Жилые здания и здания гражданского назначения, построенные во времена СССР на территории города Луганска и Луганской области, были возведены по типовым проектам согласно действующим на тот момент нормам проектирования. В последние годы повысились требования по тепловой защите подобных зданий, что привело к необходимости их утепления. Особенно это актуально для зданий массовых застроек [1–7].

Для повышения класса энергосбережения существующих зданий важно учитывать особенности теплообмена в их конструктивных элементах, особенно в условиях изменяющейся внешней среды. Анализ свойств паровоздушной среды, выявление зон возможной конденсации и обледенения, а также грамотный подбор теплоизоляционных материалов помогут предотвратить появление сырости и плесени. Это не только продлит срок эксплуатации зданий, но и обеспечит комфортный микроклимат внутри помещений, что в итоге снизит затраты на обслуживание и эксплуатацию.

В рассмотренной модели анализируется совместное влияние температуры и влажности на работу многослойной ограждающей конструкции, которая состоит из внутреннего слоя штукатурки, непосредственно стены здания (керамзитобетон), утеплителя «Технофас Проф» (фото 1) и из защитного покрытия в виде штукатурки или с вентилируемой прослойкой с защитным слоем из керамогранитных плит. «Технофас Проф» — строительный материал для утепления наружных стен жилых и промышленных зданий, который изготавливается на основе базальтовых волокон с гидрофобными добавками и в основном используется в системах штукатурного фасада.


Фото 1. Утеплитель для наружных стен

Изучение характеристик данной конструкции приобретает ключевое значение для разработки эффективных систем тепловой изоляции и защиты от внешних воздействий, что способствует повышению энергоэффективности зданий и увеличению их срока службы. Комплексный анализ этих параметров позволяет существенно улучшить качество современных строительных решений, обеспечивая их долговечность и соответствие современным стандартам.

Предложенная методика определения теплои влагосостояния ограждающих конструкций реализована через программное обеспечение MATLAB Simulink, интегрированное в COMSOL Multiphysics. Данное ПО успешно реализует модель «тепловых мостиков» с созданием точных моделей узлов, генерацией расчётной сетки и достижением результатов заданной точности [4, 5]. Предложенная методика определения теплои влагосостояния состояния ограждающих конструкций основывается на законе теплопроводности Фурье и на законах диффузии пара и влагопроводности в капиллярно-пористых средах [7].

Реализация предложенной модели для вычисления теплои влагопереноса в ограждающих конструкциях осуществлена с применением инструментов и функций программного комплекса COMSOL Multiphysics 6.2. В расчётах учитывалась температура воздуха внутри помещения и относительная влажность внутреннего воздуха, а также параметры наружной среды, включая температуру и относительную влажность наружного воздуха. Для расчёта приняты значения физико-технических параметров материальных слоёв наружной ограждающей конструкции, получены по результатам эксперимента.

С помощью COMSOL Multiphysics 6.2 была создана имитационная модель ограждающей конструкции, с помощью интерфейсов Heat Transfer in Building Materials и Moisture Transport in Building Materials смоделирован совместный перенос тепла и влаги через ограждающую модель. Рассматривались две модели: первая — с утеплителем и с внешним штукатурным слоем, а вторая — с утеплителем и с вентилируемым фасадом.

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.

Фрагмент ограждающей конструкции стены, смоделированный в программном обеспечении COMSOL Multiphysics 6.2, представлен на рис. 1. Данная модель состоит из четырёх слоёв. Граничными условиями являлись температуры внутри и снаружи конструкции. Задача решалась как в стационарной, так и в нестационарной постановке.

Рассмотрим результаты исследуемой конструкции, полученные в январе месяце при tin = 21°C, φin = 54%; tout = −10°C, φout = 86%.


Рис. 1. Графики изменения температуры по толщине стены до утепления стены и после (а — стена до утепления, б — стена с утеплителем «Технофас Проф» и со штукатурным слоем, в — стена с утеплителем «Технофас Проф» и с вентилируемым фасадом)

Теплотехнический расчёт (рис. 1а) конструкции стены существующего здания выполнен при помощи бесплатной программы smartcalc.ru. Как видно из графиков, во втором слое появилась зона конденсации. Для устранения этой зоны утеплим здание с помощью теплоизоляционного материала «Технофас Проф». На рис. 1б, 1в показаны результаты теплотехнического расчёта для варианта утеплённой стены со штукатурным слоем и с вентилируемым фасадом. Для этих вариантов стен отсутствует зоны конденсации.

С помощью COMSOL Multiphysics 6.2 на рис. 2–3 получены функциональные характеристики энергозащищённости ограждающей конструкции здания с утеплителем «Технофас Проф».


Рис. 2. Характеристики энергозащищённости ограждающей конструкции со штукатурным фасадом (а — изополя изменения температуры в слоях, б — графики изменения температуры по толщине стены, в — изополя изменения влажности в слоях стены, г — изменение парциального давления и давления насыщенного пара по толщине стены)

На рис. 2 рассмотрен вариант утепления ограждающей конструкции со штукатурным слоем. Так, на рис. 2а и 2б показано распределение температуры и влажности на поверхностях слоёв ограждающей конструкции. На рис. 2в показаны графики изменения температуры в слоях фрагмента ограждающей конструкции при стационарном и нестационарном режимах (расчёт произведён при 31 дне). Как видно из рис. 2, в слое утеплителя происходит «перегиб» графика.

Как видно из графиков, представленных на рис. 2а и 2б, нестационарный режим на большем интервале времени переходит в стационарный. В сечении керамзитобетонной стены температура от внутренней стены к внешней постепенно снижается с 21 до 11,4°C (рис. 2б), и с такой же скоростью уменьшается и давление насыщенных паров в керамзитобетонной стене. В слое теплоизоляционного материала резко растёт скорость уменьшения температуры и, следовательно, давления насыщенных паров.

На рис. 2 г. представлены графики изменения влажности в слоях ограждающей конструкции при совместном воздействии температуры и влажности. Как видно из графика, в слое утеплителя наблюдается «скачок» значения влажности до 110%, которое затем уменьшается до 27% и равномерно повышается по толщине стены до 54%.

На рис. 2д показаны графики изменения парциального давления и давления насыщенного водяного пара в сечении ограждающей конструкции.

Как видно из рис. 2 г. и 2д, парциальное давление и давление насыщенного пара в толщине теплоизоляционного материала постепенно уменьшается и при значении 320 Па пересекаются. В этом месте на графике изменения влажности (рис. 2г) наблюдается максимальное значение влажности — 110%. При наступлении слоя керамзитобетонной стены парциальное давление равно 370 Па, а давление насыщенного пара — 1350 Па.


Рис. 3. Характеристики энергозащищённости ограждающей конструкции с вентилируемым фасадом (а — изополя изменения температуры в слоях, б — графики изменения температуры по толщине стены, в — изополя изменения влажности в слоях стены, г — изменение парциального давления и давления насыщенного пара по толщине стены)

На рис. 3 рассмотрен вариант утепления существующей ограждающей конструкции с тем же утеплителем «Технофас Проф» с помощью конструкции вентилируемого фасада. На рис. 3а и 3б приведено распределение температуры и влажности на поверхностях слоёв ограждающей конструкции. Как видно из этих рисунков, в местах металлических дюбелей появляются зоны температурных концентраций и повышенных значений влажности. На рис. 3в показаны графики изменения температуры в слоях фрагмента ограждающей конструкции при стационарном и нестационарном режимах.

Как видно из рис. 3а, 3б и 3в, после слоя утеплителя в месте вентиляционной прослойки происходит «разрыв» графика. В сечении керамзитобетонной стены температура от внутренней стены к внешней снижается по криволинейному закону с «разрывом» с 21 до 10,8°C (рис. 3б), и с такой же скоростью уменьшается и давление насыщенных паров в керамзитобетонной стене.

На рис. 3 г. представлены графики изменения влажности в слоях ограждающей конструкции при совместном воздействии температуры и влажности.

Как видно из данного графика, в слое керамзитобетона влажность постепенно увеличивается и достигает максимального значения 116% в слое утеплителя, а затем при наступлении вентиляционной прослойки наблюдается «разрыв» графика. В слое облицовочного материала график имеет постоянный характер при влажности 86%.

На рис. 3д показаны графики изменения парциального давления и давления насыщенного водяного пара в сечении ограждающей конструкции. Как видно из графиков, давление насыщенного пара в толщине теплоизоляционного материала постепенно уменьшается до значения 1260 Па, после наступает вентиляционная прослойка, где график «разрывается». В слое облицовочного материала давление насыщенных паров имеет постоянное значение 255 Па. Парциальное давление в слоях стены и утеплителя имеет постоянное значение 1450 Па, а в слое облицовочного материала — 220 Па.

Заключение

В городе Луганске активно ведутся работы по обновлению фасадов и реконструкции помещений в многоквартирных домах. Опыт реализации подобных проектов показывает, что такие здания обладают значительным потенциалом для модернизации при сравнительно небольших финансовых вложениях.

Одним из ключевых аспектов повышения энергоэффективности является тщательный учёт особенностей теплообмена внутри стен, который напрямую зависит от колебаний температуры и уровня влажности внешней среды. Грамотное проектирование и внедрение современных технологий позволяют не только улучшить эксплуатационные характеристики зданий, но и существенно снизить энергопотребление, что особенно важно в условиях современных экономических и экологических вызовов. Для этой цели применяют компьютерное моделирование. Предложенная методика включает вычисление физико-механических параметров материалов ограждающей конструкции и её реализация в программном пакете COMSOL Multiphysics.

В рамках данного исследования была проведена всесторонняя оценка теплои влагозащиты фрагмента существующей ограждающей конструкции. При воздействии климатических условий в этой конструкции возникает зона конденсации. Поэтому фрагмент стены предложили утеплить с помощью теплоизоляционного материала «Технофас Проф».

Рассмотрены варианты утепления как со слоем теплоизоляционного материала с внешним защитным слоем, так и с устройством вентилируемого фасада. В результате проведённого анализа определены функциональные характеристики энергозащищённости в стационарном и нестационарном режимах для обоих вариантов повышения энергоэффективности здания. Анализ результатов показал, что в варианте с внешним штукатурным слоем влажность в утеплителе понижается. В варианте устройства вентиляционного фасада в местах установки металлических элементов («мостиков холода») появляются места резкого понижения температуры и влажности.

Проведённое исследование показало, что использование обоих вариантов утепления существующих зданий благоприятно влияет на энергоэффективность зданий, что способствует более комфортным условиям проживания людей.