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); ρmax = 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:
· αВ = 8,7 Вт/м2∙К - внутренний коэффициент теплоотдачи
· δ - толщина слоев наружной стены
· λБ - коэффициент теплопроводности слоев наружной стены для условий Б
· αМОД - 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 αМОД.
В соответствующей литературе и нормах предусмотрены различные значения αМОД, 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 αМОД гласит:
· αн - наружный коэффициент теплоотдачи
· Rэк = 0,08 м2∙К/Вт (согласно SIA Norm 180) - эквивалентное термическое сопротивление вентилируемой воздушной прослойки
Расчетом αМОД 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 αВ = 8,7 Вт/м2∙К и αМОД = 12 Вт/м2∙К по формуле (1) рассчитано ее термическое сопротивление (без влияния алюминиевого каркаса), при чем получены следующие результаты:
· Rож/б = 3,195 м2∙К/Вт - термическое сопротивление ОК (часть стены из ж/б)
· Rок = 3,0089 м2∙К/Вт - термическое сопротивление ОК (часть стены из кирпича)
· Rопр = 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:
· ев, Н/м2 (Па) - упругость (парциальное давление) водяного пара в воздухе помещения
· ен, 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: tв = 20 °С; ωв = 50%; ев = 1170 Н/м2
- РНУ: tн = -10,2 °С; ωн = 83%; ен = 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 (tн < -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.
Многофункциональная мембрана ФибраИзол НГ ROOF используется для устройства вентилируемых фасадов и скатных кровель в частном, гражданском и промышленном строительстве.