Vengryn I. Energy efficient solar systems integrated into translucent building facades

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0825U000564

Thesis Registration Form

0825U000564.pdf

Applicant for

Iryna Vengryn

Specialization

192 - Будівництво та цивільна інженерія

Date of defense

20-05-2022

Specialized Academic Board

PhD 5

Lviv Polytechnic National University

Essay

The dissertation work is devoted to the improvement of solar energy supply systems to increase the efficiency of the fuel and energy complex in Ukraine. The prospects of integrating elements of the solar energy supply system into the design of translucent facades of buildings are shown. The design of a thermal and photovoltaic hybrid solar collector (TРHSC) has been developed, studies of thermal and electrical processes have been performed based on a computer and mathematical model of the proposed design. Graphical and analytical dependencies have been obtained for calculating the total annual solar radiation arriving at the vertical facades of buildings and structures depending on the geographical latitude and orientation of the facade relative to the cardinal points. A computer model of the TРHSC has been described, which made it possible to establish the transmittance of unpolarized radiation for the system of transparent coatings of the TРHSC design depending on the angle of radiation arrival. The influence of wind flow on the change in energy parameters of TРHSC was investigated. It was established that TРHSC designs with selective coating at low wind speeds are characterized by increased stability. It was confirmed that the average thermal efficiency of the proposed design with ordinary glass reaches 16%, and with selective coating – 20%. It was shown that the thermal efficiency of TРHSC when solar radiation falls at a right angle to the sun-absorbing surface has a variable nature under conditions of different coolant flow. It was experimentally determined that the generation of electrical energy in TРHSC is more efficient when the photovoltaic cells are located at a distance of 0.2 m from the rear surface of the thermal solar collector, with a small loss of thermal energy compared to distances of 0 m and 0.4 m. A nomogram was constructed to determine the thermal efficiency in the TРHSC design with selective coating, which takes into account the intensity of the simulated flow of thermal energy emitted by the source; the angle between the receiving surface and the projection of the direction of the heat flow in the vertical plane of the structure; the coolant flow rate in the solar energy supply system; the distance at which the photovoltaic solar collector is located from the plane of the back side of the heat absorber of the thermal solar collector. The full heat transfer coefficient of thermal losses of TРHSC was determined, the average value of which in the absence of selective coating is 9 W/(m2°C), and in its presence - 7 W/(m2°C). The level of illumination in the room with TРHSC integrated into the translucent facade of the building was analyzed depending on the proportion of shading of the solar-absorbing surface, the area and angle of rotation of the photovoltaic solar collector. The obtained values of the coefficient of natural lighting correspond to the normalized indicators for civil buildings. A regression equation was obtained to determine the amount of thermal energy that a consumer can receive when using a solar thermal system based on a TРHSC design with a selective coating. The methodology and algorithm for engineering calculation of solar systems with TРHSC design are described, and their technical and economic analysis is conducted. The proposed method made it possible to calculate the hourly temperature in the tank for accumulating thermal energy at different times of the year, the thermal efficiency of the TРHSC design in the mode of forced and natural circulation of the coolant and the sun-receiving area of the TРHSC, thermal and electrical efficiency. The temperature of the coolant in the tank for accumulating thermal energy in a solar thermal system containing a TРHSC design with a selective coating is 6% higher than with conventional glass. The described engineering calculation methodology for determining the parameters of the solar energy supply system comprehensively takes into account the conditions of its operation. A graphical dependence of the cost of the TРHSC design with selective coating and installed equipment depending on the area of the translucent facade of the building was obtained. The TРHSC design was estimated using the net cash flow parameter, which allows calculating the absolute value of the effect from the implementation of the translucent facade with TРHSC. The proposed solar systems for a single-family house have a payback period of no more than 10 years. Practical recommendations for TРHSC using were developed and the environmental feasibility of their installing was substantiated. A TРHSC design was proposed, containing a roller shutter photovoltaic solar collector located in front of an external double-glazed window of a conventional type and an internal double-glazed window of an energy-saving type with selective coating. A TРHSC design was developed with built-in photovoltaic modules located on slats that can rotate around their axis.

Thesis supervisor

Stepan Shapoval

Official opponents

Ihor Redko
Serhiy Korobka

Reviewers

Volodymyr Labay
Marta Kuznetsova

Research papers

1. Shapoval, S., Zhelykh, V., Venhryn, I., Kozak, Kh., Krygul, R. (2019). Theoretical and experimental analysis of solar enclosure as part of energy efficient house. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2/8(98), 38-45

2. Shapoval, S., Zhelykh, V., Venhryn, I., Kozak, K. (2020). Simulation of thermal processes in the solar collector which is combined with external fence of an energy efficient house. Lecture Notes in Civil Engineering, 47, 510-517

3. Zhelykh, V., Venhryn, I., Kozak, K., Shapoval, S. (2020). Solar collectors integrated into transparent facades. Production Engineering Archives, 26(3), 84-87.

4. Shapoval, S., Venhryn, I., Kozak, K., Klymenko, H. (2021). Clarification of thermal characteristics of the solar collector integrated into transparent facade. Lecture Notes in Civil Engineering, 100, 402-408.

5. Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2014). Перспективи використання сонячної енергії на території України. Молодий вчений, 7(10), 21-24.

6. Shapoval, S., Zhelykh, V., Gulai, B., Venhryn, I., Shepitchak, V. (2018). Еnergy efficiency of heating systems using solar windows. Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym, 7, 65-70.

7. Zhelykh, V., Kapalo, P., Shapoval, S., Venhryn, I., Kozak, K. (2019). Experimental determination of the efficiency of the solar collector integrated into the light transparent building facade. Journal of Civil Engineering, 14(2), 31-38.

8. Возняк, О. Т., Шаповал, С. П., Пона, О. М., Венгрин, И. И. (2014). Влияние направления и скорости воздушного потока на работу солнечного коллектора без прозрачного покрытия. Строительство и техногенная безопасность, 50, 49-52.

9. Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2014). Аспекти використання традиційних та нетрадиційних джерел енергії на території України. Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві, 2, 155-160.

10. Voznyak, O., Shapoval, S., Pona, O., Vengryn, I. Combined solar collector (2014). Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва, 781, 212-215

11. Желих, В. М., Омельчук, О. В., Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2015). Енергетичний потенціал сонячної радіації на території України. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва, 823, 117-121.

12. Ulewicz, M., Zhelyh, V., Shapoval, S., Spodyniuk, N., Vengryn, I. (2016). Comparison of efficient of the combined solar collector for energy-efficient buildings for different modes of operation. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Теорія і практика будівництва, 844, 352-355.

13. Желих, В. М., Венгрин, І. І., Шаповал, С. П., Касинець, М. Є., Козак, Х. Р., Пашкевич, В. З. (2018). Системи сонячного теплопостачання інтегровані в світлопрозорі фасади будівель. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання, 26, 62-68.

14. Венгрин, І., Шаповал, С. (2019). Інтенсивність сонячної радіації у місті Львові. Енергоефективність в будівництві та архітектурі, 12, 77-84.

15. Венгрин, І. (2019). Дослідження сонячних колекторів, інтегрованих в конструкцію скляного фасаду будівлі/споруди: необхідність та особливості. Theory and Building Practice, 1(1), 38-46.

16. Venhryn, I., Shapoval, S., Furdas, Y., Kasynets, M., Piznak, B. (2020). Thermal efficiency analysis of solar heat supply unit combined with glass facade of building. Energy engineering and control systems, 6(1), 1-6.

17. Shapoval, S., Zhelykh, V., Venhryn, I., Myroniuk, K., Gensetskyi, M. (2020). Examination of the thermal efficiency of the solar collector integrated into the light transparent building facade. Theory and Building Practice, 2(1), 30-37.

18. Желих, В. М., Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2015). Патент України 98778. Київ: Державне патентне відомство України.

19. Венгрин, І. І., Шаповал, С. П., Возняк, О. Т., Касинець, М. Є., Фурдас, Ю. В. (2020). Патент України 143415. Київ: Державне патентне відомство України.

20. Шаповал, С. П., Желих, В. М., Юркевич, Ю. С., Венгрин, І. І., Козак, Х. Р. (2020). Патент України 143997. Київ: Державне патентне відомство України.

21. Желих, В. М., Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2014). Потенціал променистої енергії в Україні та її використання для низькотемпературних сонячних колекторів, 3-й міжнародний конгрес «Захист навколишнього середовища. Енергоощадність. Збалансоване природокористування». Львів.

22. Венгрин, І. І. (2014). Перспективи використання систем сонячного теплопостачання на території України, 72-а студентська науковотехнічна конференція. Львів

23. Венгрин, І. І., Шаповал, С. П. (2014). Сонячний потенціал в Україні, Міжнародна науково-практична виставка-конференція молодих учених та студентів «Інновації в будівництві». Луцьк.

24. Пона, О. М., Венгрин, І. І., Шаповал, С. П. (2014). Підвищення енергоефективності покриття будівель, Матеріали Всеукраїнської конференції молодих учених і студентів «Проблеми сучасного будівництва». Полтава.

25. Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2014). Потенціал вітрової енергії на території України, Матеріали ХІ міжнародної наукової інтернетконференції «Сучасність. Наука. Час. Взаємодія та взаємовплив». Київ.

26. Желих, В. М., Шаповал, С. П., Венгрин, І. І. (2015). Вплив термічного опору зовнішнього захищення на кількість тепла від сонячної радіації, що надходить в приміщення, Збірник наукових праць 8-ої МНПК «Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії, як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні». Львів.

27. Венгрин, І. І. (2015). Ефективність використання комбінованих систем сонячного теплопостачання для будівель на території України, 73-тя студентська науково-технічна конференція: збірник тез доповідей. Львів.

28. Ulewicz, M., Zhelykh, V., Shapoval, S., Spodyniuk, N., Vengryn, I. (2016). Comparison of efficient of the combined solar collector for energy-efficient buildings for different modes of operation, Матеріали міжнар. наук.-техн. конф. «ЕкоКомфорт». Львів: НУ «Львівська політехніка».

29. Шаповал, С. П., Желих, В. М., Венгрин, І. І. (2017). Застосування геліовікна для сонячного теплопостачання, 9-та МНПК «Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії, як альтернативні первинним джерелам енергії в регіоні». Львів.

30. Venhryn, I., Zhelykh, V., Shapoval, S. (2020). Thermal efficiency of the solar collector integrated into translucent facade, VI Międzynarodowa Konferencja «Innowacyjne pomysły młodych naukowców. Przemysł: Nauka-Startup».

31. Венгрин, І. І., Шаповал, С. П., Желих, В. М., Шепітчак, В. Б. (2020). Дослідження енергетичних характеристик теплового та фотоелектричного гібридного сонячного колектору, Міжнародна науковопрактична конференція «Екологія. Ресурси. Енергія». Київ.

0825U000565

Volodymyr Hidei

Composite systems using thermally activated wastepaper for road construction

0825U000575

Oksana Rykhlitska

Concretes with enhanced performance properties based on recycled concrete aggregates

0825U000563

Oliksyy Vollis

Road cationic bitumen emulsions on orthophosphoric acid with improved properties

0825U000571

Vasylyna Hula

Load-bearing capacity, deformability and durability of bending glass plates

0824U003561

Serhii Hrybeniuk

Rationalization of a unified constructive pedestrian safety system