Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Гетманчук Г.О. Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 2024.
У вступі дослідження підкреслено актуальність обраної теми, де аргументовано важливість розробки та удосконалення методів та підходів до визначення кратності природного повітрообміну як показника умов мікроклімату приміщень та його впливовості, як вентиляційної складової на енергетичні характеристики будівель. Сформульовано мету, наукове завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Подано інформацію щодо апробації дослідження, публікацій та актів впровадження результатів, а також розкрито особистий внесок автора. У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз впливовості кратності повітрообміну, як вентиляційної складової на енергоефективність будівель різного призначення. Підвищення енергоефективності будівельного сектору як значного споживача енергії наразі є пріоритетним напрямом та однією з умов досягнення енергетичної незалежності України. Житловий фонд та інші громадські будівлі споживають основну частку енергоресурсів на потреби опалення. При цьому велика частина будівель, що експлуатуються є будівлями масової забудови з відсутністю капітального ремонту, що вказує на необхідність покращення їх енергетичних характеристик та умов комфорту. Підвищення енергоефективності будівель вимагає не лише утеплення огороджувальних конструкцій та модернізації інженерного обладнання, але й застосування вдосконалених моделей розрахунку енергоспоживання будівлями. Ці моделі мають враховувати комплекс показників, включаючи природну складову кратності повітрообміну. Для оцінки потенціалу енергоефективності в розділі розглянуто будівлю як складну енергетичну систему. Важливим є порівняння та гармонізація міжнародних та європейських підходів з українськими стандартами на нормативами, що стосуються питань вентиляції та повітрообміну. Щоденна динаміка кратності повітрообміну в будівлях визначається взаємодією ряду факторів, що включають як зміни у зовнішньому середовищі, так і внутрішній активності користувачів. Оцінка впливу регулювання систем вентиляції на якість повітря та енергетичні характеристики вимагає комплексного підходу, враховуючи динамічний характер змін. В даному розділі наведено літературний огляд з питань підходів до визначення кратності повітрообміну, де окреслено основні фактори які впливають на забезпечення комфортних умов з точки зору якості повітря. В тому числі приділена увага показнику СО2 в приміщеннях, як індикатору якості повітря. Проведено огляд спеціалізованих програми, що дозволяють провести детальний аналіз та визначити оптимальні параметри кратності повітрообміну в різні часові проміжки. Це необхідно для забезпечення ефективності вентиляційних систем та створення комфортних умов всередині будівель у різних сценаріях використання та мінливих зовнішніх умовах. У другому розділі наведена загальна схема досліджень та опис об’єктів аналізу та моделювання. Представлена емпірична методика розрахунку погодинної природної кратності повітрообміну в багатоповерхових будівлях в умовах мінливості зовнішнього та внутрішнього середовища. Дана методика передбачає визначення повітрообміну через різницю тисків. Так як в роботі досліджується саме природня складова повітрообміну, методика враховує стак ефект та вітровий тиск, механічна вентиляція в будівлях що досліджувались відсутня. Також наведений план експерименту та методика визначення природної кратності повітрообміну на базі експериментальних вимірювань рівня СО2 в репрезентативних приміщеннях з кроком 1 хвилина. Визначення концентрації СО2 було проведено на основі масового балансу вибраних приміщень з врахуванням ключових параметрів: природного повітрообміну, фонової (зовнішньої) концентрацію СО2, початкової концентрації СО2 в приміщенні, присутності людей та геометричних розмірів приміщення. Під час дослідження були зафіксовані кліматичні дані, такі як напрямок та сила вітру, температура в приміщеннях квартири та зовнішня температура, які також враховувались при аналізі результатів. В рамках дослідження було проаналізовано зміну концентрації СО2 в приміщенні в залежності від ряду параметрів, а саме: виділень від людей, зміни концентрація СО2 у припливному повітрі та об'єму припливного повітря. За результатами проведеного аналізу встановлено, що регулювання кратності повітрообміну за рівнем СО2 є кращим підходом, ніж просте дотримання нормативних значень, оскільки цей підхід дозволяє більш точно та ефективно регулювати повітрообмін в будівлях, враховуючи реальні умови та потреби користувачів. У третьому розділі дисертації представлено результати експериментальних досліджень концентрації СО2 та визначена кратність природного повітрообміну в аудиторіях навчального корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського. Встановлено, що без врахування провітрювань кратність повітрообміну становить 0,41 год-1, з врахуванням провітрювань середня кратність повітрообміну становить 0,48 год-1. На основі декількох серій вимірювань проведених в зимовий період в приміщеннях житлової будівлі було встановлено, що характерним є явище інфільтрації. За даного механізму циркуляції повітря, кратність повітрообміну складала 0,74 год-1 для житлової кімнати, від 0,73 год-1 для коридору, та 3,4 год-1 для кухні. При умовах ексфільтрації, кратність повітрообміну для житлової кімнати була на рівні 0,37 год-1, 1,06 год-1для коридору, та 0,57 год-1 для кухні. Експерименти підтвердили, що реальна кратність повітрообміну, коли свіже повітря надходить через вікна та двері, перевищує мінімальні нормативні значення. Однак, при оберненому потоці повітря, вона не відповідає нормативним значенням. Також проводилась обробка серії експериментальних досліджень в репрезентативних приміщеннях квартири в літній період. Протягом літнього періоду було виявлено, що кількість випадків інфільтрації та ексфільтрації майже однакова, але, як і для опалювального періоду, напрямки руху повітря в приміщеннях залежать від напрямку вітру. Для умов інфільтрації кратність повітрообміну становила 0,57 год-1 для житлової кімнати, 2,34 год-1 для коридору, 2,41 год-1 для кухні. Для умов ексфільтрації кратність повітрообміну становила 0,24 год-1 для житлової кімнати, 0,94 год-1 для коридору, 0,52 год-1 для кухні. В рамках експериментального дослідження також проводились експериментальні заміри концентрації СО2 в аудиторії учбового корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського №22 в режимі охолодження в літній період. Отримані результати показують, що величина природної кратності повітрообміну залежить від вітрового та стак ефектів. З посиленням різниці температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям, спостерігається зростання величини кратності повітрообміну від 0,37 до 0,9 год-1. У четвертому розділі дисертації проведено аналіз енергетичних показників досліджуваних приміщень на основі моделей, створених у програмному середовищі EnergyPlus, які дозволяють визначати енергоспоживання будівлі на потреби опалення з врахуванням мінливості фактичного природного повітрообміну в житлових будівлях. За результатами енергетичного моделювання, річна економія енергії з врахуванням фактичних значень природної кратності повітрообміну в різних зонах будівлі становить 5,4% в порівнянні зі стандартом ДСТУ Б EN 15251:2011, а в порівнянні зі стандартом ДБН В.2.2-15:2019 – 7,7%. Результати досліджень були передані для використання ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», ГО «Школа енергоефективності» та відділом енергоменеджменту та екології Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського". Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень.
Опис
Ключові слова
повітрообмін, параметри мікроклімату, забруднення повітря, концентрація вуглекислого газу, масоперенос, енергопотреба, енергоефективність будівель, опалення, нагрів повітря, енергоспоживання, енергетичне моделювання, енергозбереження, динамічне моделювання будівель, математичне моделювання, температура, air exchange, microclimate parameters, air pollution, carbon dioxide concentration, mass transfer, energy consumption, energy efficiency of buildings, heating, air heating, energy modeling, energy saving, dynamic modeling of buildings, mathematical modeling, temperature
Бібліографічний опис
Гетманчук, Г. О. Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Гетманчук Ганна Олександрівна. – Київ, 2024. – 133 с.