Моделирование теплообмена методом конечных элементов (МКЭ) выполняется для определения действительного распределения температур и тепловых потоков в строительных конструкциях и грунтах. В зависимости от учёта фактора времени, различают:

• стационарные расчёты теплопроводности, в которых учитывается теплопроводность материалов, а граничные условия (температуры, тепловые потоки) принимаются постоянными во времени;

• нестационарные расчёты теплопроводности, в которых учитывается не только теплопроводность, но и теплоёмкость материалов, а граничные условия изменяются во времени.

​

В нестационарных расчётах в результате учёта теплоёмкости, для изменения температуры на определённую величину требуется поглощение или отдача определённого количества тепловой энергии, а скорость передачи тепловой энергии зависит от теплопроводности и температурного градиента. Это позволяет определить время, необходимое на изменение температурного режима.

​

Таким образом, стационарные расчёты позволяют получить постоянный температурный режим, нестационарные расчёты позволяют воспроизвести изменение температурного режима во времени.

​

Расчёты температурного режима конструкций

 

Определение температурных полей в конструкциях требуется для учёта температурных воздействий в расчётах напряжённо-деформированного состояния (НДС). Изменение температуры материала приводит к изменению его объёма, что учитывается коэффициентом линейного расширения. В свою очередь, изменение объёма материала (например, одних слоёв относительно других) вызывает появление дополнительных температурно-обусловленных напряжений, которые определяются на основе распределения температурных градиентов в объёме конструкции.

​

В таких задачах, как расчёт сплошной однородной стены при постоянных температурах с обеих сторон, распределение температур по толщине конструкции будет линейным и не требует специального моделирования. Расчёты теплопроводности становятся необходимы, когда распределение температур в конструкциях не поддаётся аналитическому определению:

• в конструкциях сложной геометрической формы, например, в массивных конструкциях;

• когда граничные условия изменяются во времени, например, учёт сезонных температурных воздействий, или температурных воздействий пожара.

​​

Полученное в расчёте теплопроводности температурное поле передаётся в расчёт напряжённо-деформированного состояния (однократно или многократно, как в случае нестационарного расчёта теплопроводности и поэтапного расчёта НДС). Таким образом, выполняется расчёт термоупругости, носящий мультифичичный характер.

 

Расчёты теплотехники и тепловых мостов

 

Энергоэффективное и ультраэнергоэффективное строительство становится все более востребованным. Энергосбережение рассматривается как необходимое условие устойчивого развития человечества и становится во всём мире приоритетной задачей инженерной работы.

​

Нормы по тепловой защите зданий имеют тенденцию к ужесточению. В России требования в этой сфере регламентированы СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003). Возрастает рыночный спрос на энергоэффективность, которая решает задачи экономии природных ресурсов, снижения эксплуатационных затрат, повышения комфортности микроклимата помещений и комплексного уменьшения вредных воздействий на здоровье человека, что достигается за счёт комбинирования энергосберегающих технологий. В России построено порядка 300 зданий, относимых к классу А по энергоэффективности (экономия энергоресурсов 50% и выше).

​

К основным путям повышения энергоэффективности в строительстве относятся:

• совершенствование тепловой защиты зданий, минимизация влияния тепловых мостов (температурных мостов, мостиков холода), уменьшение теплопотерь через грунт;

• совершенствование управления микроклиматом помещений, включая внедрение вентиляционных технологий с рекуперацией теплоты.

​​

Тепловые мосты, т.е. участки оболочки здания с пониженным сопротивление теплопередаче, обычно возникают в узлах стыка конструкций, где комбинируются элементы с разной теплопроводностью, а разделение теплопроводящего элемента неосуществимо по конструктивным соображениям. Определение действительной теплопередачи таких участков и разработка решений по повышению тепловой защиты выполняются на основе численного моделирования теплообмена.

​

Суть теплотехнического моделирования в воспроизведении конструкции без упрощений со всеми теплоизолирующими и теплопроводящими элементами, в том числе на основе композиционного моделирования бетона с самостоятельным воспроизведением бетона и арматуры, резко отличающихся по своим теплофизическим свойствам.

 

Теплофизическими характеристиками материалов, необходимыми для моделирования, являются:

• коэффициент теплопроводности;

• коэффициент теплоотдачи;

• удельная теплоёмкость;

• плотность.

​​

Поскольку численное моделирование теплообмена представляет собой универсальный инструмент, позволяющей определить стационарные и нестационарные температурные поля и тепловые потоки при любых геометрических и теплофизических параметрах конструкций, оно становится главным инструментом при разработке современных теплотехнических решений.

​