Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов
| dc.contributor.advisor | Білоус, Інна Юріївна | |
| dc.contributor.author | Гетманчук, Ганна Олександрівна | |
| dc.date.accessioned | 2024-07-09T07:59:43Z | |
| dc.date.available | 2024-07-09T07:59:43Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Гетманчук Г.О. Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов. – 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 дослідження підкреслено актуальність обраної теми, де аргументовано важливість розробки та удосконалення методів та підходів до визначення кратності природного повітрообміну як показника умов мікроклімату приміщень та його впливовості, як вентиляційної складової на енергетичні характеристики будівель. Сформульовано мету, наукове 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 дисертації проведено огляд та аналіз впливовості кратності повітрообміну, як вентиляційної складової на енергоефективність будівель різного призначення. Підвищення енергоефективності будівельного сектору як значного споживача енергії наразі є пріоритетним напрямом та однією з умов досягнення енергетичної незалежності України. Житловий фонд та інші громадські будівлі споживають основну частку енергоресурсів на потреби опалення. При цьому велика частина будівель, що експлуатуються є будівлями масової забудови з відсутністю капітального ремонту, що вказує на необхідність покращення їх енергетичних характеристик та умов комфорту. Підвищення енергоефективності будівель вимагає не лише утеплення огороджувальних конструкцій та модернізації інженерного обладнання, але й застосування вдосконалених моделей розрахунку енергоспоживання будівлями. Ці моделі мають враховувати комплекс показників, включаючи природну складову кратності повітрообміну. Для оцінки потенціалу енергоефективності в розділі розглянуто будівлю як складну енергетичну систему. Важливим є порівняння та гармонізація міжнародних та європейських підходів з українськими стандартами на нормативами, що стосуються питань вентиляції та повітрообміну. Щоденна динаміка кратності повітрообміну в будівлях визначається взаємодією ряду факторів, що включають як зміни у зовнішньому середовищі, так і внутрішній активності користувачів. Оцінка впливу регулювання систем вентиляції на якість повітря та енергетичні характеристики вимагає комплексного підходу, враховуючи динамічний характер змін. В даному розділі наведено літературний огляд з питань підходів до визначення кратності повітрообміну, де окреслено основні фактори які впливають на забезпечення комфортних умов з точки зору якості повітря. В тому числі приділена увага показнику СО2 в приміщеннях, як індикатору якості повітря. Проведено огляд спеціалізованих програми, що дозволяють провести детальний аналіз та визначити оптимальні параметри кратності повітрообміну в різні часові проміжки. Це необхідно для забезпечення ефективності вентиляційних систем та створення комфортних умов всередині будівель у різних сценаріях використання та мінливих зовнішніх умовах. У другому розділі наведена загальна схема досліджень та опис об’єктів аналізу та моделювання. Представлена емпірична методика розрахунку погодинної природної кратності повітрообміну в багатоповерхових будівлях в умовах мінливості зовнішнього та внутрішнього середовища. Дана методика передбачає визначення повітрообміну через різницю тисків. Так як в роботі досліджується саме природня складова повітрообміну, методика враховує стак ефект та вітровий тиск, механічна вентиляція в будівлях що досліджувались відсутня. Також наведений план експерименту та методика визначення природної кратності повітрообміну на базі експериментальних вимірювань рівня СО2 в репрезентативних приміщеннях з кроком 1 хвилина. Визначення концентрації СО2 було проведено на основі масового балансу вибраних приміщень з врахуванням ключових параметрів: природного повітрообміну, фонової (зовнішньої) концентрацію СО2, початкової концентрації СО2 в приміщенні, присутності людей та геометричних розмірів приміщення. Під час дослідження були зафіксовані кліматичні дані, такі як напрямок та сила вітру, температура в приміщеннях квартири та зовнішня температура, які також враховувались при аналізі результатів. В рамках дослідження було проаналізовано зміну концентрації СО2 в приміщенні в залежності від ряду параметрів, а саме: виділень від людей, зміни концентрація СО2 у припливному повітрі та об'єму припливного повітря. За результатами проведеного аналізу встановлено, що регулювання кратності повітрообміну за рівнем СО2 є кращим підходом, ніж просте дотримання нормативних значень, оскільки цей підхід дозволяє більш точно та ефективно регулювати повітрообмін в будівлях, враховуючи реальні умови та потреби користувачів. У третьому розділі дисертації представлено результати експериментальних досліджень концентрації СО2 та визначена кратність природного повітрообміну в аудиторіях навчального корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського. Встановлено, що без врахування провітрювань кратність повітрообміну становить 0,41 год-1, з врахуванням провітрювань середня кратність повітрообміну становить 0,48 год-1. На основі декількох серій вимірювань проведених в зимовий період в приміщеннях житлової будівлі було встановлено, що характерним є явище інфільтрації. За даного механізму циркуляції повітря, кратність повітрообміну складала 0,74 год-1 для житлової кімнати, від 0,73 год-1 для коридору, та 3,4 год-1 для кухні. При умовах ексфільтрації, кратність повітрообміну для житлової кімнати була на рівні 0,37 год-1, 1,06 год-1для коридору, та 0,57 год-1 для кухні. Експерименти підтвердили, що реальна кратність повітрообміну, коли свіже повітря надходить через вікна та двері, перевищує мінімальні нормативні значення. Однак, при оберненому потоці повітря, вона не відповідає нормативним значенням. Також проводилась обробка серії експериментальних досліджень в репрезентативних приміщеннях квартири в літній період. Протягом літнього періоду було виявлено, що кількість випадків інфільтрації та ексфільтрації майже однакова, але, як і для опалювального періоду, напрямки руху повітря в приміщеннях залежать від напрямку вітру. Для умов інфільтрації кратність повітрообміну становила 0,57 год-1 для житлової кімнати, 2,34 год-1 для коридору, 2,41 год-1 для кухні. Для умов ексфільтрації кратність повітрообміну становила 0,24 год-1 для житлової кімнати, 0,94 год-1 для коридору, 0,52 год-1 для кухні. В рамках експериментального дослідження також проводились експериментальні заміри концентрації СО2 в аудиторії учбового корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського №22 в режимі охолодження в літній період. Отримані результати показують, що величина природної кратності повітрообміну залежить від вітрового та стак ефектів. З посиленням різниці температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям, спостерігається зростання величини кратності повітрообміну від 0,37 до 0,9 год-1. У четвертому розділі дисертації проведено аналіз енергетичних показників досліджуваних приміщень на основі моделей, створених у програмному середовищі EnergyPlus, які дозволяють визначати енергоспоживання будівлі на потреби опалення з врахуванням мінливості фактичного природного повітрообміну в житлових будівлях. За результатами енергетичного моделювання, річна економія енергії з врахуванням фактичних значень природної кратності повітрообміну в різних зонах будівлі становить 5,4% в порівнянні зі стандартом ДСТУ Б EN 15251:2011, а в порівнянні зі стандартом ДБН В.2.2-15:2019 – 7,7%. Результати досліджень були передані для використання ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», ГО «Школа енергоефективності» та відділом енергоменеджменту та екології Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського". Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень. | |
| dc.description.abstractother | Hetmanchuk H.O. Assessment of the decentralized level of natural air exchange in buildings, taking into account the variability of internal and external conditions. – 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, 2024. The introduction of the study emphasizes the relevance of the chosen topic, where the importance of developing and improving methods and approaches to determining the frequency of natural air exchange as an indicator of indoor microclimate conditions and its influence as a ventilation component on the energy characteristics of buildings is argued. The goal, scientific task, object, subject and methods of research are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are defined. Information on the approval of the research, publications and acts of implementation of the results is provided, as well as the author's personal contribution is disclosed. In the first chapter of the dissertation, a review and analysis of the influence of the air exchange rate as a ventilation component on the energy efficiency of buildings of various purposes was carried out. Increasing the energy efficiency of the construction sector as a significant energy consumer is currently a priority direction and one of the conditions for achieving sustainable development of Ukraine. Housing stock and other public buildings consume the main share of energy resources for heating needs. At the same time, most of the buildings in use are mass-built buildings with no capital repairs, which indicates the need to improve their energy characteristics and comfort conditions. In addition to insulating the enclosing structures and updating the engineering equipment of buildings, an important step in increasing the energy efficiency of buildings is the need to use refined calculation models taking into account a set of indicators, including the natural component of the air exchange rate. To assess the potential of energy efficiency, the section considers the building as a complex energy system. It is important to compare and harmonize international and European approaches with Ukrainian standards on regulations related to ventilation and air exchange. The daily dynamics of the air exchange rate in buildings is determined by the interaction of a number of factors, including both changes in the external environment and the internal activity of users. Assessment of the impact of regulation of ventilation systems on air quality and energy performance requires a comprehensive approach, taking into account the dynamic nature of changes. This section provides a literature review on approaches to determining the air exchange rate, where the main factors that influence the provision of comfortable conditions from the point of view of air quality are outlined. Including attention paid to the CO2 index in the premises as an indicator of air quality. A review of specialized programs was carried out, allowing to conduct a detailed analysis and determine the optimal parameters of the frequency of air exchange in different time intervals. This is necessary to ensure the efficiency of ventilation systems and create comfortable conditions inside buildings in various usage scenarios and changing external conditions. The second chapter provides a general scheme of research and a description of the objects of analysis and modeling. An empirical method of calculating the hourly natural multiplicity of air exchange in multi-story buildings in conditions of variability of the external and internal environment is presented. This technique involves determining the air exchange due to the pressure difference. Since the work examines the natural component of air exchange, the method takes into account the stack effect and wind pressure, there is no mechanical ventilation in the investigated buildings. The experiment plan and the method of determining the natural multiplicity of air exchange on the basis of experimental measurements of the CO2 level in representative rooms with a step of 1 min are also given. The concentration of carbon dioxide was determined on the example of the mass balance of representative rooms depending on a number of parameters, such as: natural air exchange; background CO2 concentration (external CO2 concentration); initial concentration of CO2 in the room; availability of people; geometric dimensions of the room. During the research, climatic data were recorded, namely: the temperature inside the apartment, the outside temperature, the direction and strength of the wind, which were also taken into account when analyzing the results. As part of the study, the change in the concentration of CO2 in the room was analyzed depending on a number of parameters, namely: secretions from people, changes in the concentration of CO2 in the supply air and the volume of supply air. According to the results of the analysis, it was established that for a room with an area of 17.4 m2 in which 3 adults are engaged in sedentary work, it is necessary to ensure the air exchange rate at the level of 2.01 ACH 1 so that the level of CO2 in the air does not exceed the maximum permissible level of 1200 ppm. The third chapter of the dissertation presents the results of experimental studies of CO2 concentration and determined the frequency of natural air exchange in the classrooms of the educational building of KPI named after Igor Sikorsky. It was found that without taking into account ventilation, the air exchange rate is 0.41 ACH, with airing included, the average air exchange rate is 0.48 ACH. On the basis of several series of measurements carried out in the winter period in the premises of a residential building, it was established that the suction of fresh air to the premises of the apartment through the windows (infiltration) is characteristic. With this air movement mechanism, the air exchange rate was 0.74 ACH for the living room, 0.66–0.81 ACH for the corridor, and 3.4 ACH for the kitchen. For exfiltration conditions, the air exchange rate for the living room was at the level of 0.37 ACH, 1.06 ACH for the corridor, and 0.57 ACH for the kitchen. This is due to another difference in densities and temperatures. Experimental studies have shown that the actual frequency of air exchange under the conditions of fresh air entering through windows and doors exceeds the minimum standards, and with reverse air movement, it does not meet the standards for the level of air exchange. Taking into account the direction of movement of the air entering the apartment, in fact, the energy spent on heating the supply air will be proportional to the air exchange rate of the air coming from outside. A series of experimental studies was also carried out in the representative rooms of the apartment in the summer period. In the summer period, the phenomena of infiltration and exfiltration were recorded in almost the same amount. As in previous studies, the dependence of infiltration and exfiltration phenomena on the direction of the wind can be clearly traced based on the results of the measurements. For infiltration conditions, the air exchange rate was 0.57 ACH for the living room, 2.34 ACH for the corridor, and 2.41 ACH for the kitchen. For exfiltration conditions, the air exchange rate was 0.24 ACH for the living room, 0.94 ACH for the corridor, and 0.52 ACH for the kitchen. As part of the experimental study, experimental measurements of CO2 concentration were also carried out in the classroom of the educational building of KPI named after Igor Sikorskyi No. 22 in cooling mode in the summer. The obtained results show that the value of the natural multiplicity of air exchange depends on wind and stack effects. As the temperature difference between the indoor and outdoor air increases, there is an increase in the air exchange rate from 0.37 to 0.9 ACH. In the fourth chapter of the dissertation, an analysis of the energy indicators of the researched premises is carried out based on models created in the EnergyPlus software environment, which allow determining the building's energy consumption for heating needs, taking into account the variability of the actual natural air exchange in residential buildings. According to the results of energy modeling, the annual energy saving, taking into account the actual values of the natural multiplicity of air exchange in different areas of the building, is 5.4% compared to the standard DSTU B EN 15251:2011, and compared to the standard DBN B.2.2-15:2019 – 7.7%. The results of the research were transferred for use by the State Scientific Research Institute of Building Structures, the NGO "School of Energy Efficiency" and the Department of Energy Management and Ecology of the National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorskyi Kyiv Polytechnic Institute". The practical significance of the obtained results is confirmed by acts of implementation of research results. | |
| dc.format.extent | 133 с. | |
| dc.identifier.citation | Гетманчук, Г. О. Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Гетманчук Ганна Олександрівна. – Київ, 2024. – 133 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67805 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | повітрообмін | |
| dc.subject | параметри мікроклімату | |
| dc.subject | забруднення повітря | |
| dc.subject | концентрація вуглекислого газу | |
| dc.subject | масоперенос | |
| dc.subject | енергопотреба | |
| dc.subject | енергоефективність будівель | |
| dc.subject | опалення | |
| dc.subject | нагрів повітря | |
| dc.subject | енергоспоживання | |
| dc.subject | енергетичне моделювання | |
| dc.subject | енергозбереження | |
| dc.subject | динамічне моделювання будівель | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | air exchange | |
| dc.subject | microclimate parameters | |
| dc.subject | air pollution | |
| dc.subject | carbon dioxide concentration | |
| dc.subject | mass transfer | |
| dc.subject | energy consumption | |
| dc.subject | energy efficiency of buildings | |
| dc.subject | heating | |
| dc.subject | air heating | |
| dc.subject | energy modeling | |
| dc.subject | energy saving | |
| dc.subject | dynamic modeling of buildings | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject.udc | 697.952.4 | |
| dc.title | Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Hetmanchuk_dys.pdf
- Розмір:
- 4.11 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: