Ученые ТГУ создадут цифровые модели для повышения энергоэффективности зданий

Коллектив механико-математического факультета Томского госуниверситета выиграл грант Российского научного фонда на разработку математических моделей, которые помогут проектировать энергоэффективные здания. Такие строения могут удерживать внутри избыток тепла зимой и прохладу летом, уменьшая затраты на отопление и кондиционирование. С помощью многопараметрического моделирования ученые изучат, как тепло перемещается внутри стен, помещений и строительных конструкций. Это позволит находить оптимальные решения для снижения энергопотерь еще на стадии проектирования — без дорогостоящих натурных экспериментов.

Строительная отрасль остается одним из ключевых драйверов российской экономики: в 2024 году ввод жилья превысил 107 млн кв. метров. Однако при этом остро стоит проблема энергосбережения в зданиях. Потери тепла в них ведут к колоссальным затратам ресурсов, а удельное энергопотребление во многих российских домах сейчас и так в несколько раз выше, чем в странах Европы и Америки. Например, в России до сих пор эксплуатируются здания с расходом тепла более 350 кВт·ч/м² в год, тогда как за рубежом уже построены дома с показателем ниже 50 кВт·ч/м².

Повышение энергоэффективности — задача комплексная. Проектировщикам необходимо учитывать множество факторов: внешний климат, режимы отопления и охлаждения, материалы стен, форму здания, солнечное излучение и движение воздушных масс внутри помещения. На помощь приходит математическое моделирование. Его методы позволяют заранее «проиграть» различные сценарии и выбрать наилучшие параметры зданий и строительных конструкций, не возводя физические прототипы.

– Используя методы математического моделирования, мы находим оптимальный баланс между энергоэффективностью и стоимостью строительства. Например, низкоэмиссионные покрытия внутри полостей снижают теплообмен излучением на 30-50%, повышая энергоэффективность на 15-25%. Однако использование таких покрытий не всегда целесообразно, так как требует больших первоначальных капиталовложений. А численное моделирование становится мощным инструментом для обоснования экономически целесообразных решений в строительстве, – рассказывает старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории моделирования процессов конвективного тепломассопереноса ММФ Игорь Мирошниченко.

В ТГУ данным направлением занимается ряд научных групп. Проект «Повышение энергоэффективности строительных сооружений путем многопараметрического математического моделирования процессов тепломассопереноса» под руководством Игоря Мирошниченко стартовал в сентябре 2025 года при поддержке РНФ (соглашение № 25-79-10293). Ученым предстоит разработать комплексные математические модели, которые опишут, как множество факторов — от формы полостей до свойств материалов — влияют на теплообмен в строительных сооружениях.

В частности, научный коллектив подробно изучит такие системы солнечного нагрева зданий, как стены Тромба-Мишеля. Это пассивные солнечные системы отопления, представляющие собой массивную стену с воздушным зазором и остеклением. Математики смоделируют работу таких стен в разных климатических условиях и определят оптимальные параметры для концепции «пассивного» дома.

Также ученые проанализируют, как включение элементов с низкой теплопроводностью внутрь строительных блоков может улучшить теплоизоляционные свойства ограждающих конструкций и снизить потери энергии.

Еще одним направлением исследований станет влияние теплового излучения. Будет детально рассмотрено, как излучение поверхностей внутри помещений и в самих стенах влияет на общий тепловой баланс здания.

Для расчетов коллектив будет использовать собственные программные коды, что снижает зависимость от зарубежного ПО, а также открытую платформу OpenFOAM. К работе планируется привлечь студентов и аспирантов, которые смогут решать конкретные задачи в рамках большого проекта.

Проект рассчитан на три года (2025–2028). Ожидается, что его результаты лягут в основу методик проектирования энергоэффективных жилых и общественных зданий, что в конечном счете сделает жилье более комфортным, а его эксплуатацию — менее затратной.

– Наш проект логично дополняет исследование ученых ММФ по пассивным системам климат-контроля с фазоизменяемыми материалами. Коллеги разрабатывали алгоритмы для аккумуляции тепла в стенах, снижая энергозатраты на 73-97%. Мы, в свою очередь, создаем модели для расчета оптимальной «теплоизоляционной шубы» зданий и сооружений, чтобы они как можно дольше сохраняли температуру без лишних затрат энергии, – резюмирует Игорь Мирошниченко.

Источник: пресс-служба ТГУ