CC BY
52
строительная теплофизика и энергосбережение
Экспериментальные исследования влияния воздушного потока в зазоре на теплозащитные свойства вентилируемых фасадных систем
Т.А.Корнилов, В.В.Амбросьев
Основным элементом вентилируемых фасадных систем (ВФС) является воздушный зазор между защитным экраном и стеной (или утеплителем). Благодаря перепаду давления воздуха, этот зазор работает по принципу действия «вытяжной трубы». В результате этого, из конструкции в окружающую среду удаляется влага, попавшая туда или образовавшаяся за счет конденсации в утеплителе. Воздушный промежуток также снижает теплопотери, выполняя роль температурного буфера. Вместе с тем, в зимний период движение воздуха в зазоре может отрицательно влиять на теплозащитные свойства ВФС при применении волокнистых теплоизоляционных материалов вследствие их высокой воздухопроницаемости. Для исследования данного вопроса в течение зимы проведены экспериментальные исследования температурно-влажно-стного режима ВФС здания в г.Якутске.
Для определения фактических параметров воздушного потока в зазоре ВФС в качестве исследуемого объекта выбрано 8-этажное здание достаточно сложной формы в плане. Основа фасадной системы здания — стена представляет собой кладку из щелевидных бетонных блоков толщиной 200 мм. К кладке прикреплены минераловатные плиты марки
«Базалит Венти-В» плотностью 110 кг/м3 общей толщиной 200 мм. Облицовка фасадной конструкции выполнена из композитных панелей с геометрическими размерами 1,8 X 1,5 м. Облицовочные плиты между собой соединены без продольных щелей. Воздушный зазор составляет в среднем 50 мм. Измерения скорости ветра проведена прибором ИСП-МГ4.01 (ООО «Стройприбор», г.Челябинск). Для этого на облицовочной конструкции ВФС здания предварительно были вырезаны отверстия. Измерения проводились систематически через 4 дня.
Проведенные натурные измерения показали, что скорость движения воздуха в воздушном зазоре ВФС небольшая и составляет не более 1 м/с. В табл. 1 приведены некоторые результаты измерения параметров воздушного потока в зазоре ВФС. Из полученных данных видно, что по высоте здания наблюдается небольшое увеличение скорости движения воздуха. При этом можно отметить, что изменение скоростного напора ветра оказывает незначительное влияние на скорость движения воздуха в воздушном зазоре ВФС.
Из данных табл.1 видно, что температура воздуха в зазоре ВФС снижается с увеличением высоты зда-
№ Направление ветра и скорость, м/с ТемператУра наружного воздуха, оС Основные параметры воздушного зазора по отметкам Отметки здания относительно уровня земли, м
10.0 13.4 16.8 21.0 22.8 27
1 Северное. 2 м/с -18 Скорость, м/с 0,61 0,88 0,97 0,74 0,2 0,53
Температура, оС -14 -14 -15 -16 -17 -17
2 Штиль -28 Скорость, м/с 0,14 0,3 0,34 0,4 0,28 0,5
Температура, оС -25 -25 -26 -27 -27 -28
3 Северозападное. 2м/с -16 Скорость, м/с 0,18 0,24 0,32 0,41 0,32 0,6
Температура, оС -13 -14 -14 -15 -15 -16
Таблица 1. Фактические параметры воздушного потока в зазоре ВФС здания.
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 1. Экспериментальная зависимость температуры в зазоре ВФС от температуры наружного воздуха.
ния, а по значению немного выше температуры наружного воздуха. В течение зимы на отметке 5,6 м здания проводились непрерывные измерения температуры воздуха в зазоре и наружного воздуха. В результате измерений получена экспериментальная зависимость температуры в зазоре от температуры наружного воздуха в зимний период, которая имеет явный линейный характер (рис. 1). Установлено, что с повышением температуры наружного воздуха разница между ней и температурой в зазоре уменьшается.
Для определения влияния воздушного потока в зазоре на температурный режим ВФС на существующей стене из щелевидных бетонных блоков эксплуатируемого здания были смонтированы два варианта теплоизоляции. На первом участке (1) применены в качестве теплоизоляционного слоя стекло-
волокнистые плиты фирмы «!зоуег»: 1-й и 2-й слои — плиты соответственно марок 610-КЬ 34-100/У и 610-К! 34-70/У (р = 20 кг/м3); наружный слой толщиной 30 мм — кашированные плиты марки кКЬ-В-30/У с фактической плотностью 77 кг/м3. На втором участке использованы стекловолокнистые плиты марки 610-КЬ 34-100/У «!зоуег» низкой плотности (р = 20 кг/м3) в два слоя без ветрозащитной мембраны. Для регистрации показаний температурных датчиков по толщине стеновой конструкции использован многоканальный универсальный измеритель-регистратор «Терем-4» (ООО «НПП «Интерприбор», г.Челябинск). Обработка данных проводилась с помощью специальной программы с выводом графиков распределения температуры по толщине стеновой конструкции.
В результате натурного эксперимента получены многочисленные данные распределения температуры по толщине ограждающей конструкции с ВФС. Анализ полученных данных температуры показал, график изменения температуры имеет линейный характер в отдельных слоях рассматриваемых конструкций. Уклон графиков изменяется в месте перехода от кладки к теплоизоляционным слоям, что соответствует общей теоретической картине теплообмена. В качестве примера на рис. 2 приведены графики изменения температуры по толщине стены с ВФС при температуре наружного воздуха -30 оС и -45 оС.
Рисунок 2. Экспериментальные графики распределения температуры по толщине стенового ограждения на участках 1 (а) и 2 (б) при температуре наружного воздуха —30 оС и —45 оС.
строительная теплофизика и энергосбережение
Температура на поверхности наружного слоя теплоизоляции на рассмотренных двух участках выше, чем температура воздуха в зазоре (рис. 2). Данная разница температуры в период особо низкой температуры наружного воздуха —40 оС и ниже составила порядка 1,7^2,2 оС. При этом установлено, что со снижением температуры наружного воздуха эта разница уменьшается. Например: на первом участке при температуре воздуха в зазоре t = —29,4 оС температура на поверхности теплоизоляции составляет ^ = —27,7 оС; при t = —36,4 оС — t = -34,2 оС; при t = -40,8 оС — t = -39,1 оС.
П III 3 п
Температура между теплоизоляционным слоем и кладкой на рассмотренных участках стеновой конструкции остается практически стабильной при изменении температуры наружного воздуха и соответственно на наружной поверхности теплоизоляции. Температура по толщине кладки (стены) изменяется незначительно в пределах 3,9 оС в наиболее холодные дни при температуре наружного воздуха -45 оС.
В результате анализа данных натурного эксперимента установлено, что на 2-м участке с использованием стекловолокнистых плит марки 610-КЬ 34-100/У «Ьоуег» без ветрозащитной мембраны температура во внутренних слоях ВФС имеет более низкие значения, чем на первом участке с кашированными плитами в качестве наружного слоя теплоизоляции (рис. 2). Разница температуры в месте примыкания теплоизоляции к кладке на 1-м и 2-м участках составила 1.. .3,4 оС в зимний период.
На незначительное влияние фильтрации воздуха при низкой плотности стекловолокна и отсутствии ветрозащитной мембраны указывают также экспериментальные зависимости расположения точки с нулевой температурой от температуры наружного воздуха в конструкции ВФС на 2-м участке (рис. 3). Для 2-го участка точки с нулевой температурой располагаются ближе к стене, чем на первом участке, на всем диапазоне температуры наружного воздуха.
Для оценки теплозащитных свойств стеновых кон-
струкций, как правило, используется значение плотности теплового потока. В данном эксперименте измерения плотности теплового потока проводились весной 2010 года при помощи прибора марки ИПП-2М (ООО «Стройприбор», г.Челябинск). Согласно экспериментальным данным плотность теплового потока на всех участках увеличивается со снижением температуры наружного воздуха. Например, при температуре наружного воздуха -16,9 оС плотность теплового потока на 1-м участке составляет 6,21 Вт/м2, на 2-м — 6,17 Вт/м2; при температуре наружного воздуха -8,8 оС плотность теплового потока на 1-м участке составляет 6,14 Вт/м2, на 2-м — 6,08 Вт/м2. Разница значений плотности теплового потока на 1-м и 2-м участках, где применены стек-ловолокнистые плиты !зоуег разной плотности, небольшая в пределах 0,09 Вт/м2.
Фактическое значение сопротивления теплопередаче ограждения в целом можно установить по экспериментальным данным температуры на поверхности конструкции с двух сторон и плотности теплового потока:
R1 = (В - t ^/q■, = (В - i ^/q1, (1)
\огр 4 в1 н\" 2огр 4 в2 н2" ^2' 4 '
где: ^1огр, &2огр — экспериментальные значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции соответственно на 1-м и 2-м участках; ' I I 2, I 2 — экспериментальные значения тем-
В1 Н1 В2 Н2
пературы на поверхности ограждающей конструкции с двух сторон на 1-м и 2-м участках; q\, q2 — экспериментальные значения плотности теплового потока на 1-м и 2-м участках.
Также фактическое значение сопротивления теплоизоляционного слоя можно установить по экспериментальным данным температуры на поверхности слоя с двух сторон и плотности теплового потока:
&1тепл = ^вв1 - tн\)/q\; &2тепл = ('вв2 - (2)
где: , К. — экспериментальные значения
1 тепл 2тепл
Рисунок 3. Экспериментальные точки расположения 0 оС в толще стены на участках 1 (а) и 2 (б) в зависимости от температуры наружного воздуха
строительная теплофизика и энергосбережение
сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя соответственно на 1-м и 2-м участках; I ч и t t п — экспериментальные значения
вв 1 н1 вв2' н2 г
температуры на поверхностях теплоизоляционного слоя на участках 1 и 2;
Щ2 — экспериментальные значения плотности теплового потока на 1-м и 2-м участках.
В результате выполненных расчетов согласно (1) и (2) по экспериментальным данным плотности теплового потока и температуры получены значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции с ВФС и теплоизоляционного слоя на отдельных участках. Полученные значения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции в целом и отдельно теплоизоляционного слоя на отдельных участках имеют некоторый разброс. Такой разброс можно объяснить тем, что выражение (1 и 2) для сопротивления теплопередаче получена для условий стационарного теплового потока. Во время проведения измерений плотности теплового потока температура наружного воздуха изменялась в первый день от -8,8 оС до -16,9 оС и во второй день от -8,4 оС до -14,6 оС. Тем не менее, полученные результаты дают относительную картину теплозащитных свойств ограждающей конструкции при применении различных видов теплоизоляционных материалов.
Для определения влияния продольной фильтрации воздуха по аналогии с принятной в работе [1] методикой, принимая за эталон 1-й участок с наружным теплоизоляционным слоем из каширован-ной плиты «!зоуег», определим экспериментальные значения коэффициента, учитывающего фильтрацию воздуха в теплоизоляционном слое:
Rфогр R2orp/R\orp' Rфтепл R2тепл/ '*1тепл
1тепп
В результате получены многочисленные экспериментальные значения коэффициента, учитывающего фильтрацию воздуха. Анализ полученных значений коэффициентов и, показал, что теплозащитные свойства ВФС при применении стекловолокни-стых плит низкой плотности 20 кг/м3 снижаются незначительно, в пределах 5%, хотя их воздухопроницаемость по сравнению с плитой с кашированной поверхностью в 6 раз выше.
Таким образом, на основании анализа результатов проведенного натурного эксперимента можно сделать следующие выводы:
1. Скорость воздушного потока в зазоре между облицовкой и теплоизоляционным слоем в вентилируемых фасадных системах составляет не более 1 м/с.
2. Температура воздуха в зазоре ВФС снижается с увеличением высоты здания, а по значению выше температуры наружного воздуха. С повышением температуры наружного воздуха разница между ней и температурой в зазоре уменьшается.
3. В целом, полученные экспериментальные графики распределения температуры по толщине стены, графики расположения точки с нулевой температурой, фактические значения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с различной теплоизоляцией свидетельствуют о незначительном (в пределах 5%) влиянии продольной фильтрации воздуха на теплозащитные свойства ВФС зданий в реальных условиях эксплуатации.
Литература
1. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях / В.Г.Гагарин, В.В.Козлов, И.А.Мехнецов // АВОК. — 2005. — №8. — С.60-69.
Экспериментальные исследования влияния воздушного потока в зазоре на теплозащитные свойства вентилируемых фасадных систем.
Приведены результаты измерений параметров воздушного потока в зазоре вентилируемой фасадной системы. В результате натурного эксперимента установлена степень влияния продольной фильтрации воздуха на теплозащитные свойства стенового ограждения с вентилируемым фасадом при использовании волокнистых плит низкой плотности.
Experimental researches of influence of an air stream in a backlash on heat-shielding properties of ventilated facade systems
by T.A. Kornilov, V.V. Ambrosev Measurements results of air stream parameters in a backlash of ventilated facade system are shown. As a result of natural experiment a longitudinal filtration affecting level of an air on heat-shielding properties of a wall with a ventilated facade in case of using fibrous plates with low density was determined.
Ключевые слова: вентилируемый фасад, воздушный поток, фильтрация воздуха, эксперимент.
Keywords: a ventilated facade, an air stream, air filtration, experiment.
