Разработки математиков ТГУ помогут регулировать микроклимат зданий

Энергоэффективные решения по созданию пассивных систем климат-контроля для строительной отрасли и энергетики разрабатывают ученые Механико-математического факультета (ММФ) Томского государственного университета (ТГУ), 9 февраля сообщила пресс-служба вуза. Проект «Исследование влияния конвективных и радиационных явлений и фазовых переходов на теплофизику строительных элементов» поддержан РНФ и предусматривает разработку сотрудниками ММФ ТГУ цифровых моделей и расчетных методик для проектирования энергоэффективных зданий с использованием материалов, способных накапливать тепло при плавлении и отдавать его при затвердевании. Применение таких материалов в конструкции зданий даст возможность регулировать температуру в них за счет поглощения излишков тепла днем и отдачи их ночью, не требуя при этом расходов электроэнергии. Кроме того, такие материалы могут быть использованы в системах охлаждения современной электроники. Данное направление в исследованиях находится в русле Стратегии научно-технологического развития РФ в рамках перехода к ресурсосберегающей энергетике и формированию новых способов транспортировки и хранения энергии. Его актуальность вызвана тем, что идущая в настоящее время автоматизация многих технических процессов, а также постоянное повышение вычислительных мощностей приводит к росту энергопотребления и в конечном итоге к тепловому загрязнению планеты и глобальному потеплению. Институт энергетических исследований РАН прогнозирует мировой рост энергопотребления до 2040 года на дополнительные 1,1% в год. Это делает разработку эффективных энергосберегающих технологий задачей стратегической важности. Поскольку поддержание теплового комфорта в зданиях, где системы климат-контроля работают практически непрерывно, требует значительных энергоресурсов, это создает запрос на создание новых, «пассивных» технологий терморегулирования. Соответствующие технологии могут быть созданы, например, с использованием материалов с фазовым переходом, такими как специальные воски или соли, которые активно поглощают тепло при плавлении и отдают его при затвердевании, но свою температуру при этом не меняют. Однако поведение таких материалов в реальных условиях, когда на них одновременно воздействуют солнечное излучение, потоки воздуха, суточные колебания температуры и другие факторы, в настоящее время недостаточно изучено. В рамках решения этой проблемы ученые ММФ ТГУ исследуют процессы плавления и кристаллизации таких фазоизменяемых материалов, чтобы создать основу для разработки высокоэффективных систем аккумулирования тепла. Для этих целей они создают собственный вычислительный комплекс, способный выполнять детальное численное моделирование для случаев, когда эксперименты затруднены или не могут дать полной картины процессов, происходящих внутри материала. Учеными мехмата ТГУ с начала работы над проектом в 2022 году уже создан ряд специализированных вычислительных моделей, которые с высокой точностью описывают перенос тепла в стенах, окнах и энергонакопителях из материалов с изменяемым фазовым состоянием. Модели помогли исследователям получить важные практические результаты. Так, они показали, что ввод парафинов в кирпичные блоки снижает теплообмен через стену на 80–87%. То есть стена из таких кирпичей в 5-8 раз эффективнее обычной будет сглаживать влияние суточных перепадов температур, поддерживая в помещении более стабильный и комфортный микроклимат. В другом эксперименте они доказали мощный синергетический эффект от сочетания фазоизменяемого материала с традиционной теплоизоляцией. Их совместное использование обеспечило рекордное снижение температуры внутренней поверхности на 6,6 °C, а тепловой поток через стену упал на 73,7%. Численное моделирование подтвердило, что для получения максимального эффекта нужно поместить материал — аккумулятор тепла, во внутренний слой стены. В этом случае экономия энергии, необходимой для поддержания комфорта в помещении, превышает 97%. В ходе следующего этапа проекта, рассчитанного до середины 2027 года, специалисты ММФ ТГУ намерены разработать и протестировать цифровые прототипы законченных систем терморегулирования, начав с компактных теплоаккумуляторов и затем перейдя к системам охлаждения для серверов и энергооборудования. Для тестирования и совершенствования создаваемых цифровых моделей в ТГУ будет создан экспериментальный стенд, на котором будут изучаться процессы плавления и конвекции в замкнутых объемах на примере лауриновой кислоты, которая является безопасным и эффективным аккумулятором тепла с температурой фазового перехода около 46 °C. Результатом данного этапа должны стать созданные универсальные методики проектирования компактных теплоаккумуляторов для зданий и систем охлаждения мощной электроники. Результаты уже проведенных исследований математики ТГУ представили в статьях, опубликованных в журналах Mathematics, International Journal of Thermofluids, Energy и Numerical Heat Transfer. Ими были получены восемь свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ. Кроме того, полученные фундаментальные результаты проекта были ими представлены на нескольких международных и всероссийских конференциях. glavno.smi.today