отдельной реконструкцией каждого из старых зданий, когда необходимо выдерживать противопожарные и строительные разрывы между зданиями. Снижение удельной площади наружных ограждающих конструкций при объединении достигается тем, что отпадает необходимость в их возведении вдоль по меньшей мере двух взаимно прилегающих смежных стен объединяемых домов. При реконструкции зданий без их объединения наружные ограждающие конструкции возводятся вокруг внешних стен по контуру каждого из них.
Изменение формы реконструируемого здания осуществляется с точки зрения уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий при модернизации и реконструкции и означает улучшение формы вторичного здания. Его производят с таким расчетом, чтобы размеры здания при совмещении, особенно уширения, принимали максимально возможные значения с учетом расположения соседних зданий, прочностных характеристик строительных материалов и норм архитектурной эстетики.
Способ поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - схема объединения двух соседних малоэтажных зданий;
фиг. 2 - схема надстройки вторичного здания, объединяющего старые здания.
На схемах представлено: 1 - стена старого здания; 2 - перекрытие верхнего (2-го) этажа старого здания; 3 - фундамент старого дома; 4 - новое перекрытие; 5 - несущие конструкции надстройки; 6 - фундамент надстройки; 7 - стена надстройки; 8 - стена мансарды; 9 - крыша надстройки; 10 - конструктивный зазор; 11 - буронабивные сваи; 12 - плиты пола-потолка лоджий; 13 - монолитные ограждения; 14 - реконструируемые (объединяемые) здания; 15 - расстояние (промежуток) между зданиями; 16 - реконструированное (вторичное) здание.
Как известно из курса теплофизики, стационарная теплоотдача поверхности плиты описывается простым уравнением
q = (At-St)/R (1) где q, Вт - тепловой поток (теплоотдача);
At, °C - перепад температур для нашего случая между температурами наружного (tj и внутреннего (tj воздуха в помещении: At = ^4н;
Si, м2 - площадь теплоотдающей поверхности (ограждения);
R, м2-град/Вт - термическое сопротивление, учитывающее теплопроводность ограждения и особенности теплоотдачи.
В строительных нормах и при теплотехнических расчетах в качестве показателя эффективности тепловой изоляции зданий и сооружений часто используются величины удельных расходов тепла (объемного [Вт/м3] и площадного [Вт/м2]), а также нормативные величины термических сопротивлений (R) ограждающих конструкций. Если принять, что все трансмиссионные потери тепла через ограждающие конструкции составляют Q=Zq, то удельные объемные потери тепла в случае At = const для всех помещений
Q/V= Xqi/V= (At/V)- ZSi/Ri (2)
где V, м3 - внутренний отапливаемый объем здания;
qi, Вт - тепловой поток (теплоотдача) отдельных элементов ограждающих конструкций;
Ri, м2-град/Вт - термическое сопротивление, учитывающее теплопроводность отдельных элементов ограждения и особенности их теплоотдачи.
Если для простоты принять форму здания в виде прямоугольного параллелепипеда, средние (приведенные) термические сопротивления - стен (с учетом окон) RCT, потолка (с учетом чердачных помещений и крыши) RnK, пола ( с учетом подвальных помещений) Rnon, то можно получить выражение Q/V = Jt-[2- (1/y + J/x) /Ra* + (1/Rn + l/Rw)/z] (3)
где x, м - длина здания;
y, м - ширина здания; z, м - высота здания.
Как видно из этого выражения, с ростом термического сопротивления и габаритов отапливаемого здания удельный расход тепла на отопление уменьшается. Так, для уменьшения трансмиссионных потерь тепла в 2 раза необходимо либо увеличить термические сопротивления ограждений в 2 раза или их эквивалентное сочетание. В первом приближении при увеличении всех линейных размеров здания в 2 раза его объем увеличивается в 8 раз, а трансмиссионные потери возрастают в 4 раза, т. е. уменьшают удельные потери в 2 раза. Однако одни габаритные размеры можно увеличивать более чем в 2 раза (этажность и длина здания), а другие размеры гораздо меньше или оставлять неизменными (ширина здания). В итоге удельные потери тепла также существенно уменьшаются.
Для уменьшения удельного расхода тепла на отопление существенное значение имеет форма зда
- 2 -
009747
ния. Минимальное значение удельного расхода тепла при одинаковом объеме присуще шарообразной форме (наилучшая форма здания). При переходе от шаровой к цилиндрической и далее к кубической форме (ухудшение формы) удельный расход тепла увеличивается. Для цилиндрической формы наименьшее отношение площади поверхности к объему реализуется при равенстве высоты цилиндра его диаметру [5, с. 371]. Такую форму цилиндра для простоты удобно называть равноцилиндрической. Для параллелепипеда любой формы удельный расход тепла больше, чем для куба. С приближением от параллелепипеда к кубической форме удельный расход тепла при прочих равных условиях уменьшается. Поэтому с целью улучшения формы здания увеличение его объема при реконструкции за счет уширения с двух сторон для экономии тепла выгоднее по сравнению с удлинением или надстройкой новых этажей.
Пример. Сравнительный анализ вариантов реконструкции (с объединением зданий - фиг. 1 и без такового) двух 2-этажных 8-квартирных домов (14), построенных в 1950 г. и нуждающихся в капитальном ремонте. Размеры зданий примерно 18x12x6 м (без учета чердачного помещения). Расстояние между зданиями (15), расположенными на одной линии, около 8 м. Оба здания в 2004 г. капитально отремонтированы и утеплены снаружи, на что затрачены значительные средства.
При совместной реконструкции таких же 2-х зданий путем их объединения в один комплекс благодаря надстройке новых этажей и заполнения промежутка между зданиями можно построить вторичное 6-этажное здание (16) (6-й этаж - мансарда) с примерными размерами 44x 16x 18 м (с учетом уширения на 2 м с каждой стороны) и современными требованиями к уровню тепловой защиты.
При такой реконструкции 2-х малоэтажных зданий с объединением в одно вторичное 6-этажное здание отапливаемый объем V увеличивается с V0 и 1300 м2 (для отдельного малоэтажного здания) до VK и 12700 м3 (для вторичного 6-этажного здания), т.е. в 9,8 раза. При этом площадь S наружной теплоот-дающей поверхности возрастет с S0 и 420 м2 (для отдельного малоэтажного здания) до SK и 3560 м2 (для вторичного 6-этажного здания), т.е. в 8,5 раза, что меньше по сравнению с увеличением отапливаемого объема. Такое уменьшение эффекта увеличения объема на рост площади теплообмена, приведенное выше (при увеличении всех размеров в 2 раза объем увеличивается в 8 раз, а поверхность в 4 раза), является следствием нарушения пропорциональности увеличения размеров реконструированного 6-этажного дома (рост длины в 2,2 раза, ширины - в 1,33 раза, высоты - в 3 раза) при ухудшении формы здания. Для равностороннего куба объемом VK и 12700 м3 размер грани составляет около 23,3 м, общая площадь поверхности SK и 3240 м2, а отношение S/V и 0,256. Для реконструированного здания SK/VK и 0,28, что примерно на 10% хуже по сравнению с идеальной кубической формой.
Отношение площади теплоотдающей поверхности к объему для малоэтажного здания составляет S0/V0 и 0,32, что на 14% больше по сравнению с реконструированным зданием и на 25% больше по сравнению с идеальной кубической формой.
Таким образом при объединении 2-х малоэтажных зданий в результате реконструкции в одно 6-этажное здание общая теплоотдающая поверхность увеличилась с 420 x 2 = 840 м2 до 3560 м2 (в 4,25 раза), а отапливаемый объем здания с 1300 x 2 = 2600 м3 до 12700 м3 (в 4,87 раза), что дает уменьшение удельных расходов тепла примерно на 15% при остальных равных условиях.
Если учесть, что трансмиссионные потери тепла после утепления здания составляют около 50% [5], то общая экономия тепла, расходуемого на отопление, может составить около 8%.
Реализация способа согласно схеме надстройки вторичного здания, объединяющего старые здания (вертикальный разрез с одним из 2-х старых зданий) при реконструкции, представленной на фиг. 2, заключается в следующем [7]. Вдоль продольных стен каждого старого здания (1) вне зоны сжимаемой толщи грунта основания фундамента (3) старого здания производят устройство фундамента (6) надстройки, состоящего из буронабивных свай (11) с ленточным ростверком; на нем монтируют несущие конструкции (5) надстройки, представляющие собой, в основном, металлический или железобетонный каркас на всю высоту здания. Над перекрытием (2) здания, совмещенного с новым перекрытием (4), сооружают после удаления кровельного покрытия стены (7) нового этажа надстройки и далее производят строительно-монтажные работы остальных элементов надстройки, включая стены мансарды (8) и крышу (9) до полной готовности здания. На время реконструкции жильцы из старых зданий отселяются.
Как показали исследования U. Anckeas и D.Wolff [6, фиг. 2], при увеличении объема здания новой постройки с теплозащитными свойствами, выполненными по рекомендациям 1981, с 1300 до 12700 м3 удельное теплопотребление уменьшается с 52 до 38 Вт/м2, т.е. на 27%. В этом случае при объединении двух указанных выше малоэтажных зданий в единое здание может дать общую экономию тепла, расходуемого на отопление, более 10%.
Каких-либо отрицательных последствий от применения предлагаемого изобретения не ожидается.
Источники информации.
1. Заявка RU 98105269 от 1998.03.12.
2. DE 19639471.
3. RU 2036291.
4. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике - М.: Госиздат физ.-мат. литературы, 1958, с.
784.
- 3 -
009747
5. Пилипенко В.М. О преобразовании пятиэтажной жилой застройки. - Мн.: УП "Институт НИП-ТИС", сб. "Решение проблем вентиляции и отопления при строительстве, модернизации и реконструкции зданий", 2000, с. 4-10.
6. Anckeas U., Wolff D. Einflus regelungstechnischer Mapnahmen auf Kosten und Wirtschaftlichkein von Heizanlagen-Heizung, Zuftung (Klimatechnik, Haustechnik, 1984, #2, S 53-60).
7. EA № 006903.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ уменьшения удельного расхода тепла на отопление зданий при модернизации и реконструкции, включающий надстройку вышележащих этажей с одновременным уширением с одной или каждой стороны здания путем возведения наружных ограждающих конструкций на всю высоту здания на свайном фундаменте и дополнительных перекрытий в уровнях существующего здания с частичной перепланировкой его помещений, отличающийся тем, что для увеличения полезного объема здания и улучшения его формы дополнительно производят объединение двух или более соседних малоэтажных зданий в одно вторичное здание с повышением этажности и уширением с любой или с каждой стороны или в любой другой комбинации сторон, причем форму возводимого объединенного здания выбирают из условия уменьшения удельных потерь тепла при непропорциональном увеличении его полезного объема.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размеры реконструированного здания принимают максимально возможными, а их пропорции при любом количестве объединяемых зданий - обеспечивающими стремление формы здания к шаровой, или равноцилиндрической, или кубической при любом их сочетании.
Фиг. 1
Фиг. 2
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2/6
- 4 -