Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)

У доповіді проаналізовано досвід Інституту технічної теплофізики НАН України з проведення робіт за напрямом фундаментальної теплофізичної інженерії будівель і споруд з метою доведення їх до стану пасивних будівель, будівель «нуль енергії», «розумних» будівель за умови підвищення їхньої енергетично...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вісник НАН України
Дата:	2023
Автор:	Басок, Б.І.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Теми:	З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/193016
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.) / Б.І. Басок // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 6. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-193016
record_format	dspace
spelling	Басок, Б.І. 2023-08-02T10:12:15Z 2023-08-02T10:12:15Z 2023 Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.) / Б.І. Басок // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 6. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.06.062 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/193016 У доповіді проаналізовано досвід Інституту технічної теплофізики НАН України з проведення робіт за напрямом фундаментальної теплофізичної інженерії будівель і споруд з метою доведення їх до стану пасивних будівель, будівель «нуль енергії», «розумних» будівель за умови підвищення їхньої енергетичної стійкості та мінімізації викидів парникових газів. Результати цих досліджень спрямовано на вирішення актуальних і стратегічно важливих науково-технічних проблем, пов’язаних із суттєвим підвищенням енергетичної ефективності наявних, відбудованих і новозбудованих будівель та споруд України згідно з вимогами енергетичного і кліматичного законодавства ЄС. The report analyzes the experience of the Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine in conducting the works in the area of fundamental thermophysical engineering of buildings and structures with the aim of bringing them to the state of passive buildings, “zero energy” buildings, “smart” buildings providing that their energy sustainability is increased and greenhouse gas emissions are minimized. The results of these studies are aimed at solving urgent and strategically important scientific and technical problems related to a significant increase in the energy efficiency of existing, reconstructed and newly constructed buildings and structures of Ukraine in accordance with the requirements of the EU energy and climate legislation. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.) Fundamental thermophysical engineering of buildings in the context of recovery of Ukraine (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, April 5, 2023) Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)
spellingShingle	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.) Басок, Б.І. З кафедри Президії НАН України
title_short	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)
title_full	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)
title_fullStr	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)
title_full_unstemmed	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)
title_sort	фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення україни (за матеріалами доповіді на засіданні президії нан україни 5 квітня 2023 р.)
author	Басок, Б.І.
author_facet	Басок, Б.І.
topic	З кафедри Президії НАН України
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
publishDate	2023
language	Ukrainian
container_title	Вісник НАН України
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	Fundamental thermophysical engineering of buildings in the context of recovery of Ukraine (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, April 5, 2023)
description	У доповіді проаналізовано досвід Інституту технічної теплофізики НАН України з проведення робіт за напрямом фундаментальної теплофізичної інженерії будівель і споруд з метою доведення їх до стану пасивних будівель, будівель «нуль енергії», «розумних» будівель за умови підвищення їхньої енергетичної стійкості та мінімізації викидів парникових газів. Результати цих досліджень спрямовано на вирішення актуальних і стратегічно важливих науково-технічних проблем, пов’язаних із суттєвим підвищенням енергетичної ефективності наявних, відбудованих і новозбудованих будівель та споруд України згідно з вимогами енергетичного і кліматичного законодавства ЄС. The report analyzes the experience of the Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine in conducting the works in the area of fundamental thermophysical engineering of buildings and structures with the aim of bringing them to the state of passive buildings, “zero energy” buildings, “smart” buildings providing that their energy sustainability is increased and greenhouse gas emissions are minimized. The results of these studies are aimed at solving urgent and strategically important scientific and technical problems related to a significant increase in the energy efficiency of existing, reconstructed and newly constructed buildings and structures of Ukraine in accordance with the requirements of the EU energy and climate legislation.
issn	0372-6436
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/193016
citation_txt	Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.) / Б.І. Басок // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 6. — С. 62-72. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT basokbí fundamentalʹnateplofízičnaínženeríâbudívelʹukontekstívídnovlennâukraínizamateríalamidopovídínazasídanníprezidíínanukraíni5kvítnâ2023r AT basokbí fundamentalthermophysicalengineeringofbuildingsinthecontextofrecoveryofukraineaccordingtothematerialsofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofnasofukraineapril52023
first_indexed	2025-11-25T22:49:27Z
last_indexed	2025-11-25T22:49:27Z
_version_	1850574221530365952
fulltext	62 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) ФУНДАМЕНТАЛЬНА ТЕПЛОФІЗИЧНА ІНЖЕНЕРІЯ БУДІВЕЛЬ У КОНТЕКСТІ ВІДНОВЛЕННЯ УКРАЇНИ За матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 року У доповіді проаналізовано досвід Інституту технічної теплофізики НАН України з проведення робіт за напрямом фундаментальної теплофізич- ної інженерії будівель і споруд з метою доведення їх до стану пасивних будівель, будівель «нуль енергії», «розумних» будівель за умови підвищен- ня їхньої енергетичної стійкості та мінімізації викидів парникових газів. Результати цих досліджень спрямовано на вирішення актуальних і стра- тегічно важливих науково-технічних проблем, пов’язаних із суттєвим підвищенням енергетичної ефективності наявних, відбудованих і ново- збудованих будівель та споруд України згідно з вимогами енергетичного і кліматичного законодавства ЄС. Згідно з класифікацією Міжнародного енергетичного агент- ства (МЕА), кінцеве використання енергії у світі припадає пе- реважно на чотири сектори: промисловість, транспорт, сфера житлових, комунальних і громадських будівель та інше спо- живання. В табл. 1 наведено порівняння обсягів кінцевого спо- живання енергії в економіці України [1] станом на 1991 р. (по- чаток становлення незалежної держави) і на 2019 р. (останній рік перед пандемією COVID-19 і широкомасштабною війною Росії проти України). Як видно з таблиці, за роки незалежнос- ті кінцеве споживання енергії зменшилося більш ніж утричі; частка споживання енергії в будівлях зросла майже вдвічі і до- сягла 38 % обсягу загального споживання; за обсягами вико- ристання енергії сфера будівель перевершила промисловість і стала найбільшим споживачем у країні. Тому логічно приділи- ти основну увагу енергоощадності саме в будівлях. Це перша й головна причина необхідності пошуку рішень щодо зменшення енергоспоживання в будівлях, наприклад завдяки підвищенню їх енергоефективності. БАСОК Борис Іванович — член-кореспондент НАН України, завідувач відділу теплофізичних основ енергоощадних технологій Інституту технічної теплофізики НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.06.062 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 6 63 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Зазначимо, що зі зменшенням споживан- ня енергії в будівлях знижуються й втрати у всьому ланцюгу виробництво — транспорту- вання — розподіл енергії, де загальні втрати на енергоперетворення сягають 45 %. До відома: у світі ці втрати становлять лише 28 %, при- чому розподіл кінцевого споживання енергії у будівлях, промисловості, на транспорті майже однаковий — близько 29 %. До того ж підви- щення ефективності енергоперетворень і кінце- вого енергоспоживання — це зниження викидів шкідливих і парникових газів та зменшення забруднення довкілля. Отже, сфера будівель в Україні має найбільший потенціал підвищення енергоефективності і досягнення декарбоніза- ції при використанні «зеленої» енергетики. У провідних країнах світу, зокрема у Німеч- чині, підвищенням енергоефективності буді- вель системно почали займатися ще напри- кінці 1970-х років, послідовно впроваджуючи прогресивне законодавство і відповідну нор- мативно-технічну базу, в результаті чого пито- ме споживання теплоти на опалення вдалося зменшити з 700 до 15 кВт·год на 1 м2 опалю- ваної площі, тобто до рівня пасивного будинку. При цьому виходили з того, що технічні рішен- ня із застосуванням інноваційних інженерних систем теплозабезпечення будівель, напри- клад на основі використання відновлюваних джерел енергії, як правило, набагато дорожчі за заходи з енергозаощадження, зокрема за термоізоляцію фасадної оболонки. Так утвер- дився базовий принцип EE first, then RES — спочатку енергоефективність і лише потім від- новлювані джерела енергії. Тобто насамперед потрібно термомодернізувати зовнішню обо- лонку будівлі, потім реконструювати внутріш- ньобудинкові системи енергозабезпечення і лише після цього модернізувати теплові мере- жі і теплову генерацію. Повчальним є досвід Польщі, де загально- державну термомодернізацію будівель (ЄС виділив на цю програму $27 млрд) проводили після реконструкції теплових мереж і генера- ції, в результаті чого виникла надмірна спро- можність теплових магістралей до транспорту теплоти і надлишок теплової генерації. Базу європейської політики забезпечення енергоефективності будівель становлять дві директиви — 2012/27/ЄС та 2010/31/ЄС. В Україні середнє питоме енергоспоживан- ня будівель становить 200—230 кВт·год на 1 м2 опалюваної площі, що вдвічі більше, ніж у середньому в Європі, і втричі більше, ніж у Німеччині. На сьогодні чинний в Україні нор- матив (введений у дію 1 вересня 2022 р.) пере- буває на межі між класами енергоефективності С і В, тобто відповідає початковому показнику будинку високої енергоефективності. Збитки, яких зазнала Україна від війни, станом на грудень 2022 р. оцінювалися в $136 млрд, причому йдеться лише про задо- кументовані збитки, тоді як велику кількість руйнувань ще офіційно не зафіксовано. Звісно, кожного дня, поки тривають воєнні дії, збитки постійно зростають. Найбільше постраждали будівлі та енергетична сфера. Пошкоджені і зруйновані будинки потрібно відновлювати, але бажано реалізовувати це на сучасній ін- новаційно-технологічній основі, відповідно до нових вимог енергоефективності [2, 3]. Це друга причина, чому вкрай потрібно займатися енергоефективністю будівель. Слід віддати належне законодавчій і вико- навчій владі України — останнім часом у країні створено потужну базу для послідовної реалі- зації політики енергоефективності. Зокрема, Таблиця 1. Загальне кінцеве споживання енергії в Україні за секторами у 1990 і 2019 рр. Сектор економіки 1991 2019 ТДж 1 % ТДж % Промисловість 3312 52,4 675 32,5 Транспорт 997 15,8 420 20,2 Сфера будівель 1332 21,0 788 37,9 Інша діяльність 685 10,8 196 9,4 Разом 6326 100 2079 100 Населення, млн 51,9 42,2 2 ВВП на душу населення 3 3624 3225 1 1 ТДж = 1012 Дж, 2 без АР Крим, 3 в дол. США на 2010 р. 64 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ діють такі базові закони України, як «Про енер- гетичну ефективність будівель», «Про Фонд енергоефективності», «Про енергетичну ефек- тивність», «Про запровадження нових інвес- тиційних можливостей, гарантування прав та законних інтересів суб’єктів підприємницької діяльності для проведення масштабної енерго- модернізації», «Про внесення змін до деяких законів України щодо усунення бар’єрів для масштабної термомодернізації будівель», а та- кож постанова Кабінету Міністрів України від 23 грудня 2021 р. № 1460 про впровадження системи енергетичного менеджменту. Наразі в цій сфері реалізується Національна еконо- мічна стратегія на період до 2030 р. та два На- ціональні плани дій до 2030 р.: з енергоефек- тивності та зі збільшення кількості будівель з близьким до нульового споживанням енергії. В останньому, зокрема, передбачено такі ам- бітні цілі: • скорочення до 2025 р. кінцевого споживан- ня енергії в питомих показниках і в абсолют- них значеннях у житловому секторі і в громад- ських будівлях щороку на 1 %; • після 31 грудня 2025 р. громадські будівлі, а після 31 грудня 2027 р. будівлі всіх категорій (житлові, громадські, комерційні) при введен- ні їх в експлуатацію мають відповідати вимо- гам до будівель з близьким до нульового спо- живанням енергії. Вже під час війни було розроблено і в серп- ні 2022 р. винесено на громадське обговорення низку проєктів з реалізації ефективної політи- ки підвищення енергоефективності будівель, таких як: Довгострокова стратегія термомо- дернізації до 2050 р. та операційний план за- ходів з виконання завдань першого періоду «Перший середньостроковий план термомо- дернізації будівель до 2027 р.» цієї стратегії; Державна цільова програма підтримки термо- модернізації до 2030 р. (концепція); Державна цільова програма стимулювання енергетичної модернізації систем централізованого тепло- постачання до 2030 р. Наразі всі ці документи перебувають на фінальній стадії затвердження. Головною агенцією країни, що опікується цією проблематикою, є Міністерство розвитку гро- мад, територій та інфраструктури України, зо- крема його агентства: Державне агентство від- новлення та розвитку інфраструктури України та Державне агентство з енергоефективності та енергозбереження України. Прогнозні оцінки інвестицій, необхідних для виконання стратегії, за видами будівель і ступенем їх термомодернізації (клас енергое- фективності С чи NZEB, тобто майже нульове споживання енергії) наведено в табл. 2 [4]. За найбільш песимістичними прогнозами кіль- кість робочих місць, що будуть створені під час реалізації цієї стратегії, становитиме від 40 до 90 тис. Заплановані заходи з реновації бу- дівель забезпечать економію витрат на оплату комунальних послуг у житловому секторі від $0,7 до 1,6 млрд на рік. З 24 лютого минулого року США надали Україні $15,5 млрд бюджетної підтримки, тому фінансування програми відновлення почнеть- ся вже цього року. Так, Міністерство фінан- сів США підтвердило виділення $1,5 млрд на швидке відновлення і додатково ще $800 млн на енергетичне відновлення. Одним із ключо- вих партнерів у відновленні є Світовий банк, з яким у сфері енергетики започатковано проєкт Repower на $500 млн. Уже підписано угоду на $200 млн для відновлення української енерге- тики та систем теплопостачання міст. У сфері транспортної інфраструктури започатковано Таблиця 2. Обсяги фінансування масштабної термомодернізації будівель України до 2050 р. Типи будівель Інвестиції, млрд євро До класу С До рівня NZEB Багатоквартирні житлові 44,5 59,1 Індивідуальні житлові 85,9 109,9 Громадські 12,3 16,1 Інші (не промислові) 18,5 24,6 Загалом 161,2 209,7 Відновлення України почнеться вже цього року: Шмигаль назвав необхідну суму для відповідних проєктів. УНН. 18 квітня 2023. https://bit.ly/3MYeGhR ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 6 65 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ проєкт ReLink з бюджетом $585 млн, а для від- новлення лікарень — проєкт Heal Ukraine з об- сягом фінансування $368 млн. Є домовленість про спеціальну програму відновлення України та отримання від Міжнародного банку рекон- струкції та розвитку до $6 млрд додаткового фінансування. Німеччина має намір виділи- ти додаткові 3,1 млрд євро, Франція планує надати 2 млрд євро в межах довгостроково- го фінансування. Данія створює спеціальний фонд для підтримки України в розмірі 1 млрд євро. Швейцарія виділяє 1,8 млрд франків на найближчі роки. Україна отримала підтвер- дження нової програми МВФ, яка є частиною довгострокової підтримки, на загальну суму $115 млрд. Ці кошти забезпечать стабільність української економіки та фінансової систе- ми. А Японія робить внесок на $23 млн для покриття воєнних ризиків при інвестиціях в Україну. Наразі Кабмін України визначив 6 міст (Бородянка і Мощун у Київській області, Тростянець у Сумській, Посад-Покровське в Херсонській, Циркуни в Харківській та Ягідне в Чернігівській) для проведення експеримен- ту з повної відбудови за принципом build back better (відбудувати краще, ніж було). Результати наукової і інноваційно-технічної діяльності Інституту технічної теплофізики (ІТТФ) НАН України впродовж останніх 15 років акцентують на ще одній причині важли- вості та актуальності енергоефективності буді- вель. Адже будівля — це повноцінний енерге- тичний об’єкт, причому довготривалого жит- тєвого циклу (мінімум 50 років, в середньому до 100 років), що не властиво іншому енерге- тичному устаткуванню. До того ж це кінцевий споживач — далі майже вся заведена в будівлю енергія вивільняється в довкілля, нагріваючи його і породжуючи відомі проблеми глобаль- ного потепління. Будівля є елементом роз- осереджених, автономних чи індивідуальних енергосистем мікрокліматизації. Вона не лише виступає як енергоспоживач, а й може бути потенційним регулятором ОЕС, енерговироб- ником (будівлі типу «нуль енергії») і енерго- акумулятором. Будівля — це мікрооб’єкт енер- гетичної безпеки, енергостійкості і підвищеної живучості в екстремальних умовах. Окремо слід зазначити, що житлові будівлі є важливим елементом соціальної політики країни. Фундаментальні дослідження ІТТФ НАН України у сфері будівель стосуються таких на- укових проблем, як теплова і аеродинамічна взаємодія будівель та їхніх груп з довкіллям; дослідження інсоляції і її впливу на будівлю [5]; тепломасообмін у пористих середовищах [6], зокрема в теплоізоляційних та будівельних матеріалах [7]; теплообмін, аеро(гідро)динамі- ка і нестійкість потоку теплоносіїв [8]; процеси акумулювання енергії; розроблення інновацій- них технологій та інженерних систем енерго- забезпечення і створення мікроклімату [9, 10]; дослідження будівельної теплофізики спеці- альних споруд; вплив будівель на глобальне потепління клімату [11]. Результати цих до- сліджень відображено в численних статтях та узагальнено в 15 монографіях, більшість з яких видрукувано у видавництві «Наукова думка». Отримані результати з часом дозволили сформувати новий науковий напрям — фунда- ментальну теплофізичну інженерію будівель. Сучасна фундаментальна теплофізична ін- женерія будівель — це сфера діяльності нау- ковців, інженерів, технологів і енергоменедже- рів, яка комплексно поєднує дослідження з фізики, математики, хімії, а також економіки та екології з метою розроблення інноваційних енергоефективних рішень для кінцевого спо- живання і дисипації енергії в будівлях. Цей на- прям пов’язаний із ширшим колом енергетич- них проблем і, безумовно, їх ефективних рі- шень в епоху глобальних фінансових, еконо- мічних, екологічних та енергетичних криз, часто зумовлених невгамовним прагненням невпинно зростаючого населення світу до по- декуди невиправдано і необґрунтовано зави- щеного рівня комфорту життя, особливо в ба- гатих розвинених країнах. Енергетика стала не лише кровоносною системою економіки, а й основною базою зростання (або незростання) рівня комфорту людей, насамперед так звано- го «золотого» мільярду населення Землі. Серед отриманих в ІТТФ НАН України фун- даментальних результатів слід відзначити такі: 66 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ • у розрахункових дослідженнях показано, що для клімату м. Київ на фасади будівель пів- денної орієнтації завдяки інсоляції додатково надходить до 30 % теплоти, необхідної для опа- лення [6]; • розрахункові локальні коефіцієнти те- пловіддачі фасадної стіни відрізняються від рекомендованих для інженерних розрахунків усереднених показників ДСТУ, тому для про- єктування систем опалення пасивних буді- вель необхідно використовувати комерційні комп’ютерні пакети розрахунку дисипативних тепловтрат; • застосування клейового утеплення на основі теплоізоляційних матеріалів з високою паропровідністю дозволяє уникнути появи зон конденсації парів води і підвищує ресурс екс- плуатації будівлі; • утеплення фасадів будівлі зменшує роз- тягувальні напруження зовнішньої поверхні фасадної стіни, зумовлені градієнтом темпера- тури і вологості, і збільшує стискальні напру- ження внутрішньої поверхні, запобігаючи тим самим виникненню мікротріщин, що підвищує ресурс експлуатації будівлі [12]; • збільшення відстані між стеклами в скло- пакеті вікна приводить до появи вихорів та ін- ших збурень потоку, які впливають на терміч- ний опір конструкції [13, 14]; • використання для рекуперативної венти- ляції канального ґрунтового теплообмінника приводить до того, що повітря на виході з ньо- го має температуру впродовж року в діапазоні від +2 °С до +18 °С за відповідних вхідних тем- ператур у межах від –18 °С взимку до +37 °С влітку (рис. 1). Така геотермальна вентиля- ція взимку сприяє роботі системи опалення, а влітку — системи кондиціонування. Більш того, на основі природної теплоти ґрунту змо- дельовано і реалізовано за допомогою насип- них ґрунтових теплообмінників теплову пові- тряну завісу для фасадів і даху будівлі [15, 16]; • визначено оптимальну геометрію поло- ження віконної конструкції по товщині вікон- ної пройми. Показано доцільність встановлен- ня додаткового теплоізоляційного коробу між віконною конструкцією і віконною проймою фасадної стіни [6]; • використання в опалювальному пристрої як робочого тіла СО2 і оригінальної системи оребрення дозволяє істотно інтенсифікувати вільноконвективний теплообмін у вертикаль- ному шарі між таким конвектором і внутріш- ньою поверхнею фасадної стіни; • проведено моделювання теплопередачі в інноваційних розробках різноманітних теплих «водяних» підлог [17]; • проведено енергетичний моніторинг буді- вель та їх інженерних систем за допомогою мо- більної вимірювальної лабораторії й ліцензій- них програм ENSI (Норвегія) та AUDYTOR OZC (Польща); • із застосуванням чисельного моделювання проведено аналіз температурного стану підваль- Рис. 1. Динаміка зміни температури повітря в ґрунтовому теплообміннику системи вентиляції впродовж року ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 6 67 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ них приміщень будинків, визначено рівні тепло- вих втрат через ці приміщення, оцінено їх вплив на загальні обсяги теплових втрат будівлі. На рис. 2 наведено типові дані для питомого теплового потоку через фасадну бетонну сенд- віч-панель адміністративного корпусу ІТТФ НАН України, утеплену шаром екструзійного пінополістиролу завтовшки 10 см. Коливан- ня теплового потоку на внутрішній поверхні стіни всередині приміщення (крива 1) і зовні фасаду в довкілля (крива 2), а також у зоні між несучою фасадною стіною і утеплювачем (кри- ва 3) зумовлені насамперед динамікою локаль- ної швидкості повітряного потоку і температу- ри довкілля. Вимірювання проводили з періо- дичністю одне значення в 1 с. Клеєві фасадні утеплення є мінівентильованими повітряними вільноконвективними фасадами, а тому сприя- ють зменшенню кількості вологи як у стіновій конструкції, так і в утеплювачі. Вони можуть бути керованими завдяки зміненню витрат по- вітря у вертикальному пласкому каналі (зазор 8—15 мм — товщина мостиків клею) між не- сучим фасадом і внутрішньою поверхнею при- клеєного утеплювача. Загалом утеплення є необхідною умо- вою термомодернізації. Достатньою умовою є створення належного вологісного режиму стінової конструкції. Результати моделюван- ня вологісного режиму фасадної конструкції з шаром утеплення та без нього наведено на рис. 3. Там розглянуто реальну тришарову (а у варіанті утеплення — чотиришарову) кон- струкцію фасадної стіни: стінка — 8 см бетону, далі 8 см мінеральної вати, потім знову стінка 8 см бетону, потім 10 см утеплювача (мінвата), tвнутр = +20 °С; tзовн = –15 °С. Для заданих тем- ператур у приміщенні і в довкіллі в неутепле- ній фасадній стіні при х  11 см відбувається конденсація парів води з повітря (криві 1 і 2 збігаються), а при х  13 см температура стає мінусовою, тобто можливе замерзання кра- пельної вологи, а отже, льодоутворення, поява і розширення мікротріщин та втрата міцності. За наявності утеплення при х  16 см також є невеличка зона конденсації, однак у ній t  5 °С, а тому лід не утворюється. Рис. 2. Динаміка в часі питомого теплового потоку q через фасадну стінову конструкцію північної орієнтації, утеплену пінополістиролом: 1 — на внутрішній поверх- ні стіни всередині приміщення; 2 — зовні фасаду в до- вкілля; 3 — в зоні між фасадною стіною і утеплювачем Рис. 3. Розподіл тиску парів води за товщиною х бе- тонної сендвіч-панелі фасаду адмінкорпусу ІТТФ НАН України без шару утеплення (а) та з шаром уте- плення (б): 1 — парціальний тиск; 2 — тиск насичення за відповідної температури 68 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Теоретичне моделювання теплофізичних процесів здійснювали на основі аналітичних розрахунків та за допомогою комерційних комп’ютерних пакетів, а також розробленої оригінальної програми, основаної на методі контрольного об’єму. Для розв’язання отрима- ної цим методом системи лінійних алгебраїч- них рівнянь застосовували алгоритм SIMPLE (для тривимірних задач) і матричної прогонки (для двовимірних задач). Експериментально-вимірювальна база ІТТФ НАН України складається з комплек- су стендів з теплонасосних технологій; полі- гону ґрунтових теплообмінників; комплексу різноваріантних енергоефективних віконних конструкцій; полігону фасадних утеплень із різних термоізоляційних матеріалів; полігону теплих «водяних» підлог і стін; метеостанцій і піранометрів для вимірювання інсоляції; роз- роблених датчиків і портативних систем ці- лорічного автоматизованого моніторингу те- плофізичних параметрів об’єктів. Створено й успішно експлуатуються 4 оригінальні індиві- дуальні теплові пункти для основних корпусів інституту. Для дослідження інноваційних науково- технічних заходів з підвищення енергоефек- тивності будівель розроблено, побудовано на території ІТТФ НАН України й експлуату- ється унікальний експериментальний будинок пасивного типу (рис. 4) як повномасштабний науково-дослідний стенд фундаментальної теплофізичної інженерії для вивчення те- плофізичних властивостей перспективних теплоізоляційних будівельних матеріалів у реальних умовах їх експлуатації; будівельних фасадних конструкцій із них та розроблених в ІТТФ НАН України інноваційних систем енерго(ресурсо)забезпечення. Загальна опа- лювана площа будинку становить 306 м2, тобто це аналог котеджу для середнього класу насе- лення. Будинок та його автоматизовані інженерні системи автономного енергозабезпечення об- ладнано численними датчиками (температури, теплового потоку, вологості, тиску, лічильни- ками енергії тощо) та системою неперервних автоматизованих діагностичних вимірювань і архівування параметрів стану (середня скваж- ність вимірювань — раз на 10 хв). Моніторинг експлуатації будинку впродовж 7 років пока- зав, що експериментальні питомі тепловтрати через стінові фасади будинку за температури довкілля –10 °С становлять лише 1,2—1,8 Вт/ м2, а опір теплопередачі стінових фасадних конструкцій зріс до 11,5 м2·К/Вт, що втричі вище за чинні вимоги ДБН В.2.6-33:2021. Опір теплопередачі світлопрозорих конструкцій підвищився до 2,0 м2·К/Вт, що в 2,2 раза пере- вищує чинний норматив. Питоме річне теплоспоживання такого пасивного будинку становить 14,8 кВт·год/ (м2·рік) за температури довкілля взимку –1,1 °С (нормативна середня температура опа- лювального періоду для клімату м. Київ). За- значимо, що в ЄС при більш сприятливому клі- маті пасивний будинок споживає 15 кВт·год/ (м2·рік). Для опалення та гарячого водопоста- чання використовується теплонасосна (6 кВт) акумуляційна низькотемпературна система Рис. 4. Вид зверху на експериментальний пасивний будинок типу «нуль енергії» ІТТФ НАН України. На даху зліва — теплові сонячні колектори, справа — елек- тричні PV-панелі ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 6 69 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ (рис. 5). Джерелом низькопотенційної енергії слугує природна та/або закумульована тепло- та ґрунту чи води (у водозабірній свердлови- ні). Для цього на території біля будинку збу- довано полігон ґрунтових теплообмінників різної геометрії (горизонтальні неглибокого залягання, вертикальні; трубні багатопетльо- ві, багатоходові, свердловинні; об’ємні насип- ні; типу ґрунт-вода (рідина), ґрунт-вода-вода, ґрунт-повітря). Як додаткове джерело теплоти використовуються сонячні теплові колектори (плоскі, трубно-вакуумні). Опалювальними приладами є теплі водяні підлоги різної геоме- трії укладки, зокрема капілярна підлога, тепла стіна, теплий простінок, підлогові та настінні фанкойли. Електропостачання забезпечується сонячними BAPV-панелями загальною пло- щею 80 м2 і номінальною потужністю 10 кВт (фотомодулі на полікристалічному кремнії та на тонких плівках з телуриду кадмію). Фото- вольтаїку доповнює вітроагрегат Fortis Mon- tana потужністю 5 кВт та блок гелевих акуму- ляторних батарей. У будинку є кліматична камера реального клімату, яка дозволяє впродовж року прово- дити діагностику стану вікон, будівельних і те- плоізоляційних матеріалів, конструкцій з них. Кінцева практична мета проведених дослі- джень двоєдина: 1) сприяння і науково-тех- нічний супровід програми відновлення зруй- нованої війною інфраструктури країни; 2) роз- роблення підходів та інновацій для створення «розумних» будинків і «розумних» міст — циф- ровізація сфери будівель, адже в середньому пересічна сучасна людина 90 % часу проводить у будівлях. Сьогодні з’явилася нова наука — до- мотика, наука про злиття середовища життєді- яльності людини з досягненнями інформацій- них технологій, про інтелектуальне керування елементами комфорту локального навколиш- нього простору перебування людини. Як приклад на рис. 6 наведено схему устрою типового «розумного» будинку [18]. Привер- тають увагу блоки незалежного енергоживлен- ня (обведені червоним) — паливний елемент, power-bank відповідної ємності і потужності та електромобіль з двонаправленою лінією підключення: для зарядки і для живлення бу- динку від батареї авто в разі аварійної ситуації. Така система автономного енергозабезпечення підвищує стійкість і живучість будівлі в кри- зових ситуаціях. Кінцевою метою архітекторів та будівельників є створення «розумних» місь- ких мікрорайонів і цілих міст, таких як, напри- клад, місто Фудзісава (Японія). Цей проєкт розпочався ще в 2010 р. під патронатом фірми Panasonic і досі поступово та послідовно роз- будовується. У найближчий перспективі ІТТФ НАН України має на меті виконати такі роботи: • розробити концептуальні підходи до ви- значення індикаторів енергоефективності бу- дівель з урахуванням не лише теплоспоживан- ня, а й кондиціонування, електроспоживання, параметрів клімату та особливостей функціо- нального призначення споруди; • встановити поточні і перспективні показ- ники будівлі з майже нульовим споживанням енергії для умов України; • спільно з галузевими науковими устано- вами під егідою Мінінфраструктури України розробити й впровадити вітчизняну (або адап- тувати ефективну закордонну) єдину по краї- ні розрахункову комп’ютерну програму енер- гоаудиту будівель (житлових, громадських, комерційних, муніципальних, бюджетної сфери тощо) та інженерних систем їх ресурсо- Рис. 5. Фрагмент теплонасосної системи теплозабез- печення будинку на основі теплоти ґрунту 70 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ (енерго)забезпечення; розробити пропозиції щодо головної організації-утримувача з функ- ціями постійної підтримки програми та її опе- ративного оновлення з урахуванням поточно- го стану енергоефективності; • спільно з галузевими науковими установа- ми розробити і впровадити загальнодержавну розрахункову комп’ютерну програму моніто- рингу та діагностики енергоефективності бу- дівель; • провести теоретичні та експерименталь- ні дослідження перспективних інноваційних продуктів: вакуумних стінових сендвіч-пане- лей; вакуумних склопакетів; тепловентильова- них вікон; BIPV-фасадів і BIPV-вікон; вікон з наноаерогелевим наповнювачем. Оптимізація тепловтрат через віконні світлопрозорі кон- струкції є надзвичайно важливим завданням, адже вікна — це найслабша ланка фасадів, на них припадають найбільші питомі (на одини- цю площі) втрати теплоти. Крім того, вкрай важливою є освітня і про- світницька робота. Результати досліджень установ Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України стали об’єктом ува- ги Міненерго та Мінінфраструктури Украї- ни. Впровадження інноваційних технологій комунального енергозабезпечення, особливо відновленої після війни інфраструктури, по- требує підготовки (перепідготовки, підвищен- Рис. 6. Компону- вання елементів «розумного» бу- динку з незалеж- ним та симбіотич- ним керуванням енергією в Fuji- sawa Sustainable Smart Town ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 6 71 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ня кваліфікації) відповідних кадрів. В Інсти- туті розроблено 120-годинний дистанційний лекційний курс з теплофізичної інженерії. До його викладання можна залучити фахів- ців з інших інститутів Відділення фізико-тех- нічних проблем енергетики НАН України, а об’єднавчою інституцією може стати Комітет з енергоефективності при Торгово-промисловій палаті України (або УСПП України чи Комі- тет Держенергоефективності України). Осно- ву занять становитиме ознайомлення з екс- периментальними стендами і технологічними установками, новітніми інноваційними напра- цюваннями, а також світовими досягненнями фундаментальної енергетичної інженерії. Курс розрахований на широке коло слухачів, охочих підвищити свою кваліфікацію з енергетики і енергоефективності, зокрема держслужбовців обласних і районних адміністрацій, викладачів енергетичних спеціальностей у закладах вищої освіти, представників енергетичного бізнесу тощо. Заклади вищої освіти також мають удо- сконалити роботу з підготовки фахівців за спе- ціальностями «енергоефективність», «енер- гоефективність будівель», «енергоаудит», «енергомоніторинг», «енергоменеджмент». А вся наукова сфера країни повинна постійно пропагувати енергоощадний стиль життя кож- ного громадянина і суспільства в цілому як до- мінанту стійкого розвитку. REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Energy Statistics Data Browser. IEA, 2022. https://www.iea.org/data-and-statistics/data-tools/energy-statistics- data-browser?country=UKRAINE&fuel=Energy%20consumption&indicator=TFCShareBySector 2. Kyrylenko O.V., Snezhkin Y.F., Basok B.I., Bazyeev Y.T. Ukraine’s energy: probable scenarios of recovery and develop- ment. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2022. (9): 22—37. https://doi.org/10.15407/visn2022.09.022 [Кириленко О.В., Снєжкін Ю.Ф., Басок Б.І., Базєєв Є.Т. Енергетика України: ймовірні сценарії відновлення та розвитку. Вісник НАН України. 2022. № 9. С. 22—37.] 3. Kyrylenko O.V., Snezhkin Y.F., Basok B.I., Bazyeev Y.T. Energy, science and engineering: current state and develop- ment challenges. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (4): 3—20. https://doi.org/10.15407/visn2023.04.003 [Кириленко О.В., Снєжкін Ю.Ф., Басок Б.І., Базєєв Є.Т. Енергетика, наука та інженерія: сучасний стан і ви- клики розвитку. Вісник НАН України. 2023. № 4. С. 3—20.] 4. Ministry for Communities and Territories Development of Ukraine. https://www.slideshare.net/rstofficial/ ltrs10082022pdf [Міністерство розвитку громад та територій України. Офіс підтримки реформ. Презентація Довгострокової стратегії термомодернізації до 2050 року.] 5. Basok B.I., Nakorchevsky A.I. Teplofizika vliyaniya solnechnogo izlucheniya na zdaniya (Thermal physics of the influ- ence of solar radiation on buildings). Kyiv: Naukova Dumka, 2016. [Басок Б.И., Накорчевский А.И. Теплофизика влияния солнечного излучения на здания. Київ: Наукова думка, 2016.] 6. Basok B., Davydenko B., Koshlak H., Novikov V. Free Convection and Heat Transfer in Porous Ground Massif during Ground Heat Exchanger Operation. Materials. 2022. 15(14): 4843. https://doi.org/10.3390/ma15144843 7. Basok B., Davydenko B., Pavlenko A.M. Numerical network modeling of heat and moisture transfer through capillary porous building materials. Materials. 2021. 14(8): 1819. https://doi.org/10.3390/ma14081819 8. Avramenko A.O., Basok B.I., Davydenko B.V. Termohidrodynamichna nestiykist u teplovykh protsesakh (Thermohydro- dynamic instability in thermal processes). Kyiv: Naukova Dumka, 2022. [Авраменко А.О., Басок Б.І., Давиденко Б.В. Термогідродинамічна нестійкість у теплових процесах. Київ: На- укова думка, 2022.] 9. Karp I.M., Nikitin E.E., Basok B.I. et al. Stan ta shlyakhy rozvytku system tsentralizovanoho teplopostachannya v Ukray- ini (The state and ways of development of centralized heat supply systems in Ukraine). Vol. 2. Kyiv: Naukova Dumka, 2022. [Карп І.М., Нікітін Є.Є., Басок Б.І. та ін. Стан та шляхи розвитку систем централізованого теплопостачання в Україні. T. 2. Київ: Наукова думка, 2022.] 72 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (6) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 10. Basok B.I., Novoseltsev O.V., Dubovskyi S.V., Bazyeev Y.T. Teplozabezpechennya naselenykh punktiv. Enerhoe- fektyvnistʹ, innovatsiyi, enerhomenedzhment (Heat supply of settlements. Energy efficiency, innovations, energy man- agement). Kyiv: Naukova Dumka, 2020. [Басок Б.І., Новосельцев О.В., Дубовський С.В., Базєєв Є.Т. Теплозабезпечення населених пунктів. Енергоефек- тивність, інновації, енергоменеджмент. Київ: Наукова думка, 2020.] 11. Basok B.I., Bazyeev Y.T., Dubovskyi S.V. Enerhetyka ta hlobalʹne poteplinnya (Energy and global warming). Kyiv: Naukova Dumka, 2021. [Басок Б.І., Базєєв Є.Т., Дубовський С.В. Енергетика та глобальне потепління. Київ: Наукова думка. 2021.] 12. Вasok B.I., Davydenko B.V., Koshlak H.V., Lysenko O.M. Influence of the heat insulation layer on the thermal- ly stressed condition of the facade wall. Production Engineering Archives. 2022. 28(2): 123—131. https://doi. org/10.30657/pea.2022.28.14 13. Basok B., Davydenko B., Novikov V. et al. Evaluation of Heat Transfer Rates through Transparent Dividing Struc- tures. Energies. 2022. 15(13): 4910. https://doi.org/10.3390/en15134910 14. Вasok B.I., Davydenko B.V., Kuzhel LM. et al. Teploperedacha cherez vikonni konstruktsiyi (Heat transfer through window structures). Kyiv: Naukova Dumka, 2022. [Басок Б.І., Давиденко Б.В., Кужель Л.М. та ін. Теплопередача через віконні конструкції. Київ: Наукова думка, 2022.] 15. Basok B., Bozhko I., Novitska M., Nedbailo A., Tkachenko M. Numerical modeling and experimental studies of the operational parameters of the earth-to-air heat exchanger of the geothermal ventilation system. Rocznik Ochrona Środowiska. 2021. 23: 42—64. https://doi.org/10.54740/ros.2021.003 16. Basok B., Pavlenko A., Bozhko I. et al. Analysis of the Energy Efficiency of the Earth-To-Air Heat Exchanger. Rocznik Ochrona Środowiska. 2022. 24: 202—213. https://doi.org/10.54740/ros.2022.015 17. Nedbailo O., Basok B., Bozhko I., Novitska M. Energy Saving through Automation of the Lightweight Floor Heating System. Civil Engineering and Architecture. 2023. 11(2): 930—938. https://doi.org/10.13189/cea.2023.110229 18. Bringing energy to life. Fujisawa Sustainable Smart Town. 2023. https://fujisawasst.com/EN/wp_en/wp-content/ themes/fujisawa_sst/pdf/FSST-ConceptBook.pdf Boris I. Basok Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8935-4248 FUNDAMENTAL THERMOPHYSICAL ENGINEERING OF BUILDINGS IN THE CONTEXT OF RECOVERY OF UKRAINE According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, April 5, 2023 The report analyzes the experience of the Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine in conducting the works in the area of fundamental thermophysical engineering of buildings and structures with the aim of bringing them to the state of passive buildings, “zero energy” buildings, “smart” buildings providing that their energy sustainabil- ity is increased and greenhouse gas emissions are minimized. The results of these studies are aimed at solving urgent and strategically important scientific and technical problems related to a significant increase in the energy efficiency of exist- ing, reconstructed and newly constructed buildings and structures of Ukraine in accordance with the requirements of the EU energy and climate legislation. Cite this article: Basok B.I. Fundamental thermophysical engineering of buildings in the context of recovery of Ukraine. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (6): 62—72. https://doi.org/10.15407/visn2023.06.062

Фундаментальна теплофізична інженерія будівель у контексті відновлення України (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 5 квітня 2023 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси