Резюме
В статье рассматриваются вопросы теплотехнического расчета и функционирования утепленных фасадов зданий с вентилируемой воздушной прослойкой, облицованных гранитно-керамическими плитками, установленными с открытыми швами.
Введение
В настоящее время в большинстве развитых странах мира существуют технические и законодательные нормы, требующие строительство зданий с эффективным использованием энергии (ЗЭИЭ).
Задачу проектирования и строительства ЗЭИЭ можно успешно решить при осуществлении такой конструкции оболочки здания через которую в любое время в период эксплуатации здания и при любых погодных (климатических) условиях будут осуществляться устойчивые процессы потока тепла, влажности и воздуха (инфильтрация, эксфильтрация).
Данную задачу можно успешно решить если облицовка наружных стен здания будет выполнена в форме утепленных вентилируемых фасад.
Вентилируемыми утепленными фасадами обеспечивается разделенная защита от погодных условий, а также теплозащита наружных стен. Таким образом осуществляется устойчивый режим передачи тепла, влажности и воздуха через наружные стены при любых условиях эксплуатации здания.
Основные технические и эксплуатационные характеристики данных фасадов :
- возможность изменения архитектурного облика фасадов путем варьирования облицовочных материалов, форматов и цветов;
- с экономической и экологической точки зрения - это единственная правильная теплозащита и защита от погодных наружных условий;
- обеспечивается здоровый климат помещения посредством беспрепятственной диффузии водяного пара - здание "дышет";
- наилучшая звукозащита здания;
- увеличивается срок эксплуатации самого здания;
- длительное время сохраняется презентабельность здания;
- фасадная технология подходит как для новостроек, так и для зданий уже находящихся в длительной эксплуатации;
- небольшие раходы обслуживания;
- возможность ремонта фасада или замены их отдельных частей без разрушения конструкции наружных стен.
Основные тепло-технические достоинства фасада показаны на рис.1.
Процесс высушивания наружных стен из порыстого бетона при невентилируемой и вентилируемой фасадах [8] показан на рис.2.
Имея в виду, что каждый процент объемной влажности (wо), который остается в конструкции наружной стены в ходе строительства увеличивает потери тепла на 3-5% [1] становится очевидным преимущество утепленных вентилируемых фасадов по отношению к устойчивости тепловой защиты. Например, теплоизоляционный материал, обладающий объемной влажностью wо = 5% имеет на 15-20% больше потерь тепла, чем сухой теплоизоляционный материал.
 |
Влияние мостика холода |
 |
Обеспечивает благоприятный климат в помещении |
 |
Гарантирует удаление влаги |
 |
Обеспечивает надежную тепловую защиту |
 |
Стойкость к погодным условиям |
 |
Защищает строительную конструкцию от воздействия предельных температурных перепадов |
Рис.2 Процесс высушивания стен из пористого бетона
a = 0,19 W/mK (DIN 4108); rmax = 600 kg/m3
1 - НЕВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ФАСАД
2 - ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ФАСАД
Расчет теплозащиты многослойных наружных ограждающих конструкций здания с вентилируемыми фасадами
Многослойная наружная стена здания с вентилируемым фасадом состоит из нижеперечисленных слоев (надо считать от помещения к наружной стороне);
(1) внутренняя известково-песчанная штукатурка, толщиной d = 20 мм;
(2) кирпичная кладка из сплошного глинянного кирпича на цементно-песчаном растворе, толщиной d = 250 мм, опирающаяся к ж/б обвязке, толщиной d = 250 мм;
(3) теплоизоляция, мин.ватная плита "Роквул", толщиной d = 125 мм;
(4) ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана "Tyvek soft (1460 В)";
(5) вентилируемая воздушная прослойка, толщиной d = 50 мм;
(6) облицовка фасада, гранитная керамическая плитка, толщиной d = 10 мм, номинального размера 600х600 мм с открытыми швами.
Облицовка фасада крепится к алюминиевой подконструкции (алюминиевый каркас) с помощью специального крепежа (видимое и невидимое крепление), а алюминиевая подконструкция к наружной стене (кирпич, бетон) прикрепляется с помощью специальных кронштейнов, высота которых зависит от толщины теплоизоляции и воздушной прослойки.
Предметом настоящего доклада не является расчет и конструирование алюминиевой подконструкции (каркаса), кронштейна, крепежа и т.д., а расчет их влияния на теплотехнические характеристики наружных стен.
Основные теплотехнические характеристики слоев многослойной
наружной стены приведены в нижеуказанной таблице 1.
Таблица 1
| N | Слои конструкции наружной стены | go [kg/m3 |
A [m2] | d [mm] |
l [W/m0k] |
m[-] | r [N.h/kg] |
|
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Внутр. известково-песчаная штукатурка | 1600 | 17,604 | 20 | 0,70 | 10 | 3,2.105 | |
| 2 | Наружная стена | сплошной глин. кирпич | 1800 | 11,949 | 250 | 0,81 | 8,5 | 34.105 |
| ж/бетон | 2500 | 5,655 | 250 | 2,04 | - | - | ||
| 3 | Мин.ватная плита "Роквул" | 156 | 17,604 | 125 | 0,047 | 1,2 | 2,4.105 | |
| 4 | Ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана Tyvek soft(1460 В) | - | 17,604 | 0,2 | - | - | 0,32.105 | |
| 5 | Вентилируемая воздушная прослойка | - | - | 50 | - | - | - | |
| 6 | Облицовка гранитно - керамической плиты | - | - | 10 | - | - | - | |
Примечание :
1) Все значения теплотехнических характеристик приведенные в табл.1 приняты для параметров Б согласно СНиП II-3-79*.
2) m [-] - показатель сопротивления диффузии водяного пара.
3) r [N.h/kg] - удельное сопротивление диффузии водяного пара разных слоев.
Расчет термического сопротивления многослойной наружной стены осуществляется по следующей формуле:
где:
aв = 8,7 [W/m2k] - внутренний коэффициент теплоотдачи;
d [т] - толщина разных слоев наружной стены;
lБ [W/mk] - коэффициент теплопроводимости разных слоев наружной стены для условий Б;
aмод [W/m2k] - модифицированный коэффициент теплоотдачи вентилируемой воздушной прослойки;
Сперва осуществлен расчет приведенного термического сопротивления наружной стены с теплоизоляцией (на глади стены) без воздействия алюминиевого каркаса фасада, который создает мостик холода, ухудшающий ее термическое сопротивление, а потом произведена корректировка (уменьшение) этого сопротивления из-за воздействия мостика холода, созданного алюминиевым каркасом фасада.
При расчете термического сопротивления многослойной ограждающей конструкции здания с вентилируемой воздушной прослойкой по формуле (1) не надо учитывать вентилируемую воздушную прослойку и облицовку фасада, которая установлена за ней. Их влияние учтено в aмод.
В соответствующей литературе и нормах предусмотрены различные значения амод, что можно увидеть в таблице 2.
Таблица 2
| Модифицированный коэффициент теплоотдачи вентилируемой воздушной прослойки aмод [W/m2k] | ||
|---|---|---|
| СНиП II-3-79* Таблица 6* |
DIN 4701, Teil 2 Tabelle 16 |
BFE Richlinie [9] |
| 12 | 11,11 | 8 |
Согласно литературе "EMPA Schussbericht Nr 158740" формула для расчета амод гласит:
где:
aн [W/m2k] - наружный коэффициент теплоотдачи;
Rэк [m2k/W] - эквивалентное термическое сопротивление вентилируемой воздушной прослойки;
Rэк = 0,08 [m2k/W] - согласно SIA Norm 180;
Расчетом амод по формуле (2) получаются результаты, которые подтверждены при проведении измерений на действующих вентилируемых фасадах.
На основании теплотехнических характеристик слоев конструкции наружной стены здания взятых их таблицы 1, а также aв = 8,7 [W/m2k] и aмод = 12 [W/m2k], по формуле (1) расчитано ее термическое сопротивление (без влияния алюминиевого каркаса), при чем получены следующие результаты:
Rожб = 3,195 [m2k/W] - для наружной ограждающей конструкции (часть наружной стены из ж/б);
Rок = 3,0089 [m2k/W] - для наружной ограждающей конструкции (часть наружной стены из кирпича);
Rопр = 3,135 [m2k/W] - приведенное термическое сопротивление наружной ограждающей конструкции зданий;
Uо = 0,319 [W/m2k] - коэффициент теплопередачи наружной ограждающей конструкции здания;
Расчеты влияния алюминиевого каркаса фасада (мостики холода) на уменьшение термического сопротивления многослойной наружной стены здания с вентилируемым фасадом для двух типов алюминиевого каркаса показаны в таблице 3 и таблице 4. Расчеты осуществлены на основании диаграммы 3 и диаграммы 4, указанных в соответствующей литературе [9].
Результаты, полученные при данном расчете показывают, что коэффициент теплопередачи наружной стены здания с вентилируемым фасадом увеличен вследствие действия алюминиевого каркаса (мостик холода)
- на 23,8% для алюмининевого каркаса с алюминиевым кронштейном и термической прокладкой;
- на 14,7% для алюмининевого каркаса с кронштейном из нержавеющей CrNiMo стали;
Данный пример расчета показывает, что при проектировании вентилируемых фасадов особое внимание надо обратить на выбор алюминиевого каркаса фасада и способ его крепления к наружной стене.
Рис.5 Алюминиевый каркас (подконструкция) фасада
1 - Внутр. штукатурка, aB = 0,81 W/mK, d = 20 mm.
2 - Наружная кирпичная стена aB = 0,81 W/mK, d = 250 mm.
3 - Кронштейн (H. О.) AIMgSi 0,5 F25, a = 170 W/mK.
3a, 5a - Термическая прокладка PVC-GHS, d = 6mm, a = 0,09 W/mK.
4 - Теплоизоляция, мин. ват. плита aБ = 0,047 W/mK, d = 125 mm.
5 - Кронштейн (П. О.) AIMgSi 0,5 F25, a = 170 W/mK.
6 - AI - профиль, AIMgSi 0,5 F25, a = 170 W/mK.
7 - Ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана Tyvek SOFT (1460 B),
паропроницаемость за 24 часа не менее от 0,75 Кг/м, ГОСТ 2678-94; (Sd =< 0,02m, DIN 52615).
Таблица 3
Площадь фасада без окон 17,604 м2 Общая длина l линейного мостика холода 0 м Кол-во пунктирных мостиков холода (Н.О.) 8(бетон)+8(кирпич) 16 шт. Кол-во пунктирных мостиков холода (П.О.) 8(бетон)+8(кирпич) 16 шт. Расчет теплопередачи Термическое сопротивление части наружн. стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера бетон - 0,049 м2K/W кирпич - 0,31 м2K/W Толщина d теплоизоляции 0,125 м Коэффициент теплопроводимости теплоизоляции a 0,047 W/mK Коэффициент теплопередачи наружной стены Uo
без мостика холода (кронштейн)0,319 W/м2K Коэффициент теплопотери при пунктирном мостике холода с термической прокладкой c бетон - 0,049 W/K кирпич - 0,035 W/K КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ :
(0,319x17,604 + 16x0,049 + 16x0,035) / 17,604 = 0,395 W/м2K
УВЕЛИЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НАРУЖНОЙ СТЕНЫ ИЗ-ЗА МОСТИКА ХОЛОДА :
( (0,395 - 0,319) / 0,319 ) x 100 = 23,8 %
Диаграмма 3Теплопотери мостика холода в зависимости от термического сопротивления R=d/l части наружной стены, к который крепится кронштейн через термическую прокладку (PVC-GHS прокладка толщиной 6 мм).
Коэффициент теплопотери при пунктирном мостике холода c [W/K]
Термическое сопротивление R части наружной стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера [m2K/W]
Рис.6 Алюминиевый каркас (подконструкция) фасада
1 - Внутр. штукатурка, aB = 0,81 W/mK, d = 20 mm.
2 - Наружная кирпичная стена aB = 0,81 W/mK, d = 250 mm.
3 - Кронштейн (H. О.), нерж. сталь CrNiMo, a = 15 W/mK.
4 - Теплоизоляция, мин. ват. плита aБ = 0,047 W/mK, d = 125 mm.
5 - Кронштейн (П. О.) нерж. сталь CrNiMo, a = 15 W/mK.
6 - AI - профиль, AIMgSi 0,5 F25, a = 170 W/mK.
7 - Ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана Tyvek SOFT (1460 B),
паропроницаемость за 24 часа не менее от 0,75 Кг/м, ГОСТ 2678-94; (Sd =< 0,02m, DIN 52615).
Таблица 4
Площадь фасада без окон 17,604 м2 Общая длина l линейного мостика холода 0 м Кол-во пунктирных мостиков холода (Н.О.) 8(бетон)+8(кирпич) 16 шт. Кол-во пунктирных мостиков холода (П.О.) 8(бетон)+8(кирпич) 16 шт. Расчет теплопередачи Термическое сопротивление части наружн. стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера бетон - 0,049 м2K/W кирпич - 0,31 м2K/W Толщина d теплоизоляции 0,125 м Коэффициент теплопроводимости теплоизоляции a 0,047 W/mK Коэффициент теплопередачи наружной стены Uo
без мостика холода (кронштейн)0,319 W/м2K Коэффициент теплопотери при пунктирном мостике холода с термической прокладкой c бетон - 0,029 W/K кирпич - 0,0225 W/K
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ :
(0,319x17,604 + 16x0,029 + 16x0,0225) / 17,604 = 0,366 W/м2K
УВЕЛИЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ НАРУЖНОЙ СТЕНЫ ИЗ-ЗА МОСТИКА ХОЛОДА :
( (0,366 - 0,319) / 0,319 ) x 100 = 14,7 %
Диаграмма 4Теплопотери мостика холода в зависимости от термического сопротивления R=d/l части наружной стены, к который крепится кронштейн.
Коэффициент теплопотери при пунктирном мостике холода c [W/K]
Термическое сопротивление R части наружной стены,
к которой крепится кронштейн с помощью анкера [m2K/W]
Расчет диффузии водяного пара через многослойную наружную стену с вентилируемым фасадом
Общеизвестно, что при правильном возведении многослойных конструкций наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой в толще конструкции не должен появляться конденсат. В докладе расчет выполняется с целью определения влияния гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраны на диффузию водяного пара через многослойную наружную стену.
Расчет диффузии водяного пара для стационарного режима осуществляется по формуле:
ев [N/m2] - упругость водяного пара в воздухе помещения;
ен [N/m2] - упругость водяного пара в наружном воздухе;
r [N.h/kg] - удельное сопротивление диффузии водяного пара разных слоев конструкции наружной стены;
Расчет диффузии водяного пара выполнен для следующих расчетных условий:
- РВУ: tв = 20 °С; (фв = 50%; ев = 1170 [N/m2]
- РНУ: tн = -10,2 °С; фн = 83%; ен = 261 [N/m2] (месяц январь для Москвы)
При расчете диффузии водяного пара по формуле (3) на основании данных, указанных в таблице 1 получены следующие результаты:
g = 0,24 [g/m2h] - для конструкции многослойной наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой без гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраны
g = 0,239 [g/m2h] - для конструкции многослойной наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой с гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраной
Результаты расчета подтверждают, что гидро-ветрозащитная паропроницаемая мембрана практически очень мало (0,5%) влияет на уменьшение диффузии водяного пара через многослойную конструкцию наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой.
Также осуществлен расчет Е (максимальная упругость водяного пара) и е на всех местах стыков разных слоев многослойной конструкции наружной стены , при чем установлено, что Е>е, т.е. в толщи стены нет конденсации.
Почему нужна гидро-ветрозащитная паропроницаемая мембрана ?
С целью обеспечения долговечности конструкции наружной стены и устойчивости ее теплового и влажностного и предотвращения воздушного потока через многослойную конструкцию наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой надо создать следующие условия для теплоизоляции:
1) Теплоизоляция должна оставаться сухой в любое время года и при любых погодных (климатических) условиях.
2) Предотвратить продольное движение воздушного потока вдоль толщи теплоизоляции.Для многослойных конструкций наружных стен зданий высотой свыше 22 м надо применять негорющий утеплитель с небольшим коэффициентом диффузии водяного пара (паропроницаемый). На сегодняшний день эти требования могут удовлетоврить только минераловатные плиты (например, "Роквул"). Однако, теплоизоляционные характеристики данного утеплителя могут ухудшится в течение зимнего периода (tн < -5 °С) на 20-36% если на поверхности утеплителя останется 6% воздухопроницаемых щелей [13], через которые может двигаться воздушный поток. Эти воздухопроницаемые щели находятся на местах стыковки минераловатных плит и прохода кронштейнов алюминиевого каркаса через них.
Применение гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраны осуществляется с целью:- предотвращения увлажнения утеплителя (вследствие возможного попадания дождевых капель в вентилируемую воздушную прослойку фасада);
- предотвращение возможных воздушных потоков;
- обеспечение высушивания утеплителя и конструкции наружной стены.
Основными достоинствами данной мембраны являются: водонепроницаемость, воздухонепроницаемость, но паропроницаемость.
Основные технические параметры конструкции наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой
Для правильного функционирования конструкции наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой при эксплуатации, особое внимание необходимо обратить на определение ширины открытых швов облицовки, толщины вентилируемой воздушной прослойки и воздухонепроницаемости основной конструкции наружной стены (кирпичная кладка и теплоизоляция).
Эти важные параметры необходимо определить, учитывая обеспечение очень быстрого выравнивания давления наружного воздуха (с наружной стороны фасада) и давления в вентилируемой воздушной прослойке при переменном ветровом воздействии.
Быстрое выравнивание давления наружного воздуха и давления в вентилируемой воздушной прослойке необходимо во избежание попадания дождевых капель в вентилируемую воздушную прослойку и излишней ветровой нагрузки при переменном ветровом воздействии.
В литературе [10] предлагается поверхность вентилируемой прослойки (т.е. поверхность за облицовкой) разделить на секции разных размеров в середине фасада и по периферии. С целью быстрого выравнивания давления при переменных ветровых воздействиях, рис.З расчет толщины вентилируемой воздушной прослойки можно осуществить на основании методологии, предложенной в литературе [2] и [7]. При измерениях на существующих вентилируемых фасадах скорость движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойки составляет v = 0,3 - 0,4 m/s.
Немецкий DIM 18516 Teil 1 предписывает минимальную толщину вентилируемой воздушной прослойки 20 мм.
Рекомендованные значения основных технических параметров вентилируемых фасадов указаны на рис.4.
Рис.3
Рис.4
Заключение
Несмотря на то, что вентилируемые фасады применяются на практике в течение свыше 15 лет, и что в Германии существует отдельная Ассоциация, занимающаяся вопросами расчетов и применения вентилируемых фасадов (РУНР), до настоящего времени нет единой научно обоснованной методологии расчета таких фасадов.
В последнее время в г. Москве и в России при строительстве гражданских зданий часто применяют вентилируемые фасады. В связи с этим необходимо разработать единую методологию по теплотехническому и аэродинамическому расчету вентилируемых фасадов.
Особое внимание необходимо обратить на осуществление правильного выбора теплоизоляции и создание условий, при которых теплоизоляция обеспечит расчетные параметры и долговечность.
Для вентилируемых фасадов нельзя применять паронепроницаемую теплоизоляцию (материалы с закрытыми порами). В случае использования такой изоляции были бы аннулированы основные достоинства вентилируемого фасада.
Также очень важным является правильный монтаж оконных блоков в проемах наружных стен с вентилируемыми фасадами, но из-за ограниченного объема настоящего доклада данный вопрос не затрагивается.
Литература.
[1] Богословский В.Н. Тепловой режим здания М.: Стройиздат 1979 г.
[2] Богословский В.Н. Три аспекта концепции ЗЭИЭ Югосл.конгресс КГН 1998 г.
[3] DIN 4701,Teil 2
[4] ЕМРА, Schlussbericht Nr 158740, Wirmebricken von hinterlifteten Fassaden, 2 Auflage, Januar 1998
[5] Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий, Москва, Стройиздат 1973 (издание 4-е)
[6] FVHF-FOCUS 1-16
[7] Kinzel, H; Popp, W; Mayer E; Untersuchungen iber die Beliftung des Luftraumes hinter vorgesetzen Fassadenbekleidungen aus kleinformatigen Elementen, Bericht B Ho 22/80 Institut fir Bauphysik Stuttgart 1980
[8] Richtlinie: Besteimmung der wirmetechbischen Einflisse von Wirmebricken bei Vorgehanten hinterlifteten Fassaden, Ausgabe 1998 (ВРЕ, ЕМРА, РУНР)
[9] Rousseau M.Z. Facts and Fictions of Rain-Screen Walls, Construction Canada 32 (2) 1990 p.40, 40-44, 46
[10] СНиП II-3-79* Строительная теплотехника, Госстрой России, Москва 1998
[11] Технические каталоги фирм:
"Mirage", "Marazzi", "Slavonia", "Wangner-System"
[12] J. W. Archer; Convektive Heat Loss With Mineral Fibre Insulation. The Canadian Architect 38 (9) 1993, р.45,47
