Климат-адаптивные конструкции и системы конструктивного энергосбережения в экстремальных климатических и арктических условиях зданий жилого, общественного и производственного назначения, а также жизнеобеспечивающих сооружений особой важности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-10283

НазваниеКлимат-адаптивные конструкции и системы конструктивного энергосбережения в экстремальных климатических и арктических условиях зданий жилого, общественного и производственного назначения, а также жизнеобеспечивающих сооружений особой важности

Руководитель Немова Дарья Викторовна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-110 - Проектирование зданий и сооружений, строительство эксплуатация

Ключевые слова энергоэффективность, строительство, энергетика, ресурсосбережение, конструктивное энергосбережение, охрана окружающей среды, ограждающие конструкции, климат-адаптивных конструкции, энергомоделирование, зеленое строительство

Код ГРНТИ67.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Сформулированная в предыдущем пункте научная проблема представляется членам научного коллектива комплексной, актуальной и прорывной. Исследование создает предпосылки для формирования новых научных направлений в: - строительстве (управление процессами тепломассопереноса в климат-адаптивных конструкциях и системах конструктивного энергосбережения, исследование существующих и разработка новых климат-адаптивных конструкций и систем конструктивного энергосбережение, управление их теплотехническими свойствами, повышение энергоэффективности зданий и сооружений), - энергетике (сокращение потребления топливно-энергетических ресурсов для энергетического обеспечения зданий), - охране окружающей среды (статистическо-экономическое оценивание сохранения окружающей среды при сокращении объемов потребления ТЭР за счет повышения энергоэффективности зданий) - освоении новых территорий (арктических и с экстремальными климатическими условиями, оценка и разработка систем, способных максимально эффективно работать в данных условиях, создание многофакторных математических моделей, учитывающих экстремальные климатические условия при проектировании и строительстве энергоэффективных зданий жилого, общественного и производственного назначения, а также жизнеобеспечивающих сооружений особой важности и сооружений в арктических территориях) АКТУАЛЬНОСТЬ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ Развитие современной техники и технологии в энергетике, строительстве и охране окружающей среды неразрывно связано с решением целого ряда важнейших фундаментальных задач. Одной из этих задач является исследование существующих и разработка новых эффективных климат-адаптивных конструкций и систем конструктивного энергосбережения, исследование процессов тепломассопереноса в таких конструкциях и системах. Климат-адаптивные конструкции и системы зданий, а также их отдельные элементы способны частично или полностью менять режим работы, функции или даже агрегатное состояние в зависимости от соответствующих климатический условий, времени года и даже температурных колебаний в течение суток. Примерами климат-адаптивных конструкций и систем являются фасадные конструкции с изменяемыми (адаптивными) направлениями движения потоков воздуха, фасады с буферными зонами, имеющие различные варианты режима работы в зависимости от условий, системы двойных фасадов, динамические фасады, фасады, интегрированные с системами вентиляции, термокаркасные конструкции, конструкции с применением PCM материалов (материалы с фазовым переходом) и др. При правильном проектном подходе, такие системы и конструкции способны эффективно работать не только в стандартных, но и в экстремальных климатических, и в частности, в арктических климатических условиях (большие температурные перепады, длительная продолжительность отопительного периода) и позволяют экономить материальные и энергетические ресурсы, а также имеют высокий потенциал для энергосбережения. Функционирование типовых систем конструктивного энергосбережения современных зданий напрямую связаны с большими энергозатратами на перемещение значительных объемов воздушных масс и поддержание требуемых параметров микроклимата (влажность, температура, концентрация углекислого газа). Они проектируются, как правило, с применением низкоэффективного механического оборудования, требуют дополнительного выделения полезных площадей для размещения, обслуживания и проведения соответствующих регламентных мероприятий по их техническому обслуживанию. Для функционирования таких низкоэффективных систем затрачивается большое количество невозобновляемых энергоресурсов, применение которых влечет за собой систематическое загрязнение окружающей среды. Одним из подходов к решению представленной проблемы является возможность применения и разработки энергоэффективных ограждающих конструкций, в основе которых лежит принцип рекуперации энергии за счет рационального использования энергии естественно конвективных потоков и солнечного излучения, применения конструкций с новыми видами утеплителей, таких как аэрогель для базовых и экстремальных климатических, а также арктических условий. С технической точки зрения, в настоящее время климат-адаптивные конструкции и системы конструктивного энергосбережения имеют потенциал для усовершенствования, так, результаты которые будут получены в рамках проекта, создадут прецедент к последующей модернизации и разработки усовершенствованных систем климат-адаптивных конструкций и систем конструктивного энергосбережения. для различных условий эксплуатации. Таким образом, необходимы научно-обоснованные разработки новых типов новых климат-адаптивных конструкций и систем конструктивного энергосбережения, способных выполнять свои функции в стандартных и в экстремальных климатических и арктических условиях: - новых энергоэффективных ограждающих конструкций, создаваемых с применением аддитивных технологий (методом 3D-печати). Строительная 3D печать по мнению авторов являются наиболее перспективной для отдаленных территорий, в том числе арктических, где нет существующих производств строительных материалов. - новых энергоэффективных ограждающих конструкций с применением новых теплоизоляционных материалов (таких как аэрогель), PCM- материалов - новых энергоэффективных фасадных конструкций, с изменяемыми (адаптивными) направлениями движения потоков воздуха, тройные фасадных системы, фасады интегрированные с системами вентиляции, конструкции, в основе которых лежит принцип рекуперации энергии за счет рационального использования энергии естественно конвективных потоков и солнечного излучения Важной задачей является сокращение объема потребления топливно-энергетических ресурсов за счет повышения энергоэффективности зданий и сооружений [1]-[6]. В настоящее время, климат-адаптивные конструкции и систем конструктивного энергосбережения, установленные на современные здания, проектируются при отсутствие детального моделирования процессов тепломассопереноса внутри системы, что не позволяет достичь оптимальных параметров системы для достижения максимально возможного КПД и отказаться от использования в системе электрических устройств, обеспечивающих ее работу. Для достижения нового качества при проектировании такого рода систем, необходимо использовать подход, связанный с построением максимально приближенных к реальности цифровых моделей [23]-[25]. Основным преимуществом такого подхода является описание эволюции потока во времени и определение локальных характеристик, таких как температура, скорость, давление и т.д. [10]-[19]. Современная вычислительная техника позволяет обеспечить высокий уровень производительности, а развитие численных методов открывает новые возможности для использования подходов математического моделирования при решении фундаментальных и прикладных задач механики жидкости и газа и тепломассопереноса [7]-[10],[15]. Численное моделирование позволяет получить наиболее подробную информацию о течении, нежели экспериментальные исследования. Сроки и стоимость проведения экспериментальных исследований значительно выше, поэтому их проведение необходимо только для валидации и верификации новых математических моделей [4],[5],[13],[14]. Основная цель проекта - разработка математических и вычислительных технологий, позволяющих учитывать все механизмы тепломассопереноса в двумерной и трехмерной постановках, моделировать различные режимы течений (ламинарный, переходный, турбулентный), учитывать многофазность потока и свойства пористых материалов и материалов, претерпевающих фазовый переход. А также разработка новых климат-адаптивных конструкций и систем конструктивного энергосбережения в экстремальных климатических и арктических условиях зданий жилого, общественного и производственного назначения, а также жизнеобеспечивающих сооружений особой важности. Особенно актуальной является энергоэффективность зданий, теплоустойчивость систем конструктивного энергосбережения в экстремальных климатических условий и арктических условий. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Claudio Cianfrini, Massimo Corcione, Emanuele Habib, Alessandro Quintino. Energy performance of a lightweight opaque ventilated facade integrated with the HVAC system using saturated exhaust indoor air. Energy and Buildings. 50, рр. 26-34 (2012) 2. Bratislav Svetozarevic, Moritz Begle, Prageeth Jayathissa, Stefan Caranovic, Robert F. Shepherd, Zoltan Nagy, Illias Hischier, Johannes Hofer and Arno Schlueter. Dynamic photovoltaic building envelopes for adaptive energy and comfort management. Nature Energy. 4, pp. 671–682 (2019). 3. Jun Han, Lin Lu, Jinqing Peng, Hongxing Yang. Performance of ventilated double-sided PV façade compared with conventional clear glass façade. Energy and Buildings. 56, 204-209 (2013). https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.08.017 4. M.I. Nizovtsev, V.N. Letushko, V. Yu. Borodulin, A.N. Sterlyagov. Experimental studies of the thermo and humidity state of a new building facade insulation system based on panels with ventilated channels. Energy & Buildings 206, 109607 (2020) 5. Christina Sanjuan, Maria Nuria Sánchez, Ricardo Enríquez, Maria del Rosario, Heras Celemín. Experimental PIV Techniques Applied to the Analysis of Natural Convection in Open Joint Ventilated Facades. Energy Procedia. Volume 30, 2012, Pages 1216-1225. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2012.11.134 6. Lin Liu, Zhuang Yu, Hui Zhang. Simulation study of an innovative ventilated facade utilizing indoor exhaust air. Solar Energy. 199, 2020, pp. 377-399. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.02.044 7. Sheremet, M.A., Rashidi, M.M. Thermal convection of nano-liquid in an electronic cabinet with finned heat sink and heat generating element. Alexandria Engineering Journal, 60 (3), pp. 2769-2778 (2021). DOI: 10.1016/j.aej.2021.01.013 8. Alsabery, A.I., Hajjar, A., Sheremet, M.A., Ghalambaz, M., Hashim, I. Impact of particles tracking model of nanofluid on forced convection heat transfer within a wavy horizontal channel (2021) International Communications in Heat and Mass Transfer, 122, статья № 105176, . DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105176 9. Bondareva, N.S., Sheikholeslami, M., Sheremet, M.A. The influence of external temperature and convective heat exchange with an environment on heat transfer inside phase change material embedded brick (2021) Journal of Energy Storage, 33, № 102087, . DOI: 10.1016/j.est.2020.102087 10. Luis E. Juanicóa, Alejandro D. Gonzálezb. Thermal insulators with multiple air gaps: Performance, cost and embodied impacts. Journal of Building Engineering. 12, pp. 188–195 (2017) 11. Sebastian Malz, Peter Steininger, Belal Dawoud, Walter Krenkel, Oliver Steffens. On the development of a building insulation using air layers with highly reflective interfaces. Energy & Buildings 236, 110779 (2021) 12. Luis E. Juanicó. Thermal insulation of roofs by using multiple air gaps separated by insulating layers of low infrared emissivity. Construction and Building Materials 230, 116931 (2020) 13. Hou, K., Li, S., Wang, H. Simulation and experimental verification of energy saving effect of passive preheating natural ventilation double skin façade (2021) Energy Exploration and Exploitation, 39 (1), pp. 464-487. DOI: 10.1177/0144598720956288 14. María Nuria Sánchez, Emanuela Giancola, Eduardo Blanco, Silvia Soutullo and María José Suárez. Experimental Validation of a Numerical Model of a Ventilated Façade with Horizontal and Vertical Open Joints. Energies, 13, 146 (2020). doi:10.3390/en13010146 15. Mikhailenko, S.A., Miroshnichenko, I.V., Sheremet, M.A. Thermal radiation and natural convection in a large-scale enclosure heated from below: Building application (2021) Building Simulation, 14 (3), pp. 681-691. DOI: 10.1007/s12273-020-0668-4 16. Rudolf, B. Closed cavity facades and D3 facades: Closed double-skin and triple-skin facades for sustainable buildings [Closed Cavity Fassaden und D3-Fassaden: Geschlossene zwei- und dreischalige Fassaden für nachhaltige Gebäude] (2015) Bauphysik, 37 (4), pp. 244-249. DOI: 10.1002/bapi.201590034 17. Malík, Z. Equivalent thermal conductivity of air in the air cavities of the facade system crossbeam and its effect on the thermal transmittance of the detail compared to the CFD model. (2019) Vytapeni, Vetrani, Instalace, 28 (5), pp. 266-271. 18. Han, J., Lu, L., Yang, H., Cheng, Y. Thermal regulation of PV façade integrated with thin-film solar cells through a naturally ventilated open air channel (2019) Energy Procedia, 158, pp. 1208-1214. DOI: 10.1016/j.egypro.2019.01.309 19. Harnane, Y., Bouzid, S., Brima, A. Air flow thermal and dynamic behavior inside ventilated cavities (2018) International Journal of Automotive and Mechanical Engineering, 15 (3), pp. 5652-5666. DOI: 10.15282/ijame.15.3.2018.19.0434 20. Aketouane, Z., Bah, A., Malha, M., Ansari, O. Effect of emissivity on the thermal behavior of a double wall facade with a closed cavity (2017) Proceedings of 2016 International Renewable and Sustainable Energy Conference, IRSEC 2016, № 7984077, pp. 828-833. DOI: 10.1109/IRSEC.2016.7984077 21. Corral, R., Crespo, J. A hybrid unstructured/spectral method for the resolution of Navier-Stokes equations. Proceedings of the ASME Turbo Expo, 2009. 22. Corral, R., Crespo, J. A harmonic balance method in graphics processing units for vibrating blades. 11th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, ETC 2015; 23. Chereches, E.I., Chereches, M., Alexandru, A., Dima, A., Minea, A.A. Nanoparticles in Ionic Liquids: Numerical Evaluation of Heat Transfer Behavior in Laminar Flow (2020) Heat Transfer Engineering, DOI: 10.1080/01457632.2020.1818372 24. Chereches, E.I., Chereches, M., Minea, A.A., Prado, J.I., Lugo, L. A numerical approach in the assessment of a new class of fluids performance in laminar flow (2019) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 591 (1), № 012044. DOI: 10.1088/1757-899X/591/1/012044 25. Chereches, E.I., Chereches, M., Minea, A.A. A study on specific heat of nanoparticle enhanced fluids (2019) IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 485 (1), № 012006. DOI: 10.1088/1757-899X/485/1/012006

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мусорина Т.А., Заборова Д.Д., Петриченко М.Р., Столяров О.Н. Flexural properties of hogweed chips reinforced cement composites Magazine of Civil Engineering, Musorina, T.A., Zaborova, D.D., Petrichenko, M.R., Stolyarov, O.N. Flexural properties of hogweed chips reinforced cement composites. Magazine of Civil Engineering. 2021. 107(1). Article No. 10709. DOI: 10.34910/MCE.107.9 (год публикации - 2021)
10.34910/MCE.107.9

2. О.В. Аверьянова, В.Я. Ольшевский, Ш.Т. Султанов, Д.Д. Кулигин, Е.Ю. Иванов, Г.А. Емельянов Теплопроводность изделий из экструзионного пенополистирола после десяти лет хранения СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИИ XXI ВЕКА, О.В. Аверьянова, В.Я. Ольшевский, Ш.Т. Султанов, Д.Д. Кулигин, Е.Ю. Иванов, Г.А. Емельянов. Теплопроводность изделий из экструзионного пенополистирола после десяти лет хранения//Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века/ №5, 2021, С. 67-71 (год публикации - 2021)

3. Васильева И.Л., Немова Д.В., Ватин Н.И., Федюк Р.С., Карелина М.И. Climate-Adaptive Façades with an Air Chamber Buildings, Buildings, 2022, 12(3), 366 (год публикации - 2022)
10.3390/buildings12030366

4. Андреева Д.С., Немова Д.В., Котов Е.В. Multi-Skin Adaptive Ventilated Facade: A Review Energies, Andreeva D, Nemova D, Kotov E. Multi-Skin Adaptive Ventilated Facade: A Review. Energies. 2022; 15(9):3447. https://doi.org/10.3390/en15093447 (год публикации - 2022)
10.3390/en15093447

5. Немова Д.В., Бочкарев С.Д., Андреева Д.С. Climate-Adaptive Facades with Automatic Control System Construction of Unique Buildings and Structures, Nemova, D.; Bochkarev, S., Andreeva, D. Climate-Adaptive Facades with Automatic Control; 2022; Construction of Unique Buildings and Structures; 100Article No 10006. doi: 10.4123/CUBS.100.6 (год публикации - 2022)
10.4123/CUBS.100.6

6. Андреева Д.С., Немова Д.В., Котов Е.В. Thermal performance of a multi-skin facade with PV-panel Lecture Notes in Civil Engineering (Springer), Vasileva, I.L.; Nemova, D.V.; Vatin, N.I.; Fediuk, R.S.; Karelina, M.I. Climate-Adaptive Façades with an Air Chamber. Buildings 2022, 12, 366. https://doi.org/10.3390/ buildings12030366 (год публикации - 2022)

7. Немова Д.В, Котов Е.В., Андреева Д.С., Хоробров С.В., Ольшевский В.Я.. Васильева И.Л., Заборова Д.Д., Мусорина Т.А. Experimental Study on the Thermal Performance of 3D-Printed Enclosing Structures Energies, Energies 2022, 15(12), 4230; https://doi.org/10.3390/en15124230 (год публикации - 2022)
10.3390/en15124230

8. Горшков Р., Войлоков И., Сергеев В., Немова Д. Ice formation of the building with a residential pitched roof and a cold attic space at the cold climate in the millionplus city Construction of Unique Buildings and Structures, Construction of Unique Buildings and Structures; 106 Article No 10606. doi: 10.4123/CUBS.106.6 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.106.6

9. Горшков Р., Немова Д., Фролова И. Feasibility study when choosing a temperature schedule for heat load regulation AlfaBuild, Gorshkov, R.; Nemova, D., Frolova I. Feasibility study when choosing a temperature schedule for heat load regulation; 2023; AlfaBuild; Volume 26 Article No 2603. doi: 10.57728/ALF.26.3 (год публикации - 2023)
10.57728/ALF.26.3

10. Гроховская А., Немова Д. Comparative analysis of enclosing facade structures in terms of energy efficiency Lecture Notes in Civil Engineering (год публикации - 2023)

11. Равшанов Р., Абдуллаев З.С., Котов Е.В., Туркманова Ш.Н. Numerical study of the process of unsteady flow in a three-layer porous medium Magazine of Civil Engineering (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.119.2

12. Бабурина, Е.С., Коряковцева Т.А. Выбор добавки для улучшения теплоизоляционных свойств бетона Сборник материалов. Всероссийской конференции. 3–9 апреля 2023 года. Ч а с т ь 1. Санкт-Петербург. 2023, Бабурина, Е.С., Коряковцева Т.А. Выбор добавки для улучшения теплоизоляционных свойств бетона. Инженерно-строительный институт. НЕДЕЛЯ НАУКИ ИСИ. Сборник материалов. Всероссийской конференции. 3–9 апреля 2023 года. Ч а с т ь 1. Санкт-Петербург. 2023. (год публикации - 2023)

13. Моисеева Е.В., Немова Д.В. Экономическая эффективность использования теплоизоляции на основе аэрогеля в зданиях Сборник материалов Всероссийской конференции. 3–9 апреля 2023 года. Часть 1. Санкт-Петербург. 2023 (год публикации - 2023)

14. Котлярская Ирина Леонидовна, Ватин Николай Иванович, Немова Дарья Викторовна Thermal Characteristics of a Modular Additive Enclosing Structure Lecture Notes in Civil Engineering, Proceedings of MPCPE 2022, Lecture Notes in Civil Engineering, 335 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-30570-2_4

15. Котов Е.В.; Немова, Д.; Сергеев В.; Донцова А.; Коряковцева Т.; Андреева, Д. Thermal Performance Assessment of Aerogel Application in Additive Construction of Energy-Efficient Buildings Sustainability, Sustainability 2024, 16(6), 2398 (год публикации - 2024)
10.3390/su16062398

16. Татьяна Коряковцева, Анна Донцова, Дарья Немова Mechanical and thermal properties of an energy efficient cement composite incorporating silica aerogel Buildings, Buildings 2024, 14(4), 1034 (год публикации - 2024)
10.3390/buildings14041034

17. Горшков А.; Тютюнников А.; Немова, Д.; Андреева, Д.; Ольшевский В. The heat flow rejection from double skin facade buffer zones by aeration Construction of Unique Buildings and Structures, Construction of Unique Buildings and Structures; 109 Article No 10904 (год публикации - 2023)
10.4123/CUBS.109.4

18. Кокая Д.В., Заборова Д. Д.Коряковцева (Мусорина) Т.А. Environmental analysis of residential exterior wall construction in temperate climate Magazine of Civil Engineering, Magazine of Civil Engineering. 2023. 124(8). Article no. 12410 (год публикации - 2023)
10.34910/MCE.124.10

19. Мусорина Т.А., Заборова Д. Д. Environmental and energy-efficiency considerations for selecting building envelopes Sustainability, Zaborova D, Musorina T. Environmental and Energy-Efficiency Considerations for Selecting Building Envelopes. Sustainability. 2022; 14(10):5914. https://doi.org/10.3390/su14105914 (год публикации - 2022)
10.3390/su14105914

Публикации