Современные цифровые технологии в проектировании строительной физики

1. Современные цифровые технологии в проектировании строительной физики

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)»
Факультет «Архитектура»
Кафедра «Архитектура»
Современные цифровые технологии в
проектировании строительной физики
Выполнил:
Ивашин Егор Александрович
Группа: АС-256

2. Актуальность темы

Актуальность темы обусловлена следующими факторами:
-Во-первых, ужесточение нормативных требований к
энергоэффективности зданий. Действующий СП 50.13330.2012
постоянно дополняется. C выходом новой редакции 2024 года
требования к ограждающим конструкциям стали жёстче. Выполнить
их без точных расчётов практически невозможно.
-Во-вторых, усложнение самих конструктивных решений.
Современные здания используют многослойные стены, новые
материалы, сложные узлы примыканий. Ручной расчёт таких
конструкций с учётом всех неоднородностей очень трудоемкий и
влечёт ошибки.
-В-третьих, цифровые технологии позволяют не только ускорить
расчёты, но и визуализировать процессы теплопередачи, выявлять
так называемые мостики холода и оценивать эффективность
проектных решений ещё на стадии проектирования.

3. Ключевые учёные

В России ведущей организацией в области строительной теплофизики является НИИСФ РААСН — Научноисследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук. Специалисты
этого института являются разработчиками большинства нормативных документов в данной области.
Учёные, активно работающие в этом направлении:
Табунщиков Юрий Анатольевич - известный специалист в области энергоэффективности зданий и микроклимата
помещений.
Дмитриев Андрей Николаевич - автор многочисленных работ по строительной теплофизике.
Сураев А. С. - исследователь, занимающийся вопросами компьютерного моделирования тепловых процессов в сложных
инженерных системах с использованием расчётных комплексов.

4. Нормативные требования

Нормативная база для выполнения теплотехнических расчётов включает три основных документа:
-Первый - СП 50.13330 «Тепловая защита зданий». В нём установлены требования к сопротивлению теплопередаче
ограждающих конструкций, методики расчёта и контрольные значения. На данный момент действует редакция 2012
года с изменениями, но уже выпущен СП 50.13330.2024, который в ближайшее время вступит в силу.
-Второй - СП 131.13330 «Строительная климатология». Этот документ содержит климатические параметры для
различных регионов строительства: расчётные температуры, влажность, скорость ветра, зоны влажности. Исходные
данные берутся именно отсюда.
-Третий - ГОСТ Р 54851-2011 «Конструкции ограждающие зданий. Метод расчёта сопротивления теплопередаче». Он
важен для корректного учёта неоднородностей в конструкциях — крепёжных элементов, стыков, включений
арматуры, которые влияют на фактическое сопротивление теплопередаче.

5. Цель и задачи

Цель работы - анализ современных цифровых технологий, применяемых при проектировании в области тепловой
физики, и оценка их соответствия нормативным требованиям.
Задачи:
-классифицировать программное обеспечение, используемое для теплотехнических расчётов;
-определить сферы проектирования, в которых применяются данные технологии;
-выявить, какие разделы тепловой физики учитываются в программных комплексах, а какие требуют дополнительной
проработки или не учитываются вовсе.

6. Какое программное обеспечение существует?

Программное обеспечение для теплотехнических расчётов можно разделить на три категории.
Первая категория - BIM-системы. К ним относятся Revit, Archicad, Renga. Эти программы ориентированы на архитектурностроительное проектирование. Они позволяют создавать цифровую модель здания и выполнять поверочные теплотехнические
расчёты на основе заложенных в модель параметров материалов. В Revit, например, существуют плагины и среда визуального
программирования Dynamo, с помощью которых можно автоматизировать подбор утеплителя и проверку соответствия нормам.
Вторая категория - инженерные расчётные комплексы (CAE-системы). Это ANSYS, COMSOL Multiphysics, STAR-CCM+. Данные
программы предназначены для моделирования сложных физических процессов. Они используются при расчёте температурных
полей, тепловых потоков, при моделировании нестационарных процессов. Такое ПО требует высокой квалификации пользователя
и применяется для научных исследований или уникальных инженерных задач.
Третья категория - специализированные отечественные программы. Например, SCAD Office, ЛИРА-САПР. В их состав входят
модули для выполнения теплотехнических расчётов, ориентированные на российскую нормативную базу.
Archicad
SCAD Office

7. Какие сферы проектирования охватывает?

Сферы применения цифровых технологий в тепловой физике достаточно широки.
В строительстве это расчёт ограждающих конструкций, подбор утеплителя, проверка узлов на отсутствие
промерзания, расчёт теплопотерь зданий.
В промышленности - проектирование теплоизоляции оборудования и трубопроводов, расчёт тепловых потерь в
цехах и производственных помещениях.
В энергетике - моделирование тепловых процессов в теплообменниках, котлах, системах охлаждения.
Также методы компьютерного моделирования применяются при проектировании систем вентиляции и
кондиционирования для обеспечения требуемых параметров микроклимата.

8. Какие разделы тепловой физики учитывает, какие нет?

Разделы, которые учитываются в полном объёме:
Климатология - современные программные комплексы позволяют задавать климатические параметры для любого
региона строительства, учитывать температуру наружного воздуха, солнечную радиацию, ветровые воздействия.
Сопротивление теплопередаче - это основа любого теплотехнического расчёта. Все перечисленные категории ПО так
или иначе реализуют алгоритмы расчёта термического сопротивления.
Инсоляция и освещённость - данные разделы реализованы в BIM-системах, а также в специализированных
программах типа Dialux или модулях инсоляции, которые могут интегрироваться с основными расчётными
комплексами.

9.

Разделы, которые учитываются частично или требуют дополнительных модулей:
Сопротивление паропроницанию - в BIM-системах для расчёта влажностного режима требуются либо
дополнительные плагины, либо ручная проверка по нормативным методикам. В CAE-системах такие расчёты
возможны, но требуют корректной настройки модели.
Проветривание - учитывается при расчётах воздухообмена, но для полноценного моделирования аэрации и
вентиляции используются отдельные модули или программы.

10.

Разделы, которые не учитываются в программном обеспечении для тепловой физики:
Сопротивление воздухопроницанию — несмотря на наличие нормативных методик, в массовых расчётных
комплексах данный параметр либо упрощается, либо не учитывается из-за сложности моделирования инфильтрации
через неплотности и стыки.
Звукоизоляция, слышимость, видимость в зрительных залах — данные разделы относятся к архитектурной акустике и
оптике и не входят в задачи программ для теплотехнических расчётов. Для них существуют отдельные
специализированные программные продукты, такие как EASE для акустики.

11. Заключение

Современные цифровые технологии являются необходимым инструментом для проектирования в области тепловой
физики. Они позволяют повысить точность расчётов, сократить временные затраты и визуализировать результаты.

12. Литература

Нормативные документы:
1.СП 50.13330.2024 Тепловая защита зданий. — М.: Минстрой России, 2024.
2.СП 131.13330.2020 Строительная климатология. — М.: Минстрой России, 2020.
3.ГОСТ Р 54851-2011 Конструкции ограждающие зданий. Метод расчёта сопротивления теплопередаче. — М.:
Стандартинформ, 2012.
Научные публикации:
4. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности
зданий. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. — 194 с.
5. Дмитриев А. Н. Энергосберегающие ограждающие конструкции гражданских зданий с эффективными
утеплителями: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — М., 1999. — 50 с.
6. Кабдылкаков Е. А., Сураев А. С. Моделирование тепло-прочностного взаимодействия материалов в программе
ANSYS // Вестник НЯЦ РК. — 2023. — № 3. — С. 63–71.