Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Голубенко О.О. Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання – 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 дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. Перший розділ дисертації присвячено аналізу теоретичних аспектів енергоефективності будівель. Розглянуто ряд ключових нормативних документів що регулюють енергетичну ефективність будівель в Україні та в Європейському Союзі. Також, проведено аналіз ряду міжнародних системи зеленої сертифікації будівель та програм з енергетичного моделювання будівель. За результатами аналізу програм з енергетичного моделювання будівель обрано DesignBuilder як основний документ для подальшого дослідження. Висвітлено основні напрямки сучасних досліджень у галузі енергоефективності будівель. В Україні дослідженню енергоефективності будівель останніми роками присвячено багато наукових робіт, зокрема щодо впливу технічних покращень на енергоефективність будівель, а також дослідження теплового комфорту перебування в приміщеннях. Особливу увагу приділено дослідженню тепловтрат через огороджувальні конструкції, а також параметричному аналізу впливу зовнішніх і внутрішніх факторів на енергоефективність будівель. Закордонні дослідження, зокрема в Європі та США, зосереджуються на пасивних будівлях і будівлях з нульовим споживанням енергії. Іншими популярними темами також є економічний аналіз при впровадження заходів з енергозбереження та вплив поведінки людей, що використовують будівлю на рівень енергоспоживання. Дослідження охоплюють всі типи будівель, проте левова частина досліджень присвячена саме житловому фонду, оскільки саме ця група споживачів споживає найбільше енергії серед будівель. Огляд наукових робіт показує, що проблема енергоефективності та комфортності перебування в будівлях з частковою зайнятістю залишається недостатньо висвітленою, що робить її перспективною темою для подальших досліджень. Другий розділ дисертації присвячений опису об’єкту дослідження – будівлі школи в Івано-Франківській області. Надано характеристику архітектурним особливостей, огороджувальних конструкцій, графіку експлуатації та інших особливостей досліджуваної будівлі. Також, надане пояснення, як в роботі отримані результати узагальнюються на інші будівлі шкіл. Надалі в розділі надається більш детальний опис обраної програми з енергетичного моделювання будівель. Описуються принцип роботи, основні вхідні дані, та переваги використання кліматичної бази IWEC. Детально описана математична модель, якою розрахункове ядро (EnergyPlus) оперує для обробки даних. Також, надані числові значення основних параметрів моделі в DesignBuilder, та проведено її верифікацію. Базова модель використана для оцінки впливу підвищення рівня теплоізоляції будівлі до вимог ДБН 2.6-31 2016 року та ДБН 2.6-31 2021. За допомогою динамічного моделювання встановлено, що це дозволяє знизити споживання енергії на опалення на 48,9% та 55% відповідно, при доведені всіх огороджувальних конструкцій до мінімальних вимог. Третій розділ присвячено комплексній оцінці впливу варіативності режимів опалення на загальне енергоспоживання, тепловий комфорт, а також їх вплив на необхідну потужність систем опалення в шкільних будівлях. Виявлено, що використання режиму опалення з провалом на 4 ℃ в неробочі години дозволяє заощадити від 23% до 27% енергії на опалення порівняно з постійним опаленням, в залежності від рівня теплового захисту будівлі. Встановлено, що регулювання з аналогічним провалом, але за розкладом шкільних занять дозволяє додатково заощадити 1,8-4,2% в порівнянні з режимом описаним вище. За результатами моделювань встановлено, що впровадження режимів опалення з провалом вимагає збільшення потужності системи опалення для компенсації періоду різкого переходу від пониженої температури до робочої. Виявлено, що при утеплені будівлі з одночасним введенням одного з графіків опалення з провалом, необхідна потужність системи опалення не перевищує аналогічний показник для постійного опалення в випадку неутепленої будівлі, що робить комплексне впровадження утеплення та режиму з провалом одночасно дуже перспективним заходом з енергозбереження. Для аналізу впливу регулювання за розкладом шкільних занять на комфортність перебування дітей в приміщенні розглядається параметр PMV. В розділі йому наданий детальний опис. Надалі, обрано кутове приміщення, що контактує, в один з навчальних днів, з класом який не експлуатується на протязі всього дня, таким чином, досліджуючи варіант «найгіршого сценарію» робиться висновок про вплив режиму на термічний комфорт. Результати моделювань показують, що значної різниці параметру PMV в порівнянні з режимом з провалами в неробочі години не спостерігається. З описаного вище аналізу робиться висновок, що регулювання за розкладом шкільних занять є перспективним заходом з енергозбереження, хоча й зазначається, що реалізація такого заходу є набагато більш складною за два інші описані графіки опалення. Четвертий розділ аналізує експлуатацію будівлі школи в умовах неповної зайнятості. З метою дослідження з усієї будівлі було виокремлено кластер з п’яти приміщення, серед яких планується експлуатувати три. Кластер має форму хреста, що дозволяє розглянути наступні конфігурації розміщення приміщень, що експлуатуються: горизонтальне, вертикальне, кутове з контактом з дахом (але без контакту з підлогою по ґрунту) та кутове з контактом з підлогою по ґрунту (але без контакту з дахом). Сама ж будівля школи розглядається у законсервованому вигляді, тобто систему опалення не експлуатують, а обігрів приміщень забезпечується індивідуальними електронагрівачами. Першочергово розглядався графік опалення при якому в неробочі години опалення вимикалось повністю, для максимальної економії енергії. Дослідження річного споживання енергії конфігурацій розміщення приміщень показало, що найефективнішим є вертикальне розміщення приміщень, що експлуатуються, будучи на 8,5% більш ефективною за найближчу по споживанню кутову конфігурацію та на 22% за горизонтальну. Аналіз комфортності для найхолоднішої доби досліджуваного року показав, що вертикальне розміщення є найбільш ефективним і з точки зору цього параметру. Динаміка зміни температури на графіках наштовхнула на думку що програма можливо розрахувала надто потужну систему опалення що підтвердилось результатами моделювань: потужність, що була розрахована програмою становила близько 10 кВт на приміщення. Для оцінки можливості запровадження такого режиму експлуатації будівлі в реальних умовах, було промодельовано нормальний режим експлуатації для випадку неутепленої будівлі, і потужність розраховану в таких умовах було встановлено в модель неповної зайнятості школи, та проведено повторний аналіз комфорту. Система опалення наближена до реальною не змогла задовільнити комфортні умови ні за переривчастого графіку опалення, ні за графіку з провалами ні за постійного. Температура повітря в приміщеннях за постійного графіку опалення навіть для випадку будівлі з огороджувальними конструкціями доведеними до сучасних нормативних умов, в досліджувану добу не перевищувала 12 ℃ в найкращому випадку. Надалі, для вирішення ситуації було розглянуто поліпшення: різний рівень утеплення внутрішніх стін та підвищення потужності опалення; в самому приміщенні, а також введення опалення в сусідніх приміщеннях для компенсації низької середньої радіаційної температури, що виникала в попередніх моделюваннях. Заходи з опалення сусідніх приміщень, не лише не допомогли досягнути комфортних умов, але й значно підвищували споживання енергії, що виключило їх доцільність. Надалі було проведено ряд моделювань для встановлення мінімальної рекомендованої потужності опалювальних приладів при впроваджені режиму неповної зайнятості будівлі, та отримані наступні результати: для неутепленої будівлі – 33,14 Вт/м3 ; для будівлі з огороджувальними конструкціями, що відповідають мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2016 – 24 Вт/м3 ; мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2021 – 22,57 Вт/м3 . Для дослідження впливу утеплення внутрішніх стін на комфортність перебування в приміщеннях за умови неповної зайнятості, було розглянуто утеплення мінеральною ватою з кроком 2 см, і хоча утеплення позитивно впливало на показник PMV, 100% комфортних умов для всього опалювального періоду не вдалось досягти ,навіть, при утепленні внутрішніх стін на рівні з сучасними вимогами до опору теплопередачі зовнішніх огороджуючих конструкцій, сказалась нестача потужності опалення. При дослідженні було помічено, що зі зростанням рівня теплового захисту приміщень, сонячні теплонадходження дозволяли частково компенсувати нестачу потужності опалення, що було помітно по відносно високих значеннях температури повітря та середньої радіаційної температури в приміщеннях, виходячи з чого було запропоновано змістити графік навчання на 2 години вперед. Це позитивно вплинуло на комфорт в робочі години, хоча й не вирішило проблему. Аналіз енергоспоживання описаних вище заходів показав, що при збільшення потужності системи опалення для забезпечення комфортних умов, споживання енергії зросло на 77%. Варіанти з опаленням сусідніх приміщень показали зростання споживання на 100-200%, при цьому не задовільнивши комфорт. Ізоляція внутрішніх стін енергоспоживання знизила, проте комфортних умов на протязі всього опалювального періоду досягнути не вдалось.
Опис
Ключові слова
енергоефективність, енергоспоживання, енергозбереження, температурний режим, енергетичне моделювання будівлі, комп’ютерне моделювання, моделювання, числове моделювання, умови комфортності, PMV, температура, температурні режими, ефективність, energy efficiency, energy consumption, energy saving, temperature regime, building energy modeling, computer modeling, modeling, numerical modeling, comfort conditions, temperature, temperature regimes, efficiency
Бібліографічний опис
Голубенко, О. О. Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Голубенко Олександр Олександрович. – Київ, 2024. – 138 с.