Оцінювання вимог до огороджувальних конструкцій та інженерних систем при визначенні ефективності споживання енергії будівлею
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Наумчук О. С. Оцінювання вимог до огороджувальних конструкцій та інженерних систем при визначенні ефективності споживання енергії будівлею. – Кваліфікаційна наукова робота 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, 2026.
У вступі дисертаційної роботи висвітлено актуальність теми дослідження, описано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Разом з тим, сформулювано мету дослідження та завдання для її досягнення, наукову новизну та практичну цінність результатів дослідження. У першому розділі роботи проведено огляд європейських та українських нормативно – правових документів у питаннях оцінки енергоспоживання будівлями та окреслено відмінності у підходах до визначення рівня їх енергоефективності. Зокрема, описано практику масштабування та забезпечення будівель з майже нульовим споживанням енергії в Європі з приведенням вимог до теплової оболонки будівлі у країнах – членах Європейського Союзу, вимоги до джерел енергії, споживання первинної енергії та технічних систем. Вплив даних вимог на забезпечення низького споживання енергії представлено науковими працями, які описують практичний досвід слідування законодавчим актам окремих країн. Всі приведені вимоги порівнюються з аналогічними в Україні. Разом з тим, представлено досвід застосування програмних продуктів динамічного моделювання при проектуванні енергоспоживання будівлі. Так, зазначено суттєвий прогрес у підвищенні енергоефективності будівель в Україні шляхом імплементації європейських норм та пошуків оптимальних рішень щодо забезпечення скорочення загального енергоспоживання будівлями. Цьогоріч Уряд затвердив Національний план з енергетики та клімату до 2030 року а також визначили питання будівель з майже нульовим споживанням енергії, що означає посилення контролю щодо забезпечення енергоефективної теплової оболонки та інженерних систем. У першому розділі роботи зазначено зокрема питомий показник споживання первинної енергії в Україні, що є практично співставним з європейським рівнем. У другому розділі дисертації наведені дані щодо об’єкту дослідження, який представлений як репрезентативна будівля – існуючий стан огороджувальних конструкцій, геометричних параметрів будівлі, джерел енергозабезпечення. На базі приведених даних створено модель будівлі у програмному середовищі динамічного моделювання Design Builder, створеного на базі Energy Plus, та визначено показник споживання енергії на опалення, вентиляцію та кондиціювання, проведено оцінку відповідності теплофізичних параметрів вимогам України. За результатами проведеного динамічного моделювання приведено рішення щодо оптимізації теплової оболонки будівлі до вимог України та вимог Швеції, як однієї з країн з найвищими показниками енергоефективності будівель у Європі, з наступним проведенням техніко – економічної оцінки описаних рішень. Результатом виконаних досліджень у розділі 2 дисертаційної роботи є аналіз загального енергоспоживання будівлі при покращенні теплового захисту до вимог України [36, 37] та Швеції [76] – 219,624 МВт·год/рік, 221,33 МВт·год/рік та 211,72 МВт·год/рік енергії при здійсненні послідовного утеплення, порівняно з існуючим станом. Проведений аналіз дозволяє оцінити питомі показники енергоспоживання будівлі офісного призначення при здійсненні модернізації. Так, утеплення огороджувальних конструкцій будівлі до рівня вимог України [36, 37] та Швеції [76] зменшує питоме енергоспоживання на 64%, 63,8% та 65,4%, якщо порівнювати з існуючими характеристиками теплової оболонки. Економічна оцінка енергоефективності теплової оболонки, що враховує тарифні особливості України та Швеції, проведена з використанням методу інтегральних витрат для варіантів відсутності зміни вартості енергоносії протягом розрахункового періоду, незначного їх збільшення (сценарій позитивних змін), зростання (існуючий сценарій) та суттєвого зростання (сценарій депресивних змін). За проведеною оцінкою, покращення теплового захисту будівлі є позитивним рішенням та забезпечує скорочення витрат на енергозабезпечення протягом її експлуатації. Зокрема, за умов настання сценарію позитивних змін (приріст цін на енергоносії – 2,5%, ставка дисконтування – 5%), окупність забезпечення енергоефективної (відповідно до вимог України) та високоенергоефективної теплової оболонки (згідно вимог Швеції) за середніх в Україні тарифів на енергоносії настає після 5, 7,8 та 8 років експлуатації будівлі відповідно, порівняно з існуючим рівнем теплового захисту. При зростанні вартості енергоносіїв та фіксації ставки дисконтування на рівні, вищому втричі порівняно з рівнем сценарію позитивних змін (приріст цін на енергоносії – 15,6%, ставка дисконтування – 15,8%), окупність реалізації підвищення енергоефективності будівлі до рівня вимог України та Швеції складає 4,7, 7,2 та 7,3 років відповідно. З урахуванням можливих суттєвих змін щодо тарифної політики (коефіцієнт приросту тарифів становить 0,4) та закріпленні ставки дисконтування на рівні 20,7%, економічна ефективність покращення теплового захисту будівлі зростає, терміни окупності реалізації енергоефективної та високоенергоефективної теплової оболонки становлять 3,2, 4,6 та 4,7 років відповідно. Третій розділ роботи містить оцінку потенціалу відновлювальної енергетики для забезпечення енергоспоживання будівель. Так, проведено детальний аналіз доступної в Україні біомаси та здійснено оцінку щодо можливості її використання для офісної будівлі з приведенням енергетичних характеристик біомаси. Для кожного з рівнів утеплення офісної будівлі проведено оцінку заміщення природного газу пелетами, лушпиння соняшника, наведено варіанти використання твердопаливних котлів та здійснено техніко – економічну оцінку такого заміщення з урахуванням витрат на паливо, логістики та можливих змін вартості палива для теплозабезпечення. Разом з тим, проаналізовано можливість використання теплових насосів для теплозабезпечення офісної будівлі з урахуванням факторів, що ускладнюють та/або полегшують використання кожного з видів теплового насоса на об’єкті. Мається на увазі, що використання водяного та геотермального насоса провокують зростання як інвестицій на початковому етапі вровадження проекту, так і зростання часу реалізації подібного забезпечення. На базі приведених даних обрано найбільш оптимальний варіант теплового насоса – типу «повітря – вода». Зокрема, для різних рівнів теплового захситу будівлі (відповідно до вимог України та Швеції) а також для варіанту неутепленої будівлі, проте за умов регулювання роботи системи опалення вентиляції та кондиціювання (ОВК), проведено оцінку можливостей використання теплового насоса у комбінації з котлом на біомасі та додатковим нагрівачем з використанням програмного середовища GeoTSOL. За результатами проведеного динамічного моделювання генерації теплової енергії тепловим насосом різних рівнів теплового захисту будівлі, представлено графіки залежності сезонної ефективності систем з тепловим насосом від температури зовнішнього повітря. Вплив зовнішнього повітря на коефіцієнт ефективності досліджено з використанням регресійного аналізу, де незалежна змінна – температура зовнішнього повітря. Генерація тепловим насосом теплової енергії забезпечує для неутепленої будівлі з переривчастим графіком роботи системи ОВК теплового захисту будівлі 69,7% необхідного теплоспоживання (решту необхідного тепла генерує котел на біомасі), утепленої до рівня вимог України [37] – 98,9%, утепленої до рівня вимог України [36] – 99%, утепленої до рівня вимог Швеції [76] – 99,4% (решта необхідної теплової енергії забезпечується додатковим нагрівачем). Отримані результати підтверджують технічну можливість забезпечення модернізації офісних будівель в Україні до рівня nZEB за умови створення енергоефективної та високоенергоефективної теплової оболонки та використання наявних та доступних видів відновлювальних джерел енергії в Україні (показники питомого споживання енергії відповідають вимогам щодо забезпечення майже нульового споживання енергії). Зокрема, показник питомого енергоспоживання за використання біомаси для теплозабезпечення енергоефективної (теплова оболонка будівлі відповідає вимогам України [36, 37]) та високоенергоефективної будівлі (теплова оболонка будівлі відповідає вимогам Швеції [76]) становить 27,11 кВт·год/м3 /рік, 22,0 кВт·год/м3 /рік та 19,85 кВт·год/м3 /рік відповідно. За використання теплового насоса для теплозабезпечення, відповідні показники становлять 31,81 кВт·год/м3 /рік, 26,22 кВт·год/м3 /рік та 24,07 кВт·год/м3 /рік. Різниця питомих показників енергоспоживання полягає у кількості електричної енергії, необхідної для забезпечення роботи котла на біомасі та теплового насоса. Можливість модернізації існуючої будівлі до рівня nZEB підтверджується і здійсненою економічною оцінкою ефективності реалізації запропонованих у роботі заходів, проведеної з використання методу інтегральної вартості енергозабезпечення. Розділ чотири даної роботи представлений оцінкою рівня скорочення викидів діоксиду вуглецю при підвищенні енергоефективності будівлі за запропонованих заходів у розділі два та три. Зокрема, проведено аналіз впливу споживання енергії будівельним сектором на глобальний рівень викидів протягом життєвого циклу. Виконано порівняння обсягу викидів діоксиду вуглецю при споживанні енергії різними рівнями теплового захисту будівлі, що використовує для теплозабезпечення різні види джерел енергії. Оцінка проведена з припущенням щодо оподаткування будь-якого обсягу викидів СО2 при спалюванні палива стаціонарною установкою [137] та поширення європейської практики щодо оцінки та контролю обсягів непрямих викидів (Сфера 2) на будівлі (розрахунок згідно [139]). З метою представлення можливостей забезпечення суттєвого скорочення енергоспоживання будівлі та викидів СО2, запропоновано використання механізму «активний споживач» для будівлі та виконано динамічне моделювання генерації електричної енергії фотоелектричними системами, розміщеними на будівлі, за умов орієнтації систем на південь та на захід і схід. Динамічне моделювання генерації електричної енергії, виконане для теплової оболонки будівлі, параметри якої відповідають вимогам [76] з використанням теплового насоса та додаткового електронагрівача у програмному середовищі PV*SOL, показало що південний напрямок фотоелектричних панелей для електропостачання розглянутої будівлі дозволяє генерувати обсяг 62,42 МВт·год/рік. При обраному типі системи 26,02 МВт·год/рік (32,7%) електричної енергії надходить до будівлі від сонячної електростанції, а решта 53,4 МВт·год/рік надходять з електричної мережі (67,3%). Одночасна орієнтація сонячних панелей на схід та захід забезпечує більш ефективне виробництво електричної енергії. Зокрема, система генеруватиме близько 80,87 МВт·год/рік електроенергії. Частка енергії, споживаної будівлею з системи, становитиме 35,2%, решта 64,8% будуть повертатися в мережу за умов «активного споживача».
Опис
Ключові слова
енергоефективність, енергоспоживання, будівлі, теплова оболонка, охолодження, біомаса, підвищення енергоефективності, відновлювані джерела енергії, тепловий насос, енергомоделювання, EnergyPlus, енергозабезпечення, Design Builder, energy efficiency, energy consumption, buildings, thermal envelope, cooling, biomass, energy efficiency improvement, renewable energy sources, heat pump, energy modeling, energy supply
Бібліографічний опис
Наумчук, О. С. Оцінювання вимог до огороджувальних конструкцій та інженерних систем при визначенні ефективності споживання енергії будівлею : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Наумчук Олена Сергіївна. – Київ, 2026. – 199 с.