Енергетика і автоматика

Енергоефективність будівель є ключовим пріоритетом для сучасної України, оскільки безпосередньо впливає не лише на комфорт і безпеку мешканців, а й на економічну та екологічну ситуацію в країні. Будівлі державного сектору, які можуть становити до 20 % від загального фонду будівель в Україні, можуть слугувати моделями для підвищення теплоізоляції та енергоефективності для широких верств населення. Серед заходів щодо підвищення енергоефективності будівель значна увага приділяється покращенню теплової оболонки та зменшенню втрат тепла через різні види теплових мостів. Динамічне моделювання є ефективним інструментом для оцінки впливу термічно неоднорідних елементів на загальну енергетичну ефективність будівлі та тепловий комфорт. Нині в Україні існують різні методи оцінки величини та впливу теплових містків на загальні втрати будівлі в теплопередачі, починаючи від спрощених підходів до більш детальних, що потребують значних витрат часу. Тому необхідність складних розрахунків ставиться під сумнів, особливо коли може бути достатньо простіших методів.

Одним із найважливіших факторів, що впливають на потреби будівлі в енергії, є коефіцієнт теплопередачі, який вимірює кількість тепла, що проходить через огороджувальні конструкції будівлі за одиницю часу на одиницю різниці температур. Цей коефіцієнт залежить від типу матеріалу, товщини і характеристик поверхні конструкції. Лінійні та точкові теплові включення значно впливають на передачу тепла, а спрощені методи оцінки їх впливу часто призводять до вищих втрат при передачі. Навпаки, більш детальні оцінки забезпечують більшу точність, особливо при розгляді конкретних елементів дизайну, таких як віконні та дверні рами. Це дослідження спрямоване на розробку та перевірку енергетичної моделі для будівлі з використанням програмного забезпечення DesignBuilder для врахування динамічних навколишніх і внутрішніх умов, а також їх впливу на потреби в енергії для опалення та охолодження. Проведено порівняльний аналіз теплових включень у зовнішніх стінах будівлі з оцінкою коефіцієнтів тепловіддачі за різними методологіями.

Об’єктом дослідження є типова будівля школи Києва, збудована в середині ХХ ст. Будівля складається з кількох секцій різної висоти і обслуговує приблизно 600 учнів і співробітників. Енергетичне моделювання проводилося в DesignBuilder/EnergyPlus з використанням погодинних даних для Києва. Було проаналізовано декілька сценаріїв, у тому числі базовий сценарій без теплових включень і додаткові сценарії, які враховують теплові включення з різними рівнями деталізації.

Результати показують, що ігнорування теплових включень може призвести до недооцінки потреб будівлі в енергії для опалення та охолодження. Врахування лінійних і точкових теплових включень збільшує потребу в опаленні на 8,3 % порівняно з базовим сценарієм. Спрощений метод оцінки теплових включень призводить до найбільшого збільшення на 13,3 %. Різниця між найбільш деталізованим і спрощеним методами становить приблизно 5 %. Подібні тенденції спостерігаються для попиту на охолодження, де добре ізольовані оболонки уповільнюють природний процес охолодження, що призводить до більшого споживання енергії для кондиціонування повітря.

Дослідження показує, що теплові включення суттєво впливають на річну потребу будівлі в енергії, причому різниця в потребі в опаленні коливається від 8,3 % до 13,3 % залежно від методу оцінки. Спрощені методи, які використовують поправочні коефіцієнти, як правило, переоцінюють потребу в енергії порівняно з більш детальними оцінками. Дослідження підкреслює важливість обліку теплових включень при оцінці енергоефективності в будівлях. Майбутні дослідження мають бути зосереджені на більш детальному CFD моделюванні критичних елементів конструкції з тепловими включеннями, щоб краще зрозуміти їхній вплив на споживання енергії.

Ключові слова: енергоефективність, енергетичне моделювання будівель, теплопровідні включення, енергопотреба на опалення та охолодження, будівлі з близьким до нульового рівнем споживання енергії

Dyrektyva Yevropeiskoho Parlamentu i Rady 2010/31/IeS vid 19 travnia 2010 roku pro enerhetychni kharakterystyky budivel [European Parliament and Council Directive 2010/31/EU of 19 May 2010 on the energy performance of buildings]. Available at: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/984_011-10#Text

Pro enerhetychnu efektyvnist budivel: Zakon Ukrainy vid 22.06.2017 r. №2118-VIII.[On Energy Efficiency of Buildings: Law of Ukraine dated 22.06.2017 No. 2118-VIII]. Holos Ukrainy. 2017. July 22. (No. 134). Available at: https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/z0825-18#n16

DBN V.2.6–31:2021. Teplova izoliatsiia ta enerhoefektyvnist budivel [State Building Codes V.2.6–31:2021. Thermal insulation and energy efficiency of buildings. Replaces State Building Codes V.2.6–31:2016; effective from 2022-09-01. Official ed.]. Kyiv: State Enterprise "Ukrarhbudinform", 2021, 23.

3 poverkhy i bilshe – Typolohizatsiia budivel v Ukraini. Typolohizatsiia budivel v Ukraini – (BTU). [3 floors and more – Building typology in Ukraine. Building Typology in Ukraine – (BTU)]. Available at: http://building-typology.com.ua/schools/s3-floors-and-more/ (Accessed: 09.09.2024).

Pochatok ta zavershennia budivnytstva obiektiv. [Beginning and completion of construction projects]. State Statistics Service of Ukraine. Available at: https://www.ukrstat.gov.ua/operativ/operativ2020/bud/kzp_Ukr/kzp_Ukr18-20ue.xlsx (Accessed: 09.09.2024)

DSTU 9190:2022. Enerhetychna efektyvnist budivel. Metod rozrakhunku enerhospozhyvannia pid chas opalennia, okholodzhennia, ventyliatsii, osvitlennia ta hariachoho vodopostachannia [DSTU 9190:2022. Energy efficiency of buildings. Method of calculating energy consumption for heating, cooling, ventilation, lighting, and hot water supply. Replaces DSTU B A.2.2-12:2015; effective from 01.03.2023]. Kyiv: SE "UkrNDNC", 2022, 199.

DSTU 9191:2022. Teploizoliatsiia budivel. Metod vyboru teploizoliatsiinoho materialu dlia uteplennia budivel [DSTU 9191:2022. Thermal insulation of buildings. Method of selecting thermal insulation material for building insulation. Replaces DSTU B V.2.5-189:2013; effective from 01.03.2023]. Kyiv: SE "UkrNDNC", 2022, 199.

DSTU ISO 14683:2007. Teploprovidni vkliuchennia v budivelnykh konstruktsiiakh. Liniinyi koefitsiient teploperedavannia. Sproshcheni metodyky rozrakhovuvannia ta standartni znachennia (ISO 14683:1999, IDT). [DSTU ISO 14683:2007. Thermal bridges in building constructions. Linear thermal transmittance coefficient. Simplified calculation methods and standard values (ISO 14683:1999, IDT). Effective from 01.10.2009]. Kyiv: DERZHSPOZHYVSTANDARD, 2007, 20 p.

DSTU ISO 10211-1:2005. Teploprovidni vkliuchennia v budivelnykh konstruktsiiakh. Obchyslennia teplovykh potokiv i poverkhnevykh temperatur. Chastyna 1. Zahalni metody (ISO 10211-1:1995, IDT)DSTU ISO 10211-1:2005. Thermal bridges in building constructions. Heat flow and surface temperature calculations. Part 1: General methods (ISO 10211-1:1995, IDT). Introduced for the first time; effective from 01.03.2008. Kyiv: SE "UkrNDNC", 2007, 38 p.

DSTU ISO 10211-2:2005. Teploprovidni vkliuchennia v budivelnykh konstruktsiiakh. Obchyslennia teplovykh potokiv i poverkhnevykh temperatur. Chastyna 2. Liniini teploprovidni vkliuchennia (ISO 10211-2:1995, IDT). [DSTU ISO 10211-2:2005. Thermal bridges in building constructions. Heat flow and surface temperature calculations. Part 2: Linear thermal bridges (ISO 10211-2:1995, IDT). Introduced for the first time; effective from 01.03.2008]. Kyiv: SE "UkrNDNC", 2007, 20.

ASHRAE 90.1-2022. Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2022, 400.

ASHRAE 169-2021. Climatic Data for Building Design Standards. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, 2021, 36.

Oleksienko, A. V. (2020). Vplyv tochkovykh teploprovidnykh vkliuchen na enerhoefektyvnist fasadnykh system iz zovnishnoiu teploizoliatsiieiu [Influence of point thermal bridges on the energy efficiency of facade systems with external insulation]. Science and Construction, (3), 45–52. Available at: https://journal-niisk.com/index.php/scienceandconstruction/article/view/220/198.

Ratushnyak, H. S., Horyun, I. P., Lialyuk, O. I. (2021). Аналіз енергоефективності примикань віконних блоків до зовнішніх стін [Analysis of the energy efficiency of window-to-wall junctions]. Bulletin of Vinnytsia Polytechnic Institute, (2), 104–112. Available at: https://ir.lib.vntu.edu.ua/bitstream/handle/123456789/35432/104041.pdf?sequence=2&isAllowed=y.

Kramarenko, S., & Bilous, O. (2021). Vplyv teploprovidnykh vkliuchen u prymykanniakh vikonnykh vidkosiv na enerhoefektyvnist budivel iz vysokymy vymohamy do enerhoefektyvnosti [Influence of thermal bridges in window junctions on the energy efficiency of buildings with high energy efficiency requirements]. Materials of the competition "Energy and Environment". Available at: https://events.pstu.edu/konkurs-energy/wp-content/uploads/sites/2/2021/03/kramarenko-s.-kpi-im.-igorya-sikorskogo.pdf