Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем
| dc.contributor.advisor | Дешко, Валерій Іванович | |
| dc.contributor.author | Яценко, Олена Ігорівна | |
| dc.date.accessioned | 2023-05-24T08:53:22Z | |
| dc.date.available | 2023-05-24T08:53:22Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | uk |
| dc.description.abstractother | Yatsenko O.I. Energy indicators of dynamic modes of buildings and engineering systems. – 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, 2023. The introduction of the dissertation provides the relevance of the topic and the connection of the work with research projects, plans and topics. The purpose, scientific task, object, subject and methods of research are presented, the scientific novelty is defined, the practical value of the obtained results is confirmed by implementing acts, the data on approbation of the dissertation and available publications where personal contribution is outlined are presented. In the first section of the dissertation current data on the energy status of the construction sector are analyzed, building as a complex energy systemis considered, modern approaches to energy performance determination and current trends in energy efficiency are reviewed, as well as organization of engineering systems operation and the main factors influencing the choice of the optimal operation mode for heating and ventilation system are outlined. Improving the energy efficiency of the construction sector is a priority direction and one of the necessary conditions for ensuring sustainable development of Ukraine. In addition to insulation of enclosing structures and renovation of engineering equipment in buildings, an important step in improving energy efficiency is to take into account the impact of the operating mode. The daily human interaction with engineering systems is the basis of the building operating mode. Therefore, a qualitative approach to assess the effect of engineering systems adjustment should consider dynamic behavior of the building - the impact of fluctuations in external and internal factors on the temperature inside. Such approaches are implemented on the basis of specialized program software, which allows to provide fairly accurate analysis of building energy performance and thermal condition over time. In the second section of the dissertation the methods for energy performance of buildings dynamic modes determination which include the development of energy models based on specialized software and experimental approaches to assess the indicators of thermal comfort in buildings are presented. Three author's energy models are presented, two of which are based on EnergyPlus software and one is based on Ansys Fluent. Also, methods of conducting two experimental researches at an intermittent heating mode in residential premise are described: monitoring of internal temperature dynamics and CO2 concentration dynamics. The created energy models of residential premise and public building take into account the interaction of engineering systems and envelope considering the influence of fluctuations in internal and external factors. Internal factors include those related to human activities (number of people, activity level, electrical equipment and lighting use), and external factors include those related to climate change (outdoor temperature, solar activity and wind speed). The CFD-model of the bedroom was designed to determine the energy performance of the heat emission system and is configured to work in both steady and transient simulation modes. An experimental study of the internal temperature dynamics in the apartment rooms during intermittent heating mode was conducted by monitoring. In order to study the actual air change rate field measurements of the CO2 concentration dynamics were also performed. Experimental results calculation was conducted according to the method based on relation of the obtained data on CO2 concentration and air change rate. In the third section of the dissertation the analysis of engineering systems operation modes influence on energy performance of studied premises on the basis of the created in the EnergyPlus software environment models is carried out. The results of experimental researches applied in energy models are presented. The influence of solar heat gains and air exchange mode on the energy performance of the residential premise is estimated by modeling. The results of intermittent heating mode energy efficiency analysis for residential premise and public building are given. The results of experimental studies allow to determine the actual dynamics of internal temperature, CO2 concentration and air change rate during operation and non-operation hours in premises under the influence of operational characteristics and weather conditions. The influence of the radiation component of solar heat gains on the thermal condition of the apartment with different cardinal direction of enclosing structures was studied by analyzing the energy modeling results of heat load and temperature on the inner surfaces of external and internal walls under constant and intermittent heating modes. The analysis of air exchange impact on energy performance was conducted on the basis of few approaches to air exchange setting inside residential premises according to the values required by the current norms (EN 16798-1:2019, ASHRAE Std 62.2:2019 and DBN V. 2.2-15:2019), and according to the results of an experimental study of the air change rate in these premises. Taking into account the dynamics of air exchange has led to an increase in the average daily temperature in rooms by about 1-1.5C, compared with the use of constant air change values recommended by current standards for energy calculations. In the course of energy saving potential study under different intermittent heating modes use the specific heat load increase rate was determined, which at a temperature of 15-18C in a public building was at the level of 1.2. Analysis of the residential premise annual energy consumption showed that the use of intermittent heating mode leads to thermal energy savings of 16.4%. In the fourth section of the dissertation the energy performance of the heat emission system is determined on the basis of CFD-modeling. The results of the room heating and cooling rate study during intermittent heating mode are presented. On the basis of the created model the part efficiency level for a vertical temperature profile is analyzed. Modeling of hydrodynamic processes in the studied room was performed in steady and transient simulation modes. The results show that at the same initial radiator temperature air in the room cools faster than it heats up. When calculating heat losses in the heat emission system according to DSTU B A.2.2-12:2015, it is assumed that the temperature in the working area and the internal volume average temperature are the same and evenly distributed in the room. On the basis of the room CFD-model, the coefficients responsible for a vertical temperature profile were investigated to analyze the heat losses caused by the non-uniform temperature distribution. This approach allowed to make a qualitative assessment of the parameters that take into account the influence of over temperature and specific heat losses via external components. The research results were transferred for use in NGO «Association of Energy Auditors of Ukraine», and State Enterprise “The State Research Institute of Building Constructions”. Results are also used in the educational process of the Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute at the Department of Thermal and Alternative Energy. The practical significance of the obtained results is confirmed by the implementing acts. | uk |
| dc.format.extent | 150 с. | uk |
| dc.identifier.citation | Яценко, О. І. Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем : дис. … д-ра філософії : 144 – Теплоенергетика / Яценко Олена Ігорівна. – Київ, 2023. – 150 с. | uk |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/56022 | |
| dc.language.iso | uk | uk |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | uk |
| dc.publisher.place | Київ | uk |
| dc.subject | енергоефективність | uk |
| dc.subject | енергоспоживання | uk |
| dc.subject | будівлі | uk |
| dc.subject | енергетичні показники | uk |
| dc.subject | інженерні системи | uk |
| dc.subject | система опалення | uk |
| dc.subject | енергетичне моделювання будівель | uk |
| dc.subject | вентиляція | uk |
| dc.subject | EnergyPlus | uk |
| dc.subject | симуляція | uk |
| dc.subject | Ansys Fluent | uk |
| dc.subject | CFD-модель | uk |
| dc.subject | підсистема тепловіддачі | uk |
| dc.subject | теплопередача | uk |
| dc.subject | energy efficiency | uk |
| dc.subject | energy consumption | uk |
| dc.subject | building | uk |
| dc.subject | energy performance | uk |
| dc.subject | engineering systems | uk |
| dc.subject | heating system | uk |
| dc.subject | building energy modeling | uk |
| dc.subject | ventilation | uk |
| dc.subject | EnergyPlus | uk |
| dc.subject | simulation | uk |
| dc.subject | Ansys Fluent | uk |
| dc.subject | CFD-model | uk |
| dc.subject | heat emission system | uk |
| dc.subject | heat transfer | uk |
| dc.subject.udc | 620.91:697.1 | uk |
| dc.title | Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем | uk |
| dc.type | Thesis Doctoral | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Yatsenko_dys.pdf
- Розмір:
- 6.33 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
- Опис:
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 9.1 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: