Покращення енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій будівель з урахуванням їх термічної неоднорідності

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorСуходуб, Ірина Олегівна
dc.contributor.authorСердечний, Павло Юрійович
dc.date.accessioned2025-08-25T08:51:31Z
dc.date.available2025-08-25T08:51:31Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractСердечний 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.
dc.description.abstractotherSerdechnyi P.Y. Improvement of the energy performance of building envelope structures considering thermal bridges effect. Thesis for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 144 Thermal Power Engineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2025. The introduction of the dissertation outlines the relevance of the research topic at the present time and its connection to scientific programs, plans, and themes. The purpose, scientific objectives, object, subject, and research methods are formulated. The scientific novelty and practical significance of the obtained results are defined. Information is provided regarding the dissertation’s approbation and existing publications, with a clear indication of the author’s personal contribution. The first chapter of the dissertation presents a comprehensive analysis of the regulatory, methodological, and scientific foundations that underlie the assessment of building energy efficiency in Ukraine and the European Union. Special attention is paid to the legislative framework, in particular the Law of Ukraine “On Energy Efficiency of Buildings”, which outlines the key principles of certification, modernization, and improvement of energy performance. Relevant European directives, including 2010/31/EU and the updated 2024/1275/EU, are reviewed, as they regulate the transition to zero-emission buildings and define national energy performance requirements, particularly the nearly Zero-Energy Building (nZEB) standards. The chapter provides an in-depth analysis of the thermal performance of building envelopes, including minimum allowable thermal resistance values for different envelope elements according to national standards (DBN V.2.6-31, DSTU 9191) and international regulations such as ASHRAE 90.1. Emphasis is placed on methods for calculating heat transmission, especially the mathematical representation of linear and point thermal bridging effects. Key calculation approaches and formulas from standards such as EN ISO 10211 are explained and contextualized for practical application. The chapter further explores both simplified and detailed methods for evaluating thermal bridges—from correction factors (∆Utb) for preliminary estimates to detailed 2D and 3D numerical modeling. Applications of Class A (EN ISO 10211) and Class B (EN ISO 14683) methods for calculating linear (ψ) and point (χ) thermal transmittance values are discussed. The importance of accurately accounting for thermal bridges is highlighted as essential for achieving high energy efficiency and successful energy certification. Additionally, the chapter synthesizes findings from national and international research related to the impact of thermal bridging on building envelope performance. It includes analysis of joint details, material influence, and geometry, as well as strategies for thermal modernization. Particular attention is given to numerical modeling tools such as THERM, COMSOL, Agros2D, TRISCO, and EnergyPlus, affirming the scientific relevance of the topic. Thus, this chapter lays the scientific and methodological foundation for further investigation of thermal bridges and their influence on overall building energy performance, justifying the need for their detailed consideration in building design, evaluation, and retrofit processes. The second chapter characterizes two typical representatives of the Ukrainian building stock—a public building (school) and a multi-apartment residential building. These buildings were selected as representative examples requiring improved thermal protection and reduced heat loss through thermal bridges. A detailed overview is provided for each building, including geometry, structural components, and engineering systems such as walls, roof slabs, windows, and doors. The chapter substantiates the need to use specialized software tools for accurately determining linear (ψ) and point (χ) thermal transmittance coefficients. State-of-the-art simulation tools are reviewed, including THERM, Solido Physibel, HEAT2/HEAT3, Flixo Energy, and Ansys Fluent, which are capable of high-precision modeling of thermophysical processes, temperature distribution, condensation risks, and heat losses in building assemblies. THERM was chosen as the primary tool for further study due to its user-friendly interface and robust finite element solver. The mathematical modeling framework used in THERM is presented, including the heat conduction equation, weighted residuals method, Finite Quadtree mesh generation, and boundary condition formulation. The implementation of 2D steady-state heat transfer simulation for inhomogeneous assemblies is also described. Additionally, the chapter addresses dynamic building energy modeling tools such as DesignBuilder (based on EnergyPlus), IDA ICE, IES VE, eQuest, and DOE-2. A detailed explanation is provided for EnergyPlus’s heat balance algorithms, including the conduction transfer function (CTF), surface heat balances, window heat exchange, and zone air heat dynamics. These methods form the basis for assessing the impact of thermal bridges on overall building energy demand in later chapters. In conclusion, Chapter 2 provides the engineering and analytical basis for subsequent calculations and ensures comprehensive coverage of the building models and methodologies used. The third chapter of the dissertation presents extensive numerical modeling of thermal flows in thermally inhomogeneous building envelope junctions to assess their energy performance and contribution to total heat losses. Given the growing importance of nZEB design, the need to revise traditional junction solutions from national norms and catalogues is justified. The most common thermal bridge-prone junctions found in Ukrainian buildings are analyzed, including external wall connections to floor slabs, balconies, roof parapets, corner joints, unheated basement floors, and window-to-wall joints (at sills, heads, and jambs). Each junction was modeled in THERM using 2D geometry, with simulation outputs including temperature field distribution, heat flux vectors, and calculated linear thermal transmittance (ψ-values). For each case, both baseline and improved designs are presented, with comparisons demonstrating reductions in ψ-values by 30–70% due to added insulation, thermal breaks, or adjusted installation positions. In some cases (e.g., balcony slabs), baseline ψ-values exceeded 0.7 W/(m·K), highlighting their critical contribution to heat loss. This chapter builds a quantitative basis for further analysis of how thermal bridges affect annual heating and cooling energy needs. The modeling methodology and results are suitable for direct application in nZEB-aligned design workflows and for the energy modernization of existing buildings. Chapter four presents a comprehensive energy analysis using dynamic simulations in DesignBuilder (powered by EnergyPlus) to evaluate the impact of thermal bridges on building energy performance. The primary goal was to quantify the influence of including thermal bridges on annual heating and cooling energy demand. Seven simulation scenarios were developed, each varying by the level of detail used to account for thermal bridges—from idealized cases (no thermal bridges) to highly detailed nZEB-compliant designs. These scenarios were applied to two typical building models: a school and a multi-apartment residential building. Complete energy models were constructed using IWEC climate data, envelope configurations, occupancy patterns, internal gains, ventilation parameters, and HVAC assumptions. The simulations isolated the effect of the envelope by excluding system efficiencies, ensuring objective comparison across cases. Results confirmed that thermal bridges significantly increase heating demand. In the baseline cases, poorly detailed joints contributed to elevated annual energy needs. Introducing improved junctions lowered heating energy demand by up to 25–30%, with nZEB-level compliance further enhancing savings. However, during the summer period, nZEB models exhibited increased cooling loads (up to +25%) due to overheating risks associated with excessive insulation, emphasizing the need for proper solar shading and ventilation design. The chapter also includes operative temperature analysis, visualizing indoor comfort shifts across scenarios and confirming that enhanced insulation contributes to greater temperature stability in winter, though may require cooling support in summer.
dc.format.extent178 с.
dc.identifier.citationСердечний, 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.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/75634
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectмодель
dc.subjectаналітична модель
dc.subjectматематичне моделювання
dc.subjectчислове моделювання
dc.subjectметод скінченних елементів
dc.subjectенергія
dc.subjectенергоефективність
dc.subjectенергетичне моделювання
dc.subjectдинамічне моделювання будівель
dc.subjectенергоспоживання
dc.subjectогороджувальні конструкції
dc.subjectтепловий комфорт
dc.subjectтеплопровідні включення
dc.subjectтемпература
dc.subjectnZEB
dc.subjectmodel
dc.subjectanalytical model
dc.subjectmathematical modeling
dc.subjectnumerical modeling
dc.subjectfinite element method
dc.subjectenergy
dc.subjectenergy efficiency
dc.subjectenergy modeling
dc.subjectdynamic building modeling
dc.subjectenergy consumption
dc.subjectbuilding envelope
dc.subjectthermal comfort
dc.subjectthermally conductive inclusions
dc.subjecttemperature
dc.subject.udc697.1:699.86
dc.titleПокращення енергетичних характеристик огороджувальних конструкцій будівель з урахуванням їх термічної неоднорідності
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Serdechnyi_dys.pdf
Розмір:
8.3 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТАЕ)
Дисертації (вільний доступ)