Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання
| dc.contributor.advisor | Дешко, Валерій Іванович | |
| dc.contributor.author | Голубенко, Олександр Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2024-08-23T09:45:07Z | |
| dc.date.available | 2024-08-23T09:45:07Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Голубенко О.О. Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання – 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, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. Перший розділ дисертації присвячено аналізу теоретичних аспектів енергоефективності будівель. Розглянуто ряд ключових нормативних документів що регулюють енергетичну ефективність будівель в Україні та в Європейському Союзі. Також, проведено аналіз ряду міжнародних системи зеленої сертифікації будівель та програм з енергетичного моделювання будівель. За результатами аналізу програм з енергетичного моделювання будівель обрано DesignBuilder як основний документ для подальшого дослідження. Висвітлено основні напрямки сучасних досліджень у галузі енергоефективності будівель. В Україні дослідженню енергоефективності будівель останніми роками присвячено багато наукових робіт, зокрема щодо впливу технічних покращень на енергоефективність будівель, а також дослідження теплового комфорту перебування в приміщеннях. Особливу увагу приділено дослідженню тепловтрат через огороджувальні конструкції, а також параметричному аналізу впливу зовнішніх і внутрішніх факторів на енергоефективність будівель. Закордонні дослідження, зокрема в Європі та США, зосереджуються на пасивних будівлях і будівлях з нульовим споживанням енергії. Іншими популярними темами також є економічний аналіз при впровадження заходів з енергозбереження та вплив поведінки людей, що використовують будівлю на рівень енергоспоживання. Дослідження охоплюють всі типи будівель, проте левова частина досліджень присвячена саме житловому фонду, оскільки саме ця група споживачів споживає найбільше енергії серед будівель. Огляд наукових робіт показує, що проблема енергоефективності та комфортності перебування в будівлях з частковою зайнятістю залишається недостатньо висвітленою, що робить її перспективною темою для подальших досліджень. Другий розділ дисертації присвячений опису об’єкту дослідження – будівлі школи в Івано-Франківській області. Надано характеристику архітектурним особливостей, огороджувальних конструкцій, графіку експлуатації та інших особливостей досліджуваної будівлі. Також, надане пояснення, як в роботі отримані результати узагальнюються на інші будівлі шкіл. Надалі в розділі надається більш детальний опис обраної програми з енергетичного моделювання будівель. Описуються принцип роботи, основні вхідні дані, та переваги використання кліматичної бази IWEC. Детально описана математична модель, якою розрахункове ядро (EnergyPlus) оперує для обробки даних. Також, надані числові значення основних параметрів моделі в DesignBuilder, та проведено її верифікацію. Базова модель використана для оцінки впливу підвищення рівня теплоізоляції будівлі до вимог ДБН 2.6-31 2016 року та ДБН 2.6-31 2021. За допомогою динамічного моделювання встановлено, що це дозволяє знизити споживання енергії на опалення на 48,9% та 55% відповідно, при доведені всіх огороджувальних конструкцій до мінімальних вимог. Третій розділ присвячено комплексній оцінці впливу варіативності режимів опалення на загальне енергоспоживання, тепловий комфорт, а також їх вплив на необхідну потужність систем опалення в шкільних будівлях. Виявлено, що використання режиму опалення з провалом на 4 ℃ в неробочі години дозволяє заощадити від 23% до 27% енергії на опалення порівняно з постійним опаленням, в залежності від рівня теплового захисту будівлі. Встановлено, що регулювання з аналогічним провалом, але за розкладом шкільних занять дозволяє додатково заощадити 1,8-4,2% в порівнянні з режимом описаним вище. За результатами моделювань встановлено, що впровадження режимів опалення з провалом вимагає збільшення потужності системи опалення для компенсації періоду різкого переходу від пониженої температури до робочої. Виявлено, що при утеплені будівлі з одночасним введенням одного з графіків опалення з провалом, необхідна потужність системи опалення не перевищує аналогічний показник для постійного опалення в випадку неутепленої будівлі, що робить комплексне впровадження утеплення та режиму з провалом одночасно дуже перспективним заходом з енергозбереження. Для аналізу впливу регулювання за розкладом шкільних занять на комфортність перебування дітей в приміщенні розглядається параметр PMV. В розділі йому наданий детальний опис. Надалі, обрано кутове приміщення, що контактує, в один з навчальних днів, з класом який не експлуатується на протязі всього дня, таким чином, досліджуючи варіант «найгіршого сценарію» робиться висновок про вплив режиму на термічний комфорт. Результати моделювань показують, що значної різниці параметру PMV в порівнянні з режимом з провалами в неробочі години не спостерігається. З описаного вище аналізу робиться висновок, що регулювання за розкладом шкільних занять є перспективним заходом з енергозбереження, хоча й зазначається, що реалізація такого заходу є набагато більш складною за два інші описані графіки опалення. Четвертий розділ аналізує експлуатацію будівлі школи в умовах неповної зайнятості. З метою дослідження з усієї будівлі було виокремлено кластер з п’яти приміщення, серед яких планується експлуатувати три. Кластер має форму хреста, що дозволяє розглянути наступні конфігурації розміщення приміщень, що експлуатуються: горизонтальне, вертикальне, кутове з контактом з дахом (але без контакту з підлогою по ґрунту) та кутове з контактом з підлогою по ґрунту (але без контакту з дахом). Сама ж будівля школи розглядається у законсервованому вигляді, тобто систему опалення не експлуатують, а обігрів приміщень забезпечується індивідуальними електронагрівачами. Першочергово розглядався графік опалення при якому в неробочі години опалення вимикалось повністю, для максимальної економії енергії. Дослідження річного споживання енергії конфігурацій розміщення приміщень показало, що найефективнішим є вертикальне розміщення приміщень, що експлуатуються, будучи на 8,5% більш ефективною за найближчу по споживанню кутову конфігурацію та на 22% за горизонтальну. Аналіз комфортності для найхолоднішої доби досліджуваного року показав, що вертикальне розміщення є найбільш ефективним і з точки зору цього параметру. Динаміка зміни температури на графіках наштовхнула на думку що програма можливо розрахувала надто потужну систему опалення що підтвердилось результатами моделювань: потужність, що була розрахована програмою становила близько 10 кВт на приміщення. Для оцінки можливості запровадження такого режиму експлуатації будівлі в реальних умовах, було промодельовано нормальний режим експлуатації для випадку неутепленої будівлі, і потужність розраховану в таких умовах було встановлено в модель неповної зайнятості школи, та проведено повторний аналіз комфорту. Система опалення наближена до реальною не змогла задовільнити комфортні умови ні за переривчастого графіку опалення, ні за графіку з провалами ні за постійного. Температура повітря в приміщеннях за постійного графіку опалення навіть для випадку будівлі з огороджувальними конструкціями доведеними до сучасних нормативних умов, в досліджувану добу не перевищувала 12 ℃ в найкращому випадку. Надалі, для вирішення ситуації було розглянуто поліпшення: різний рівень утеплення внутрішніх стін та підвищення потужності опалення; в самому приміщенні, а також введення опалення в сусідніх приміщеннях для компенсації низької середньої радіаційної температури, що виникала в попередніх моделюваннях. Заходи з опалення сусідніх приміщень, не лише не допомогли досягнути комфортних умов, але й значно підвищували споживання енергії, що виключило їх доцільність. Надалі було проведено ряд моделювань для встановлення мінімальної рекомендованої потужності опалювальних приладів при впроваджені режиму неповної зайнятості будівлі, та отримані наступні результати: для неутепленої будівлі – 33,14 Вт/м3 ; для будівлі з огороджувальними конструкціями, що відповідають мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2016 – 24 Вт/м3 ; мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2021 – 22,57 Вт/м3 . Для дослідження впливу утеплення внутрішніх стін на комфортність перебування в приміщеннях за умови неповної зайнятості, було розглянуто утеплення мінеральною ватою з кроком 2 см, і хоча утеплення позитивно впливало на показник PMV, 100% комфортних умов для всього опалювального періоду не вдалось досягти ,навіть, при утепленні внутрішніх стін на рівні з сучасними вимогами до опору теплопередачі зовнішніх огороджуючих конструкцій, сказалась нестача потужності опалення. При дослідженні було помічено, що зі зростанням рівня теплового захисту приміщень, сонячні теплонадходження дозволяли частково компенсувати нестачу потужності опалення, що було помітно по відносно високих значеннях температури повітря та середньої радіаційної температури в приміщеннях, виходячи з чого було запропоновано змістити графік навчання на 2 години вперед. Це позитивно вплинуло на комфорт в робочі години, хоча й не вирішило проблему. Аналіз енергоспоживання описаних вище заходів показав, що при збільшення потужності системи опалення для забезпечення комфортних умов, споживання енергії зросло на 77%. Варіанти з опаленням сусідніх приміщень показали зростання споживання на 100-200%, при цьому не задовільнивши комфорт. Ізоляція внутрішніх стін енергоспоживання знизила, проте комфортних умов на протязі всього опалювального періоду досягнути не вдалось. | |
| dc.description.abstractother | Holubenko O.O. Assessing the Impact of Behavioral and Operational Factors on Building Energy Efficiency through Dynamic Modeling – 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 the connection of the work with scientific programs, plans, and themes. The goal, scientific task, object, subject, and research methods are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are determined, supported by the implementation acts, and data on the approbation of the dissertation and available publications are presented, outlining the personal contribution of the applicant. The first chapter of the dissertation is devoted to the analysis of theoretical aspects of building energy efficiency. A number of key normative documents regulating the energy efficiency of buildings in Ukraine and the European Union were reviewed. An analysis of a number of international green building certification systems and energy modeling programs for buildings is also conducted. Based on the analysis of energy modeling programs for buildings, DesignBuilder was chosen as the main tool for further research. The main directions of modern research in the field of building energy efficiency are highlighted. In Ukraine, many scientific works have been devoted to the study of building energy efficiency in recent years, in particular, the impact of technical improvements on building energy efficiency and the study of thermal comfort in premises. Special attention is paid to the study of heat losses through enclosing structures, as well as the parametric analysis of the impact of external and internal factors on building energy efficiency. Foreign studies, particularly in Europe and the USA, focus on passive buildings and buildings with zero energy consumption. Other popular topics include economic analysis of energy-saving measures and the impact of the behavior of people using the building on the level of energy consumption. The research covers all types of buildings; however, the majority of the studies are devoted to the residential sector, as this group of consumers consumes the most energy among buildings. A review of scientific works shows that the issue of energy efficiency and comfort in buildings with partial occupancy remains insufficiently covered, making it a promising topic for further research. The second chapter of the dissertation is dedicated to describing the object of the study – a school building in the Ivano-Frankivsk region. The architectural features, enclosing structures, operating schedule, and other characteristics of the studied building are described. An explanation is also provided on how the results obtained in the work are generalized to other school buildings. Further in the chapter, a more detailed description of the selected building energy modeling program is provided. The principle of operation, main input data, and advantages of using the IWEC climate base are described. The mathematical model used by the calculation core (EnergyPlus) for data processing is described in detail. Numerical values of the main parameters of the model in DesignBuilder are also provided, and its verification is conducted. The base model is used to assess the impact of increasing the building's thermal insulation level to the requirements of DBN 2.6-31 2016 and DBN 2.6-31 2021. Dynamic modeling established that this allows reducing energy consumption for heating by 48.9% and 55%, respectively, when all enclosing structures meet the minimum requirements. The third chapter is devoted to a comprehensive assessment of the impact of varying heating regimes on overall energy consumption, thermal comfort, and the required power of heating systems in school buildings. It was found that using a heating regime with a 4°C setback during non-working hours allows saving from 23% to 27% of heating energy compared to continuous heating, depending on the building's thermal protection level. It was established that regulation with a similar setback, but according to the school schedule, allows additionally saving 1.8-4.2% compared to the previously described regime. Modeling results showed that implementing heating regimes with setbacks requires increasing the heating system's power to compensate for the period of sharp transition from reduced temperature to working temperature. It was found that with building insulation combined with one of the setback heating schedules, the required heating system power does not exceed the similar indicator for continuous heating in the case of an uninsulated building, making the combined implementation of insulation and setback regime simultaneously a very promising energy-saving measure. To analyze the impact of regulation according to the school schedule on the comfort of children in the premises, the PMV parameter is considered. A detailed description is provided in the chapter. Subsequently, a corner room that contacts, on one of the school days, with a class that is not used throughout the day is selected, thus studying the "worst-case scenario" to conclude the impact of the regime on thermal comfort. The modeling results show that there is no significant difference in the PMV parameter compared to the regime with setbacks during non-working hours. The analysis described above concludes that regulation according to the school schedule is a promising energy-saving measure, although it is noted that implementing such a measure is much more complex than the other two described heating schedules. The fourth chapter analyzes the operation of the school building under partial occupancy conditions. For research purposes, a cluster of five rooms was isolated from the entire building, of which three are planned to be used. The cluster has a cross shape, allowing the consideration of the following configurations of the rooms in use: horizontal, vertical, corner with roof contact (but without ground floor contact), and corner with ground floor contact (but without roof contact). The school building itself is considered as conserved, meaning the heating system is not used, and heating of the rooms is provided by individual electric heaters. Initially, the heating schedule was considered, in which the heating is completely turned off during non-working hours for maximum energy savings. The annual energy consumption study of room layout configurations showed that the most efficient is the vertical layout of the rooms in use, being 8.5% more efficient than the closest corner configuration in terms of consumption and 22% more efficient than the horizontal configuration. The comfort analysis for the coldest day of the studied year showed that the vertical layout is also the most efficient in terms of this parameter. The temperature change dynamics in the graphs suggested that the program might have calculated an overly powerful heating system, which was confirmed by the modeling results: the power calculated by the program was about 10 kW per room. To assess the possibility of implementing such a building operation regime under real conditions, a normal operation mode was modeled for the uninsulated building case, and the power calculated under these conditions was set in the partial occupancy model of the school, followed by a repeated comfort analysis. The heating system close to reality could not satisfy the comfort conditions under intermittent heating, setback schedules, or continuous heating. The air temperature in the rooms under continuous heating schedule, even for the case of a building with enclosing structures brought to modern normative conditions, did not exceed 12°C on the studied day in the best case. Further, to resolve the situation, improvements were considered: varying levels of internal wall insulation and increased heating power; in the room itself, as well as introducing heating in adjacent rooms to compensate for the low average radiant temperature that arose in previous modeling. Heating adjacent rooms did not only fail to achieve comfortable conditions but also significantly increased energy consumption, making them impractical. Further, a series of modelings were conducted to determine the minimum recommended heating device power when implementing a partial occupancy regime for the building, and the following results were obtained: for the uninsulated building – 33.14 W/m³; for the building with enclosing structures meeting the minimum requirements of DBN 2.6-31 2016 – 24 W/m³; and meeting the minimum requirements of DBN 2.6-31 2021 – 22.57 W/m³. To study the impact of internal wall insulation on the comfort of premises under partial occupancy conditions, mineral wool insulation with a step of 2 cm was considered, and although the insulation positively affected the PMV parameter, 100% comfortable conditions for the entire heating period could not be achieved, even with internal wall insulation at the level of modern requirements for the thermal resistance of external enclosing structures, due to insufficient heating power. The study noted that with increasing thermal protection level of the rooms, solar gains partially compensated for the insufficient heating power, noticeable by relatively high air temperature values and average radiant temperature in the rooms, leading to the suggestion to shift the school schedule forward by 2 hours. This positively affected comfort during working hours, although it did not solve the problem. The energy consumption analysis of the described measures showed that increasing the heating system power to ensure comfortable conditions increased energy consumption by 77%. Variants with heating adjacent rooms showed a consumption increase of 100-200%, while failing to satisfy comfort. Internal wall insulation reduced energy consumption; however, comfortable conditions throughout the entire heating period could not be achieved. | |
| dc.format.extent | 138 с. | |
| dc.identifier.citation | Голубенко, О. О. Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Голубенко Олександр Олександрович. – Київ, 2024. – 138 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/68488 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | енергоефективність | |
| dc.subject | енергоспоживання | |
| dc.subject | енергозбереження | |
| dc.subject | температурний режим | |
| dc.subject | енергетичне моделювання будівлі | |
| dc.subject | комп’ютерне моделювання | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | числове моделювання | |
| dc.subject | умови комфортності | |
| dc.subject | PMV | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | температурні режими | |
| dc.subject | ефективність | |
| dc.subject | energy efficiency | |
| dc.subject | energy consumption | |
| dc.subject | energy saving | |
| dc.subject | temperature regime | |
| dc.subject | building energy modeling | |
| dc.subject | computer modeling | |
| dc.subject | modeling | |
| dc.subject | numerical modeling | |
| dc.subject | comfort conditions | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject | temperature regimes | |
| dc.subject | efficiency | |
| dc.subject.udc | 697.12:628.87 | |
| dc.title | Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Holubenko_dys.pdf
- Розмір:
- 3.31 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: