Пiдтримання параметрiв мiкроклiмату альтернативними джерелами енергiї в однородинному житловому будинку в м. Смiла Черкаської областi

Abstract

В магістерській роботі здійснюється проєктування сучасних енергоощадних систем забезпечення мікроклімату однородинного житлового будинку в м. Сміла Черкаської обл. за допомогою відновлювальних джерел енергії. Джерелом теплопостачання на потреби опалення і гарячого водопостачання є чотири водяні плоскі сонячні колектори Viessman Vitosol 100-FM з оптичним ККД – 0,817 і коефіцієнтом тепловтрат 4,64 Вт/(м 2 ? ?), що розміщений на південній стороні даху будинку, вітрогенератор Altek EW 10 000 з Pmax = 10 кВт•год та, як пікові, газовий настінний котел із відкритою камерою згоряння Vaillant atmoTEC plus VU 280/5-5 теплопродуктивністю 28 кВт і твердопаливний котел (як резервний) Attack F6DA теплопродуктивністю 30 кВт. Система опалення запроєктована горизонтальна двотрубна тупикова з нижнім розведенням магістралей. Теплоносієм є вода з параметрами 55 ? в подаючій магістралі і 45 ? у зворотній магістралі. Нагрівальні прилади є сталеві панельні радіатори моделі Vonova з боковим підключенням фірми Purmo. Трубопроводи систем опалення монтуються з металопластикових труб, прокладаються в конструкції підлоги в термоізоляції Thermaflex товщиною від 6 мм до 9 мм. Вентиляція будинку є припливно-витяжна з природним спонуканням повітря. Витяжка повітря здійснюється через внутрішньостінові вентиляційні канали кухонь та санвузлів, а приплив повітря відбувається у житлових кімнатах через вікна та місцеві припливно-витяжні установки з рекуперацією тепла PRANA. Відведення продуктів згорання газу від котла та 3 твердопаливного котла відбувається через димохід O130 мм у цегляні димові канали 140 x 270 мм, внутрішні стінки яких захищаються коробом із оцинкованої сталі товщиною 0,8 мм. Система гарячого водопостачання отримує тепло з теплового акумулятора, який, в свою чергу, отримує тепло з настінного газового котла, твердопаливного котла, сонячних теплових колекторів та вітрогенератора. У науковій частині роботи представлено та досліджено вдосконалену конструкцію комбінованого сонячного колектора, що поєднує функції покрівельного елемента будівлі та сонячного поглинача. Метою дослідження є підвищення ефективності перетворення сонячної енергії та зниження вартості виготовлення колектора за рахунок заміни традиційного прозорого покриття на доступніший, міцніший та технологічно простіший гофрований покрівельний матеріал. Запропоновано інноваційне інженерне рішення, яке дозволяє акумулювати тепло, що зазвичай втрачається через покрівлю будівель. Проведено експериментальні дослідження впливу просторової орієнтації колектора та інтенсивності сонячного випромінювання на його енергоефективність. Розроблено тривимірну матрицю планування експерименту та побудовано рівняння регресії, що характеризує взаємозв’язок між кутами орієнтації та коефіцієнтом корисної дії. Результати показали, що навіть при зниженні кутів інсоляції до 30°, конструкція демонструє стабільну ефективність, зменшуючи втрати теплової енергії лише на 45,5?%. Розроблена номограма дозволяє здійснювати швидкий аналіз і оптимізацію положення колектора. Запропонований колектор може ефективно використовуватись у системах геліотеплопостачання, поєднуючи енергоефективність із конструктивною простотою та економічною доцільністю. Об’єкт дослідження – однородинний житловий будинок в м. Сміла Черкаської обл. Предмет дослідження – Системи мікроклімату однородинного житлового будинку в м. Сміла, Черкаської області, зокрема система 4 опалення, вентиляції, кондиціювання та гарячого водопостачання, спроєктовані з використанням відновлюваних джерел енергії. Мета дослідження – Розробка енергоефективної системи мікроклімату для однородинного житлового будинку з урахуванням місцевих кліматичних умов, санітарно-гігієнічних вимог та техніко-економічного обґрунтування використання відновлюваних джерел енергії, таких як сонячні колектори, теплові насоси, фотопанелі та газовий котел резервного живлення.

This master’s thesis presents the design of modern energy-efficient microclimate systems for a single-family residential building in Smila, Cherkasy region, using renewable energy sources. The heat supply for space heating and domestic hot water is provided by four Viessmann Vitosol 100-FM flat-plate solar collectors with an optical efficiency of 0.817 and a heat loss coefficient, installed on the southern side of the house roof; an Altek EW 10,000 wind turbine with a maximum output of 10 kWh; a peak-load wall-mounted gas boiler with an open combustion chamber (Vaillant 6 atmoTEC plus VU 280/5-5) with a thermal output of 28 kW; and a solid fuel boiler (used as a backup) – Attack F6DA with a thermal output of 30 kW. The heating system is designed as a horizontal two-pipe dead-end layout with bottom distribution of mains. The heat carrier is water with specified temperatures in the supply and return pipelines. The heating devices are Purmo Vonova steel panel radiators with side connections. The heating system pipes are made of multilayer plastic and are laid within the floor construction with Thermaflex thermal insulation 6 to 9 mm thick. The building’s ventilation system is a supply-exhaust system with natural air induction. Air is extracted through in-wall ventilation ducts located in the kitchens and bathrooms, and fresh air enters the living rooms through windows and local supply-exhaust units with heat recovery (PRANA). Combustion products from the gas and solid fuel boilers are discharged through a O130 mm flue into brick chimneys (140 x 270 mm), with the inner walls protected by a galvanized steel casing 0.8 mm thick. The domestic hot water system receives heat from a thermal accumulator, which in turn is powered by the wall-mounted gas boiler, solid fuel boiler, solar thermal collectors, and wind turbine. The scientific section of the thesis presents and studies an improved design of a combined solar collector that integrates the function of a roofing element and a solar absorber. The research aims to improve solar energy conversion efficiency and reduce manufacturing costs by replacing the traditional transparent cover with a more affordable, durable, and technologically simple corrugated roofing material. An innovative engineering solution is proposed, allowing heat typically lost through the building roof to be captured. Experimental studies analyzed the influence of collector orientation and solar radiation intensity on energy efficiency. A three-factor experimental design matrix was developed, and a regression equation was established to illustrate the relationship between orientation angles and efficiency. The results showed that even with solar angles reduced to 30°, the collector maintained stable performance, with energy losses limited to 45.5%. A 7 nomogram was created to provide visual analysis and optimization of the collector’s spatial positioning. The proposed collector demonstrates high potential for use in solar thermal supply systems, combining energy efficiency, mechanical durability, structural simplicity, and economic feasibility. Research Object – A single-family residential building in Smila, Cherkasy region. Research Subject – Microclimate systems in the single-family residential building in Smila, including heating, ventilation, air conditioning, and domestic hot water systems designed using renewable energy sources. Research Goal – Development of an energy-efficient microclimate system for a single-family house, considering local climate conditions, sanitary and hygiene requirements, and technical and economic feasibility of renewable energy sources, such as solar collectors, heat pumps, photovoltaic panels, and a backup gas boiler.