Вентилируемые фасады зданий

Вентилируемые фасады зданий

Введение

В настоящее время в большинстве развитых странах мира существуют технические и законодательные нормы, требующие строительство зданий с эффективным использованием энергии.

Данную задачу можно успешно решить, если облицовка наружных стен здания будет выполнена в форме утепленных вентилируемых фасадов.

Вентилируемыми утепленными фасадными системами обеспечивается защита от влияния погодных условий, а также теплозащита наружных стен. Таким образом осуществляется устойчивый режим энергосбережения при любых условиях эксплуатации здания.

Основные технические и эксплуатационные характеристики данных фасадных систем:

· осуществление возможности изменения архитектурного облика фасадов путем варьирования облицовочных материалов, форматов и цветов;

· с экономической и экологической точки зрения - это наиболее правильный вариант теплозащиты и защиты здания от влияния погодных условий;

· обеспечение здорового климата внутри помещения посредством беспрепятственной диффузии водяного пара - здание "дышит";

· обеспечение наилучшей звукозащиты здания;

· увеличение срока эксплуатации самого здания;

· сохранение на продолжительный период презентабельного вида здания;

· совместимость данных фасадных технологий как с новостройками, так и со зданиями, находящимися в длительной эксплуатации;

· необходимость относительно небольших расходов на обслуживание;

· возможность ремонта фасада или замены его отдельных частей без разрушения конструкции наружных стен.

Основные теплотехнические достоинства систем с навесным вентилируемым фасадом (НВФ) показаны на рис. 1.

Учёт влияния мостика холода	Удаление избытка влаги из помещения
Создание благоприятного климата внутри помещения	Надежная тепловая защита
Защита от температурных перепадов	Стойкость к атмосферным воздействиям

Рис.1 Основные преимущества систем с НВФ

Исходя из того факта, что каждый процент объемной влажности (ω₀), который остается в конструкции наружной стены в ходе строительства, увеличивает величину потери тепла на 3-5%, можно предположить, что теплоизоляционный материал, обладающий объемной влажностью порядка 5% имеет величину потери тепла на 15-20% больше чем сухой теплоизоляционный материал.

На рис. 2 изображен процесс высушивания наружных стен из пористого бетона в невентилируемом (график 1) и вентилируемом (график 2) фасадах [7].

Рис. 2 Процесс высушивания стен из пористого бетона

(α = 0.19 Вт/м∙К (DIN 4108); ρ_max = 600 кг/м³)

Анализируя данные графические представления однозначно напрашивается вывод о том, что применение НВФ имеет явное преимущество перед другими фасадными системами.

Расчет теплозащиты многослойных наружных ограждающих конструкций (ОК) здания в системе НВФ

Многослойная наружная стена здания с вентилируемым фасадом состоит из нижеперечисленных слоев (считая от внутреннего помещения к наружной стороне), где d - толщина слоя:

1. внутренний слой (известково-песчаная штукатурка), d = 20 мм;

2. кирпичная кладка (сплошной глиняный кирпич на цементно-песчаном растворе), d = 250 мм, опирающаяся к ж/б обвязке, d = 250 мм;

3. теплоизоляция (минераловатная плита), d = 125 мм;

4. ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана;

5. вентилируемая воздушная прослойка, d = 50 мм;

6. облицовка фасада (керамогранитная плитка 600х600 мм с открытыми швами), d =10 мм.

Облицовка фасада крепится к подсистеме (алюминиевый каркас) с помощью специального крепежа (видимое и невидимое крепление), а сама подсистема к наружной стене (кирпич, бетон) прикрепляется с помощью специальных кронштейнов, длина которых зависит от толщины теплоизоляции и воздушной прослойки.

Предметом настоящего доклада не является расчет и конструирование алюминиевой подсистемы, 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

№ п/п	Слои наружной стены		γ0, кг/м3	A, м2	δ, мм	λ, Вт/м∙К	μ	ρ, Н∙ч/кг
1	Внутренняя штукатурка		1600	17,604	20	0,70	10	3,2∙105
2	Наружная стена	Кирпич	1800	11,949	250	0,81	8,5	34∙105
		Железобетон	2500	5,655	250	2,04	-	-
3	Утеплитель		156	17,604	125	0,047	1,2	2,4∙105
4	Мембрана		-	17,604	0,2	-	-	0,32∙105
5	Воздушная прослойка		-	-	50	-	-	-
6	Облицовка		-	-	10	-	-	-

Примечание:

1) Все значения теплотехнических характеристик, приведенные в табл.1 приняты для параметров Б согласно СНиП-II-3-79*.

2) μ - показатель сопротивления диффузии водяного пара.

3) ρ - удельное сопротивление диффузии водяного пара разных слоев.

Расчет термического сопротивления многослойной наружной стены осуществляется по следующей формуле:

· α_В = 8,7 Вт/м²∙К - внутренний коэффициент теплоотдачи

· δ - толщина слоев наружной стены

· λ_Б - коэффициент теплопроводности слоев наружной стены для условий Б

· α_МОД - модифицированный коэффициент теплоотдачи воздушной прослойки

Сперва осуществлен расчет приведенного термического сопротивления наружной стены с теплоизоляцией без воздействия алюминиевого каркаса фасада, который формирует мостик холода, уменьшающий ее термическое сопротивление, а потом произведена корректировка этого сопротивления с учётом влияния мостика холода, созданного алюминиевым каркасом фасада.

При расчете термического сопротивления многослойной ОК 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 α_МОД.

В соответствующей литературе и нормах предусмотрены различные значения α_МОД, что отображено в таблице 2.

Таблица 2

Модифицированный коэффициент теплоотдачи вентилируемой воздушной прослойки αМОД, Вт/м2∙К
СНиП-II-3-79* Таблица 6*	DIN 4701, Teil 2 Tabelle 16	BFE Richlinie [8]
12	11,11	8

* значения СНиП-II-3-79* Таблица 6* аналогичны актуализированным значениям СП 50.13330.2012 Таблица 6

Согласно литературе "ЕМРА, Schlussbericht № 158740" формула для расчета α_МОД гласит:

· α_н - наружный коэффициент теплоотдачи

· R_эк = 0,08 м²∙К/Вт (согласно SIA Norm 180) - эквивалентное термическое сопротивление вентилируемой воздушной прослойки

Расчетом α_МОД по формуле (2) получаются результаты, которые подтверждены при проведении измерений на действующих вентилируемых фасадах.

На основании теплотехнических характеристик слоев конструкции наружной стены здания, взятых из таблицы 1, а также α_В = 8,7 Вт/м²∙К и α_МОД = 12 Вт/м²∙К по формуле (1) рассчитано ее термическое сопротивление (без влияния алюминиевого каркаса), при чем получены следующие результаты:

· R_ож/б = 3,195 м²∙К/Вт - термическое сопротивление ОК (часть стены из ж/б)

· R_ок = 3,0089 м²∙К/Вт - термическое сопротивление ОК (часть стены из кирпича)

· R_опр = 3,135 м²∙К/Вт - приведенное термическое сопротивление ОК

· α₀ = 0,319 Вт/м²∙К - коэффициент теплопередачи ОК

Расчеты влияния алюминиевого каркаса НВФ (мостики холода) на уменьшение термического сопротивления многослойной наружной стены здания с вентилируемым фасадом для двух типов алюминиевого каркаса показаны в таблицах 1 и 2. Расчеты осуществлены на основании диаграмм 1 и 2 и схем 1 и 2, указанных в соответствующей литературе [8].

Схема 1 Подсистема НВФ (Алюминиевый каркас)

Примечание:

1) Внутренний штукатурный слой, λ = 0,81 Вт/м∙К, d = 20 мм.

2) Наружная кирпичная стена, λ = 0,81 Вт/м∙К, d = 250 мм.

3а) Термическая прокладка (PVC-GHS), d = 6 мм, λ = 0,09 Вт/м∙К

3) Кронштейн (неподвижная опора) AIMgSi 0,5 F25, λ = 170 Вт/м∙К.

4) Теплоизоляция (минераловатная плита), λ = 0,047 Вт/м∙К, d = 125 мм.

5а) Термическая прокладка (PVC-GHS), d = 6 мм, λ = 0,09 Вт/м∙К.

5) Кронштейн (подвижная опора) AIMgSi 0,5 F25, λ = 170 Вт/м∙К.

6) Алюминиевый профиль (AIMgSi 0,5 F25), λ = 170 Вт/м∙К.

7) Ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана, паропроницаемость за 24 часа не менее 0,75 кг/м²; (Sd ≤ 0,02 m, DIN 52615).

Диаграмма 1 Теплопотери при наличии мостика холода

· Χ, Вт/К - Коэффициент теплопотери при наличии мостика холода;

· R = d/l, м²∙К/Вт - Термическое сопротивление части наружной стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера.

Таблица 1

Площадь фасада без окон	17,604	м2
Общая длина линейного мостика холода (l)	0	м
Кол-во мостиков холода по бетонным конструкциям	16	шт.
Кол-во мостиков холода по кирпичной кладке	16	шт.
Расчет теплопередачи
Термическое сопротивление части наружной стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера (R)	бетон - 0,049	м2∙К/Вт
	кирпич - 0,31	м2∙К/Вт
Толщина теплоизоляции (d)	0,125	м
Коэффициент теплопроводности теплоизоляции (λ)	0,047	Вт/м∙К
Коэффициент теплопередачи ОК без мостика холода (α0)	0,319	Вт/м2∙К
Коэффициент теплопотери при наличии мостика холода (алюминий) с термической прокладкой (Χ)	бетон - 0,049	Вт/К
	кирпич - 0,035	Вт/К

· Коэффициент теплопередачи: (0,319∙17,604+16∙0,049+16∙0,035)/17,604=0,395 Вт/м²∙К

· Увеличение коэффициента теплопередачи наружной стены при наличии мостика холода: ((0,395 - 0,319) / 0,319) x 100 = 23,8 %

Схема 2 Подсистема фасада (Алюминиевый каркас)

Примечание:

1) Внутренний штукатурный слой, λ = 0,81 Вт/м∙К, d = 20 мм.

2) Наружная кирпичная стена, λ = 0,81 Вт/м∙К, d = 250 мм.

3) Кронштейн (неподвижная опора) CrNiMo, λ = 15 Вт/м∙К.

4) Теплоизоляция, минераловатная плита, λ = 0,047 Вт/м∙К, d = 125 мм.

5) Кронштейн (подвижная опора) CrNiMo, λ = 15 Вт/м∙К.

6) Алюминиевый профиль (AIMgSi 0,5 F25), λ = 170 Вт/м∙К.

7) Ветро-гидрозащитная паропроницаемая мембрана, паропроницаемость за 24 часа не менее 0,75 кг/м²; (Sd ≤ 0,02 m, DIN 52615).

Диаграмма 2 Теплопотери при наличии мостика холода

· Χ, Вт/К - Коэффициент теплопотери при наличии мостика холода;

· R = d/l, м²∙К/Вт - Термическое сопротивление части наружной стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера.

Таблица 2

Площадь фасада без окон	17,604	м2
Общая длина линейного мостика холода (l)	0	м
Кол-во мостиков холода по бетонным конструкциям	16	шт.
Кол-во мостиков холода по кирпичной кладке	16	шт.
Расчет теплопередачи
Термическое сопротивление части наружной стены, к которой крепится кронштейн с помощью анкера (R)	бетон - 0,049	м2∙К/ВТ
	кирпич - 0,31	м2∙К/ВТ
Толщина теплоизоляции (d)	0,125	м
Коэффициент теплопроводности теплоизоляции (λ)	0,047	Вт/м∙К
Коэффициент теплопередачи ОК без мостика холода (α0)	0,319	Вт/м2∙К
Коэффициент теплопотери при наличии мостика холода (нерж. сталь) без термической прокладки (Χ)	бетон - 0,029	ВТ/К
	кирпич - 0,0225	ВТ/К

· Коэффициент теплопередачи: (0,319∙17,604+16∙0,029+16∙0,0225)/17,604=0,366 Вт/м²∙К

· Увеличение коэффициента теплопередачи наружной стены из-за мостика холода: ((0,366 - 0,319) / 0,319) x 100 = 14,7 %

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 алюминиевого каркаса с алюминиевым кронштейном и термической прокладкой;

- на 14,7 % для алюминиевого каркаса с кронштейном из нержавеющей CrNiMo стали без термической прокладки.

Данный пример расчета показывает, что при проектировании вентилируемых фасадов особое внимание надо обратить на использование в конструкции НВФ алюминиевого каркаса, так как применение данного материала значительно увеличивает коэффициент теплопередачи наружной стены здания.

Расчет диффузии водяного пара через многослойную наружную стену с НВФ

Общеизвестно, что при правильном возведении многослойных систем 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 (g, кг/м²∙ч) для стационарного режима осуществляется по формуле:

· е_в, Н/м² (Па) - упругость (парциальное давление) водяного пара в воздухе помещения

· е_н, Н/м² (Па) - упругость (парциальное давление) водяного пара в наружном воздухе

· ρ, Н∙ч/кг - удельное сопротивление диффузии водяного пара разных слоев конструкции наружной стены

Расчет диффузии водяного пара выполнен для следующих расчетных условий:

- РВУ: t_в = 20 °С; ω_в = 50%; е_в = 1170 Н/м²

- РНУ: t_н = -10,2 °С; ω_н = 83%; е_н = 261 Н/м² (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 кг/м²∙ч - для конструкции многослойной наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой без гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраны

· g = 0,239 кг/м²∙ч - для конструкции многослойной наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой с гидро-ветрозащитной паропроницаемой мембраной

Результаты расчета подтверждают, что гидро-ветрозащитная паропроницаемая мембрана практически очень слабо (порядка 0,5 %) влияет на уменьшение диффузии водяного пара через многослойную конструкцию наружной стены с вентилируемой воздушной прослойкой.

Также осуществлен расчет упругости водяного пара (е) и максимальной упругости водяного пара (Е) на всех местах стыков разных слоев многослойной конструкции наружной стены, причем установлено, что Е>е, т.е. в толщи стены нет конденсации.

Почему нужна гидро-ветрозащитная паропроницаемая мембрана?

С целью обеспечения долговечности конструкции наружной стены, её устойчивости при тепловом и влажностном воздействии и предотвращения проникновения 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) Должно быть предотвращено продольное движение воздушного потока вдоль толщи теплоизоляции.

Для многослойных ОК наружных стен зданий высотой свыше 22 м надо применять негорючий утеплитель с наибольшим коэффициентом диффузии водяного пара (паропроницаемый). На сегодняшний день эти требования могут удовлетворить только минераловатные плиты. Однако, теплоизоляционные характеристики данного утеплителя могут ухудшится в течение зимнего периода (t_н < -5 °С) на 20-36 % если на поверхности утеплителя останется 6% воздухопроницаемых щелей [12], 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 проникновения возможных воздушных потоков;

· обеспечение высушивания утеплителя и конструкции наружной стены.

Основными достоинствами данной мембраны являются: паропроницаемость, а также водонепроницаемость и воздухонепроницаемость.

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 [9] 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 [1] и [6]. При измерениях на существующих вентилируемых фасадах скорость движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойки составляет v = 0,3 - 0,4 м/с.

Рис. 3 Для выравнивания давления необходима воздухонепроницаемая конструкция стены, воздушная прослойка, отражающая перегородка и открытые швы в облицовке

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. 4 Параметры для определения сопротивления воздушного потока через вентилируемую воздушную прослойку

Заключение

Несмотря на то, что вентилируемые фасады применяются на практике уже более 15 лет (на момент опубликования доклада), 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 России и в Москве в частности 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.

Список использованной литературы

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: Besteiммung 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

Сборник докладов. «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». - М.: РААСН, НИИСФ, 1999. - С.157-174

Батинич Радивое, Югославия, 1999 г.