Классификация вентилируемых фасадных систем. Влияние теплопроводных включений на их теплозащитные характеристики

Классификация вентилируемых фасадных систем. Влияние теплопроводных включений на их теплозащитные характеристики

К.т.н., доцент А. М. Протасевич,

Белорусский национальный технический университет; зав. сектором теплофизических исследований А. Б. Крутилин*,

РУП «Институт БелНИИС»

Ключевые слова: вентилируемая фасадная система; фильтрация воздуха; классификация; сопротивление теплопередаче; теплоизоляция; теплопроводные включения

В многослойных наружных стенах с эффективными теплоизоляционными материалами протекают процессы переноса теплоты и массы, формирующие их тепловлажностный режим. Особенностью многослойных конструкций является возможность образования зон с повышенной влажностью материалов, что интенсифицирует перенос теплоты, тем самым, ухудшая теплоизоляционные качества ограждений. Использование вентилируемых фасадных систем (ВФС) утепления для большинства конструкций наружных стен обеспечивает отсутствие накопления влаги в их толще и, следовательно, эксплуатацию материалов в области сорбционного увлажнения. Вентилируемая воздушная прослойка улучшает влажностный режим наружных стен с ВФС по сравнению с панельными стенами, стенами из штучных материалов и стенами со скрепленной теплоизоляцией.

В настоящее время разработано большое количество конструкций ВФС утепления. При этом конструкции значительно отличаются по организации вентиляции прослойки, по виду защиты от фильтрации воздуха в слое теплоизоляции, по уровню теплозащиты при одинаковой толщине утеплителя и т.д. Данные различия указывают на необходимость создания классификации ВФС, которая позволит принимать обоснованные конструктивные решения при их проектировании.

1. Классификация вентилируемых фасадных систем

На данный момент известно ряд классификаций ВФС, предложенных в разных странах. В Литве [1] выполнена классификация ВФС по типу вентиляции прослоек. На ее основании предложены меры по предотвращению фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое. В Канаде и США [2] разработана классификация конструкций наружных стен, возводимых с защитными экранами и вентилируемыми воздушными прослойками.

Однако в предложенных классификациях не охвачен ряд конструктивных решений утепления ВФС, используемых в Республике Беларусь и странах ближнего зарубежья, что не позволяет их эффективно использовать. Многочисленные натурные и стендовые исследования, проведенные авторами [3], а также анализ работ зарубежных авторов [4, 5, 6, 7 и др.] показали, что при выполнении классификации ВФС для климатических условий Республики Беларусь и стран СНГ необходимо учитывать:

• вид организации вентиляции вентилируемых воздушных прослоек (естественная, механическая);

• расположение вентилируемых воздушных прослоек (в толще стен, у наружного или внутреннего слоя);

• назначение вентилируемых воздушных прослоек (для удаления водяного пара; для подогрева приточного воздуха трансмиссионным теплом и подача его в помещение и др.);

• интенсивность вентиляции вентилируемых воздушных прослоек (слабо вентилируемая - с суммарной площадью входных и выходных вентиляционных отверстий на квадратный метр поверхности стены Fot < 3000 мм2/м2, вентилируемая - 3000 < Fq-t < 18000, мм2/м2, интенсивно вентилируемая - F0T > 18000, мм2/м2);

• тип защитного экрана (сплошной, из штучных материалов с открытыми вертикальными, либо горизонтальными, либо вертикальными и горизонтальными стыками);

• этажность зданий.

Предлагаемая классификация ВФС и наружных стен с вентилируемыми воздушными прослойками показана на рис. 1.

Рисунок 1. Классификация наружных стен с вентилируемыми воздушными прослойками,

или ВФС

Наибольшее практическое применение в строительстве получили ВФС утепления с вентилируемыми воздушными прослойками, расположенными с наружной стороны стен, и сконструированные с использованием принципа естественной вентиляции. Различные конструкции наружных стен с ВФС нашли применение при проектировании жилых, административных и общественных зданий и зданий с повышенными требованиями к архитектурному облику, с экранами из стекла и стеклопакетов в высотном строительстве.

Одним из наиболее сложных вопросов при проектировании, строительстве и эксплуатации ВФС является обеспечение нормируемого сопротивления теплопередаче стен из-за возможности возникновения фильтрации воздуха в слое теплоизоляции и особенностей крепления подоблицовочной конструкции и экрана к основанию стены.

Несмотря на наличие проблемы защиты теплоизоляции от охлаждающего фильтрационного потока воздуха [7, 8, 9, 10 и др.], универсального решения на данный момент не разработано.

Для снижения негативного влияния фильтрации воздуха в ВФС утепления с «интенсивно вентилируемой» прослойкой предлагается, вне зависимости от этажности здания, использовать минераловатные плиты плотностью не менее 130 кг/м3 и тщательно выполнять подготовку поверхности стен под теплоизоляцию. В «вентилируемых» прослойках фасадных систем возможно использование минераловатных плит плотностью не менее 90 кг/м3 и, в зависимости от этажности, следует предусматривать специальные конструктивные решения для защиты от фильтрации воздуха.

2. Влияние подоблицовочной конструкции на сопротивление теплопередаче наружных стен с вентилируемыми фасадными

системами

Многочисленные исследования [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и др.] проведены по определению влияния элементов крепления ВФС утепления наружных стен на величину их приведенного сопротивления теплопередаче. Металлические элементы крепления являются теплопроводными включениями и значительно снижают величину сопротивления теплопередаче стен. Влияние на перенос теплоты оказывает каждая точка крепления, как слоя теплоизоляции, так и экрана, материал элементов крепления, вид защитного экрана и другие факторы. Снижение сопротивления теплопередаче стен из-за влияния теплопроводных включений принято учитывать введением коэффициентов теплотехнической однородности:

К Вк Кг

г =-

ЯТ

где Рт - сопротивление теплопередаче по «глади» наружной стены, м2°С/Вт;

РтВк - сопротивление теплопередаче расчетного фрагмента наружной стены с учетом влияния

теплопроводных включений, м2°С/Вт.

Определение сопротивления теплопередаче расчетного участка наружной стены следует выполнять с учетом влияния ветрового воздействия на здание, которое определяет режим движения и интенсивность теплообмена в вентилируемой воздушной прослойке.

Особое внимание следует уделить определению границ расчетных участков теплопроводных включений. Зоны влияния, создаваемые теплопроводными включениями, определяются по изолиниям или изоповерхностям температуры в каждом /'-том расчетном фрагменте. При этом геометрические размеры расчетных фрагментов не должны быть «заужены».

В качестве примера определения влияния теплопроводных включений на уровень теплозащиты выполнены расчеты сопротивления теплопередаче участков наружной стены жилого дома, утепленной ВФС.

Наружная стена - из керамзитобетонных стеновых панелей с наружным железобетонным слоем толщиной 5 = 30 мм, средним слоем из керамзитобетона (р = 1000 кг/м3) толщиной 5 = 250 мм и внутренним фактурным слоем из бетона, толщиной 5 = 20 мм.

Вентилируемая фасадная система - с теплоизоляционным слоем из минераловатных плит на основе базальтового волокна (р = 90 кг/м3, ХА = 0,0406 Вт/(м °С)) толщиной 5 = 100 мм. Защитный экран выполнен металлическим профилированным сайдингом; крепление экрана к основанию стены - с помощью кронштейнов и анкеров. Крепление минераловатных плит к основанию предусмотрено с помощью дюбелей с металлическими сердечниками 05 мм. Толщина вентилируемой воздушной прослойки 5 = 60 мм.

Геометрические размеры кронштейнов приняты как для ВФС утепления реального объекта.

В ходе расчетов варьировались:

2 2

• количество точек установки кронштейнов на 1 м площади стены (1 и 2 шт./м );

• материал, из которого выполнены кронштейны (сталь и алюминий);

• количество дюбелей с металлическими сердечниками для крепления слоя теплоизоляции (2, 4, 6 и 8 шт./м2).

Коэффициенты теплопроводности материалов приняты в соответствии с действующей нормативно-технической документацией для условий эксплуатации «А».

Рисунок 2. Трехмерные поля температур (t, °C) фрагментов наружной стены с ВФС утепления: а - дюбель с металлическим сердечником крепления слоя теплоизоляции; б - кронштейн с анкером крепления защитного экрана

Температурные поля фрагментов указанной наружной стены с теплопроводными включениями показаны на рис. 2. Результаты расчетов коэффициентов теплотехнической однородности приведены в табл. 1 и 2.

Определяющее влияние на уровень теплозащиты наружных стен с ВФС оказывают кронштейны, их материал и количество на единицу площади фасада. При этом установка стальных кронштейнов предпочтительнее по сравнению с алюминиевыми вследствие более высоких коэффициентов теплотехнической однородности утепленной стены.

Таблица 1

Сопротивление теплопередаче по «глади» стены Rt, м2-°С/Вт Коэффициент теплотехнической однородности для каждого из теплопроводных включений

Кронштейны с анкерами Дюбеля с металлическими сердечниками, шт./м2

алюминиевые, шт./м2 стальные, шт./м2 2 4 6 8

1 2 1 2

3,446 0,768 0,536 0,858 0,717 0,986 0,972 0,957 0,944

Таблица 2

Тип и количество теплопроводных включений на 1 м2 поверхности стены Коэффициент теплотехнической однородности наружной стены с ВФС утепления Сопротивление теплопередаче расчетного фрагмента наружной стены с учетом влияния включений РтВк, м2°С/Вт

Стальной кронштейн с анкером (1 шт.) и дюбеля с металлическими сердечниками (6 шт.) 0,816 2,81

Алюминиевый кронштейн с анкером (1 шт.) и дюбеля с металлическими сердечниками (6 шт.) 0,726 2,50

Общий коэффициент теплотехнической однородности ВФС утепления при установке 1-го кронштейна и 6 дюбелей с металлическими сердечниками на 1 м2 площади наружной стены (см. таблицу 2) получен в пределах г = 0,726 ... 0,816; сопротивление теплопередаче стены с учетом влияния теплопроводных включений - в пределах РтВк = 2,50 ... 2,81 м2 °С/Вт, что ниже нормативного сопротивления теплопередаче Рт.Н. = 3,2 м2 °С/Вт, принятого в Республике Беларусь.

При проектировании ВФС утепления с «тяжелыми» экранами (из керамических, керамогранитных и бетонных плит) увеличение точек крепления защитного экрана еще сильнее снижает уровень теплозащиты наружных стен в целом. В ряде случаев увеличением толщины слоя теплоизоляции сложно добиться действующих нормативных величин сопротивления теплопередаче наружных стен.

Заключение

Разработанная классификация вентилируемых фасадных систем и наружных стен зданий с вентилируемой воздушной прослойкой позволяет выполнить предварительную оценку при принятии решения по проектированию ВФС утепления для различных зданий. Особое внимание в данной статье уделено необходимости тщательного подхода к решению вопросов по защите теплоизоляции ВФС от фильтрации в их толще наружного воздуха.

Представлены результаты расчетов коэффициентов теплотехнической однородности наружных стен с ВФС утепления с различным количеством теплопроводных включений. Указано, что снижение уровня теплозащиты наружной стены может достигать 50% вследствие влияния элементов крепления экранов и слоя теплоизоляции.

Литература

1. Проектирование и строительство стен с воздушными промежутками: Рекомендации / Институт архитектуры и строительства. Вильнюс, 2002. 24 с.

2. Salonvarra M., Karagiozis Achilles N., Pazera M., Miller W. Air Cavities Behind Claddings - What Have We Learned? [Электронный ресурс] // Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Whole Buildings X International Conference. - Florida, USA, December 2-7, 2007. URL: http://www.ornl.gov/sci/buildings/2010/B_X_Proceedings.htm. (Дата обращения: 20.01.2011).

3. Протасевич А. М., Крутилин А. Б. Натурные исследования наружных стен зданий, теплоизолированных по системе «вентилируемый фасад» // Современные фасадные системы: эффективность и долговечность: Материалы научно-технической конференции. Москва, 21 ноября 2008 г. М. : МГСУ, 2008. С. 212-217.

4. Езерский В. А., Монастырев П. В. Влияние вентилируемого фасада на теплозащитные качества утеплителя // Жилищное строительство. 2003. № 3. С. 18-20.

5. Блюджюс Р., Самаяаускас Р. Воздействие передвижения воздуха на теплопередачу конструкций с теплоизоляцией из минераловатных плит // Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях: Материалы шестой научно-практической конференции. Москва, НИИСФ, 26 - 28 апреля, 2001 г. М., 2001. С. 157-188.

6. Самаяускас Р., Станкявичюс В., Блюджюс Р. Воздействие конвекции на теплопередачу через вентилируемые ограждения. Каунас : Технология, 2003. 125 с.

7. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Садчиков А. В. О влиянии продольной фильтрации воздуха на теплозащиту стен с вентилируемым фасадом // СтройПРОФИль. 2005. № 6. С. 34-36.

8. Лешкевич, М. В. Как строить чтобы меньше гореть? Перспективы перехода к европейским требованиям пожарной опасности вентилируемых фасадов // Мастерская. Современное строительство. 2010. № 7. С. 13-15.

9. Немова Д. В. Навесные вентилируемые фасады: обзор основных проблем // Инженерно-строительный журнал. 2010. № 5(15). С. 7-11.

10. Мешалкин Е. А. Пожарная безопасность навесных вентилируемых фасадов // Пожарная безопасность в строительстве. 2011. № 3. С. 40-47.

11. Гагарин В. Г. Теплотехнические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 297-305.

12. Гагарин В. Г.,. Козлов В. В, Цыкановский Е. Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 1 // АВОК. 2004. № 2. С. 20-26.

13. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Цыкановский Е. Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 2 // АВОК. 2004. № 3. С. 20-26.

14. Езерский В. А., Монастырев П. В., Федоров С. В. Коэффициент теплотехнической однородности наружных стен вентилируемых фасадов // Жилищное строительство. 2004. № 12. С. 8-11.

15. Tanner С., Zürcher С. Bauphysik der hinterlüfteten Fassade. Ein Einblick in ausgewählte physikalische Phänomene und Folgerungen für die konstruktive Umsetzung und Ausführung [Электронный ресурс] // Hinterlüftete Fassade als Witterungsschutz: WTA Seminar. Системные требования: Adobe Acrobat Reader. URL: www.wta-schweiz.ch/mitglieder/seminar-04-hugentobler.pdf (Дата обращения: 20.01.2011).

16. Peer L. B. B. Practical Use of Thermal Breaks in Cladding Support Systems [Электронный ресурс] // Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Whole Buildings X International Conference. Florida, USA, December 2-7, 2007. URL: http://www.ornl.gov/sci/buildings/2010/B_X_Proceedings.htm.

* Антон Борисович Крутилин, Минск, Республика Беларусь Тел. моб.: +37(529)754-05-67; эл. почта: ankr@tut.by