Оптимизация архитектурного проекта с помощью моделирования физики здания

04/10/2018

Представьте, что во время грозы вы находитесь в помещении и наблюдаете, как капли дождя стекают по оконному стеклу. Несмотря на непогоду, вы остаетесь в сухости и тепле, потому что оболочка здания защищает вас от внешней среды. Чтобы спроектировать эффективные ограждающие конструкции здания, инженеры учитывают множество различных фактов. Помочь в этом призвано моделирование.

Вопрос об оболочках зданий рассматривают со всех сторон

Наружная оболочка здания, которая также называется ограждающей конструкцией, — это система, отделяющая внутреннюю среду от внешней. В каменном веке примитивными оболочками здания служили такие конструкции, как пещеры и шалаши, которые обеспечивали нашим предкам необходимую защиту.

Ранние оболочки здания обеспечивали только базовые функции укрытия. Со временем они развивались, и в них начали появляться такие характерные компоненты, как стены, крыша, полы и окна. При этом цель оболочки здания остается прежней: защищать жителей от внешней среды и таких стихийных проявлений, как вода, жар и холод.

Иллюстрация наружной оболочки дома.
Оболочка здания обеспечивает защиту от внешней среды.

Современные оболочки зданий могут быть довольно сложными. В силу постоянных изменений в архитектуре постоянно появляются новые изделия, рабочие процессы, строительные нормы и конструкции. Инженеры должны знать механическую надежность, водопроницаемость, энергоэффективность, тепловые характеристики и многие другие характеристики каждого из этих новых элементов.

Проектирование улучшенных оболочек здания в Built Environments

Для эффективного исследования аэродинамики, влагопереноса, теплопередачи и других факторов, влияющих на характеристики оболочек здания, компания Built Environments, Inc использует программное обеспечение COMSOL Multiphysics®. С его помощью специалисты компании анализируют взаимное влияние разных физических явлений и изучают различные стадии архитектурного и строительного проектирования и расчетов.

Стивен Доггет (Steven Doggett), президент компании Built Environments, отмечает, что их работа условно подразделяется на три категории:

  1. Физические исследования характеристик материалов, изделий и узлов
  2. Услуги по созданию и переработке проектов
  3. Консультирование по оболочкам зданий, в том числе инспекция строительной площадки и архитектурная экспертиза

В каждой из этих категорий моделирование может упростить процессы анализа в компании. Далее мы рассмотрим несколько конкретных примеров применения моделирования в компании.

Моделирование гидродинамики для проектирования энергоэффективных зданий

Меняющиеся энергетические нормы в архитектурной отрасли нацелены на постоянное повышение энергоэффективности зданий. Однако архитекторам может быть сложно поспевать за этими нормами. Чтобы решить эту проблему и повысить энергоэффективность зданий в целом, улучшают их тепловые характеристики.

Для этого нужно знать коэффициенты теплопередачи и коэффициенты сопротивления теплопередаче для разных материалов, изделий и узлов в рамках строительного проекта. В частности, если требуется улучшить тепловые характеристики здания, можно повысить коэффициенты сопротивления теплопередаче и снизить коэффициенты теплопередачи, которые являются обратно пропорциональными величинами (U = 1/R).

Тепловое изображение изолированной оболочки здания.
Термограмма потерь тепла через перекрытия, проходящие через изолированную оболочку здания. Изображение из открытого источника, доступно на Викискладе.

Несмотря на то, что значения характеристик можно рассчитать традиционными способами, Доггет поясняет, что строительная норма ASHRAE 90.1 позволяет использовать моделирование в качестве альтернативы испытанию узлов. Это крайне полезно, потому что тщательно выверенные модели позволяют эффективно вычислить значения тепловых характеристик для разных сочетаний климатических условий и материалов, что ускоряет процесс проектирования.

Например, для определения тепловых характеристик стеновой конструкции можно использовать программы, реализующие методы вычислительной гидродинамики. Для этого инженерам сначала необходимо тщательно сравнить свою модель с реальными испытаниями в теплоизолированной камере. Когда специалисты Built Environments проводят подобные расчеты, они стремятся к тому, чтобы результаты оставались в пределах допуска ±2,5% по сравнению с испытаниями в теплоизолированной камере. Обычно их коэффициенты сопротивления теплопередаче отличаются от тестовых значений менее чем на 1%, что подтверждает точность моделирования.

График эталонного испытания с использованием теплоизолированной камеры.
Результаты моделирования и эталонного испытания физики здания в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

Тестовое моделирование для стандартной стальной каркасной стены в сравнении с испытаниями в теплоизолированной камере. Коэффициент сопротивления теплопередаче в модели, равный 10,44, отличается от результата испытаний всего лишь на -0,57%. Несмотря на то, что для проверки модели допустимое пороговое значение отклонения от тестовых значений составляет ±8%, результаты Built Environments в основном находятся в пределах допуска 2,5% по сравнению с испытаниями в теплоизолированной камере. Имейте в виду, что точность испытаний в теплоизолированной камере составляет ±5%. Автор изображения — Стивен Доггет.

Проблемы при разработке проектов, ориентированных на энергоэффективность

Повышение энергоэффективности зданий — непростая задача. Например, часто предполагают, что увеличение объема изоляции повышает энергоэффективность. Однако это может вызвать проблемы с влажностью. Или, например, в настоящее время часто снаружи оболочки стен и кирпичной облицовки устанавливают теплоизоляцию, чтобы снизить эффект теплового мостика. Поскольку для установки такой изоляции нужны крепления, они могут, наоборот, послужить тепловым мостиком. Как отмечает Доггет, в результате получается «один шаг вперед и полшага назад».

Как архитекторам избежать подобных ситуаций? Доггет рассказывает, что его компания использует COMSOL Multiphysics в качестве «превентивной меры», которая помогает «детально изучить возможные проблемы проекта». Это эффективный метод, поскольку путем моделирования архитекторы и другие инженеры могут улучшить свои проекты до начала строительства и рассчитать реакцию системы на разные условия окружающей среды.

Крайне важно выявить проблемы с оболочкой здания еще на стадии проекта, потому что исправлять их на стадии строительства иногда стоит столько же, сколько и конструкция ещё одной новой оболочки.

Три графика для сравнения изоляции оболочки здания.
Изображение различных результатов моделирования для перфорированной и неперфорированной изоляции.

Сравнение результатов моделирования перфорированной и неперфорированной изоляции, облицованной фольгой. Перфорация изоляции оболочки здания может улучшить характеристики влажности во время устоявшейся зимней погоды. Автор изображения — Стивен Доггет.

Кроме того, с помощью моделирования архитекторам проще создать сложные трехмерные визуализации и выявить потенциальные проблемы проекта. Это особенно полезная возможность, поскольку сообщество архитекторов, как говорит Доггет, «ориентировано на визуальные образы».

Архитектурная экспертиза

Мы рассмотрели, как предотвратить проблемы с оболочкой здания с помощью моделирования. Но что делать, если проблемы уже имеются? В таких случаях специалисты Built Environments используют моделирование для архитектурной экспертизы. Этот процесс включает в себя исследование и оценку дефектных конструкций здания для определения причины повреждений, продолжительности и возможностей повреждений в будущем.

В качестве примера архитектурной экспертизы Доггет привел проект по ремонту вентилируемого фасада, в котором было предусмотрено воздушное пространство за облицовкой здания, защищающее от влаги. Это очень важно с точки зрения характеристик здания в целом, поскольку, по словам Доггета, «около 90% обрушений зданий вызваны проблемами с влажностью».

В этом конкретном примере облицовка вентилируемого фасада была изготовлена из светопрозрачного поликарбоната, который пропускал некоторое количество света и тепла. Несмотря на эстетический эффект, из-за нагрева, вызванного солнечным светом, внешняя пенопластовая изоляция расплавилась.

График с результатами моделирования гидродинамики для солнечного нагрева в вентилируемом фасаде.
CFD-моделирование вентилируемого фасада из поликарбоната, исходная конструкция которого стала причиной непредвиденного нагрева под воздействием солнечного света. В частности, панель была прогнута, а поверхность изоляции из экструдированного пенополистирола расплавилась. В результате численного анализа модификации вентилируемого фасада удалось рассчитать максимальный нагрев под воздействием солнца и минимальные требования к вентиляции. Автор изображения — Стивен Доггет.

Посредством численного анализа специалисты Built Environments смогли определить минимальные требования к вентиляции и максимальную допустимую величину солнечного нагрева для модифицированной конструкции. Результаты моделирования были подтверждены данными измерений на объекте. В завершение, Доггет отмечает, что расчеты специалистов «точно совпали с характеристиками реального объекта».

Устранение трудностей архитектурного моделирования

Архитектура — это очень прикладная и практичная сфера. В связи с этим Доггет подчеркивает важность проведения реальных физических испытаний при моделировании физики здания и в архитектуре в целом. Испытания незаменимы, так как с их помощью можно подтвердить точность результатов моделирования.

При моделировании специалисты Built Environments используют реальные данные, полученные на объекте. При этом они незамедлительно тестируют разные условия и определяют, как они влияют на конструкции здания. Доггет говорит, что так он «убеждается в пригодности» модели, поскольку «сразу же видит эталонный результат».

Другая трудность в области архитектурного моделирования состоит в большом разбросе нужных для строительного анализа масштабов. Строительные элементы малого масштаба, например, ранее упомянутый вентилируемый фасад, могут влиять на теплоэффективность всего здания. Доггет отмечает, что с таким разнообразием масштабов можно успешно работать, используя двумерные и трехмерные модели и возможности сеточного генератора в COMSOL Multiphysics.

Несмотря на эти трудности, моделирование отвечает на многие вопросы, возникающие при архитектурном и строительном проектировании и расчетах, и закладывает основы для будущих строительных проектов.

Дальнейшие шаги

Чтобы узнать подробнее о доступных функциях и возможностях моделирования аэро- и гидродинамики в программном пакете COMSOL®, нажмите кнопку ниже:

Узнайте подробнее о роли моделирования в физике зданий


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ