Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Яценко О.І. Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем. – 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, 2023.
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.
У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз сучасних даних щодо енергетичного стану будівельного сектору країни, розглянуто будівлю як складну енергетичну систему та проаналізовано сучасні підходи до визначення її енергетичних показників та актуальні тенденції підвищення її енергоефективності, наведено літературний огляд з питань організації режимів роботи інженерних систем, де окреслено основні фактори які впливають на вибір оптимального режиму роботи системи опалення та вентиляції.
Підвищення енергоефективності будівельного сектору є пріоритетним напрямом та однією з умов досягнення сталого розвитку України. Окрім утеплення огороджувальних конструкцій та оновлення інженерного обладнання будівель, важливим етапом при підвищенні енергоефективності є врахування впливу експлуатаційного режиму. Щоденна взаємодія людей з інженерними системами є основою експлуатаційного режиму будівлі. Тож якісний підхід до оцінки ефекту від регулювання інженерних систем має
розглядати динамічну поведінку будівлі ‒ вплив коливання зовнішніх та внутрішніх факторів на температурний режим всередині. Такі підходи реалізуються за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, яке дозволяє проводити достатньо точний аналіз енергетичних показників та теплового стану будівлі у часі.
У другому розділі дисертації наведені методики визначення енергетичних показників динамічних режимів будівель, які включають розробку енергетичних моделей на базі спеціалізованих програм та експериментальні підходи для оцінки показників теплового комфорту всередині будівель. Представлено три авторські енергетичні моделі, дві з яких створені на базі програмного продукту EnergyPlus та одна – на базі Ansys Fluent. Також, описано методики проведення двох експериментальних досліджень: динаміки зміни внутрішньої температури та динаміки зміни концентрації CO2 за переривчастого режиму опалення приміщень.
Створені енергетичні моделі житлового приміщення та громадської будівлі враховують взаємодію інженерних систем та оболонки при врахуванні впливу динамічних факторів всередині та ззовні. До внутрішніх факторів відносяться ті, що пов’язанні з діяльністю людей (присутність та активність людей, рівень використання електричного обладнання та освітлення), до зовнішніх – ті що пов’язані зі зміною кліматичних умов (зовнішня температура, сонячна активність та швидкість вітру). CFD-модель житлової кімнати призначена для визначення енергетичних показників роботи підсистеми тепловіддачі та налаштована для роботи як в стаціонарному так і в нестаціонарному режимах.
За переривчастого режиму опалення було проведено експериментальне дослідження динаміки зміни внутрішньої температури у кімнатах квартири шляхом моніторингу. Польові виміри динаміки зміни концентрації CO2 були проведені у тих же приміщеннях з метою дослідження фактичної кратності повітрообміну. Обробка експериментальних даних проводилася за методом, що ґрунтується на основі балансів повітряних потоків та концентрацій СО2.
У третьому розділі дисертації проведено аналіз впливу режимів роботи інженерних систем на енергетичні показники досліджуваних приміщень на основі моделей, створених у програмному середовищі EnergyPlus. Представлено результати експериментальних досліджень, які застосовані в енергетичних моделях. Шляхом моделювання оцінено вплив сонячних теплонадходжень та режиму повітрообміну на енергетичні показники житлового приміщення. Наведено результати аналізу енергетичної ефективності застосування переривчастого режиму опалення для житлового приміщення та громадської будівлі.
Результати експерементальних досліджень дозволили визначити фактичну динаміку зміни внутрішньої температури, концентрації CO2 та рівня повітрообміну в години використання та невикористання приміщень під впливом експлуатаційних характеристик та погодних умов.
Вплив радіаційної складової сонячних теплонадходжень на тепловий стан приміщень квартири за різної орієнтації огороджувальних конструкцій за сторонами світу було досліджено шляхом аналізу результатів енергетичного моделювання теплового навантаження та температури на внутрішніх поверхнях зовнішніх та внутрішніх стін кімнат для двох режимів роботи системи опалення: постійного та переривчастого. Аналіз впливу повітрообміну на енеретичні показники проводився на базі ряду підходів до задання повітрообміну всередині жилових приміщень, згідно норм, рекомендованих діючими стандартами (ASHRAE Std 62.2-2019, EN 16798-1:2019 та українським ДБН В.2.2-15:2019), та за результатами експерементального дослідження фактичної кратності у приміщеннях. Враховання динаміки повітрообміну призвело до підвищення середньодобової температури в приміщенні приблизно на 1-1,5C, порівняно з використанням постійних значень кратності, рекомендованих чинними стандартами при енергетичних розрахунках.
В ході дослідження потенціалу енергозбереження при використанні різних варіантів переривчастого режиму опалення було визначено питому
надбавку до теплового навантаження, яка за температурного режиму 15-18
C у громадській будівлі знаходилась на рівні 1,2. Аналіз річного енергоспоживання у житловому приміщенні показав, що застосування переривчастого режиму опалення призведе до 16,4% економії теплової енергії.
У четвертому розділі дисертації на базі CFD-моделювання визначалися енергетичні показники роботи підсистеми тепловіддачі. Представлено результати дослідження швидкості розігріву та охолодження приміщення при застосуванні переривчастого режиму опалення. На базі створеної моделі було проаналізовано складову загальної ефективності, яка відповідає за вертикальний профіль розподілення температури повітря у приміщенні.
Моделювання гідродинамічних процесів у досліджуваному приміщенні проводилося у стаціонарному та нестаціонарному режимах. Результати свідчать про те, що за однакової температури радіатора повітря у приміщення охолоджується швидше ніж нагрівається.
При енергетичних розрахунках втрат теплоти в підсистемі тепловіддачі за ДСТУ Б А.2.2-12:2015 припускається, що температури в робочій зоні та внутрішня середньооб’ємна однакові та рівномірно розподілені у приміщенні. Для аналізу тепловтрат спричинених неоднорідністю розподілення внутрішньої температури, на базі CFD-моделі кімнати було досліджено коефіцієнти, що відповідають за вертикальний профіль розподілення температури повітря. Даний підхід дозволив провести якісну оцінку коефіцієнтів, що враховують вплив температурного напору та питомі тепловтрати через зовнішні огороджувальні конструкції.
Результати досліджень передано до використання ГО "Асоціація енергоаудиторів України", ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», а також використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики «КПІ» ім. Ігоря Сікорського на кафедрі «Теплової та альтернативної енергетики». Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень.
Опис
Ключові слова
енергоефективність, енергоспоживання, будівлі, енергетичні показники, інженерні системи, система опалення, енергетичне моделювання будівель, вентиляція, EnergyPlus, симуляція, Ansys Fluent, CFD-модель, підсистема тепловіддачі, теплопередача, energy efficiency, energy consumption, building, energy performance, engineering systems, heating system, building energy modeling, ventilation, EnergyPlus, simulation, Ansys Fluent, CFD-model, heat emission system, heat transfer
Бібліографічний опис
Яценко, О. І. Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем : дис. … д-ра філософії : 144 – Теплоенергетика / Яценко Олена Ігорівна. – Київ, 2023. – 150 с.