В Луганской Народной Республике (ЛНР) здания жилого и гражданского назначения практически в полном объёме были возведены по типовым проектам, соответствующим нормам проектирования, действовавшим на территории бывшего Советского Союза. Современные реалии требуют адаптации этих объектов к новым требованиям по тепловой защите, что приводит к необходимости утепления фасадов, а также ремонту и реконструкции помещений для создания комфортных условий проживания. Опыт применения технологий обслуживания таких объектов показывает их значительный потенциал для эффективной модернизации зданий при сравнительно низких затратах времени и ресурсов, что делает их актуальными в будущем.

С учётом вышеизложенного необходимо уже сейчас сосредоточиться на теоретических разработках и обоснованиях оптимизации технологий, направленных на обеспечение комфортного теплового режима в помещениях этих категорий зданий. Однако решение этих задач усложняется значительным различием климатических условий в разных регионах Российской Федерации. Особенно это актуально для современных и ранее построенные многоэтажных зданий [1–9].

При разработке технологий по энергосбережению необходимо учитывать характеристики теплообменных процессов в конструктивных элементах зданий на фоне изменения внешней среды. Понимание свойств паровоздушной смеси, потенциальных зон конденсации и образования льда, а также правильный выбор утепляющих материалов позволят избежать появления сырости и плесени, продлевая срок службы зданий и обеспечивая комфортный микроклимат, что, в свою очередь, приведёт к снижению эксплуатационных расходов.

В данной модели анализируется недостаточно исследованный вопрос влияния одновременно температуры и влажности на работу многослойной ограждающей конструкции, состоящей из внутреннего слоя штукатурки, стены здания, теплоизоляционного слоя, который отделяет стену от холодной внешней среды, и внешнего защитного покрытия в виде керамогранитных плит, сайдинга или декоративной штукатурки. Этот конструктивный элемент может быть охарактеризован как отдельный строительный блок, отражающий свойства теплового моста. Формирование тепловой защиты типового здания происходит на основании определённого комплекта однородных элементов на фасаде в процессе его модернизации или ремонта. Исследование особенностей данной конструкции становится важным для создания эффективных систем теплоизоляции и защиты от воздействия внешней среды, что, в свою очередь, приводит к улучшению энергетической эффективности зданий и повышению их долговечности. Таким образом, комплексный подход к исследованию данных параметров способен значительно улучшить качество и устойчивость современных строительных решений.

При решении задач теплопроводности необходимо учитывать требования к программам, которые используются для расчёта температурных полей и тепловых потоков через конструкции. Моделирование тепловых мостов в строительстве включает серию тестовых исследований для проверки численных методов. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics успешно проходит тестовые испытания, описанные в стандарте, с созданием точных моделей узлов, генерацией расчётной сетки и достижением заданной точности результатов [1, 4].

Предложенная методика определения тепло- и влажностного состояния ограждающих конструкций основывается на законе теплопроводности Фурье и на законах диффузии пара и влагопроводности в капиллярно-пористых средах [9].

Реализация предложенной модели для вычисления тепло- и влагопереноса в ограждающих конструкциях осуществлена с применением инструментов и функций программного комплекса COMSOL Multiphysics 6.2. Исходные данные, использованные для анализа, были собраны на основе климатических условий города Луганска. В расчётах учитывалась температура воздуха внутри помещения, а также относительная влажность внутреннего воздуха. При этом особое внимание было уделено параметрам наружной среды, включая температуру и относительную влажность наружного воздуха, что особенно важно для динамического анализа при изменении этих значений. Применение специализированных функций позволит более точно моделировать процессы теплопередачи и влагопереноса, что, в свою очередь, способствует оптимизации проектирования ограждающих конструкций и повышению их энергоэффективности.

Для расчёта взяты значения физико-технических параметров материальных слоёв наружной ограждающей конструкции, получены экспериментальным путём.

С помощью COMSOL Multiphysics 6.2 была создана имитационная модель ограждающей конструкции, где с помощью интерфейсов Heat Transfer in Building Materials и Moisture Transport in Building Materials смоделирован совместный перенос тепла и влаги через ограждающую модель. При этом перенос влаги осуществлялся капиллярными силами, а перенос пара — с помощью диффузии.

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.


Рис. 1. Фрагмент схемы ограждающей конструкции [1 — штукатурный слой известковой штукатурки; 2 — кирпичная стена; 3 — теплоизоляционный материал «Пеноплекс»; 4 — облицовочный слой (внешняя штукатурка)]

Фрагмент ограждающей конструкции стены, смоделированный в программном обеспечении COMSOL Multiphysics 6.2, представлен на рис. 1. Данная модель состоит из четырёх слоёв, характеристики которых заданы в табл. 1. Граничными условиями являлась температура внутри и снаружи конструкции.

Рассмотрим результаты исследуемой конструкции в январе при tin = 21°C, ϕin = 50%, tout = −10°C, ϕout = 86%. С помощью COMSOL Multiphysics 6.2 на рис. 2–4 получены функциональные характеристики энергозащищённости ограждающей конструкции угла здания.

Так, на рис. 2а показано распределение температуры на поверхностях слоёв фрагмента конструкции. Задача решалась как в стационарной, так и в нестационарной постановках. На рис. 2б показаны графики изменения температуры в слоях фрагмента ограждающей конструкции при стационарном и нестационарном режимах (расчёт произведён при 31 дне).


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

Как видно из графиков, в теплоизоляционном слое происходит «перегиб» графика. График при стационарном и нестационарном режимах имеет идентичную форму. Как видно из графиков, нестационарный режим на большем интервале времени переходит в стационарный.

На рис. 2в представлены результаты расчёта влажности данной модели при совместном действии температуры и влажности. График изменения влажности в слоях ограждающей конструкции показан на рис. 2 г. Как видно из рис. 2 г., в слое утеплителя наблюдается «скачок» значения влажности до 98%, а затем уменьшается до 68% и равномерно понижается по толщине стены до 50%.

Влажность воздуха определяется парциальным давлением пара в его составе, а начальная температура — давлением насыщенности пара. На рис. 3 показаны графики изменения парциального давления и давления насыщенного водяного пара в сечении ограждающей конструкции. Как видно из рис. 3, парциальное давление и давление насыщенного пара в толще утеплителя постепенно увеличиваются и при значении 500 Па сближаются. В этом месте на графике изменения влажности (рис. 2г) наблюдается максимальное значение влажности — 98%. В начале слоя кирпичной стены парциальное давление равно 985 Па, а давление насыщенного пара — 1440 Па. Далее в толще кирпичной стены и слоя внутренней штукатурки наблюдается плавное увеличение значений обоих давлений до их максимальных значений.


Рис. 3. Парциальное давление и давление насыщенных паров в слоях угла ограждающей конструкции

В сечении кирпичной стены температура от внутренней стены к внешней постепенно снижается с 21 до 12,3°C (рис. 2б), и с такой же скоростью уменьшается и давление насыщенных паров в кирпичной стене, при этом относительная влажность растёт равномерно. В утеплителе резко растёт скорость уменьшения температуры и давления насыщенных паров.

Применяя комплексное воздействие тепла и влажности, проведённые исследования продемонстрировали риск конденсации внутри ограждающей конструкции. Хотя сам конденсат, образующийся при отрицательных температурах, не локализуется непосредственно в кирпичной стене, а скапливается в утеплителе, необходимость в дальнейшем исследовании для снижения концентрации водяного пара и предотвращения накопления влаги остаётся актуальной.

Для оценки возможности устранения конденсации водяного пара в слое теплоизоляции ограждающей конструкции при идентичных условиях температуры и относительной влажности внешней среды, исследуем вторую модель, в которой между кирпичной стеной и утеплителем располагается влагозащитная плёнка. Этот элемент служит дополнительным барьером для диффузии водяного пара снаружи стены. Параметры влагозащитного барьера, включая коэффициент паропроницаемости и толщину, устанавливаются в блоке Thin Moisture Barrier.

Результаты моделирования при включении в геометрию ограждающей конструкции плёночного барьера представлены на рис. 4.


Рис. 4. Характеристики энергозащищённости ограждающей конструкции угла зданий с плёночным барьером (а — изополя изменения температуры в слоях стены угла; б — изополя изменения влажности в слоях угла стены; в, г — изменение температуры и относительной влажности, парциального давления и давления насыщенного пара по толщине угла стены)

Распределение температуры по толщине конструкции (рис. 4а и 4в) показывает, что значения температур по сравнению с рис. 2а и 2б почти не изменились. А вот при распределении относительной влажности на графиках наблюдаются существенные изменения. Так, относительная влажность возрастает с 50 до 87% в слое кирпичной стены, а в зоне защитной плёнки наблюдается резкое уменьшение относительной влажности до 17%. Далее в слое теплоизоляционного материала относительная влажность растёт до 86%. В угле утеплителя (рис. 4б) наблюдается максимальное значение влажности — 122%.

На рис. 4 г. приведены графики распределения парциального давления и давления насыщенного пара в сечении ограждающей конструкции. Парциальное давление в месте утеплителя имеет постоянное значение 246 Па, после защитной плёнки происходит резкий прыжок до 1243 Па, и затем это давление не меняется. Место скачка парциального давления соответствует скачку относительной влажности в этой точке (рис. 4в). Давление насыщенного пара в месте утеплителя (рис. 4г) постепенной увеличивается с 286 до 1433 Па, потом происходит перегиб и давление продолжает увеличиваться до 2487 Па к концу толщины ограждающей конструкции.

Заключение

В современном Луганске осуществляется активное обновление фасадов и реконструкция помещений многоквартирных зданий. Практика работы с такими объектами демонстрирует их потенциальные возможности для модернизации при относительно невысоких затратах. Для повышения энергоэффективности зданий критически важно учитывать характеристики теплообмена внутри стен в зависимости от изменений температуры и влажности внешней среды. Для этой цели применяют компьютерное моделирование. Предложенная методика, разработанная авторами, включает вычисленные физико-механические параметры материалов ограждающей конструкции и коэффициенты изотермии сорбции, реализованные в программном пакете COMSOL Multiphysics.

В рамках данного исследования была проведена всесторонняя оценка тепло- и влагозащиты фрагмента стеновой конструкции. Полученные данные позволили определить функциональные характеристики энергозащищённости, как для конструкции со слоем теплоизоляционного материала с защитным барьером, так и без него, в стационарном и нестационарном режимах. Анализ результатов показал, что при увеличении интервала времени нестационарный процесс переходит в стационарный. Использование защитного барьера между кирпичной стеной и утеплителем подтверждает целесообразность повышения тепло- и влагозащиты, что особенно актуально при реконструкции существующих зданий.