1     Введение

Навесной вентилируемый фасад (НВФ) – это сложная система, состоящая из подконструкции, утеплителя, воздушной прослойки и защитного экрана, которая монтируется с внешней стороны основных стен здания. [1-11] Она позволяет быстро и легко реконструировать существующее здание и повысить его теплозащиту. Также может применяться при строительстве зданий, улучшении внешнего вида здания, звукоизоляции, смещении точки росы со стен, для устойчивости к атмосферным воздействиям и др. [13]. Стоимость подконструкции навесного вентилируемого фасада зависит в том числе от толщины утеплителя [5].

Минераловатный утеплитель в фасадных и кровельных конструкциях подвергается сильным эксплуатационным воздействиям. Внутри волокнистой структуры постоянно происходят чередующиеся процессы: увлажнение - высыхание, замораживание - оттаивание, механическая вибрация. В условиях российского климата наиболее разрушительными являются процессы замерзания и оттаивания влажной минеральной ваты. Скорость разрушения утеплителя определяется объемом поступающих и замерзающих осадков. Совокупность воздействий при длительной эксплуатации приводит к тому, что разрушается органическое связующее вещество, подвергая вибрационному усталостному разрушению минеральное волокно [12]. Следует учитывать, что большая часть утеплителя в наших условиях намокает при транспортировке и монтаже. Утеплитель, применяемый в фасадных системах, должен отвечать ряду требований: он должен быть огнестойким, прочным, обладать хорошими звукоизоляционными качествами и иметь достаточную плотность – от 80 до 100 кг/м3. Так как воздушный поток отделяет мелкие частицы материала - происходит эмиссия волокна. При установке НВФ при определенной скорости ветра они могут начать свистеть и гудеть, чаще всего это происходит в местах завихрений ветровых потоков. Описаное явление, вызванно слишком длинными скобами для крепления внешних деталей и эластичностью хлопка. Система вентилируемых фасадов требует качественных комплектующих и, как было сказано ранее, очень качественного монтажа, так как коррозия одного-двух креплений может привести к обрушению всего фасада. [9, 23-25]

Одним из применений является возможное применение вентилируемых фасадов при разработке и внедрении новых энергосберегающих технологий для этих систем [10, 17-19]

Навесные вентилируемые фасады – это самые многофункциональные данные элементные системы - слой воздуха или воздушный зазор. Именно этот слой выполняет как теплозащитную, так и блокирующую функцию. Кроме того, при правильно спроектированной конструкции в этом слое НВФ удаляется влага, являющаяся продуктом жизнедеятельности находящихся в здании людей, выделяющаяся в различных бытовых и производственных процессах.

Но также необходимо определить, насколько Вентфасад влияет на теплопроводность утеплителя. Главная особенность состоящего из склеенных минеральных волокон утеплителя — высокая воздухопроницаемость. Система через межволоконные поры в материале, проницаемом для воздуха, газа и воды, независимо от плотности материала изолятора. Некоторые производители считают минеральную вату самой воздухопроницаемой: волокнистые теплоизоляционные материалы не мешают движению пара наружу через стены. При контакте с холодными внешними объектами пар внутри утеплителя конденсируется, смачивая его. Ограничить конденсацию влаги в утеплителе могут только конструктивные решения, уменьшающие диффузионные и конвекционные потоки воды [2-3]

Увлажнение минеральной ваты происходит с разных сторон, а водоотталкивающий волокнистый утеплитель не уменьшает объем конденсата.

1. Увлажнение снаружи. Фасадная облицовка вентилируемого фасада, состоящего из отдельных элементов, имеет зазор (ржавчину), через который проникает дождь и холодный воздух и увлажняет систему утепления. От влаги полностью не защищена даже сплошная облицовка, так как всегда возможны дефекты монтажа или механические повреждения, количество которых увеличивается с увеличением площади облицовки, количества оконных рам и т.п.

2.   Увлажнение изнутри. В холодную погоду утеплителю угрожает влага с теплой стороны. Когда стены имеют повышенную паропроницаемость (газобетонные стены, кирпичные стены с некачественной затиркой, ограждающие перегородки, щели, некачественное исполнение, паровые, чердаки), влага в виде пара из помещений конденсируется в более подверженных воздействию холода местах утепления. Высотные здания имеют высокое парциальное давление пара на верхних этажах. В этом случае пароизоляционных свойств стен, даже из монолитного бетона, может быть недостаточно [1,15]

Применительно к вентилируемому фасаду потеря массы минеральной ваты, установленной без ветрогидрозащитной мембраны, приводит не только к снижению прочностных и теплоизоляционных свойств, но и к серьезному нарушению экологии окружающей среды и жилого помещения. Например, для девятиэтажного дома с утеплителем серии 90, площадью 1498 м² требуется 135 м³ современной минеральной ваты плотностью 74 кг/м³. За 25 лет эксплуатации обычная вентиляция здания может вывести из обшивки венфасада 1875 кг волокнистой пыли потоком воздуха. Эти данные убеждают в целесообразности защиты вентилируемых фасадов ветрогидрозащитными мембранами на внешней стороне минеральной ваты. Более дорогое решение - применение панелей высокой плотности (выше 150 кг/м³), не обеспечивающих аналогичной защиты утеплителя от внешней влаги и фильтрации [4,20-22].

Гарантийный срок службы в 50 лет у минваты может быть получен при условии ограничения (нормирования) разрушающих факторов. Для этого следует обратить особое внимание на систему защиты утеплителя в воздушном зазоре фасада:

1.    Защита внутренней поверхности минплиты – ограничение проникновения влаги из помещения обеспечивается высоким уровнем пароизоляции стены;

2.    Защита наружной поверхности минплиты – ограничение проникновения атмосферных влаги и воздуха, выпадения минеральных волокон обеспечивается наличием ветрогидрозащитной диффузионной мембраны.

Традиционное возражение против применения ветрогидрозащитной мембраны в вентилируемых фасадных системах заключается в том, что «наличие паропроницаемости мембраны снижает пароизоляцию системы». Современные негорючие паропроницаемые мембраны класса КМ0 не препядствуют выводу пара пара через многослойную конструкцию наружных стен с вентилируемым воздушным зазором. Боятся устанавливать пароизоляцию внутри жилого помещении из-за отсутствия вентиляции. В то же время через ограждение в утеплитель может поступать некоторое количество внутренней влаги из помещения, с которой успешно справляется мембрана, имеющая сопротивление паропроницанию 0,09 (м²*ч*Па/мг). За счет ограничения поступления влаги из помещения мембрана будет выводить только газообразную влагу, которая испаряется при неблагоприятных погодных условиях. условия - повышенная влажность, туман и дождь. Сопротивление паропроницанию 0,09 (м²*ч*Па/мг) в сутки поддерживает утеплитель в равновесии сухости при любых погодных условиях. [14]

Применение ветрозащитной мембраны и систем утепления с вентилируемым зазором позволит исключить из критериев выбора утеплителя такие характеристики, как водопоглощение, воздухопроницаемость, плотность, оставив только теплопроводность, стабильность размеров, механическую прочность. [27]

Цели и задачи

Цель статьи - учет влияния анализа вентилируемого фасада на теплоизоляционные свойства утеплителя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-   Исследовать теплоизоляционные свойства стен с навесным вентилируемым фасадом с облицовочным материалом и без;

-   Анализ исследований по теплоизоляции строительных материалов ограждающих конструкций с учетом облицовки;

Показано, что:

-   Наблюдается зависимость плотности воздухопроницаемости волокнистого утеплителя; При этом выявлено влияние ряда конструктивных особенностей и климатических условий на продольную фильтрацию воздуха на теплоизоляционные и теплозащитные свойства вентилируемых фасадов. [6]

2     Типы минеральной ваты

Теплоизоляция для вентилируемого фасада должна иметь следующие основные функции: гидроизоляция, высокая паропроницаемость, отсутствие деформации зимой, максимальное прилегание к стене. Основные материалы, используемые для утепления фасадов – это минеральная вата на основе базальта и стекла.

В современной практике в качестве теплоизоляционного материала на территории России широкое распространение получили минеральная вата на основе базальтового вяжущего. Благодаря этому материал выдерживает температуру до 750 градусов, не теряя своих акустических и теплоизоляционных свойств. При наличии ветрозащитной мембраны плиты не деформируются, не проседают и не подвержены эмиссии волокна. Высокая степень паропроницаемости пирога утепления предотвращает скопление воды в теплоизоляционном слое, обеспечивая ее быстрое испарение.

В современной практике в качестве теплоизоляционного материала на территории России широкое распространение получили минеральная вата на основе базальтового вяжущего, а также плиты на основе пенополистирола. В некоторых частях здания, например в цоколях и местах постоянного скопления и удержания воды, используются плиты из полистирола, полученные методом экструзии. В этот исторический момент действующая нормативная документация не отражала всех нюансов использования и производства таких материалов. Например, полностью отсутствуют стандарты долговечности таких изделий, сроки службы и требования к эксплуатации в различных климатических условиях России. [7, 8]

3     Воздействие вентилируемых фасадов на минеральную вату

Находим термическое сопротивление стены

1.     Рассмотрим случай, когда экран отсутствует.

Рис. 1. Разрез стены без защитного экрана

Найдем тепловое сопротивление стены. Сопротивление определяется:

Температура внутри в помещение αвн = 10Вт/(м² ∙ K)

Температура наружного воздуха α_нар = 20Вт/(м² ∙ K)

Таблица 1. Исходные данные для расчета

Вывод: в связи с тем, что внешняя (холодная) поверхность стены подвержена атмосферным воздействиям, тепловое сопротивление ограждения низкое. Конструкция стены не обеспечивает минимизацию теплового потока

2. При наличии экрана (двойного фасада)

Рис 2. Разрез стены с защитным экраном

Температура внутри воздушного зазора будет равна:

Вывод: с вентфасадом термостойкость увеличивается.

4     Полученные результаты и их обсуждение

Рассмотрим массообмен влаги в утеплителе. Воздушный зазор как насос вытягивает влагу из утеплителя. Необходимо сместить точку росы в воздушном зазоре, для чего температура воздуха должна быть больше температуры насыщения (tв > t’), при этом водяной пар t’ при данном давлении:

Возьмем крайний случай, когда температура насыщения изоляции находится на грани с учетом защитного экрана.

Поток тепла определяется:

Разница температур равна:

Вывод: Фасад сохраняет теплоотдачу в стене

Испарение влаги с поверхности нагревателя в свободно-конвективном потоке в вязкогравитационном режиме описывается системой уравнений Эккерта. Эта система уравнений в безразмерном виде имеет вид:

   (5)

Где f=f(γ/δ) – безразмерная функция тока, γ – поперечная координата (направление –

с горячей поверхности в поток),

δ - толщина пограничного слоя подъемной силы,

θ - концентрация консервативной и пассивной примеси,

σ - число Прандтля для диффузии примесей, штрихами обозначены производные по γ/δ.

Предельные условия для системы Эккерт формулирует так:

В данной работе для упрощения дифференциальное уравнение переноса загрязняющих веществ заменено алгебраическим условием «баротропность». А именно, пусть

Где β - коэффициент пропорциональности.

Тогда первое уравнение Эккерта принимает вид:

 ,

в которой. Нетривиальное решение этого уравнения:

доказано: β=5,

u₀ – скорость свободноконвективного потока на горячей поверхности (в долях от средней скорости),

  - безразмерная функция потока (как часть потока).

Затем, наконец:

5     Выводы

1. В современной практике в качестве теплоизоляционного материала на территории России широкое распространение получила минеральная вата на основе базальта и стекла. Тепловая защита зависит от толщины утеплителя, плотности и наличия ветрозащитной мембраны. Все это связано со свойствами самого материала.

2. Как показали расчеты, тепловое сопротивление вентилируемого фасада увеличивается что значительно снижает расходы на отопление и увеличивает срок службы всей системы.

Использованная литература

1.     В.Г. Гагарин, АВОК, 2 (2005);

2.     Гусев Б.В., Гусев В.А. Езерский, П.В. Монастыри Промышленное и гражданское строительство, д. 1 (2005 г.)

3.     В.Г. Гагарин В.В. Козлов Э.Ю. Цыкановский АВОК, 2, 20-26 (2004)

4.     С.Н. Овсянников Т.С. Вязова, 6, 20-28 (2013)

5.     Г.Радович, В.Мургул, Н.Ватин, Прикладная механика и материаловедение, 584-586, 564-569 (2014)

6.     В. Гоа, X. Цяоа, Ю. Хуанга, М. Фанга, X. Ханб. Том «Энергия и здания» в печати, исправленное доказательство, 43-53 (2012).

7.     Z. Xinhong, M Congyu., G. Pingdao, Energy Energy Procedia, 14, 1523–1527 (2012).

8.     Петриченко М., Ракова Х., Вяткин М., Мусорина Т., Кузнецова Д. Прикладная механика и материаловедение, 725-726, 1101-1106 (2015).

9.     Немов Н.В., Ольшевский В.Ю., Цейтин Д.Н. Научно-технические ведомости СТУ 4 (183), 295-301 (2003)

10. Радович Г., Мургул В., Ватин Н., Прикладная механика и материаловедение, 584-586, 564-569 (2014).

11. А.С. Журнал Горшков Гражданское строительство, 1 (2010)

12. Горшков А.С., Попов Д.Ю. СРЕДНИЙ. Глумов Гражданский журнал, 8 (18) (2010)

13. М.В. Кнатько М.Н.Ефименко, А.С. Журнал «Горшков-строитель» 2 (2008 г.)

14. С.Д. Малоедов, В.Н. Выгузов Стройматериалы 5 (2001)

15. Птухина И., Спиридонова Т., Мусорина Т. Прикладная механика и материаловедение, 725-726, 153-159 (2015).

16. Островая А.Ф., Петриченко М.Р., Петриченко Е.А. Стаценко, Прикладная механика и материалы, 725-726 (2015).

17. Т. Смирнова Архитектурно-строительные требования, 5 (2009)

18. В. Стародубцев, С.В. Поветкин Промышленное и гражданское строительство, 5 (2009)

19. А.А. Степанов Стройматериалы, 5 (2009)

20. Э.Т. Тазеева, А.С. Горшков Всерос работает. научные и инженерные. конф. - СПб.: Изд-во Политеха 2011 (2011)

21. Н.П. Умнякова Архитектура и строительство, 5 (2009)

22. Д. Немова, В. Мургул, В. Пухкал, А. Голик, Е. Чижов, Н. Ватин, Journal of Applied Engineering Science 12, 37-44 (2014)

23. Н.И. Ватин Д.В. Немова Мир строительства и недвижимости, 36, 1-4 (2010)

24. Н. Минготтия, Т. Ченвидьякарн, А.В. Лес, энергия и здания, 58, 237–249 (2013)

25. Ф. Маркес да Силва, М. Глория Гомеш, А. Море Родригес, Строительство и окружающая среда, 87, 292-301 (2015)

26. Н. Минготти, Т. Ченвидьякарн, А. В. Вудс, Строительство и окружающая среда, 46, 807–823 (2011).

27. А.С. Горшков, Х.М. Ракова, Т.А. Мусорина, Д.Н. Цейтин, К.Н. Агишев Строительство уникальных зданий и сооружений, 4(31), 232-247 (2015)