Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту

Вантажиться...
Ескіз

Дата

2024

Науковий керівник

Назва журналу

Номер ISSN

Назва тому

Видавець

КПІ ім. Ігоря Сікорського

Анотація

Сапунов А.О. Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту – 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, що підтверджене актами впровадження результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. Перший розділ дисертації присвячений аналізу теоретичних аспектів енергоефективності будівель, що є фундаментальною складовою сучасної архітектури та будівництва. Висвітлені основні засади їх енергоефективності, такі як теплоізоляція та енергозберігаючі матеріали, енергоефективні системи опалення та кондиціювання, енергоефективне освітлення, використання відновлювальних джерел та поведінка користувачів і їхній вплив на енергоспоживання. Розглянуто вимоги до нового будівництва та реконструкції будівель з метою досягнення високих стандартів енергоспоживання у світлі українського законодавства у сфері енергоефективності. В сучасному світі особлива увага приділяється застосуванню комп᾽ютерного моделювання для ефективності будівель. Цей метод використовується як надійний спосіб оцінки енергоспоживання та потенційного зниження вуглецевих викидів в атмосферу. Серед ключових програмних продуктів, які знаходять застосування в цій сфері, можна виділити EnergyPlus, eQUEST, TRNSYS, DesignBuilder, IDA ICE, та DIALux. Ці інструменти розроблені з урахуванням високих європейських стандартів енергомоделювання та дозволяють комплексно аналізувати теплові навантаження, систем опалення, вентиляції, кондиціювання повітря, освітлення, а також інерційні особливості огороджувальних конструкцій. В Україні ці методи набувають популярності, сприяючи зменшенню вуглецевого сліду та економії енергоресурсів. Впровадження таких технологій відкриває нові можливості для розробки проєктів будівель та їхньої модернізації з метою досягнення високих показників енергоефективності. Висвітлено сучасні дослідження у галузі енергоефективності та забезпечення умов комфорту в будівлях, необхідність термомодернізації житлового фонду в Україні для відповідності підвищеним вимогам стандартів. Розглянуто різноманітні підходи для забезпечення енергоефективності та комфорту, включаючи застосування передових програм для моделювання енергетичних характеристик будівель, що дозволяє оптимізувати проєкти будівель з метою досягнення найкращих показників енергоспоживання та теплового комфорту. Особлива увага приділяється потребам особливо чутливих груп населення, таких як дітей та літніх людей, у контексті створення оптимальних умов проживання. Підкреслюється критична важливість створення оптимальних теплових умов в приміщеннях, що є основним місцем перебування людей. У розділі вивчаються різноманітні методології оцінювання теплового комфорту, зокрема через застосування адаптивних і стаціонарних моделей. Ці моделі дозволяють враховувати особистісні відчуття та фізіологічні відгуки на зміни температурного середовища. Особливо вирізняється модель PMV, розроблена Фангером, яка є ключовою для ідентифікації ідеальних параметрів теплового комфорту, показуючи важливість інтегрованого підходу до проєктування та управління внутрішнім кліматом. У другому розділі дисертації наведені опис об’єкта дослідження, а саме дошкільного навчального закладу в м. Києві. Окрім того, детально розглянуто основні налаштування будівлі з використанням програмного середовища DesignBuilder. Застосування даної програми дозволяє комплексно підійти до вивчення теплових характеристик будівлі згідно стандарту ISO 13788, включаючи оцінку теплових втрат через огороджувальні конструкції та аналіз ризиків конденсації вологи і формування плісняви. Описано, як програмне середовище дозволяє налаштувати детальні параметри приміщення, враховуючи активність людей та термічний опір їхнього одягу, що відіграє вирішальну роль у розрахунку теплового комфорту. Для динамічного моделювання використано кліматичні дані з погодного погодинного файлу IWEC типового метеорологічного року для м. Києва, що виявляють значні коливання температури та сонячної радіації протягом року, і відіграють важливе значення для планування систем опалення, охолодження та енергозабезпечення будівель. Використання даних про глобальну горизонтальну сонячну радіацію і зовнішню температуру повітря дозволяють глибше зрозуміти енергетичні потреби та вплив погодних умов на комфортні умови клімату будівель. Виходячи з кліматичних даних, програма дозволяє оцінити енергетичні потреби та вплив погодних умов на комфорт і споживання енергії. Використання DesignBuilder сприяє глибокому аналізу енергетичної ефективності та теплового комфорту будівлі, дозволяючи розробляти рекомендації для підвищення стандартів ефективності та зниження енергоспоживання. У третьому розділі детально розглянуто вплив термомодернізації, згідно з шведськими енергетичними стандартами, на зменшення енергоспоживання. В ході дослідження порівнюються два сценарії: існуючий стан будівлі та її модернізований варіант із підвищеними показниками теплоізоляції до нормативних стандартів Швеції. Аналіз показує, що модернізація огороджувальних конструкцій дозволяє значно знизити витрати енергії на опалення, що демонструє важливість заходів щодо утеплення будівель. Встановлено, що впровадження переривчастого опалення, одночасно із підвищенням теплового опору конструкцій, призводить до ще більшого зниження енергоспоживання, що підтверджує ефективність такого підходу. Розглянуто вплив зміни функціонального призначення будівлі на її енергетичні потреби, зміна призначення будівлі − дитячого садка на офіс, що значно знижує витрати енергії. Також висвітлено роль присутності людей і необхідність вентиляційних систем у формуванні теплового балансу будівлі, що вказує на необхідність оптимізації систем опалення та вентиляції для досягнення енергетичної ефективності. Дослідження підкреслює значення географічного орієнтування будівлі та врахування сонячних надходжень через віконні конструкції, які можуть істотно покращувати тепловий комфорт внутрішніх приміщень і зменшення додаткового опалення. Завдяки комплексному підходу до модернізації будівлі, що включає утеплення, ефективне використання сонячної енергії та раціональне планування використання приміщень, можна суттєво знизити енергоспоживання та сприяти сталому розвитку міського середовища. Аналіз таких аспектів, як радіаційна температура та вплив географічного орієнтування приміщень, вказує на те, що покращення теплоізоляційних характеристик не тільки знижує енергоспоживання, але й позитивно впливає на сприйняття теплового комфорту людьми. Особливо це стосується приміщень, орієнтованих на південну сторону, де додаткові теплові надходження через вікна сприяють покращенню теплового сприйняття. Результати свідчать про можливість зниження внутрішньої температури без втрати в комфорті, що додатково сприяє економії енергії. Таким чином, врахування факторів теплового комфорту відіграє важливу роль у розробці стратегій енергоефективності та забезпеченні здорового та комфортного середовища для користувачів будівлі. У 4 розділі дослідження зосереджено на аналізі ефекту підвищення енергоефективності експлуатації будівлі у літній період. Вивчення впливу заходів щодо підвищення енергоефективності використання енергії влітку показало, що інтеграція спліт-систем охолодження та опалення є важливою для дошкільних навчальних закладів, де зазвичай відсутні системи охолодження. Дослідження включає розгляд впливу підвищення теплоізоляційних характеристик на рівень споживання енергоресурсів, виходячи з варіантів, які відповідають законодавчим стандартам з енергоефективності Швеції. Аналіз результатів моделювання показує, що вдосконалення теплового захисту огороджувальних конструкцій може значно знизити енергоспоживання на охолодження та опалення, забезпечуючи при цьому необхідний рівень теплового комфорту в приміщеннях. Особливу увагу приділено аналізу динаміки зміни температур як всередині, так і ззовні будівлі, а також впливу орієнтації будівлі на радіаційні температури. Висновки систематичних досліджень підкреслюють необхідність комплексного підходу до вибору теплових захисних технологій та управління температурним режимом, що включає практичне планування та застосування інноваційних рішень для досягнення оптимального балансу між енергоефективністю та тепловим комфортом. Особлива увага приділяється літнім місяцям, коли інтенсивне сонячне випромінювання може призводити до перегріву приміщень, необхідності збільшення витрат на кондиціонування, а також до негативного впливу на здоров᾽я людей. Зокрема, обговорюється необхідність використання пасивних методів, таких як затінення вікон, для зниження енергоспоживання та підвищення комфорту у літні місяці. Використовуючи програмне моделювання DesignBuilder, було оцінено енергетичну потребу на охолодження та енерговитрати освітлення для варіанту з/без затінення, включаючи статичне затінення та рулонні жалюзі. Результати вказують на те, що статичне затінення є найбільш ефективним, і для репрезентативної кімнати знижує енергоспоживання на охолодження на 74,98 кВт∙год порівняно з варіантом без затінення, але при цьому призводить до збільшення енерговитрат на освітлення на 4,63 кВт∙год. Зауважено, що встановлення рулонних жалюзі з внутрішньої сторони може бути найменш ефективним рішенням через збільшення витрат на освітлення та незначне зменшення енергопотреби на охолодження. Оцінено вплив орієнтації вікон та розташування затінення на ефективність зменшення енергопотреби на охолодження. Крім того, аналіз впливу затінення на радіаційну температуру показує, що статичне затінення сприяє зниженню температури в приміщенні, поліпшуючи тепловий комфорт у літній період. Загальні висновки підкреслюють важливість обрання оптимального затінення та орієнтації будівлі для забезпечення енергоефективності та комфортної внутрішньої обстановки. Результати досліджень передано до ДП НДІБК для використання при розробці стандартів з енергоефективності будівлі. Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень. Створена модель будівлі використовується для технічної розробки за держбюджетної теми «Ексергетичне обгрунтування нестаціонарних режимів та характеристик комбінованого тепло-та холодозабезпечення енергоефективних будівель на основі теплонасосних систем» та державним замовленням “Розроблення інтелектуальної низькотемпературної системи теплозабезпечення будівель на базі конденсаційної модульної котельні” (Розпорядження Кабінету Міністрів України від 29 вересня 2023 р. № 872 р “Про затвердження переліку науково-технічних (експериментальних) розробок в рамках виконання державного замовлення на найважливіші науково-технічні (експериментальні) розробки та науково-технічну продукцію у 2023 році”.

Опис

Ключові слова

енергоефективність, енергоспоживання, DesignBuilder, енергетичне моделювання будівлі, умови комфортності, PMV, коефіцієнт опору одягу, затінення, інженерні системи, система опалення, система кондиціювання, теплові характеристики, температурні режими, energy efficiency, energy consumption, building energy modeling, comfort conditions, clothing insulation factor, shading, engineering systems, heating system, air conditioning system, thermal characteristics, temperature regimes

Бібліографічний опис

Сапунов, А. О. Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Сапунов Анатолій Олександрович. – Київ, 2024. – 123 с.

DOI