Роль трансмиссионного теплообмена зданий с грунтовыми основаниями в формировании теплового микроклимата помещений в реальных внешних метеорологических условиях

Актуальность. Одной из задач при строительстве и эксплуатации жилых и общественных зданий является обеспечение нормативных требований к тепловому микроклимату помещений. Его текущее состояние зависит от теплообмена здания с внешней средой и от используемого климатического оборудования. При этом теплообмен с внешней средой зависит от постоянно меняющихся внешних условий: температуры воздуха, прямой и рассеянной солнечной радиации, лучистого теплообмена с окружающими объектами, а также от нестационарного теплопереноса через грунтовые основания. Все это необходимо учитывать при эксплуатации инженерных климатических систем с целью обеспечения требуемых показателей теплового микроклимата помещений.

Цель работы: сравнение теплопотерь в течение годового цикла эксплуатации здания через ограждающие конструкции помещений, контактирующих и не контактирующих с грунтовыми основаниями. Задачей данных исследований являлось определение вклада величины теплопотерь через грунтовые основания в общие теплопотери через несветопрозрачные ограждающие конструкции.

Методы. Исследования проведены постановкой вычислительных экспериментов с определением нестационарных величин теплообмена помещений с окружающей средой. Использована краевая задачи нестационарного теплопереноса, записанная в параметрическом виде и содержащая варьируемые критерии подобия.

Результаты. Исследования выполнены с использованием архивных метеорологических данных для г. Москвы за 2011 г. Установлено влияние теплообмена с грунтовым основанием на общий нестационарный теплообмен помещения для различных календарных сезонов, а также для различной ориентации наружной ограждающей конструкции помещения по сторонам света. Показано, что контакт помещения с грунтовым основанием приводит к увеличению средних за календарные сезоны теплопотерь, причем независимо от ориентации по сторонам света и параметров ограждающих конструкций. Минимальное увеличение относительных тепловых потерь (не более 18 %) имеет место зимой. Максимальное влияние контакта помещений с грунтовым основанием имеет место в летний период. Теплопотери по сравнению с не контактирующими с грунтом помещениями увеличиваются до 4 раз, и в зависимости от типа ограждающей конструкции на южном фасаде они могут оказаться до 2 раз выше, чем на северном. Для помещений, контактирующих с грунтовыми основаниями, средние за сезоны амплитуды суточных изменений теплопотерь снижаются для всех типов ограждающих конструкций.

1. Valancius K., Skrinska A.K., Paulauskaitė S. Investigation of unsteady heat transfer process in an one-cell building // Journal of Civil Engineering and Management. 2006. V. 12. № 1. P. 97–101.

2. Хуторной А.Н., Кузин А.Я., Цветков Н.А., Мирошниченко Н.Т., Колесникова А.В. Нестационарный пространственный теплоперенос в неоднородной керамзитобетонной стене // Известия ТПУ. 2006. Т. 309. № 4. С. 113–117.

3. Панферов В.И., Анисимова Е.Ю., Нагорная А.Н. К теории математического моделирования теплового режима зданий // Вестник Южно-Уральского государственного университета. 2006. № 14. С. 128–133.

4. Захаревич А.Э. Особенности формирования микроклимата отапливаемых помещений // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2009. С. 73–85.

5. Дячек П.И., Захаревич А.Э. Моделирование микроклимата отапливаемых помещений // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2009. С. 34–47.

6. Тарасова В.В. Математическое моделирование нестационарных тепловых процессов в ограждающих конструкциях зданий // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 8 (часть 2). С. 265–269.

7. Overen O.K., Meyer E.L., Golden M. Perimeter Walls Solar Heat Gain, a Mechanism for Building Design // Proceedings: 11th Built Environment Conference, 6–8 August. Durban, South Africa, 2017. ISBN 978-0-620-76406-3.

8. Мерщиев А.А., Головинский П.А., Свирин М.В., Семиненко А.С. Моделирование нестационарного теплового режима помещения с деревянными ограждающими конструкциями // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2022. № 8. С. 35–49. DOI: 10.34031/2071-7318-2022-7-8-35-49

9. Дячек П.И., Макаревич С.А., Захаревич А.Э., Ливанский Д.Г. Математические методы в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха // Вестник МГСУ. 2011. № 7. С. 143–147.

10. Левин Е.В., Окунев А.Ю. Нестационарный теплообмен помещений с внешней средой через несветопрозрачные ограждающие конструкции // Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение, надежность строительных конструкций и экологическая безопасность. Искусственный интеллект : Международная научная конференция XV Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Г.Л. Осипова, Москва, 1–3 июля 2025 г. Москва, 2025. С. 333–344.

11. Окунев А.Ю., Левин Е.В. Лучистый теплообмен ограждающих конструкций зданий с окружающей средой // Жилищное строительство. 2023. № 6. С. 43–51. DOI: 10.31659/044-4472-2024-7-38-45

12. Spiga M., Vocale P. Effect of Floor Geometry on Building Heat Loss Via the Ground // Heat Transfer Engineering. 2014. V. 35. P. 1520–1527. DOI: 10.1080/01457632.2014.897560

13. Окунев А.Ю., Левин Е.В. Численные исследования нестационарного теплопереноса в основаниях зданий. Отапливаемый заглубленный этаж // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2019. № 6. С. 55–57.

14. Levin E.V., Okunev A.Yu. Nonsteady Heat Loses to the Ground from a Building with Heated Underground Floor or Slab on Ground // IOP Conf. Series : Materials Science and Engineering. 2021. V. 1079 (4). Article 042074. DOI: 10.1088/1757-899X/1079/4/042074

15. Левин Е.В., Окунев А.Ю. Численные исследования нестационарного теплопереноса в основаниях зданий. Влияние грунтовых вод // Технологии текстильной промышленности. 2019. № 4 (382). С. 216–223.

16. Anderson B.R. Calculation of the steady-state heat transfer through a slab-on ground floor // Building and Environment. 1991. V. 26. P. 405–415.

17. Роуч П. Вычислительная гидродинамика / пер. с англ. В.А. Гущина, В.Я. Митницкого. Москва : Мир, 1980. 616 с.

18. Окунев А.Ю., Левин Е.В. Эквивалентная модель многослойных ограждающих конструкций для расчетов нестационарного теплопереноса // Строительные материалы. 2025. № 6. С. 14–19. DOI: 10.31659/0585-430X-2025-836-6-14-19