Эффективность воздушного зазора вентилируемых фасадных систем с использованием противопожарных рассечек

1 Введение

В мире широкое распространение получили вентилируемые фасады, что обусловлено их многочисленными преимуществами перед традиционными способами отделки фасадов. К преимуществам относятся: энергоэффективность, гибкость проектных решений, шумоизоляция и простота монтажа при строительстве и реконструкции зданий [1]. Структура системы навесных вентилируемых фасадов показана на (рис. 1). Конструкция представляет собой стальной каркас, теплоизоляционный слой и облицовочные панели. Устанавливается на внешней части стены.

Рис. 1. Устройство вентилируемого фасада

Вентилируемые фасады чаще всего используются при отделке или реконструкции городских, административных и жилых зданий [2]. По результатам анализа системы ОВКВ (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха) с использованием программ моделирования Computational Fluid Dynamics (CFD), Autodesk Simulation CFD и Energy Plus® установлено, что вентилируемый фасад является элементом энергоэффективного здания. Конструкция поддерживает фиксированную температуру внутри здания вне зависимости от изменения температуры наружного воздуха, что позволяет значительно снизить затраты на кондиционирование и отопление [3-6]. Главным отличием таких фасадов является наличие воздушной прослойки между теплоизоляцией и облицовочным защитным материалом. Одним из важных свойств вентилируемого зазора является удаление влаги: зона конденсации смещается в слой утеплителя, который обрамлен вентилируемой воздушной прослойкой [7]. При установке зазора необходимо учитывать технические характеристики и эксплуатационные требования здания. Если заданная толщина зазора будет чрезмерной, фасад будет гудеть и свистеть при воздействии ветрового потока. В случае недостаточного воздушного зазора конвективный поток будет снижен, удаление влаги будет невозможно, а изоляция в конечном итоге отсыреет и разрушится. В этой ситуации функция воздушного зазора сведется к нулю.

Для получения эффективной и долговечной системы необходимо: использовать только качественные материалы, соблюдать все требования по монтажу и эксплуатации. Таким образом, основными проблемами навесных вентилируемых фасадных систем являются [8]:

- Расчет необходимого размера вентилируемого зазора;

- Выбор высококачественных материалов;

- Качественное выполнение монтажа;

- Обеспечение требуемого сопротивления теплопередаче;

- Пожарная безопасность.

Востребованность вентилируемых навесных фасадных (ВНФ) систем объясняется их функциональностью: ВНФ придают зданию не только впечатляющий архитектурный вид, но и выполняют функции теплозащиты, способствуют нормализации тепловлажностного режима здания, что достигается за счет конструкции этой системы [8].

Пожаробезопасность – важнейший параметр, который стоит учитывать при установке ВНФ. Основные требования к фасадным системам установлены Федеральным законом «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [9]. Различные аспекты пожарной безопасности материалов при строительстве фасадных систем описаны в [10-12], которые содержат классификацию горючих материалов по дымообразующей способности и токсичности продуктов горения.

Наиболее важным участком вентилируемого фасада является металлический каркас. Он отвечает за обеспечение целостности и устойчивости всей конструкции. Поэтому использование легкоплавких металлов в конструкции каркаса не рекомендуется. В противном случае при пожаре части фасада разрушатся и упадут, травмируя прохожих и нанося ущерб близлежащим объектам. Так, наиболее надежными являются стальные рамы [13].

В состав фасада также входит ветро-влагозащитная мембрана, которая при несоответствии классу НГ (КМ0) и нарушении условий монтажа и эксплуатации может легко загореться. Не менее распространенной причиной пожаров является использование некачественных или горючих облицовочных материалов. В частности, использование алюминиевых композитных панелей (АКП) стало причиной быстрого распространения огня на фасаде здания Address Downtown, г. Дубай; в высотном доме «Транспорт Тауэр», г. Астана; в комплексе высотных зданий «Грозный Сити», г. Грозный.

Для защиты конструкции во время пожара применяются следующие меры:

- Применение качественных огнеупорных материалов, соответствующих Федеральному закону N 123;

- Использование пожарного короба;

- Использование противопожарных рассечек (при применении негорючей ветрогидрозащитной мембраны их установка не требуется).

Одной из мер пожарной безопасности, помимо использования негорючих материалов, является установка противопожарных коробов. Короб противопожарный представляет собой металлическую конструкцию по периметру оконных и дверных проемов, крепящуюся к стене анкерами. Она может быть выполнена как единая конструкция или как составная, соединенная между собой металлоконструкциями. Пространство между металлическими элементами заполнено термостойкой минеральной ватой. Он не позволяет пламени проникнуть внутрь фасада. Однако эта система не эффективна в условиях, когда очаг возгорания находится вне помещения.

Поэтому противопожарные рассечки устанавливают с определенным шагом, перекрывающим всю толщину воздушного зазора. В случае пожара они препятствуют распространению горения ветрозащитной мембраны и выпадению горящих капель из зазора [14], а также распространению горючих газов по периметру стены.

Противопожарные рассечки представляет собой металлические пластины (сплошные или перфорированные), изготовленные из листовой стали толщиной не менее 0,6 мм и расположенные на расстоянии не менее 6 м друг от друга. Так как при установке рассечки должны плотно прилегать к фасаду, функция зазора сводится к нулю. Поэтому перфорация в поперечном разрезе выполняется, чтобы не мешать движению воздушных потоков. Степень перфорации определяется расчетным путем. Согласно [9] противопожарные рассечки можно отнести к противопожарным преградам, но особые требования предъявляются только к конструкциям, препятствующим распространению огня из одного помещения в другое и поэтому рассечки им не охватываются.

(Рис. 2-3) представлены сборки противопожарных рассечек отечественных систем.

Рис. 2. Вариант вентилируемого фасада с перфорированными рассечками [15]

Рис. 3. Вариант вентилируемого фасада с рассечками без перфорации [15]

На первом рисунке перфорированные металлические рассечки полностью перекрывают зазор. На втором рисунке они частично перекрывают зазор, вплоть до края вертикального профиля. Также существует вариант исполнения, состоящего из двух сплошных листов с нахлестом.

2 Обзор публикаций

Этой теме посвящены исследования ряда известных ученых [16-20, 34-35]. В статье [21] рассмотрена важность применения противопожарных рассечек для обеспечения пожарной безопасности объектов, а также необходимость проведения мероприятий по предотвращению возгорания и падения продуктов горения.

Большое внимание следует уделить материалу рассечек, так как он должен отвечать всем требованиям пожарной безопасности, самое главное из которых – не давать огню распространяться по фасаду.

А.Д. Жуков и А.В. Чугунков поставили себе задачу изготовить материал для огневых рассечек однородной структуры [22]. Учтен опыт стендового изготовления изделий из гибких мембран. Эти мембраны позволяют регулировать избыточное натяжение, а материал сохраняет свою структуру при минимальном изменении плотности. Следствием этого метода является применение газобетона в качестве расширяющихся противопожарных рассечек. В этом случае газобетон, залитый в форму, зажат между листами утеплителя и опалубкой. Смесь расширяется, образуя напряженное состояние, и ячеистая смесь заполняет все пустоты и неплотности, тем самым ослабляя собственные избыточные напряжения [22].

Если здание не оборудовано противопожарными перемычками, оно относится к классу пожарной опасности К3 в соответствии с [23].

В [24] авторы предъявляют требования к материалу, направленные на получение изделия с заданными свойствами (прежде всего, с низкой теплопроводностью) и сохранением этих свойств со временем в конкретных условиях эксплуатации. При этом учитываются два вида ограничений: безопасность материала с точки зрения пожарных воздействий и минимизация негативного воздействия на окружающую среду.

Гейр Йенсен приводит в своей статье европейские и американские стандарты испытаний вентилируемых фасадов на воздействие огня. В частности, проводится сравнительная оценка использования перфорированных и сплошных рассечек по европейским стандартным тестам Е2912-13 [25]. Дэвид Краудер сделал обзор методов экспериментов, основанных на преобразовании Фурье (FTIR), для анализа влияния токсичных газов на скорость распространения огня. Испытания проводились в специальных дымоходах BS EN ISO 5659 [26].

Вывод, основанный на рассмотренных работах, заключается в том, что наилучшим способом защиты фасада от распространения пламени являются противопожарные рассечки, однако необходимо определить, как эта система повлияет на функциональность ВНФ, либо изначально применить ВГЗМ группы горючести НГ.

Цель: оценить влияние противопожарных рассечек на эффективность вентилируемого зазора.

Задачи:

- Провести теоретическую оценку влияния противопожарных рассечек на воздушный поток в вентилируемом зазоре ВНФ;

- Провести эксперимент на физической модели вентилируемого зазора в лаборатории.

3 Преимущества вентилируемого фасада

Вентилируемые фасады все чаще используются строителями. Удаление атмосферной влаги и конденсата из стены происходит за счет воздушного зазора между утеплителем и фасадной облицовкой в вентилируемом фасаде здания [27].

Особенности вентилируемого фасада:

1. Данный фасад позволяет значительно уменьшить толщину несущей стены, что приводит не только к прямой экономии материалов стен, но и позволяет смягчить требования к несущей способности фундамента [28];

2. При правильной установке фасада исключается опасность конденсации влаги внутри стен [28, 29];

3. В случае катастрофического разрушения теплоизоляционного слоя работоспособность фасада достаточно легко восстанавливается путем заливки образовавшейся полости воздушно-полимерной пенопластовой композицией или заполнения облегченной засыпкой — керамзитобетона или пеностекла [30, 31];

4. Для фасадной кладки не обязательно применять «теплые» кладочные растворы [32];

5. В качестве материала для верхнего слоя фасада может быть использован экономичный керамический и клинкерный кирпич «американского типа» [28].

Преимущества:

1. Высокая технологичность: практически не требуется подготовка несущей стены; все составляющие имеют высокую степень заводской готовности;

2. Высокая скорость монтажа;

3. Отсутствие «мокрых» процессов;

4. Монтаж систем вентилируемых фасадов прост, но требует квалификации и обучения рабочих;

5. Не требует строительных лесов; установка может производиться с помощью люлек;

6. Облицовочные элементы при необходимости могут быть настроены по размерам прямо на месте [32];

7. Возможность проведения монтажных работ в любое время года;

8. Конструктивные особенности, позволяющие увеличить срок службы строительных элементов, расчетный срок службы которых может достигать 50 - 100 лет;

9. Низкие эксплуатационные расходы;

10. Широкий ассортимент материалов покрытия позволяет реализовать практически любое конструктивное решение [27].

4 Эксперимент на физической модели

В эксперименте перфорированные противопожарные рассечки, показанные на (рис.4), перекрывают большую часть вентилируемого зазора.

Рис. 4. Схема вентилируемого фасада [33]

Существуют установки, в которых можно исследовать изменение скорости воздушного потока в зазоре, а также температуры в зависимости от ширины воздушного зазора под действием противопожарной рассечки и без него.

Физическая модель вертикального вентилируемого слоя (рис.5) представляет собой установку высотой 2040 мм, шириной 600 мм, имеет две грани, ограничивающие воздушный зазор и имитирующие облицовочный слой (неотапливаемый) и стену здания. Одна из граней установки обогревается и закрепляется, вторая грань, имитирующая облицовочный слой, не обогревается и может свободно перемещаться, создавая различную ширину воздушного зазора h в пределах 20-300 мм. Кромка, имитирующая облицовочный слой (неутепленная), состоит из листов высотой 300 мм, разделенных промежутками 5 мм, имитирующими рустовку. Также имеется возможность контроля доступа воздуха снизу канала. По всей высоте агрегата расположен нагревательный элемент, позволяющий подавать тепло на обогрев неподвижной лицевой стороны.

Рис. 5. Установка для физических экспериментов [8]

Рис. 6. Вид установки сверху.

Итак, установка (рис.6). позволяет проводить измерения, регулируя геометрические параметры воздушного зазора.

Была проведена серия экспериментов при следующих размерах и конфигурациях установки на физической модели для подтверждения теоретических расчетов и численного эксперимента, а также изучения влияния противопожарной рассечки на роль воздушного зазора и доступа воздуха:

1-й случай: рассечка не используется, организован свободный приток воздуха в зазор;

2-й случай: перфорированная рассечка по ширине зазора.

В обоих случаях ширина воздушного зазора была переменной и составляла от 20 до 300 мм.

Высота воздушного зазора была постоянной и составляла 2040 мм.

Перед серией экспериментов в лаборатории была измерена температура, которая составила 293 К. В ходе эксперимента в обоих случаях измерялись средняя скорость и температура воздушного потока в канале при каждой ширине воздушного зазора с помощью термоанемометра.

Скорость воздуха варьировалась от 0 м/с до 0,7 м/с, температура – от 296,8 К до 309,7 К.

В случае применения имитации огня на рассечке (рис.7). был взят кусок ДСП размером 920х300х5 мм, со степенью перфорации 13% (диаметр отверстий 30 мм, интервал между ними 100 мм).

Рис. 7. Вид на рассечку сверху.

Обработку экспериментальных данных проводили для двух серий экспериментов. L/h и φ были использованы в качестве переменных.

5 Рассчитанные зависимости

1. Общая формула для средней скорости:

  [8] (1)

где: 

 

  - коэффициент скорости (2)

1. С рассечками (v ≈ 0,1):

λ - коэффициент гидравлического трения,

ζ - коэффициент местных потерь давления,

L - высота вентилируемого зазора,

Tc - комнатная температура в Кельвинах,

Th - температура нагревательного элемента в Кельвинах;

  (3)

Установка рассечек повышает сопротивление канала, уменьшая φ до нуля.

  (4)

  (5)

 

  (6)

  (7)

  (8)

Максимальный коэффициент местных потерь давления при рассечках был рассчитан при скорости потока 0,1 м/с: ζ p = 566,67

График зависимости скорости φ от отношения высоты вентилируемого зазора L к его ширине h показан на (рис. 8).

Рис. 8. График зависимости φ от L/h


6 Выводы

В ходе проведенных испытаний и результатов расчетов было установлено, что при использовании рассечек (даже перфорированных) роль воздушного зазора сводится к нулю, так как фасад перестает работать как вентилируемый. При относительно небольшом размере зазора 60 мм скорость воздушного потока падает до нуля, циркуляции воздуха при дальнейшем увеличении канала не происходит. С одной стороны, это означает, что противопожарная рассечка фактически работает как средство, препятствующее распространению горячих и легковоспламеняющихся паров по фасаду. Но, с другой стороны, это мешает нормальной конвекции воздуха внутри фасада. Можно сделать вывод, что рациональным решением является использование негорючих материалов (как негорючая ветро-влагозащитная мембрана) или установка системы автоматического «выбрасывания» рассечек при пожаре. Это может быть реализовано следующим образом: в конструкции фасадов предусмотреть термоанемометры, которые будут регистрировать повышение температуры выше определенного предела. В случае пожара сигнал с анемометра передается на систему дистанционного управления секциями и они перекрывают весь воздушный зазор. Схема устройства представлена ​​на (рис. 9-10).

Рис. 9. Нормальное положение рассечки - вдоль фасада           

Рис. 10. При пожаре – рассечка закрывает воздушный зазор


Использованная литература

1. К. Суарес, П. Жубер, Дж. Л. Молина, Ф. Дж. Санчес, Энер. и строит., 43, 3696–3703 (2011).

2. Д.В. Немова, маг. инженеров-строителей, 5, 7-11 (2010)

3. Б. Гауена, А. Бородинец, Дж. Земитис, А. Прозументс, Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия, 96 (1) (2015).

4. Н. Хармати, З. Якшич, Н. Ватин, Proc. англ., 117 (1), 791-799 (2015)

5. А. Бородинец, Дж. Земитис, А. Прозументс, Материалы Всемирного форума по возобновляемым источникам энергии (WREF 2012) 4181-4186 (2012)

6. А.Д. Жуков, ЮКЭ, 1, 1-15 (2012) (рус.)

7. Д.В. Немова, к.б.н. Тезис: 23.05.16, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, 18 (2015) (рус)

8. Федеральный закон N 123 (Москва, 2008 г.) (рус)

9. Национальный стандарт Российской Федерации 30244-94. Москва, 1995.

10. Национальный стандарт Российской Федерации 30402-9. Москва, 1996.

11. Национальный стандарт Российской Федерации 12.1.044-89 (Москва,1996).

12. И.Р. Хасанов, И.С. Молчадский, К.Н. Гольцов, АВ. Пестрицкий, ФС, 5 (2006) (рус)

13. Воробьев В.Н. (Владивосток, 2012) (рус.)

14. Информация на http://vfasade.blogspot.ru/2013/07/uzel-ventfasad.html

15. С.А. Исаев, Н.И. Ватин, С.В. Гувернюк, В.Г. Гагарин, Б.И. Басок, Ю.В. Жукова, Высокая темп., 53 (6), 873-876 (2015)

16. Г.И. Гринфельди, А.С. Горшков, Н.И. Ватин, мат. Рез., 941-944, 786-799 (2014)

17. Н.И. Ватин, Й. Хавула, Л. Мартикайнен, А.С. Синельников, А.В. Орлова, С.В. Саламахин, зав. Мат. Рез., 945-949, 1211-1215 (2014)

18. М.Р. Петриченко, Д.В. Сероу, Дж. NPCS. 17 (3), 336-339 (2014).

19. Нефедова, Ю. Быкова, С. Косов, М. Петриченко, Тр. англ., 117 (1), 1102-1111 (2015)

20. И.А. Лобаев, А.Ю. Базилевич, А.О. Андреев, Материалы двенадцатилетней научнотехнической конференции «Системы безопасности», 47 – 249 (Москва, 2003.) (рус.)

21. А.Д. Жуков, А.В. Чугунков, Сб. МГСУ, 5, 128—132 (2012) (рус)

22. Национальный стандарт Российской Федерации 31252-2003. Москва, 2003 г. (рус)

23. Б.М. Румянцев, А.Д. Жуков, Т.В. Смирнова, 4 (35), 3 (Волгоград, 2014) (рус)

24. Дженсен Г., Proc. matec web conf., 9, 1-11 (2013)

25. Д. Краудер, BRE Trust Review 2012, 46–47 (2013).

26. Кирюдчева А.Е., Шахин В.В. Шишкина, конст. ООН. Строить. и структур., 4 (31), 248-262 (2015)

27. Е. Цыкановский, В. Гагарин, А. Грановский, М. Павлова, Билд. техн., 6, 28-33 (2002)

28. Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилья), (Правительство Москвы, Москомархитектура, 2002), Дмитриев, Энсбер., 6 (2001) (рус)

29. А.С. Горшков, маг. инженеров-строителей, 1, 9-13 (2010) (рус)

30. М.А. Платонова, Н.И. Ватин, Д.В. Немова, С.А. Матошкина, Д. Иотти, И. Того, конст. ООН. Строить. и структур., 4 (19), 83-95 (2014)

31. Информация на http://pfkmsk.ru/

32. М. Пенич, Н. Ватин, В. Мургул, Приложение. мех. и мат., 680, 534-538 (2014).

33. А. Горшков, В. Мургул, О. Олейник, MATEC Web of Conf., 53 (арт. № 01045, 2016)


← Функционал вентилируемых фасадов: защита утеплителя
Виды облицовочных материалов вентилируемых фасадов →

Многофункциональная мембрана ФибраИзол НГ используется для устройства вентилируемых фасадов и скатных кровель в частном, гражданском и промышленном строительстве.

Подробнее →
Единственная в России
негорючая мембрана
Подтверждено техническим свидетельством*