Тепловая неравномерность соединительных швов в модульных ограждающих конструкциях

Модульное строительство, также известное как объемно-блочное или prefab строительство, представляет собой метод, при котором здания или их основные компоненты изготавливаются в контролируемых условиях фабрики и затем транспортируются на строительную площадку для последующей сборки [1]. Развитие модульного строительства обусловлено растущим спросом на быстрое, качественное и экономически эффективное жилищное строительство, а также необходимостью решения проблем жилищного дефицита в условиях быстрой урбанизации и роста численности населения в мегаполисах [2]. Модульное строительство применяется не только в жилищном секторе, но и для создания коммерческих зданий, образовательных учреждений, временного жилья в зонах бедствий и специальных конструкций [3].

Модульные конструкции включают в себя панельные системы (двумерные элементы), объемные модульные системы (трехмерные блоки) и гибридные системы, сочетающие преимущества обоих подходов [4]. Особое распространение получили объемные модульные жилые блоки, которые могут представлять собой отдельные комнаты, квартирные единицы или целые жилые ячейки со встроенными коммунальными системами [5].

Модульное строительство обладает значительным числом преимуществ, которые делают его все более привлекательным. Среди основных достоинств можно выделить сокращение сроков строительства на 15-45% [6], повышение качества строительства [7], а также снижение затрат примерно на 20-30% [6]. Данные преимущества достигаются за счет переноса части работ в заводские условия, оптимизации производственных процессов, уменьшения бытовых отходов и сокращения затрат на оплату труда. Кроме того, модульное строительство обеспечивает улучшение условий безопасности на строительной площадке [8]. Проектирование с учетом возможности разборки и повторного использования (Design for Disassembly, DfD) становится все более важным аспектом модульной архитектуры [9].

Однако несмотря на многочисленные преимущества, модульное строительство сталкивается с рядом существенных вызовов и ограничений, которые замедляют его более широкое внедрение в строительной промышленности. Среди таких проблем можно отметить трудности логистики и ограничения габаритов модулей [10], высокие первоначальные инвестиции [11], конструктивную и монтажную сложность модульных соединений, а также отсутствие единых национальных и международных стандартов для проектирования модулей, способов их соединения и методов сборки [12].

Теплотехническое поведение модульных зданий имеет особенности, отличные от монолитных и традиционно возводимых зданий.

В системах модульного домостроения часто используются тонкие сэндвич-панели, легкие металлические каркасы, многочисленные стыки, а также сочетания различных материалов (сталь, древесина, минеральная вата, фанера и др.). Такие конструкции создают локальные неоднородности теплопередачи, которые не могут быть адекватно описаны одномерными инженерными приближениями, применимыми к монолитным плоским ограждениям [13]. Подобные теплотехнические неоднородности могут приводить к образованию тепловых мостиков.

Под тепловым мостиком (thermal bridge / cold bridge) понимается участок конструкции с повышенной теплопроводностью вследствие теплотехнической неоднородности. Тепловые мостики возникают там, где конструкция содержит элементы с повышенной теплопроводностью или где нарушается непрерывность теплоизоляции. Тепловые мостики создаются металлическими стойками каркаса, соединениями между панелями и модулями, углами наружных стен, балконными плитами, окнами и дверями, а также трубопроводами и кабелями [14].

В модульных конструкциях такие мостики приобретают системный характер. Повторяемость узлов и стандартная компоновка модулей создают множество локальных путей повышенного теплопотерь. Это может значительно увеличивать годовые потери тепла и ухудшать микроклимат внутри помещений [15].

В работе [16] показано, что тепловые мостики в стеновых панельных системах могут составлять значительную долю потерь тепла, и что оптимизация геометрии деталей (таких как кронштейны и соединители) может снизить эффект тепловых мостиков примерно на 57% по сопротивлению теплопередаче.

Изучение теплотехнической неоднородности соединений требует комплексного подхода, сочетающего трехмерное численное моделирование и экспериментальные измерения [17].

Экспериментальные методы включают использование тепловизионной съемки (инфракрасной термографии), измерение поверхностной температуры с помощью датчиков и определение линейного коэффициента теплопередачи на основе полевых измерений. Тепловизионная съемка обеспечивает визуальное представление распределения температуры и может быстро идентифицировать области с повышенными тепловыми потерями [18].

Численное моделирование с использованием метода конечных элементов (МКЭ) позволяет определить распределение температурного поля и плотность теплового потока в сложных трехмерных геометриях, варьировать геометрию и состав материалов, а также получать табличные значения коэффициентов теплопередачи для инженерных расчетов [19], [20].

Существующие исследования показывают, что конструктивные решения позволяют существенно снизить эффект тепловых мостиков. Среди таких мер: вынос утеплителя наружу, изменение формы профиля, применение изоляционных прокладок, замена металлических крепежей на менее теплопроводные, использование композитных материалов [21].

Согласно исследованию [22], использование изоляционных прокладок между стальным каркасом и обшивкой в сочетании с конструктивными мерами приводит к снижению тепловых потерь через тепловые мостики до 67%.

Исследования в области модульного строительства демонстрируют устойчивый рост интереса к теплотехническим характеристикам ограждающих конструкций, прежде всего в контексте энергоэффективности и минимизации тепловых мостиков.

Ряд работ рассматривает модульные и легкие стальные конструкции с позиции общей тепловой производительности и эксплуатационных характеристик зданий. Исследование [23] показывает, что высокая степень индустриализации модульных систем способствует снижению теплопотерь, однако оно ограничено качественным описанием процессов без количественного анализа узловых соединений. Аналогично, исследование [24] сосредоточено на методологии расчета теплопередачи и U-значений, не рассматривая влияние конкретных конструктивных решений модульного каркаса. Статья [15] демонстрирует влияние стальных стоек на U-значение и линейные потери тепла, однако анализируют только один тип каркаса без сравнения альтернативных профилей.

Работа [25] предоставляет собой обзор аналитических методов для расчета коэффициента теплопередачи стен из легких стальных тонкостенных конструкций. Отмечается, что правильный расчет U-значения критичен для надежной оценки энергоэффективности, однако исследование сосредоточено на методах расчета в целом, а не на узлах соединений и стыках.

Публикация [26] рассматривает отдельные тепловые мостики (точечные и линейные) в традиционных ограждающих конструкциях и подчеркивает важность трёхмерного характера теплопередачи. В исследовании [27] отмечается, что угловые фрагменты ограждающих конструкций обладают наиболее выраженными тепловыми неоднородностями, однако их исследование охватывает только один вариант узла.

Исследование [28] показало, что структурные неоднородности (углы, стыки панелей и оконные проемы) формируют основной вклад в тепловые потери легких модульных конструкций и существенно ухудшают их тепловую устойчивость при эксплуатации. Применение недорогих методов утепления позволило снизить теплопотери отдельных узлов на 40-85%, что демонстрирует высокую чувствительность таких зданий к качеству сопряжений элементов.

Результаты исследования [29] показывают, что даже при увеличении шага стоек и применении термовкладышей тепловые мостики в стальном каркасе могут обеспечивать более 50% суммарных теплопотерь, что подчеркивает критичность их учета при проектировании. Работа фокусируется на линейных мостиках в ограждающих легких стальных тонкостенных конструкциях и демонстрирует влияние конструктивных решений на тепловое сопротивление, но не рассматривает межмодульные узлы.

Работа [30] направлена на повышение эффективности обнаружения тепловых мостов с использованием улучшенных вычислительных моделей. Ее результаты подтверждают, что тепловая неоднородность ограждающих конструкций остается важной задачей современного строительства. Это дополнительно обосновывает значимость детального изучения температурных полей и тепловых потоков в сложных узлах.

Исследование [31] предлагает формализованные критерии оценки тепловых мостиков на основе коэффициентов теплопередачи, выбросов углекислого газа и технико-экономической эффективности, подтверждая необходимость комплексного подхода. Однако исследование фокусируется на мерах утепления стандартных узлов и не затрагивает тепловые мостики, характерные для каркасных и модульных соединений.

Таким образом, несмотря на разнообразие работ, в научной литературе практически отсутствуют систематические исследования, посвященные теплотехнической неоднородности соединительных стыков в модульных ограждающих конструкциях. Недостаточно данных о теплотехническом поведении узлов модульных конструкций с количественной оценкой влияния формы профиля на теплопотери.

Целью данной работы является комплексное исследование теплотехнических свойств ограждающих конструкций модульных зданий, в частности оценка влияния формы профиля стального каркаса модульного блока на теплопотери через его угловое соединение.

• 2    Materials and Methods

  2.1    General approach

2.2    Experimental verification

Исследование теплотехнической неоднородности модульной конструкции выполнялось с использованием трехмерного конечно-элементного моделирования, результаты которого проходили обязательную экспериментальную верификацию. Такой подход обеспечивает необходимую точность при анализе сложных узлов, содержащих материалы с резко различающимися теплопроводностями и формирующих пространственные пути теплопередачи.

Общий алгоритм исследования включал экспериментальные измерения температурного режима на фрагменте реального модуля, построение и калибровку численной модели, а также проведение расчета узлов соединений. На заключительном этапе выполнялась обработка и анализ результатов.

Изучаемая модульная конструкция представляет собой типовой жилой модуль размером 6060x2440х2700 мм. Схема модуля представлен на рисунке 1.

Рис. 1 - Внешний вид типового жилого модуля

Fig. 1 - View of a typical residential module

Image by the author of the article

Каркас модуля выполнен из профиля, гнутого из листа 3 мм, половые и потолочные балки выполнены из Z-образного профиля толщиной 3 мм. В качестве утеплителя используются трехслойные сэндвич-панели с металлическими облицовками и сердечником из минеральной ваты, изготовленные по ГОСТ 32603-2021. Основанием пола является фанера влагостойкая толщиной 18 мм. В конструкции также использован деревянный брус 75х50.

Величины коэффициентов теплопроводности материалов модульного жилого блока, указанные по данным изготовителя, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Коэффициенты теплопроводности материалов

Table 1. Thermal conductivity coefficients of materials

	Минеральная вата	Сталь	Брус (сосна)	Фанера влагостойкая
λ, Вт/(м °С)	0,035	60	0,18	0,2

Внутреннее пространство модуля прогревалось в течение двух часов с помощью тепловентилятора для установления разницы температур между внутренней и наружной средой, достаточной для формирования устойчивого теплового поля.

Температура воздуха в помещении и на улице регистрировались течении всего времени прогрева с интервалом 10 минут. Целью данных измерений являлось определение момента достижения стационарного теплового режима. После стабилизации перепада температур выполнялась регистрация температур на внутренней поверхности ограждения в течение 10 минут с интервалом в 1 минуту. Одновременно с такой же периодичностью происходило измерение температуры окружающей среды.

Измерение температуры проводились при помощи датчиков теплографа «Терем».

Расположение датчиков включает точки на расстоянии 25 сантиметров от угла на обеих стенах, а также дополнительные точки на расстоянии 50 и 75 сантиметров на одной стене, все на высоте 1,5 метра. Зонды работают в диапазоне температур от -50°C до +150 °C, обеспечивая разрешение 0,01°C и точность 0,15°C. План ограждающей конструкции с указанием мест установки датчиков представлены на рисунке 2. Значения экспериментальных точек усреднялись по всему времени наблюдений.

Рис. 2 - Внешний вид типового жилого модуля

Fig. 2 - Layout of thermograph sensors

Image by the author of the article

Температура воздуха внутреннего помещения и воздуха окружающей среды составляет 28.1±1.5 °С и 7.5±0.5 °С соответственно. Данные значения фиксировались в течение периода сбора статистики после прогрева помещения для достижения стационарного теплового поля.

Стоит отметить, что исследуемый случай иллюстрирует перепад температур порядка десятка градусов, что соответствует условиям эксплуатации ограждающих конструкций.

Результатами измерений являются профили температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции, значений температуры окружающей среды и среды внутри помещения. Полученные данные использовались для верификации численной модели.

2.3    Numerical modeling

Численное моделирование проводилось методом конечных элементов (МКЭ) при помощи программного комплекса Ansys Steady-State Thermal.

Численная модель включает одну четвертую части жилого модуля.

На внешней и внутренней границах расчетной области задавались граничные условия третьего рода, соответствующие экспериментальным температурам и представленные на рисунке 3. Значения температур задавались в соответствии с условиями эксперимента. Kotov, E.; Mishchikhin, S.; Sergeeva, D.; Kotliarskaia, I.; Iakovlev, N.

Thermal irregularity of connection joints in modular enclosing structures;

Коэффициенты теплоотдачи задавались в соответствии с рекомендациями СП 230.1325800.2015 [32].

Рис. 3 - Численное моделирование эксперимента. Граничные условия

Fig. 3 - Numerical modeling of the experiment. Boundary conditions

Image by the author of the article

Узлы модульных ограждающих конструкций содержат такие элементы, как: тонкостенный профиль, металлические листы, терморазрывы, прокладки. Толщины этих элементов малы по сравнению с габаритными размерами анализируемых узлов ограждающих конструкций. При построении расчетных сеток важно было добиться достаточного разрешения тонкостенных элементов в направлении перпендикулярном направлению теплового потока. Для этого использовалась комбинированная схема построения расчетной сетки. Для плоских элементов применена призматическая сетка (sweep-блоки) с минимум четырьмя ячейками по толщине. Области, заполненные теплоизоляцией, дискретизировались тетраэдральной сеткой с постепенным увеличением размера элементов по мере удаления от теплопроводящих включений.

Рис. 4 - Численное моделирование эксперимента. Расчетная сетка

Fig. 4 - Numerical modeling of the experiment. Mesh

Image by the author of the article

Основным контролируемым параметром, определяемым по результатам моделирования теплового состояния фрагмента конструкции, являлась величина среднего теплового потока.

В дополнение к основной модели были построены две отдельные модели узла углового соединения модуля, различающиеся типом стального каркаса.

Первая модель представляет собой угловое сварное соединение профилей квадратного сечения. Ширина профиля 60 мм, толщина 2 мм.

Вторая модель представляет собой угловое соединение балок двутаврового сечения с колонной квадратного сечения. Двутавровые балки соответствуют типоразмеру 10Б1 из сортамента ГОСТР 57837-2017 из соображений соответствия ширины полки сечению квадратного профиля.

Для обеих конструкций геометрия расчетной области включает: угловой элемент и участки балок, имеющих длину 0,15 м от угла. Такое расстояние выбрано из соображений выравнивания температурных полей.0

Сэндвич-панели без металлического каркаса моделировались однородными конструкциями с изотропной теплопроводностью. В обоих вариантах использовались те же теплотехнические параметры материалов и подход к построению расчетной сетки, что и в основной модели. Модели узлов представлены на рисунке 5.

Для каждого узла определялись: распределение температур и удельные потери теплоты.

(a)

(b)

Рис. 5 - Модель узла углового соединения (a) профилей квадратного сечения (b) балок двутаврового сечения с колонной из профиля квадратного сечения

Fig. 5 - Corner joint model: (a) with square hollow sections; (b) with I-beam sections beams and a square hollow section column

Image by the author of the article

• 3    Results and Discussion

В результате численного моделирования получены поля температур и теплового потока в расчетной области. На рисунке 6 представлено поле температур и показаны численные значения температур в точках установки датчиков. На рисунке 6 показано поле теплового потока.

Рис. 6 - Поле температур

Fig. 6 - Temperature field

Image by the author of the article

Рис. 7 - Поле теплового потока

Fig. 7 - Heat flux field

Image by the author of the article

На рисунке 8 представлен сравнительный график экспериментальных данных и расчетных значений температур в точках измерения ограждающей конструкции модульного блока. В соответствии с данным графиком расхождение между расчетными и экспериментальными значениями не превышает 2%. При этом характер распределения температур полностью совпадает. Наиболее низкая температура зафиксирована в углу модульного блока. Таким образом, численная модель подтверждена экспериментом и может использоваться для дальнейшего анализа.

Рис. 8 - Сравнение результатов расчета и эксперимента

Fig. 8 - Comparison of calculated and experimental results

Image by the author of the article

Распределение температур на рисунке 6 демонстрирует выраженную неоднородность, возникающую из-за различий в теплопроводности материалов и сложной геометрии узлов. В угловой зоне внутренней поверхности фиксируется снижение температуры на 6-7 °С по сравнению с центральной частью панели. Такое понижение связано с трехмерным характером теплопередачи и наличием стальных профилей, которые формируют локальный мостик холода.

Понижение температуры также наблюдается в перекрытии вдоль деревянных брусьев, где температура оказывается ниже примерно на 4 °С. Деревянные элементы прерывают слой минераловатной изоляции, создавая протяжённую линию охлаждения. Эти особенности показывают, что металлические и деревянные включения существенно изменяют температурный режим конструкции и снижают ее теплотехническую однородность.

Поле теплового потока (рисунок 7) подтверждает выявленные аномалии. Наибольшие значения (около 40 Вт/м²) сосредоточены в углу у сопряжения стены и перекрытия, где сходятся основные пути теплопередачи через металлический каркас. В зоне пересечения стен поток уменьшается до 12-19 Вт/м², что отражает умеренную, но устойчивую неоднородность.

В перекрытии тепловой поток увеличивается вдоль деревянных брусьев, достигая около 19 Вт/м². Эти линейные зоны свидетельствуют о снижении эффективности теплоизоляции в местах, где утеплитель прерывается. Однородные участки панелей имеют минимальные значения теплового потока, близкие к нулю, что подтверждает нормальную работу минераловатной изоляции.

В совокупности распределение температур и теплового потока демонстрирует, что основные теплопотери локализуются в областях, пересеченных высоко- и среднетеплопроводными элементами, тогда как теплоизолированные фрагменты сохраняют стабильный режим.

Поля температур для узловых моделей представлены на рисунках 9 и 10. Распределение температур имеет похожий вид, однако для узла с двутавровыми балками зона пониженной температуры распространяется глубже в тело конструкции вследствие большей площади поперечного сечения стального элемента и увеличенной толщины теплопроводящего пути.

Рис. 9 - Поле температур узла углового соединения профилей квадратного сечения Fig. 9 - Temperature field of the corner joint model with square hollow sections Image by the author of the article

Рис. 10 - Поле температур узла углового соединения балок двутаврового сечения с колонной из профиля квадратного сечения

Fig. 10 - Temperature field of the corner joint model with I-beam sections beams and a square hollow section column

Image by the author of the article

Для каждого узла была определена величина удельных потерь теплоты:

• -    0.008 Вт/°C для узла с углового соединения профилей квадратного сечения;

• -    0.011 Вт/°C для узла с двутавровыми балками.

В результате разница составляет 37.5% при одинаковой толщине ограждающих стеновых конструкций и даже большей толщине конструкции пола у варианта с двутавровыми балками. Выбор типа металлического профиля оказывает заметное влияние на интегральные тепловые потери углового соединения модуля.

В совокупности полученные результаты демонстрируют, что теплотехническая неоднородность формируется преимущественно в областях сопряжения стальных элементов каркаса и нарушения сплошности теплоизоляционного слоя.

• 4    Conclusions

В ходе исследования теплотехнической неоднородности были проведены численное моделирование и натурные испытания ограждающих конструкций жилого модуля, а также выполнен сравнительный анализ теплотехнических характеристик двух конструктивных узлов. На основании совокупности полученных данных сформулированы следующие выводы.

• 1.    Установлено, что теплотехническая неоднородность модульных ограждающих конструкций формируется в зонах сопряжения стальных элементов каркаса, где геометрический перелом конструкции и различие теплопроводности материалов приводят к локальному снижению температуры внутренней поверхности и концентрации теплового потока.

• 2.    Численная модель теплопередачи, построенная методом конечных элементов, продемонстрировала согласованность с экспериментальными данными по распределению температур в характерных точках углового фрагмента модуля, что подтверждает корректность выбранной методики моделирования.

• 3.    Наибольшая теплотехническая неоднородность была выявлена в зоне углового сопряжения стены и пола, где фиксировались минимальные значения температуры внутренней поверхности и максимальный тепловой поток, достигающий около 40 Вт/м². Такая концентрация теплопередачи обусловлена наложением двух факторов: трехмерным искривлением теплового потока в геометрическом угле и наличием стальных элементов каркаса, формирующих непрерывный путь повышенной теплопроводности. Совместное действие этих механизмов приводит к наиболее интенсивному охлаждению ограждающей конструкции именно в данной области.

• 4.    Сравнительный анализ двух конструктивных решений показал, что узел на основе полых квадратных профилей характеризуется меньшими удельными потерями теплоты (0.008 Вт/°C) по сравнению с узлом, содержащим двутавровые балки (0.011 Вт/°C), что обусловлено уменьшенной площадью теплопроводящего пути и более равномерным распределением температур.

• 5.    Результаты исследования подтверждают необходимость специального учета теплотехнической неоднородности при проектировании модульных зданий, поскольку именно они формируют основные тепловые потери. В таких зонах целесообразно предусматривать локальное увеличение толщины теплоизоляции либо применение конструктивных решений, уменьшающих непрерывность теплопроводящих металлических путей. При этом вынос теплоизоляции наружу не всегда является выгодным решением.

• 5    Acknowledgements

• 6    Fundings

  This research was funded by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the state assignment No 075-03-2025-256 dated 16 January 2025, Additional agreement No 075-03-2025-256/1 dated March 25, 2025, FSEG-2025-0008I.

• 7    Conflict of Interests