Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту
| dc.contributor.advisor | Дешко, Валерій Іванович | |
| dc.contributor.author | Сапунов, Анатолій Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2024-09-02T10:03:54Z | |
| dc.date.available | 2024-09-02T10:03:54Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | 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”. | |
| dc.description.abstractother | Sapunov A.O. Evaluation of Energy Efficiency of a Preschool Educational Building under Thermal Comfort Conditions – Qualifying scientific work on the rights of the manuscript. 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, 2024. The introduction of the dissertation highlights the relevance of the research topic today and its connection with scientific programs, plans, and themes. It outlines the goal, scientific task, object, subject, and methods of research, identifies the scientific novelty and practical value of the results, which is confirmed by the acts of implementation of the results, and presents data on the dissertation's approval and available publications, specifying the personal contribution of the candidate. The first chapter of the dissertation is dedicated to the analysis of theoretical aspects of the energy efficiency of buildings, which is a fundamental component of modern architecture and construction. It covers the main principles of their energy efficiency, such as thermal insulation and energy-saving materials, energy-efficient heating and air conditioning systems, energy-efficient lighting, the use of renewable sources, and user behavior and its impact on energy consumption. The requirements for new construction and reconstruction of buildings are considered in order to achieve high standards of energy consumption in light of Ukrainian legislation in the field of energy efficiency. In the modern world, special attention is given to the application of computer modeling for the efficiency of buildings. This method is used as a reliable way to assess energy consumption and potential reduction of carbon emissions into the atmosphere. Among the key software products used in this field are EnergyPlus, eQUEST, TRNSYS, DesignBuilder, IDA ICE, and DIALux. These tools are developed considering high European standards of energy modeling and allow for a comprehensive analysis of thermal loads, heating systems, ventilation, air conditioning, lighting, and the inertial characteristics of enclosing structures. In Ukraine, these methods are gaining popularity, contributing to the reduction of the carbon footprint and saving energy resources. The implementation of such technologies opens new opportunities for the development of building projects and their modernization with the aim of achieving high energy efficiency indicators. Modern research in the field of energy efficiency and comfort conditions in buildings is discussed, along with the necessity for thermal modernization of the housing stock in Ukraine to meet heightened standards. Various approaches to ensuring energy efficiency and comfort are considered, including the use of advanced programs for modeling the energy characteristics of buildings, which allows for optimizing building designs to achieve the best energy consumption and thermal comfort indicators. Special attention is given to the needs of particularly sensitive groups of the population, such as children and the elderly, in the context of creating optimal living conditions. The critical importance of creating optimal thermal conditions in spaces, which are the primary places where people spend time, is emphasized. The chapter explores various methodologies for assessing thermal comfort, particularly through the use of adaptive and steady-state models. These models allow for considering personal sensations and physiological responses to changes in the temperature environment. Particularly notable is the PMV model developed by Fanger, which is key to identifying ideal parameters for thermal comfort, highlighting the importance of an integrated approach to design and management of the indoor climate. The second chapter of the dissertation provides a description of the research object, specifically a preschool educational institution in Kyiv. Additionally, the main settings of the building using the DesignBuilder software environment are detailed. The use of this program allows for a comprehensive approach to studying the thermal characteristics of the building according to the ISO 13788 standard, including the assessment of thermal losses through enclosing structures and the analysis of risks related to moisture condensation and mold formation. The software environment allows for setting detailed parameters of the space, considering the activity level of people and the thermal resistance of their clothing, which plays a crucial role in calculating thermal comfort. For dynamic modeling, climatic data from the IWEC hourly weather file typical meteorological year for Kyiv is used, revealing significant temperature fluctuations and solar radiation throughout the year, and playing an important role in planning heating, cooling, and energy supply systems for buildings. The use of data on global horizontal solar radiation and external air temperature allows for a deeper understanding of the energy needs and the impact of weather conditions on the comfortable climate conditions of buildings. Based on climatic data, the program allows assessing the energy needs and the impact of weather conditions on comfort and energy consumption. Using DesignBuilder facilitates an in-depth analysis of energy efficiency and thermal comfort of the building, allowing for the development of recommendations to enhance efficiency standards and reduce energy consumption. In the third chapter, the impact of thermal modernization according to Swedish energy standards on reducing energy consumption is thoroughly examined. The study compares two scenarios: the existing state of the building and its modernized version with improved thermal insulation to meet Swedish standards. The analysis shows that upgrading the enclosing structures significantly reduces energy costs for heating, demonstrating the importance of insulation measures. It is found that implementing intermittent heating, along with increasing the thermal resistance of structures, leads to even greater reductions in energy consumption, confirming the effectiveness of this approach. The impact of changing the building's functional purpose on its energy needs is considered, with the change from a kindergarten to an office significantly reducing energy costs. The role of human presence and the need for ventilation systems in forming the building's thermal balance are also highlighted, indicating the necessity to optimize heating and ventilation systems for energy efficiency. The research underscores the importance of the building's geographical orientation and the consideration of solar gains through window constructions, which can significantly improve the thermal comfort of indoor spaces and reduce the need for additional heating. Through a comprehensive approach to building modernization, including insulation, effective use of solar energy, and rational planning of space utilization, substantial reductions in energy consumption can be achieved, contributing to sustainable urban development. The analysis of aspects such as radiant temperature and the impact of geographical orientation of spaces shows that improving thermal insulation characteristics not only reduces energy consumption but also positively affects people's perception of thermal comfort. This is particularly true for spaces facing south, where additional thermal gains through windows enhance thermal perception. The results indicate the possibility of reducing the internal temperature without compromising comfort, further contributing to energy savings. Thus, considering factors of thermal comfort plays a crucial role in developing energy efficiency strategies and ensuring a healthy and comfortable environment for building users. In Chapter 4, the study focuses on analyzing the effect of increased energy efficiency in building operation during the summer period. The study of measures to increase energy efficiency in summer usage shows that integrating split-system cooling and heating is crucial for preschool educational institutions, where cooling systems are typically absent. The research includes an examination of the impact of enhanced thermal insulation characteristics on the level of energy resource consumption, based on options that meet Swedish legislative standards for energy efficiency. Modeling results indicate that improving the thermal protection of enclosing structures can significantly reduce energy consumption for cooling and heating while providing the necessary level of thermal comfort in the spaces. Particular attention is paid to analyzing the dynamics of temperature changes inside and outside the building, as well as the influence of building orientation on radiant temperatures. Conclusions from systematic studies emphasize the need for a comprehensive approach to selecting thermal protective technologies and managing temperature regimes, which includes practical planning and the application of innovative solutions to achieve an optimal balance between energy efficiency and thermal comfort. Special attention is given to the summer months, when intense solar radiation can lead to overheating of spaces, the need for increased air conditioning costs, and negative impacts on human health. In particular, the necessity of using passive methods, such as window shading, to reduce energy consumption and increase comfort during the summer months is discussed. Using DesignBuilder software modeling, the energy need for cooling and lighting energy costs for scenarios with and without shading, including static shading and roller blinds, were evaluated. The results indicate that static shading is the most effective, reducing cooling energy consumption by 74.98 kWh compared to the scenario without shading, but it leads to an increase in lighting energy costs by 4.63 kWh. It is noted that installing roller blinds on the inside may be the least effective solution due to increased lighting costs and minimal reduction in cooling energy demand. The influence of window orientation and shading placement on the effectiveness of reducing cooling energy demand is assessed. Additionally, the analysis of the impact of shading on radiant temperature shows that static shading helps to lower indoor temperatures, improving thermal comfort in the summer period. The general conclusions highlight the importance of choosing optimal shading and building orientation to ensure energy efficiency and a comfortable indoor environment. The results of the studies have been passed on to the State Research Institute of Building Constructions for use in developing building energy efficiency standards. The practical significance of the obtained results is confirmed by the acts of implementation of the research results. The created building model is used for technical development under the state budget theme "Exergetic justification of non-stationary modes and characteristics of combined heat and cooling supply of energy-efficient buildings based on heat pump systems" and the state order "Development of an intelligent low-temperature heating system for buildings based on a condensing modular boiler" (Order of the Cabinet of Ministers of Ukraine from September 29, 2023, No. 872-p "On the approval of the list of scientific and technical (experimental) developments within the framework of the state order for the most important scientific and technical (experimental) developments and scientific and technical products in 2023"). | |
| dc.format.extent | 123 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68635 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | енергоспоживання | |
| dc.subject | DesignBuilder | |
| dc.subject | енергетичне моделювання будівлі | |
| dc.subject | умови комфортності | |
| dc.subject | PMV | |
| dc.subject | коефіцієнт опору одягу | |
| dc.subject | затінення | |
| dc.subject | інженерні системи | |
| dc.subject | система опалення | |
| dc.subject | система кондиціювання | |
| dc.subject | теплові характеристики | |
| dc.subject | температурні режими | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | energy consumption | |
| dc.subject | building energy modeling | |
| dc.subject | comfort conditions | |
| dc.subject | clothing insulation factor | |
| dc.subject | shading | |
| dc.subject | engineering systems | |
| dc.subject | heating system | |
| dc.subject | air conditioning system | |
| dc.subject | thermal characteristics | |
| dc.subject | temperature regimes | |
| dc.subject.udc | 697.12:628.87 | |
| dc.title | Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту | |
| 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: