Покращення енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій будівель з урахуванням їх термічної неоднорідності
Вантажиться...
Дата
2025
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Сердечний П. Ю. Покращення енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій будівель з урахуванням їх термічної неоднорідності. – 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, 2025. 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. У першому розділі дисертаційного дослідження представлено ґрунтовний аналіз нормативних, методичних і наукових засад, що лежать в основі визначення енергоефективності будівель в Україні та країнах Європейського Союзу. Окрему увагу приділено законодавчій базі, зокрема Закону України «Про енергетичну ефективність будівель», який окреслює ключові принципи сертифікації, модернізації та підвищення енергоефективності будівель. Розглянуто відповідні європейські директиви, зокрема 2010/31/ЄС та оновлену 2024/1275/ЄС, які регламентують перехід до будівель з нульовими викидами, а також національні вимоги до класу енергоефективності, зокрема стандартів nZEB. У розділі наведено детальний аналіз теплотехнічних характеристик огороджувальних конструкцій, зокрема мінімально допустимих значень опору теплопередачі для різних типів конструкцій згідно з ДБН В.2.6-31, ДСТУ 9191, а також з врахуванням міжнародних норм ASHRAE 90.1. Значну увагу зосереджено на методах розрахунку теплопередачі трансмісією, зокрема на формульному представленні компонентів лінійного та точкового впливу теплопровідних включень. Описано основні підходи до обчислення теплових потоків через огородження, наведено ключові формули з нормативних стандартів, зокрема EN ISO 10211, а також надано роз’яснення щодо їх практичного застосування. Розкрито особливості застосування спрощених і детальних методів оцінки теплопровідних включень: від коригувальних поправок ∆Utb, рекомендованих для попередніх оцінок, до чисельного моделювання із застосуванням дво- та тривимірних моделей. Проаналізовано приклади використання стандартів класу А (EN ISO 10211) і класу B (EN ISO 14683) для розрахунку ψ- і χ-коефіцієнтів. Підкреслено, що точне врахування теплопровідних включень є критично важливим для забезпечення високої енергоефективності оболонки будівлі та її сертифікації. У розділі також узагальнено результати актуальних вітчизняних і зарубіжних досліджень, що стосуються впливу теплових містків на рівень енергоефективності огороджувальних конструкцій. Представлено аналіз ефективності вузлових конструкцій, впливу матеріалів та геометрії, а також підходів до їх термомодернізації. Значну увагу приділено дослідженням з використанням чисельного моделювання в THERM, COMSOL, Agros2D, TRISCO та EnergyPlus, що підтверджує наукову актуальність проблеми. Таким чином, розділ закладає науково-методологічне підґрунтя для подальшого дослідження впливу теплопровідних включень на показники енергоефективності будівель, обґрунтовуючи необхідність їх глибокого врахування при проєктуванні, оцінюванні та реновації будівельної оболонки. У другому розділі дисертаційної роботи розглянуто характеристику двох типових представників будівельного фонду України – громадської будівлі (школи) та багатоквартирного житлового будинку. Обидва об’єкти були обрані як характерні приклади споруд, які потребують підвищення енергоефективності шляхом покращення теплоізоляції огороджувальних конструкцій і зниження втрат теплоти через теплопровідні включення. Для кожної будівлі подано розгорнутий опис конструктивних та інженерних характеристик, зокрема геометрії, матеріалів стін, покриттів, вікон і дверей, та ін. У межах розділу обґрунтовано необхідність використання спеціалізованого програмного забезпечення для точного визначення лінійних (ψ) та точкових (χ) коефіцієнтів теплопередачі. Детально розглянуто сучасні програмні продукти, включаючи THERM, Solido Physibel, HEAT2/HEAT3, Flixo Energy, Ansys/Fluent, які дозволяють з високою точністю моделювати теплофізичні процеси в конструкціях, аналізувати розподіл температурних полів, ризики конденсації та теплових втрат. У якості базового інструменту для подальших досліджень обрано програму THERM, що поєднує зручний графічний інтерфейс з потужним чисельним ядром, реалізованим за методом скінченних елементів. Також наведено математичний апарат моделювання у THERM, включаючи рівняння теплопровідності, реалізацію методу зважених залишків, алгоритм побудови сітки Finite Quadtree та формулювання граничних умов. Пояснено, яким чином реалізовано розв’язання задачі теплопередачі для неоднорідних конструкцій у двовимірному просторі. Крім того, в розділі охарактеризовано програмне забезпечення для динамічного енергетичного моделювання будівель, серед якого виділено DesignBuilder (на базі EnergyPlus), IDA ICE, IES VE, eQuest, DOE-2. Детально описано підходи до розрахунку теплових балансів у EnergyPlus, зокрема функцію передавання теплопровідності (CTF), внутрішній і зовнішній теплові баланси поверхонь, вікон, повітря зони. Ці підходи слугуватимуть основою для оцінювання впливу теплопровідних включень на енергопотребу будівлі в подальших розділах. Таким чином, другий розділ формує інженерно-аналітичне підґрунтя для подальших практичних розрахунків, забезпечуючи повну інформацію про об’єкти дослідження та обґрунтовану методологію їх моделювання. У третьому розділі дисертаційного дослідження здійснено чисельне моделювання теплових потоків у вузлах термічно неоднорідних огороджувальних конструкцій з метою визначення їх енергетичної ефективності та впливу на загальні тепловтрати будівлі. Враховуючи актуальність переходу до проєктування та зведення будівель з близьким до нульового рівня енергоспоживання (nZEB), у розділі обґрунтовано необхідність покращення існуючих підходів до проєктування будівельних вузлів, що традиційно представлені у національних нормах та каталогах. Було проаналізовано найтиповіші вузли, характерні для будівельної практики в Україні, зокрема: примикання зовнішніх стін до міжповерхових перекриттів, до балконних плит, кутові стики стін, примикання до плити перекриття даху та парапету, вузли підлоги над неопалюваним підвалом, вузли у зоні віконних перемичок, підвіконь і рядових сполучень. Для кожного з них виконано побудову 2D-моделі в програмному середовищі THERM, з подальшим чисельним розрахунком температурного поля, розподілу густини теплового потоку, а також визначенням величини лінійного коефіцієнта теплопередачі ψ. У межах розділу наведено базові та покращені конструктивні рішення для кожного вузла, обґрунтовано їх ефективність через порівняння відповідних значень ψ-фактора, які часто зменшувались на 30–70 % за рахунок застосування додаткових теплоізоляційних матеріалів, виносного монтажу вікон, терморозривів тощо. У підсумку, розділ закладає основу для кількісної оцінки впливу теплопровідних включень на рівень енергопотреби на опалення та охолодження будівель. Наведений підхід може бути інтегрований у сучасну проєктну практику та використаний для адаптації існуючих будівель під стандарти nZEB. У четвертому розділі представлено комплексне дослідження впливу теплопровідних включень на енергетичну ефективність будівель шляхом використання динамічного моделювання в середовищі DesignBuilder на базі енергетичного ядра EnergyPlus. Основною метою стало кількісне оцінювання зміни річної енергопотреби на опалення та охолодження в залежності від ступеня врахування теплопровідних включень. Для реалізації поставлених задач були розроблені сім сценаріїв моделювання, що відрізнялися рівнем деталізації та підходами до врахування теплових містків: від ідеалізованих умов без урахування теплопровідних включень — до найбільш деталізованого nZEB-сценарію. Ці сценарії застосовувалися для двох типових об’єктів: будівлі навчального закладу (громадської будівлі) та багатоквартирного житлового будинку. Проведено повноцінне створення енергетичних моделей із урахуванням кліматичних даних (IWEC), параметрів огороджувальних конструкцій, сценаріїв експлуатації, внутрішніх надходжень теплоти, вентиляційного повітрообміну та характеристик інженерних систем. З метою об’єктивного порівняння застосовано метод енергетичного моделювання, що дозволяє ізолювати вплив виключно огороджувальної оболонки, не враховуючи ККД обладнання. Результати моделювання показали, що теплопровідні включення істотно впливають на опалювальне навантаження. У базовому сценарії значні втрати теплової енергії через неякісні вузли спричиняють високі показники річної енергопотреби. Застосування конструктивних покращень дозволяє знизити енергопотребу на опалення до 25–30%, а повна відповідність nZEB-рівню — ще додатково зменшує споживання. Однак у літній період у nZEB-сценаріях виявляється збільшене охолоджувальне навантаження (до +25%), що пов’язано з ефектом перегріву через надмірну теплоізоляцію. Це вказує на потребу балансування теплоізоляційних характеристик і ефективного літнього кліматконтролю. Також у розділі проведено аналіз оперативних температур для візуалізації впливу теплопровідних включень на комфорт в приміщеннях.
Опис
Ключові слова
модель, аналітична модель, математичне моделювання, числове моделювання, метод скінченних елементів, енергія, енергоефективність, енергетичне моделювання, динамічне моделювання будівель, енергоспоживання, огороджувальні конструкції, тепловий комфорт, теплопровідні включення, температура, nZEB, model, analytical model, mathematical modeling, numerical modeling, finite element method, energy, energy efficiency, energy modeling, dynamic building modeling, energy consumption, building envelope, thermal comfort, thermally conductive inclusions, temperature
Бібліографічний опис
Сердечний, П. Ю. Покращення енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій будівель з урахуванням їх термічної неоднорідності : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Сердечний Павло Юрійович. – Київ, 2025. – 178 с.