Жилой фонд советского периода, широко представленный зданиями, возведёнными в 1950–1990-е годы, сегодня сталкивается с вызовами времени. Эти строения ещё не достигли критической стадии физического износа, однако их моральное устаревание и несоответствие современным стандартам энергоэффективности становятся всё более очевидными. Построенные в эпоху иных норм тепловой защиты, они демонстрируют значительные потери тепла, что делает актуальным вопрос об их модернизации.

Современные нормативные требования диктуют необходимость повышения теплозащиты ограждающих конструкций зданий, стремясь к снижению энергопотребления и созданию комфортного микроклимата внутри помещений. Достижение нормативных показателей сопротивления теплопередаче требует применения дополнительных теплоизоляционных материалов и систем. В рамках реконструкции зданий массовой застройки широко применяются технологии «мокрого фасада» и навесные фасадные системы. При этом наружное утепление стен признается наиболее эффективным методом, позволяющим минимизировать тепловые потери, оптимизировать тепловой баланс и улучшить микроклимат в существующих зданиях.

В городе Луганске Российской Федерации всё бóльшую популярность приобретают современные отечественные теплоизоляционные материалы [1, 2]. Данные утеплители выделяются высокими эксплуатационными показателями: низкими показателями теплопроводности и малым уровнем горючести. При выборе материалов для утепления зданий приоритет отдаётся качеству и эффективности, и российские производители уверенно занимают лидирующие позиции в этой сфере, обеспечивая надёжность тепловой изоляции и её соответствие современным требованиям.

Для расчёта тепловых потерь системы отопления предложена математическая модель тепловлагопереноса в четырёхслойной ограждающей конструкции с учётом изменения влажности материалов в процессе эксплуатации. Она основывается на законе теплопроводности и законах диффузии пара и влагопроводности в капиллярно-пористых средах. Данная модель лежит в основе методики моделирования теплотехнических характеристик четырёхслойной ограждающей конструкции с учётом изменения влажности теплоизоляционных материалов в процессе эксплуатации для прогнозирования тепловых потерь системы отопления.

Методика моделирования реализована в программном комплексе COMSOL Multiphysics 6.2 [3], в котором с помощью интерфейсов Heat Transfer in Building Materials и Moisture Transport in Building Materials построена имитационная модель теплотехнических характеристик четырёхслойной ограждающей конструкции для прогнозирования тепловых потерь систем отопления для климатических параметров Луганска [4–5].

Проведены исследования теплотехнических характеристик и тепловых потерь систем отопления жилых зданий массовой застройки с теплоизоляционным материалом «Пеноплекс Комфорт». Для оценки точности расчётов по предложенной методике использованы результаты тепловизионного обследования теплотехнического состояния наружных ограждающих конструкций для эксплуатируемых в Луганске жилых зданий.

Основной раздел

С помощью COMSOL Multiphysics созданы имитационные модели фрагмента стен жилого кирпичного и панельного зданий, утеплённого с помощью теплоизоляционного материала и покрытого штукатурным слоем. Результатом проведённого компьютерного моделирования являются характеристики энергозащищённости в зависимости от условий эксплуатации, полученные при одновременном действии тепла и влаги внутри стены при нестационарном режиме работы ограждающей конструкции.

Модель конструкции стены состоит из слоёв ограждающей конструкции. Граничными условиями являлась температура внутри и снаружи конструкции. На внутренней и внешней стенках для температуры поставлены граничные условия третьего рода, в остальных случаях — первого рода. Конструкция наружной стены кирпичного дома со слоем теплоизоляционного материала показана на рис. 1а.


Рис. 1. Кирпичное здание массовой застройки, утеплённое теплоизоляционным материалом «Пеноплекс Комфорт» (а — фото здания, б — термограмма здания)

Внешняя термограмма тепловизионного обследования фасада здания с четырёхслойной ограждающей конструкцией представлена на рис. 1б. Фактическая температура на поверхности фронтальных и торцевых стен, утеплённых теплоизоляционным материалом, колеблется в пределах −9,5…-9,3°C. По результатам компьютерного моделирования температура на внешней поверхности равна −9,6°C.

В табл. 1 приведены исходные данные материалов слоёв ограждающей конструкции рассматриваемого здания.

На рис. 2 приведены результаты моделирования температурного поля и относительной влажности в ограждающей конструкции с утеплителем «Пеноплекс Комфорт» на протяжении самого холодного месяца эксплуатации. Как показано на рис. 2а, в сечении кирпичной кладки температура постепенно снижается от +21 до +14,7°C, а в слое теплоизоляционного материала быстро уменьшается до −9,8°C. Из рис. 2б видно, что относительная влажность по всей толщине кирпичной стены меняется равномерно от 59 до 74%, а в толщине утеплителя наблюдается резкий скачок влажности до максимального значения, а затем её уменьшение до 86%.


Рис. 2. Распределение температуры и относительной влажности для фрагмента сплошной кирпичной стены (а — графики изменения температуры, б — графики изменения влажности)

Конструкция наружной керамзитобетонной стены, состоящая из слоя штукатурки, керамзитобетонной стеновой панели толщиной 250 мм, теплоизоляционного материала и облицовочного слоя, представлена на рис. 3а. Внешняя термограмма тепловизионного обследования фасада здания с четырёхслойной ограждающей конструкцией приведена на рис. 3б. Фактическая температура наружной поверхности стены здания, утеплённой теплоизоляционным материалом, колеблется в пределах −7,71…-7,65°C. По результатам компьютерного моделирования температура на внешней поверхности имеет значение −7,7°C. В табл. 2 приведены исходные данные материалов слоёв ограждающей конструкции.

На рис. 4 показаны результаты моделирования температурного поля и относительной влажности в ограждающей конструкции с утеплителем «Пеноплекс Комфорт» на протяжении самого холодного месяца эксплуатации.


Рис. 4. Распределение температуры и относительной влажности для фрагмента сплошной кирпичной стены (а — графики изменения температуры, б — графики изменения влажности)

Как видно из рис. 4, значение температуры в сечении материала стены постепенно снижается от 21 до 14,2°C, (рис. 4а), далее в слое утеплителя резко понижается до −7,8°C. Относительная влажность (рис. 4б) по всей толщине панельной стены повышается равномерно от 57 до 78,3%, после чего в толщине утеплителя наблюдается возрастание значения влажности до максимального значения, а затем уменьшение до 86%.

Сравнение температур на поверхности стены, полученных по имитационной модели и с помощью тепловизионной съёмки, представлено в табл. 3.

Проведённое тепловизионное обследование утеплённых ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий с погрешностью до 2,6% согласуется с результатами расчётов по предложенной методике.

Заключение

В условиях растущей стоимости энергоресурсов и обострения экологических проблем повышение энергоэффективности зданий становится приоритетной задачей. Современные технологии, в частности, компьютерное моделирование, позволяют оптимизировать эксплуатационные характеристики зданий и значительно сократить потребление энергии.

В рамках исследования был детально изучен фрагмент существующей ограждающей конструкции с целью оценки её теплои влагозащитных свойств. Выявлено, что под воздействием климатических факторов в конструкции образуется зона конденсации.

Для решения этой проблемы были рассмотрены различные варианты существующих зданий массовой застройки, стены которых изготовлены из кирпича и из керамзитобетона. Фасады данных зданий утеплены с использованием теплоизоляционных материалов «Пеноплекс Комфорт» в сочетании с внешним защитным слоем. Проведённый анализ позволил определить характеристики энергозащищённости для каждого из предложенных вариантов. Для наглядности результатов расчёта по предложенной методике использованы результаты тепловизионного обследования.

Результаты показали, что проведённое тепловизионное обследование утеплённых ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий согласуется с результатами расчётов по предложенной методике с погрешностью до 2,6%.