Теплозащитные свойства и долговечность непрозрачных фасадных систем зданий

ВЕСТНИК 3/2011

ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ НЕПРОЗРАЧНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ

THERMAL SHIELD PROPERTIES AND DURABILITY OF NONTRANSPARENT FACADE SYSTEMS OF BUILDINGS

А.И. Ананьев, A.A. Ананьев A.I. Ananyev, A.A. Ananyev

НИИСФ PAACH, ОАО НТЦ «Промышленная безопасность»

Рассмотрена роль различных конструкций стен с отличающимися теплозащитными свойствами в энергетическом балансе здания. Показана зависимость долговечности облицовочного слоя наружных стен от вида и теплофизических свойств лицевых материалов

The role of various wall constructions with different thermal shield properties in energy balance of a building is considered. Dependence of durability of a facing layer of external walls on a kind and thermo technical properties of obverse materials is shown

В большинстве фасадных систем присутствуют металлические связи. Наличие стальных (Х=58 Вт/(м'°С)) и алюминиевых (Х=221Вт/(м"0С)) связей с теплопроводностью в 1450 и 5500 раз, превышающей теплопроводность теплоизоляционных материалов, приводит к значительному изменению теплотехнической однородности, снижению теплозащитных качеств, ухудшению влажностного режима стен и концентрации напряжения в узлах фасадной системы. Влияние теплотехнической однородности на теплозащитные качества стеновых систем учитывается введением в формулу для расчёта приведённого сопротивления теплопередаче (R0np) в качестве поправочного коэффициента (r) к условному сопротивлению теплопередаче (Roy™), т.е. R0np=rxR0y™. Значение r определяется расчётом трёхмерного температурного поля (рис.1). Коэффициент r является переменной величиной, снижающейся при повышении R0 стены в результате усиливающегося теплового потока через теплопроводные включения, обусловленное применением более теплоэффективного теплоизоляционного материала. Поэтому нецелесообразно располагать высокоэффективные материалы вокруг стальных и алюминиевых связей без устройства промежуточного слоя. Значение r фасадной системы в целом зависит от наличия эркеров, лоджий, оконных откосов, и влияния ряда других конструктивных элементов. Поэтому для получения достоверных данных о R0np фасадных систем расчёты необходимо выполнять с учетом специфики проектного решения. Приведение теплопотерь фасадных систем с металлическими связями в соответствие с однородными без теплопроводных включений с тем же требуемым уровнем теплоизоляции (R0"p=3,2-5,04m2-0C/Bt) можно добиться увеличением толщины теплоизоляционного слоя (табл.1). Толщина наружных панелей будет составлять для г.Тверь и Московской области соответственно 345 и 480мм, а в г.Якутске 535 и 700мм.

3/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

а.и ftS 9.1 Ы <J.S 1

¡*

г ч ч. г

\

i j i * j * * IV"-h'-,C/B1

Рис. 1 Зыксннесгь киффнцд^шз

идчораности

гоп-

ЛОТНККЧВССОН

тргИСЛОнИвЙ мйлмойвтвнкйЯ п ян ип и вт ytngiittrg со-лротшленм тгпп1п1р«рам fi;": t с пеишшлистнрвлышни плитами р. =0.0* Вт Дм -СИ,

? — с иинвралмяткымн ппитани {К =0,08 Ят/(м *СЦ

Таблица 1

Градусо-сутки Нормативное значение Требуемая толщина утеплителя в панели.

отопительного приведенного сопро- В числителе при А=°,°42 Вт/

периода (ГСОП), тивления теплопереда- В знаменателе при 1=°,°8 Вт/ (м °С). 3, мм

название города че из условии энергосбережения м2- 0С/Вт Без теплопроводных включений r=1 С влиянием теплопроводных включений г= уаг

5°°° 125 240 18° 315

Тверь, Москва, Московская обл. 3,2°

72°°

Ханты-Мансийск, 3,92 155 26°

Енисейск, Улан- 300 4°°

Удэ

9°°° 4,55 180 31°

Ленек, Уренгой 345 48°

1°4°° 5,°4 200 37°

Якутск 380 55°

Решение проблемы энергосбережения за счёт увеличения толщины утеплителя вступает в противоречие с долговечностью стен. Поэтому до принятия окончательного решения необходимо на стадии проектирования оценить роль уровня теплоизоляции различных вариантов конструкций наружных стен в энергетическом балансе здания. Приведённые на рис.2 результаты исследований энергетического баланса жилого 9-ти этажного здания с естественной вентиляцией показывают, что увеличение Я0пр наружных стен фасадных систем в г.Тверь и Московской области сверхтребуемого по санитарно-гигиеническим условиям, например, до 2м2-°С/Вт приводит к снижению энергозатрат на отопление на 17%. Увеличение Я0пр до 3,2м2-°С/Вт, т.е. ещё на 1,2м2-°С/Вт приводит к экономии тепла на отопление дополнительно на 8,6%. В г.Якутске увеличение Я0пр стен до 2,83м2-°С/Вт, сверхтребуемого по санитарно-гигиеническим условиям, равным 1,83м2-°С/Вт сокращает теплопотери здания на 12%, до 3,83м2-°С/Вт - на 4,6%, ещё на 1,2м2-°С/Вт - на 3,9% (рис.2). Более целесообразно решать проблему энергосбережения при эксплуатации зданий с естественной вентиляцией за счёт снижения энергозатрат на подогрев вентилируемого воздуха. Энергозатраты на компенсацию теплопотерь через стены составляют 38,2% в энергетическом балансе здания. На подогрев вентилируемого воздуха - 38,5%. Увеличение Я0"р стен до 3,2м2-°С/Вт при-

ВЕСТНИК МГСУ

3/2011

водит к перераспределению этих составляющих соответственно до 19 и 50%. В северных регионах страны (г.Якутск) увеличение R0"p до нормативного значения 5,04м2-°С/Вт приводит к перераспределению энергозатрат соответственно до 14,7 и 58,5% (рис.3). Значительно снизить расходы энергии на подогрев вентилируемого воздуха можно в результате устройства механической или комбинированной вентиляции с установкой рекуператоров и герметичных окон. Выполнение этих мероприятий для климатических регионов страны с расчётной температурой наиболее холодной пятидневки ниже следует считать обязательным. Это повысит роль наружных стен в энергетическом балансе зданий до 40%. Тогда будет экономически выгоднее применять наружные стены с повышенным уровнем теплоизоляции. При этом необходимо иметь в виду, что при увеличенной толщине утеплителя в стенах существенно возрастают усадочные и температурно-влажностные деформации, что приводит к образованию трещин, разрывам контактных зон с конструкционными материалами. Но самое главное, повышается объём влаги в стене и узлах сопряжений. В северных регионах страны, где холодное и короткое лето, стены и узлы сопряжений, насыщенные металлом, не успевают войти в квазиостационарное влажностное состояние в годовом цикле эксплуатации. Систематическое накопление влаги приводит к ускоренному морозному разрушению, снижению срока службы и частым капитальным ремонтам наружных стен фасадных систем.

В фасадных системах в связи с повышением уровня теплоизоляции стен [1] изменяется также и температурный режим. В стенах с R0=1,2м20C/Bm при заморозках облицовочный кирпичный слой в г.Москве промерзает до -2,7°С, с R0=2,2м20C/Bm до -6,8°С и R0=3,2м2oC/Bm до - 7,5°С. Значит, чем выше уровень теплоизоляции наружных стен фасадной системы, тем больше образуется льда в порах материалов облицовочного слоя и тем быстрее он разрушается. Чем тоньше облицовочный слой, например, штукатурный, тем большему количеству циклов перехода наружной температуры через

он подвержен в осенне-зимний и зимне-весенний интервалы года. Происшедшее качественное изменение физических процессов в наружных ограждающих конструкциях в связи с повышением требований к уровню теплоизоляции должно обеспечиваться изменением требований к физическим свойствам материалов. Например, требования к морозостойкости лицевого керамического кирпича в СНиП 22-81*[2] остались прежними, отвечающими уровню теплоизоляции стен, действовавшему до 1995г. Это относится и к другим многим материалам и физическим характеристикам. Отсутствие комплексного подхода к решению проблемы энергосбережения и привлечения профессионально неподготовленных рабочих для возведения стен с новыми конструктивными решениями привели к преждевременным разрушениям облицовочных слоев, а некоторых случаях и к аварийному состоянию. Ускорению процесса разрушения способствуют физические процессы, обусловленные различием конструктивных решений фасадных систем зданий. Поэтому, каждое конструктивное решение необходимо оценивать не только с позиции его вклада в экономию тепла на отопление, но и обеспечения долговечности, обуславливающей затраты на текущие и капитальные ремонты [2].

Например, наиболее рациональными конструкциями для тепловой защиты зданий являются многослойные фасадные системы с металлическими дюбелями, с тонким штукатурным слоем, нанесённым мокрым способом. При соответствующем им коэффициенте теплотехнической однородности г=0,9 достигается наибольший уровень теплоизоляции[9]. Но они имеют наиболее низкую долговечность. Преимущества этой конструкции проявляются в возможности обеспечения контроля качества при возведении стены. Этому способствует разделение технологического процесса на 3-4 этапа. Переход к каждому последующему этапу работ невозможен без проведения контроля качества предшествующего. Другим важным фактором является ремонтопригодность фасадной системы.

В целях повышения долговечности многослойных фасадных систем облицовочный слой стали выполнять из лицевого пустотелого керамического кирпича с опира-нием непосредственно на край монолитного железобетонного перекрытия или на металлические уголки, прикреплённые к перекрытию. Прочность и устойчивость облицовочного слоя обеспечивается металлическими связями с конструктивной частью фасадной системы. Лицевой керамический кирпич в облицовочном слое многослойной стены поставлен в эксплуатационные условия, несоответствующие его области применения. Он предназначен для облицовки сплошных кирпичных стен. Посредством тычковых рядов облицовочный слой связывает несущую часть стены в единую монолитную систему кладки, обеспечивавшей равномерное распределение температуры и влаги во всей стене. В таких стенах безремонтный срок службы облицовочного слоя из лицевого керамического кирпича составляет 50-80 лет, а в некоторых знаниях и более 100 лет. В многослойных фасадных системах облицовочный слой отделён плитным утеплителем от конструктивной части стены, что ухудшило его температурный режим и повысило число циклов замораживания и оттаивания. Пар, диффундирующий из помещения, встречая на пути низкое сопротивление паропроницанию утеплителя из

ВЕСТНИК 3/2011

минераловатных плит, перемещается к более холодному облицовочному кирпичному слою и конденсируется на нём. Поглощённая кирпичами влага, при заморозках переходя в твёрдое состояние (лёд), разрушает кирпич [3,4]. По аналогичным причинам разрушаются и лицевые кирпичи, расположенные на металлических уголках, на которых при резком наступлении потепления после мороза образуется иней. Представляет большие проблемы обеспечение надёжного соединения облицовочного слоя гибкими металлическими связями, удалённого на 15°-25° мм от основной части стены, т.е. за мягким утеплителем.

В усложнённых температурно-влажностных условиях слоистых фасадных систем применение лицевого пустотелого керамического кирпича с маркой по морозостойкости Б35 не может обеспечить безремонтный срок службы, равный 3°-5° годам. Для установления требуемой марки по морозостойкости лицевого кирпича для облицовочного слоя слоистых фасадных систем авторами были обобщены результаты натурных исследований долговечности облицовочных слоёв наружных стен зданий, эксплуатируемых более 5°ти лет, а также определено количество циклов замораживания - оттаивания, которым они подвергались за этот период. По разработанной программе спрогнозировано требуемое значение марки по морозостойкости и других физических параметров лицевого керамического кирпича для слоистых фасадных систем, обеспечивающих требуемую продолжительность эксплуатации до первого капитального ремонта и срок службы в целом. Для обеспечения безремонтного срока службы облицовочного слоя не менее 5° лет следует применять полнотелый или пустотелый керамический кирпич с маркой по морозостойкости Б5° - Б75[5]. Особые эксплуатационные условия в облицовочном слое слоистых фасадных систем складываются при наличии вентилируемой воздушной прослойки. Они обусловлены двусторонним контактом с наружным воздухом, что приводит к повышенному влагосодержанию кладочного раствора и кирпича в пасмурную погоду и при дожде. Влажность кирпича может достигать значения, близкого к максимальному водопоглощению. Лицевой керамический кирпич разрушается при заморозках и оттепелях с обеих сторон. Поэтому предлагается облицовочный слой при наличии вентилируемой воздушной прослойки выполнять только из полнотелого кирпича с маркой по морозостойкости Р1°°, независимо от уровня теплоизоляции фасадной системы.

Фасадные системы из трёхслойных стеновых панелей с полужёсткими и жёсткими минераловатными плитами и из плит беспрессового пенополистирола в нашей стране стали применять с 197°-72гг. Масса одного квадратного метра панели составляет 45°-5°°кг. Наружный армированный бетонный слой толщиной 5°-6°мм, облицованный керамической плиткой надёжно защищает утеплитель от атмосферных воздействий. Внутренний несущий железобетонный слой, вместе с отделочным слоем имеет сопротивление паропроницанию не ниже 1,6м2-ч-Па/мг, существенно превышающей аналогичный параметр наружного слоя панели. Поэтому за годовой цикл эксплуатации не происходит накопления влаги. Влага, накопившаяся в отопительный период года, полностью удаляется в весенне-летний интервал года. В результате обеспечения рациональной паропроницаемости и тепловой инерции наружного бетонного облицовочного слоя трёхслойная панель устойчива к температурно-влажностным воздействиям в осенне-зимний и зимне-весенний интервалы года. Что на протяжении почти 4° лет обеспечивает удовлетворительное состояние утеплителя. Результаты проведённых натурных обследований показывают, что заложенный в них ресурс обеспечит им безремонтный срок службы не менее 5° лет. На основании экспертной оценки имеющейся базы данных по долговечности трёхслойных железобетонных панелей есть основа-

ния для прогнозирования 50-летнего безремонтного срока эксплуатации и современных трёхслойных панелей с повышенным уровнем теплоизоляции с толщиной теплоизоляционных плит не более 200мм. Современные фасадные системы из трёхслойных панелей, созданные на базе накопленного многолетнего опыта крупнопанельного домостроения содержат объёмные элементы ограждений, эркеров, лоджий и других частей зданий, изготовляемых на ДСК. Благодаря этому, архитектура современных панельных зданий стала несравнимой с безликими плоскими панельными зданиями прошлых лет. Надёжность и долговечность современных фасадных систем зданий из трёхслойных элементов обеспечивает безопасные санитарно-гигиенические условия для проживания и окружающей среды.

Литература

1.СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М., 2003

2.СНиП П-22-81 Каменные и армокаменные конструкции, М., 2004

3.Ананьев A.A. Повышение долговечности лицевого керамического кирпича и камня в наружных стенах зданий. Автореферат кандидатской диссертации. М., 2007

4.Ананьев А.И. О нормативных требованиях, занижающих теплозащитные свойства и долговечность кирпичных стен зданий. Строительные материалы №2, М., 2007

5. Межгосударственный стандарт ГОСТ 530-2007. Кирпич и камень керамические. Общие технические условия. М., 2007

Reference

1. SNiP 23-02-2003. Thermal performance of the buildings. M., 2003

2. SNiP II-22-81*. Masonry constructions. M., 2004

3. A.A. Ananyev. Increase of durability of an obverse ceramic brick and stone in external walls of buildings. The master's thesis author's abstract. M., 2007

4. A.I. Ananyev. About the standard requirements underestimating thermal shield properties and durability of brick walls of buildings. Building materials №2, M., 2007

5. The interstate standard of GOST 530-2007. A brick and a stone the ceramic. The general specifications. M., 2007

Ключевые слова: теплозащитные свойства, долговечность, непрозрачные фасадные системы зданий, энергетический баланс здания, теплопроводность, приведенное сопротивление теплопередаче, теплопотери, энергосбережение

Keywords: thermal shield properties, durability, nontransparent facade systems of buildings, energy balance of a building, thermal conductivity, reduced total thermal resistance, heat loss, energy saving

E-mail: tus1995@mail.ru, aaa3000@mail.ru