Математики Томского государственного университета при поддержке Российского научного фонда решают задачу создания энергоэффективных решений для строительной отрасли и энергетики. Проект посвящен пассивным системам климат-контроля на основе материалов, которые накапливают тепло при плавлении и отдают его при затвердевании. Интеграция таких материалов в конструкции зданий позволит регулировать температуру – поглощать излишки тепла днем и отдавать его ночью, без расходов на электроэнергию. Сотрудники ММФ ТГУ разрабатывают цифровые модели и расчетные методики для проектирования энергоэффективных зданий будущего, а также системы охлаждения для современной электронике. Это направление соответствует Стратегии научно-технологического развития РФ в рамках перехода к ресурсосберегающей энергетике и формированию новых способов транспортировки и хранения энергии.
Автоматизация многих технических процессов и повышение вычислительных мощностей ведет к постоянному росту энергопотребления. Это, в свою очередь, одна из причин теплового загрязнения планеты и глобального потепления. По данным Института энергетических исследований РАН, до 2040 года прогнозируется мировой рост энергопотребления на дополнительные 1,1% в год. С учетом такого тренда разработка прорывных энергосберегающих технологий, в том числе использующих возобновляемые источники энергии, становится задачей стратегической важности.
Особенно ресурсоемко обходится поддержание теплового комфорта в зданиях, где системы климат-контроля работают практически непрерывно. Это создает запрос на принципиально новые, «пассивные» технологии терморегулирования. Таким решением могут стать материалы с фазовым переходом, например, специальные воски или соли. Они активно поглощают тепло при плавлении и отдают его при затвердевании, не меняя при этом свою температуру. Это направление исследований активно развивается научными группами США, Индии, Китая, Ирана, Австралии. Однако поведение фазоизменяемых материалов в реальных условиях – под совместным влиянием солнечного излучения, воздушных потоков, суточных перепадов температуры и других факторов – до сих пор изучено недостаточно.
Отвечая на этот вызов, ученые ММФ ТГУ углубленно исследуют процессы плавления и кристаллизации фазоизменяемых материалов. Эта работа станет основой для создания высокоэффективных систем аккумулирования тепла. Особенность исследования – комплексность и фокус на сложных и наиболее реалистичных сценариях. Математики ТГУ создают собственный вычислительный комплекс. Он позволит проводить детальное численное моделирование там, где эксперименты затруднены или не дают полной картины происходящих внутри материала процессов.
С 2022 года коллектив мехмата ТГУ создал целый ряд специализированных вычислительных моделей, ставших цифровой лабораторией. Эти модели с высокой точностью описывают, как тепло переносится в «умных» стенах, окнах и энергонакопителях. Материалы с изменяемым фазовым состоянием научный коллектив выбирал исходя из особенностей использования и функционирования систем, климатических условий и оптимальной температуры в помещении. Работы ведутся при поддержке РНФ (соглашение № 22-79-10341, руководитель – старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории моделирования процессов конвективного тепломассопереноса ММФ ТГУ Надежда Бондарева).
С помощью этих моделей были получены важные практические результаты. К примеру, исследователи доказали, что интеграция парафинов в кирпичные блоки позволяет снизить теплообмен через стену на 80–87%. Это означает, что стена из таких кирпичей в пять-восемь раз эффективнее сглаживает суточные перепады температуры, поддерживая в помещении более стабильный и комфортный микроклимат. Другой эксперимент доказал мощный синергетический эффект от комбинации фазоизменяемого материала с традиционной теплоизоляцией. Вместе они обеспечили рекордное снижение температуры внутренней поверхности на 6,6°C, а тепловой поток через стену упал на 73,7%.Численное моделирование подтвердило, что максимального эффекта можно достичь, поместив материал-аккумулятор тепла во внутренний слой стены. Такая конфигурация позволяет достичь экономии энергии, необходимой для поддержания комфорта в помещении, свыше 97%.
– В ходе реализации проекта мы разработали новые вычислительные модели для решения ряда сопряженных задач сложного тепломассопереноса в строительных элементах и системах накопления и хранения энергии. В дальнейшем эти и другие результаты проекта можно будет использовать в проектировании и создании пассивных систем кондиционирования для сглаживания температурных перепадов, а также систем охлаждения фотовольтаических элементов, – рассказывает Надежда Бондарева.
На следующем этапе проекта, до середины 2027 года, ученые ММФ ТГУ ставят перед собой задачу создать и проверить цифровые прототипы законченных систем терморегулирования – от компактных теплоаккумуляторов до систем охлаждения для серверов и энергооборудования.
Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, – огромная разница в скоростях физических процессов. Конвективные потоки в расплаве меняются быстро, а само плавление или затвердевание материала может занимать часы. Традиционные методы моделирования здесь либо требуют колоссальных вычислительных ресурсов, либо жертвуют точностью.
Команда ММФ намерена преодолеть это противоречие с помощью специально разрабатываемых оригинальных алгоритмов. В их основе – усовершенствованный метод конечных разностей и математические приемы, которые позволяют «умной» сетке расчетов точно следовать за подвижной границей плавления, не тратя лишние ресурсы на пересчет всей области.
Чтобы проверить и отточить создаваемые цифровые модели, будет создан первый в лаборатории экспериментальный стенд, посвященный процессам фазовых переходов. На нем будут изучаться процессы плавления и конвекции в замкнутых объемах на примере лауриновой кислоты – безопасного и эффективного материала – аккумулятора тепла с температурой фазового перехода около 46°C. Этот шаг замыкает цикл «расчет – эксперимент – верификация», что критически важно для создания надежных инженерных решений.
Конечная цель этого этапа – получить универсальные и проверенные методики для проектирования компактных теплоаккумуляторов для зданий и систем охлаждения для мощной электроники, где контроль температуры является ключевым фактором надежности.
Ход и результаты исследований опубликованы в научных журналах «Mathematics», «International Journal of Thermofluids», «Energy», «Numerical Heat Transfer». Техническая новизна разработанных решений подтверждена восемью свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ. Фундаментальные результаты проекта были представлены на международных и всероссийских конференциях, в числе которых Сибирский теплофизический семинар (Новосибирск), 11th International Symposium on Radiative Transfer (RAD–25, Кушадасы, Турция), International Conference on Heat and Mass Transfer in Porous Media: Fundamentals and Applications (HMT-PM 2024, Сиань, Китай), Alternative energy sources, materials and technologies» (AESMT’25, София, Болгария), и 10th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow (ASCHT 2025, Ухань, Китай).
Источник: пресс-служба ТГУ