Розосереджені енергетичні баланси у багатоквартирних житлових будівлях
| dc.contributor.advisor | Білоус, Інна Юріївна | |
| dc.contributor.author | Гурєєв, Максим Вячеславович | |
| dc.date.accessioned | 2025-08-25T08:41:51Z | |
| dc.date.available | 2025-08-25T08:41:51Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | Гурєєв М. В. Розосереджені енергетичні баланси у багатоквартирних житлових будівлях. – 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, Київ, 2025. У роботі порушено актуальну проблему підвищення енергоефективності використання теплової енергії в житловому фонді України шляхом удосконалення підходів до оцінювання енергетичних характеристик будівель на основі тепломасообмінних процесів у зонах багатоквартирних будівель. В умовах зростання вартості енергоресурсів, нестабільного теплопостачання, руйнування генерувальних потужностей та потреби у зменшенні викидів парникових газів, особливої значущості набуває питання точного визначення динаміки теплових втрат і надходжень тепла. Існуючі методики часто базуються на спрощених стаціонарних розрахунках, що не відображають повною мірою змінних режимів експлуатації, теплоінерційності конструкцій та зовнішніх кліматичних коливань. Це знижує ефективність планування заходів з енергозбереження. У зв’язку з цим важливою є розробка підходів, заснованих на динамічному моделюванні енергетичних процесів у будівлях. У вступі дисертації підкреслено актуальність обраної теми, де аргументовано важливість застосування динамічного енергетичного моделювання для достовірної оцінки теплових процесів у багатоквартирних житлових будівлях в умовах динамічної зміни кліматичних і експлуатаційних умов. Сформульовано мету, наукові 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 обґрунтовано актуальність комплексного підходу до підвищення енергоефективності житлового фонду, що зумовлено економічними, екологічними та соціальними вимогами сталого розвитку. Висвітлено фундаментальні фізичні процеси формування енергетичного балансу будівлі, зокрема теплопередачу через огороджувальні конструкції, повітрообмін, вплив систем ОВК та поведінкові чинники мешканців. Проведено критичний аналіз чинної нормативної бази України і порівняно її з підходами ЄС. Встановлено, що українські методики переважно спираються на стаціонарні розрахунки, тоді як європейські і американські стандарти все ширше застосовують динамічне моделювання та орієнтуються на фактичне, а не лише проєктне енергоспоживання. Літературний огляд охоплює сучасні дослідження з параметричного аналізу сонячних теплонадходжень, масивності огороджень. Виявлено прогалини у вітчизняній науковій базі щодо динамічних характеристик багатоквартирних будівель, зокрема в умовах нестабільних режимів опалення, а також взаємодії кондиціонованих зон при неоднорідних теплофізичних характеристиках. На основі проведеного аналізу обґрунтовано доцільність застосування динамічного моделювання з погодинним розрахунком, що забезпечує підвищення точності оцінки енергоспоживання і дозволяє моделювати реальні сценарії експлуатації житлових будівель. Отримані висновки стали підґрунтям для формування підходу, використаного в подальших етапах дослідження. У другому розділі сформовано і верифіковано мультизональну динамічну модель 12-поверхового житлового будинку ОСББ «Наш дім на Галана» (Київ) як базову платформу для подальшого параметричного аналізу. Об’єкт дослідження описано на основі аудиторських даних, планів та фактичних показників теплопостачання, що гарантує репрезентативність і можливість екстраполяції результатів. Методика моделювання поєднує оцифрування геометрії в DesignBuilder із подальшим розрахунком у EnergyPlus; правильність моделі підтверджено порівнянням вихідних даних із реальними витратами тепла. Використано погодинні кліматичні дані IWEC, а теплопровідність огороджень змодельовано методом кондуктивної передавальної функції (Conduction Transfer Function), що забезпечує врахування інерційності та фазових зсувів теплонадходжень. Базова модель включає типовий склад огороджувальних конструкцій (опір теплопередачі), кратність повітрообміну 0,6 год⁻¹ та внутрішню температуру 20 °C. Задано параметричну сітку сценаріїв, що варіює орієнтацію фасадів, масивність і рівень утеплення стін, характеристики вікон, товщину внутрішніх перегородок і режими денного/нічного зниження температури опалення. Така систематизація дає змогу виконати чутливісний аналіз і кількісно оцінити вплив кожного чинника на теплові втрати та пікові навантаження. Розділ закладає концептуальну й інструментальну основу для дослідження динамічних теплових балансів та обґрунтування енергоефективних рішень для багатоквартирних будівель в умовах клімату України. У третьому розділі дисертації кількісно оцінено вплив теплофізичних властивостей огороджувальних конструкцій (масивності і опору теплопередачі) на енергоспоживання багатоквартирної житлової будівлі. Дослідження ґрунтується на порівнянні результатів стаціонарних розрахунків за EN 12831 із погодинним динамічним моделюванням в EnergyPlus, що враховує добові коливання температури, інфільтрацію, сонячні теплонадходження й теплоакумуляцію матеріалів. Результати показали, що динамічний підхід демонструє на 6-8% нижчу розрахункову річну потребу в опаленні порівняно зі стаціонарною методикою та запобігає «перетопам» у перехідні періоди. Параметричний аналіз підтвердив, що збільшення масивності зовнішніх цегляних стін із 0,25 м до 0,77 м скорочує витрати енергії на опалення до 37%, а комплексна термомодернізація (шар мінеральної вати 0,1 м і двокамерні енергоефективні склопакети) майже на 45%. Врахування погодинних даних IWEC знизило втрати через повітрообмін на 3,9% порівняно з розрахунками за середньомісячними температурами. Отримані результати доводять доцільність застосування динамічного моделювання та зонального регулювання температури для підвищення точності прогнозування енергоспоживання і раціональної експлуатації систем опалення при реконструкції та модернізації житлових будівель. У четвертому розділі дисертації здійснено комплексне дослідження енергетичних характеристик житлової будівлі при сталих, змінних та аварійних режимах роботи системи опалення. Враховано сучасні виклики, пов’язані з підвищенням вимог до енергоефективності, нестабільністю енергоринку та ризиками відключень теплопостачання. Проаналізовано вплив різних сценаріїв регулювання температури внутрішнього повітря (денне і нічне пониження температури внутрішнього повітря) на річне споживання теплової енергії, враховуючи масивність огороджувальних конструкцій, орієнтацію фасаду, термомодернізацію будівлі та внутрішні теплонадходження. Встановлено, що динамічне моделювання дозволяє оцінити інерційні процеси, теплові взаємодії між приміщеннями та особливості розподілу навантаження у змінних режимах. Показано, що застосування стратегій пониження температури в денний і нічний періоди дозволяє знизити річне енергоспоживання на 18-23%, а нічне пониження є більш ефективним для будівель з масивними стінами. Проведено моделювання аварійних сценаріїв із частковим та повним відключенням опалення, що дало змогу оцінити теплову стійкість будівлі та ризики охолодження приміщень. Встановлено, що при відключенні опалення у суміжних приміщеннях додаткове навантаження на систему опалення може зростати на 16-18%. Отримані результати дозволяють формувати рекомендації щодо адаптивного управління опаленням, підвищення пасивної термічної стійкості будівель, навчання систем автоматичного регулювання систем опалення на базі штучного інтелекту та розробки нормативів енергоефективності. Практичне значення результатів дисертаційного дослідження підтверджено довідкою про впровадження, виданою ОСББ «Наш дім на Галана» та Кваліфікаційним центром "Центр підготовки енергоменеджерів навчальнонаукового інституту енергозбереження та енергоменеджменту" КПІ ім. Ігоря Сікорського. Документом засвідчується придатність та ефективність розроблених методик і моделей енергетичного моделювання для планування комплексних заходів з підвищення енергоефективності багатоквартирних житлових будівель. Результати можуть бути застосовані для налаштування режимів роботи індивідуального теплового пункту та систем автоматичного регулювання опалення, а також для точного прогнозування теплових витрат будівлі в умовах різних сценаріїв експлуатації суміжних приміщень, що сприятиме підвищенню енергетичної ефективності та забезпеченню комфортних умов проживання мешканців. У більшості кінцевих споживачів теплової енергії відсутній облік, тому отримані результати дослідження можуть бути використані при налаштуванні лічильників-розподільників теплової енергії. Зокрема, інформація щодо налаштування термостатів та удосконалення роботи опалювальних систем застосовуються у навчальному процесі для формування професійних компетентностей фахівців у сфері енергоефективності. | |
| dc.description.abstractother | Hurieiev M.V. Distributed energy balances in multifamily residential buildings. – Manuscript. The dissertation on completion of the Doctor of Philosophy degree on specialty 144 − Heat power engineering. National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The study raises the relevant problem of improving the energy efficiency of heat energy use in residential buildings in Ukraine by improving approaches to assessing the energy characteristics of buildings based on heat and mass transfer processes in thermal zones of multifamily buildings. In the context of growing energy costs, unstable heat supply, destruction of generating capacities, and the need to reduce greenhouse gas emissions, the issue of accurately determining the dynamics of heat losses and gains is becoming especially important. Existing methods are often based on simplified, steadystate calculations that do not fully reflect variable operating modes, thermal inertia of structures, and external climatic fluctuations. This reduces the effectiveness of energy conservation planning. In this regard, it is important to develop approaches based on dynamic modeling of energy processes in buildings. The introduction of the study emphasizes the relevance of the chosen topic, highlighting the importance of using dynamic energy modeling for reliable assessment of heat flows in multifamily residential buildings under dynamically changing climatic and operational conditions. The purpose, research objectives, object, subject, and methods of the study are presented, the scientific innovation and practical significance of the results are determined. Information on the approbation of the study, publications and acts of implementation of the results is presented, as well as the author's personal contribution is outlined. The first chapter substantiates the relevance of a comprehensive approach to improving the energy efficiency of the housing sector, which is determined by the economic, environmental, and social requirements of sustainable development. It highlights the fundamental physical processes involved in the formation of a building's energy balance, in particular heat transfer through building envelopes, air exchange, the influence of HVAC systems, and behavioral factors of residents. A critical analysis of the current regulatory framework in Ukraine is conducted and compared with EU approaches. It is established that Ukrainian methodologies are mainly based on steady-state calculations, while European standards increasingly use dynamic modeling and focus on actual, rather than just projected, energy consumption. The literature review covers current research on parametric analysis of solar heat gains and the massiveness of enclosures. Gaps have been identified in the national scientific database regarding the dynamic characteristics of multifamily buildings, particularly under unstable heating conditions, as well as the interaction of conditioned zones with heterogeneous thermophysical characteristics. Based on the analysis, the feasibility of using dynamic modeling with hourly calculations was justified, which improves the accuracy of energy consumption estimates and allows modeling realistic scenarios for the operation of residential buildings. The conclusions obtained formed the basis for the approach used in the subsequent stages of the study. The second chapter presents a verified multi-zone dynamic model of a 12-story residential building owned by the condominium “Nash Dim na Halana” (Kyiv) as a basic platform for further parametric analysis. The object of study is described based on audit data, plans, and actual heat supply metrics, which guarantees the representativeness and extrapolation of results. The modeling methodology combines digitization of geometry in DesignBuilder with subsequent calculation in EnergyPlus; the accuracy of the model is confirmed by comparing the initial data with actual heat consumption. Hourly climate data from IWEC was used, and the thermal conductivity of the enclosures was modeled using the Conduction Transfer Function method, which takes into account the inertia and phase shifts of heat gains. The base model includes a typical building envelope configuration (heat resistance) with an air change rate of 0.6 air changes per hour and an internal temperature of 20 °C. A parametric grid of scenarios is set, varying the orientation of the facades, the massiveness and level of wall insulation, window characteristics, the thickness of internal partitions, and day/night heating temperature reduction modes. This systematization allows for sensitivity analysis and quantitative assessment of the impact of each factor on heat flows and peak loads. The section lays the conceptual and instrumental foundation for researching dynamic heat balances and justifying energy-efficient solutions for multi-family buildings in the Ukrainian climate. The third chapter of the dissertation quantitatively assesses the impact of the thermophysical properties of building envelopes (massiveness and heat resistance) on the energy consumption of multifamily residential buildings. The study is based on a comparison of the results of steady-state calculations according to EN 12831 with hourly dynamic modeling in EnergyPlus, which takes into account daily temperature fluctuations, infiltration, solar heat gain, and heat accumulation of materials. The results showed that the dynamic approach demonstrates a 6-8% lower calculated annual heating demand compared to the steady-state method and prevents “overheating” during transitional periods. Parametric analysis confirmed that increasing the mass of external brick walls from 0.25 m to 0.77 m reduces heating energy consumption by up to 37%, and comprehensive thermal modernization (0.1 m layer of mineral wool and triple-glazed energy-efficient windows) by almost 45%. Taking into account hourly IWEC data reduced air exchange losses by 3.9% compared to calculations based on average monthly temperatures. The results obtained prove the feasibility of using dynamic modeling and zonal temperature control to improve the accuracy of energy consumption forecasting and rational operation of heating systems during the reconstruction and modernization of residential buildings. The fourth chapter of the dissertation presents a comprehensive study of the energy characteristics of a residential building under constant, variable, and emergency modes of heating system operation. It takes into account current challenges related to increased energy efficiency requirements, energy market instability, and the risk of heat supply interruptions. The influence of various scenarios for regulating indoor air temperature (daytime and nighttime reduction of indoor air temperature) on annual heat energy consumption is analyzed, taking into account the massiveness of the building envelope, the orientation of the facade, the thermal modernization of the building, and internal heat gains. It has been established that dynamic modeling allows for the assessment of inertial processes, thermal interactions between rooms, and load distribution characteristics in variable modes. It is shown that the use of strategies to lower the temperature during the day and night allows for a reduction in annual energy consumption by 18-23%, and that nighttime reduction is more effective for buildings with massive walls. Modeling of emergency scenarios with partial and complete shutdown of heating was carried out, which made it possible to assess the thermal stability of the building and the risks of cooling the premises. It has been established that when the heating is turned off in adjacent rooms, the additional load on the heating system can increase by 16-18%. The results obtained allow for the formation of recommendations for adaptive heating control, improving the passive thermal stability of buildings, training automatic control systems for heating systems based on artificial intelligence, and developing energy efficiency standards. The practical value of the results of the dissertation research is confirmed by the certificate of implementation issued by the condominium “Nash Dim na Halana” and the Qualification Center “The Training Centre for Energy Management” of the Institute of Energy Saving and Energy Management of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute". The document certifies the suitability and effectiveness of the developed energy modeling methods and models for planning comprehensive measures to improve the energy efficiency of multi-apartment residential buildings. The results can be used to optimally adjust the operating modes of individual heating stations and automatic heating control systems, as well as to accurately predict the heat consumption of a building under various scenarios of operation of adjacent premises, which will help to improve energy efficiency and ensure comfortable living conditions for residents. Most end users of heat energy do not have metering systems, so the results of this study can be used to configure heat energy meters and distributors. In particular, the information on setting thermostats and optimizing the operation of heating systems is used in the educational process to develop the professional competencies of energy efficiency specialists. | |
| dc.format.extent | 176 с. | |
| dc.identifier.citation | Гурєєв, М. В. Розосереджені енергетичні баланси у багатоквартирних житлових будівлях : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Гурєєв Максим Вячеславович. – Київ, 2025. – 176 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/75633 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | використання енергії | |
| dc.subject | кінцевий споживач теплової енергії | |
| dc.subject | енергетичний баланс | |
| dc.subject | енергетична ефективність | |
| dc.subject | енергоспоживання | |
| dc.subject | економія енергії | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | енергетичне моделювання | |
| dc.subject | термомодернізація | |
| dc.subject | регулювання відпуску теплоти | |
| dc.subject | вентиляція | |
| dc.subject | опалення | |
| dc.subject | теплові перетоки | |
| dc.subject | система опалення | |
| dc.subject | energy use | |
| dc.subject | heat energy end-user | |
| dc.subject | energy balance | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | energy consumption | |
| dc.subject | energy savings | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | energy modeling | |
| dc.subject | thermal modernization | |
| dc.subject | heat release control | |
| dc.subject | ventilation | |
| dc.subject | heating | |
| dc.subject | heat flows | |
| dc.subject | heating system | |
| dc.subject.udc | 697.12:628.87 | |
| dc.title | Розосереджені енергетичні баланси у багатоквартирних житлових будівлях | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: