CC BY
429
строительная теплофизика и энергосбережение
Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий
В.Г. Гагарин
НИИСФ РААСН
1. Введение
Современные стеновые ограждающие конструкции совершенно иные, чем 20 лет тому назад. Хорошо зарекомендовавшие себя панельные здания из легкого бетона, здания с несущими кирпичными стенами отошли в прошлое. Практически уничтожена индустрия производства пористых заполнителей. Взамен этого налажено массовое строительство каркасных зданий с навесными стенами. Построены и работают заводы по производству эффективных утеплителей и блоков из ячеистого бетона.
Основной причиной, вызвавшей изменение вида ограждающих конструкций, стало введение повышенных требований к теплозащите с целью снижения затрат на отопление зданий. Внедрению новых ограждающих конструкций не предшествовали стадия научных исследований и экспериментального строительства, за исключением трехслойных железобетонных панелей для крупнопанельных зданий, которые разрабатывались и были внедрены в советское время.
При проектировании новых ограждающих конструкций их теплофизические свойства, в том числе теплозащита, проверяются расчетом не полностью, а зачастую и вообще не проверяются. Негласно считается, что в массовом строительстве достигнут уровень теплозащиты, нормируемый в [1]. Иногда предлагается провести дальнейшее повышение этого уровня.
В настоящей статье на основании накопленного опыта рассматриваются и анализируются новые ограждающие конструкции многоэтажных зданий, чаще всего применяемые в современном строительстве: стены с облицовкой из кирпичной кладки, теплоизоляционные навесные фасадные системы с тонким штукатурным слоем и теплоизоляционные навесные фасадные системы с вентилируемой воздушной прослойкой. Анализ проводится в основном с точки зрения теплофизики и, прежде всего — теплозащиты. Указываются методики теплофи-зических расчетов, которые необходимы при проектировании ограждающих конструкций современных зданий.
2. Определения характеристик теплозащиты
Прежде чем перейти к основному содержанию статьи, представляется необходимым привести определение основной характеристики теплозащиты ограждающей конструкции — приведенного сопротивления теплопередаче и вспомогательных характеристик. Эта необходимость обусловлена отсутствием последовательной системы определений в нормативных документах [1] и в учебниках.
Приведенным сопротивлением теплопередаче
фрагмента ограждающей конструкции называется физическая величина численно равная перепаду температур воздуха по разные стороны ограждающей конструкции, при котором плотность потока теплоты через данный фрагмент конструкции, осреднен-ная по площади фрагмента, равна 1 Вт/м2.
Условным сопротивлением теплопередаче ограждающей конструкции называется приведенное сопротивление теплопередаче условной многослойной ограждающей конструкции, в которой отсутствуют теплопроводные включения и слои которой расположены перпендикулярно направлению потока теплоты через конструкцию.
Коэффициентом теплотехнической однородности фрагмента ограждающей конструкции называется величина, обратная отношению потока теплоты через рассматриваемый фрагмент конструкции к потоку теплоты через условную ограждающую конструкцию той же площади, что и рассматриваемый фрагмент.
Сформулированные определения можно уточнять и совершенствовать, например, в отношении уточнения площади, по которой осуществляется осреднение потока теплоты. Но в рамках данной статьи эти определения являются достаточными. Формулы для расчета приведенного сопротивления теплопередаче конструкций, используемые в статье, вытекают непосредственно из этих определений. Например, из сопоставления этих определений непосредственно следует, что коэффициент теплотехнической однородности равен отношению приведенного к условному сопротивлению теплопередаче ограждающей конструкции. Важно, что эти определения не опираются на понятие термического сопротивления, это позволяет избежать неопределимого понятия «приведенное термическое сопротивление», использование которого является логической ошибкой и затрудняет проведение расчетов. Другая важная особенность определений, что приведенное сопротивление теплопередаче определяется через поток теплоты и разность температур, а не через просто «сопротивление теплопередаче» и коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции, что также вносит путаницу в методику проведения расчетов.
Важной особенностью «приведенного сопротивления теплопередаче» является то, что оно относится к определенному фрагменту ограждающей конструкции. Если этот фрагмент не указан, то понятие, вообще говоря, лишено смысла. Однако обычно из контекста ясно, какой фрагмент имеется в виду. Если же и из контекста не видно, какой фрагмент имеется в виду, то термин «приведенное сопротивление теплопередаче стены» следует от-
строительная теплофизика и энергосбережение
носить к совокупности всех стен здания. Именно так приходится понимать использование этого термина в СНиП [1] и в других документах.
Наконец, можно заметить, что понятие просто «сопротивление теплопередаче» ограждающей конструкции является лишним и практически может не использоваться. Возможно, что со временем этим названием будут обозначать ту величину, которая сейчас называется «приведенное сопротивление теплопередаче».
3. Стены с облицовкой из кирпичной кладки
Наиболее распространенным конструктивным решением стен, удовлетворяющих новым требованиям по теплозащите, с самого начала кампании по энергосбережению, являлись стены из колодцевой кладки, которые к настоящему времени преобразовались в стены с облицовкой из кирпичной кладки. При этом несущие конструкции зданий, в том числе перекрытия, выполняются из монолитного железобетона, а стены монтируются на межэтажные перекрытия. Основные преимущества таких стен состоят в следующем:
1. Привычный для населения вид кирпичных стен, которые прекрасно себя зарекомендовали в течение многих веков. Как следствие — высокая ликвидность квартир в таких домах.
2. Привычный способ монтажа стен из кладки.
3. Простой набор строительных материалов для стен.
4. Независимость строительства от сезона.
Основные недостатки таких стен состоят в следующем:
1. Ограниченные архитектурные возможности.
2. Проблемы обеспечения квалифицированной рабочей силой (нехватка каменщиков).
3. Малые возможности выравнивания фасада при отступлении монолитного каркаса от проектных отметок.
4. Большие возможности для злоупотреблений при производстве работ (плохая укладка или отсутствие утеплителя, недостаточная установка или отсутствие связей, замена упругих прокладок на це-ментно-песчаный раствор или пенополистирол, дефекты кладки и т.д.).
5. Раздельные деформации несущих конструкций и облицовочных слоев.
6. Наличие значительных теплопроводных включений и, как следствие, невысокие значения приведенного сопротивления теплопередаче, то есть низкая теплозащита стен.
7. Возможность переувлажнения и снижения долговечности ограждающих конструкций вследствие ошибок при проектировании и строительстве.
Два последних недостатка являются теплофизи-ческими.
Целесообразно подробнее остановиться на теплозащитных свойствах, поскольку именно они послужили причиной появления и применения данных конструкций.
На рис.1 приведены принципиальные конструктивные схемы таких стен1. Эти схемы взяты из проектов построенных зданий. На рис.1 (и далее) для краткости не приведены размеры слоев и теплотехнические характеристики материалов, которые несущественны для конкретного рассмотрения, а
1 При рассмотрении конкретных конструкций для краткости не приводится полный набор данных по материалам и конструкциям, а указываются только те характеристики, знание которых необходимо для понимания рассматриваемых вопросов.
/
1. Штукатурка внутренней поверхности, кладка из ячеистобе-тонных блоков, кладка из лицевого кирпича._
2. Железобетонная стена, эффективный минераловатный утеплитель, кладка из лицевого кирпича.
3. Штукатурка внутренней поверхности, кладка из ячеистобе-тонных блоков, кладка из лицевого кирпича._
Рисунок 1. Схемы конструкций стен с облицовкой из кирпичной кладки.
строительная теплофизика и энергосбережение
№ п/п Теплопроводное включение Дополнительные удельные теплопотери, О. , Вт/м2
1. Вертикальные кладочные швы в стене из ячеистобетонных блоков. 0,57
2. Перевязка кладок, армирование и обычные растворные швы. 7,4
3. Стык стены с перекрытием. 5,31
Таблица 1. Дополнительные удельные теплопотери через теплопроводные включения стен с облицовкой из кирпичной кладки.
указаны только значения условных сопротивлений теплопередаче конструкций.
Эти конструкции, казалось бы, достаточно проработаны и в целом удовлетворяют требованиям к теплозащите. Однако обследование с использованием тепловизионной съемки показывает значительно меньшие значения сопротивлений теплопередаче по глади стен варианта 1 по сравнению с расчетными. Так, сопротивление стен в новом здании на ул. Большая Академическая, 63, вычисленное методом сравнения с сопротивлением теплопередаче стеклопакета оконного блока по результатам съемки пятнадцати термограмм, составило 1,3—1,5 м2 оС/Вт. Конечно, следует иметь в виду, что при помощи только тепловизионной техники, без использования более подходящих средств измерения температур и тепловых потоков нельзя получить точного значения сопротивления теплопередаче. Тем не менее, даже с учетом возможной ошибки, это значение сопротивления теплопередаче существенно ниже расчетного. Последнее обстоятельство можно объяснить только некачественным строительством.
Однако полный учет влияния всех теплопроводных включений в данных конструкциях также приводит к расчетному значению приведенного сопротивления теплопередаче стен, меньшему, чем нормируемое по современным нормам, которое для условий г. Москвы составляет 3,13 м2 оС/Вт, и даже меньше чем минимальное (требуемое), равное для условий г. Москвы 1,97 м2 оС/Вт. Соответствующий расчет для стен здания с облицовкой из кирпичной кладки варианта 1, при плотности ячеистого бетона в блоках 400 кг/м3, показал следующее. Условное сопротивление теплопередаче Я^01 = 3,92 м2 оС/Вт. Удельные теплопотери по глади стены при температуре внутреннего воздуха 20 оС, и наружного воздуха2 —28 оС составляют О = 12,2 Вт/м2. Для данной стены были рассчитаны дополнительные тепловые потери для всех теплопроводных включений, которые представлены в таблице 1.
Основываясь на данных таблицы 1, можно по-
2 Здесь и далее расчеты теплопотерь через ограждающие
конструкции выполнялись при указанном перепаде температур.
лучить приведенное сопротивление теплопередаче торцевой стены здания:
*оР =
- К
20 - (- 28)
О + ^0, 12,2 + 0,57 + 7,4 + 5,31
= 1,88
(м2-°С)/Вт, (1)
которое меньше требуемого значения для жилых зданий в г. Москве. Коэффициент теплотехнической однородности данной стены составляет г = = 1,88/3,92 = 0,48.
Для рядовой стены здания, кроме представленных в таблице 1 теплопроводных включений, существуют такие теплопроводные включения, как оконные откосы и ограждения лоджий, учет теплопо-терь через которые приведет к еще меньшему значению приведенного сопротивления теплопередаче стены. Следует отметить, что сохранение правильной геометрической формы ячеистобетонных блоков, поступающих на стройплощадку для выполнения кладки, при плотности 400 кг/м3 является проблемой. Некачественное строительство приведет к дальнейшему снижению сопротивления теплопередаче стены. Поэтому неудивительно, что натурное обследование дало такое низкое значение сопротивления теплопередаче стены здания.
Оценка, хотя и очень приближенная, максимально достижимого значения приведенного сопротивления теплопередаче конструкции, которого можно добиться, делается в предположении неизменяемости конструкции теплопроводных включений, методом, предложенным В.В. Козловым3 по формуле:
спр _ 'в 'н -
(2)
Для торцевой стены конструкции варианта 1, рассмотренной выше, эта оценка дает:
^акс = 20 ~ ( 28) = 3,6 м2 оС/Вт. (3) макс 0,57 + 7,4 + 5,31
Это значение Я пр можно получить при очень
См. статью В.В.Козлова в настоящем сборнике.
строительная теплофизика и энергосбережение
большой (например, 3 м) толщине кладки из ячеистого бетона, которая совершенно нереальна.
То есть практически рассматриваемыми стенами варианта 1 с облицовкой из кирпичной кладки нельзя обеспечить достижение нормируемого значения сопротивления теплопередаче по СНиП [1 ] без изменения конструктивных решений теплопроводных включений.
Конструкция стены варианта 2 обладает высоким значением условного сопротивления теплопередаче, при толщине теплоизоляционного слоя из минераловатных плит 180 мм, R усл = 4,46 м2 °С/Вт. Но коэффициент теплотехнической однородности стены с учетом связей и узла сопряжения с перекрытием имеет низкое значение. Например, расчет R^p торцевой стены указанной конструкции при железобетонном перекрытии с термовкладышами показал: R пр = 2,43 м2 оС/Вт, r =0,54, а при железобетонном перекрытии со стальной полочкой — R^p = 2,31 м2 оС/Вт, r =0,52. Эти значения приведенного сопротивления теплопередаче ниже нормируемого [1]. Сопротивление теплопередаче рядовой стены такой конструкции с учетом оконных откосов, плит перекрытия балконов, стенок лоджий может оказаться на грани минимального по СНиП [1], или даже ниже его.
Конструкция стены варианта 3 обладает еще большим значением условного сопротивления теплопередаче, например, R усл = 5,17 м2 оС/Вт. Однако значение коэффициента теплотехнической однородности конструкции еще меньше r = 0,47, при этом R пр = 2,45 м2 оС/Вт. Это значение также ниже требуемого по [1]. Следует отметить, что выполнение таких конструкций на практике сложно и приводит к многочисленным ошибкам, которые, в свою очередь, приводят к снижению долговечности.
Влажностный режим рассматриваемых ограждающих конструкций не всегда благоприятный. Иногда наблюдается переувлажнение конструкций. Причинами переувлажнения в ряде случаев является строительная влага, а иногда и влага внутренней конденсации, обусловленная повышенным влагопереносом из внутреннего воздуха помещений.
Следует отметить сложность проектирования данных конструкций с целью обеспечения благоприятного влажностного режима из-за отсутствия подходящего метода расчета в нормативных документах. Методы расчета, основанные только на диффузии влаги в пористой среде, не подходят из-за неучета высокой воздухопроницаемости конструкции; к таким методам относится и метод СНиП [1]. В методе СНиП имеется еще одно обстоятельство, делающее его непригодным для прогнозирования влажностного режима современных ограж-
дающих конструкций — неправильно указана толщина слоя теплоизоляции, для которого следует ограничивать приращение влажности за период года с отрицательными температурами и устаревшие значения этого предельного приращения. Необходима разработка инженерного метода расчета, учитывающего кроме диффузионного влагопере-носа, фильтрационный, обусловленный воздухопроницаемостью конструкции. Такой метод должен быть инженерным, что позволит его включить в нормативные документы. «Первая редакция» такого метода разработана В.В.Козловым [2, 3]. К сожалению, систематическое использование этого метода не вошло в практику проектирования стен с кирпичной облицовкой.
Практика строительства и эксплуатации зданий с рассматриваемыми ограждающими конструкциями показала большое количество аварий с развитием трещин на фасадах, разрушением лицевого кирпича, обрушением лицевой кирпичной кладки, и т.д. При этом, как показано выше, требования по теплозащите или не выполняются, или выполняются с трудом. Можно констатировать, что с начала кампании борьбы за энергосбережение и до настоящего времени приемлемые конструкции стен с лицевой кладкой из кирпича не разработаны.
4. Стены с теплоизоляционными навесными фасадами с тонким штукатурным слоем
Чаще всего данные ограждающие конструкции состоят из стены (основания), выполненной из монолитного железобетона, или из кладки, которая выполняется из ячеистобетонных блоков или из кирпича. К стене крепится слой эффективного теплоизоляционного материала (пенополистирол или ми-нераловатные плиты). Теплоизоляционный слой прикрепляется к стене при помощи клеевого раствора и тарельчатых дюбелей. Теплоизоляционный слой защищается клеевым (базовым) составом, армированным щелочестойкой стеклосеткой и покрывается декоративной штукатуркой. Суммарная защита штукатурных слоев — 5—9 мм. Такие конструкции в ФРГ применяются более сорока лет. В нашей стране они начали активно применяться примерно 10 лет назад, до этого были отдельные случаи их применения.
Основные преимущества таких стен заключаются в следующем:
1. Дешевизна по сравнению с вентилируемыми фасадами.
2. Быстрота монтажа.
3. Сравнительная простота ремонта.
4. Простое обеспечение любого цветового решения фасада.
строительная теплофизика и энергосбережение
№ Теплопроводное включение Дополнительные удельные
п/п теплопотери. О-,, Вт/м2
1. Тарельчатый дюбель с металлическим распорным элемен- 1,7
том из расчета 7 шт./м2 (максимальное значение).
2. Оконный откос (хорошее исполнение). 2,5
3. Балконная плита (среднее значение). 1,5
Таблица 2. Дополнительные удельные теплопотери через теплопроводные включения теплоизоляционных навесных фасадных систем с тонким штукатурным слоем.
Основные недостатки таких стен заключаются в следующем:
1. Сезонность выполнения работ.
2. Высокие требования к качеству стены-основания.
3. Высокие требования к качеству монтажа утеплителя.
4. Высокие требования к качеству штукатурных составов и работ.
С точки зрения теплофизики проблемы рассматриваемых конструкций можно разделить на две группы: связанные с теплозащитой и связанные с влажностным режимом.
Проблемы теплозащиты обусловлены наличием теплопроводных включений и (иногда) наличием воздушной прослойки между теплоизоляционным слоем и стеной, которая может существенно снизить сопротивление теплопередаче конструкции. Теплопроводными включениями являются [4]: дюбели, крепящие утеплитель к стене, оконные откосы, балконные плиты, стыки плит утеплителя между собой. В таблице 2 приведены рассчитанные дополнительные удельные теплопотери через теплопроводные включения конструкции с теплоизоляционным навесным фасадом с тонким штукатурным слоем. Расчеты выполнены для фасада на железобетонной стене с утеплителем из минераловатных плит толщиной 150 мм с дюбелями с металлическим распорным элементом. Условное сопротивление теплопередаче конструкции составляет Яоусл = = 3,60 м2 оС/Вт. Удельные теплопотери по глади конструкции составляют О = 13,3 Вт/м2.
Приведенное сопротивление теплопередаче конструкции рядовой стены составляет:
^пр _ 'в 'н
о
20 - (- 28)
13,3 + 1,7 + 2,5 + 1,5
= 2,53
(м2-°С)/Вт.
(4)
Коэффициент теплотехнической однородности конструкции равен 0,7. Полученное значение Яопр существенно меньше нормируемого по [1] и удов-
летворяет требованиям [1] только при условии выполнения норм по удельным теплопотерям здания.
Увеличение толщины теплоизоляционного слоя в конструкции вызовет конструктивные изменения всех узлов конструкции, в результате чего нельзя ожидать пропорционального увеличения теплозащиты — при том, что стоимость и трудоемкость конструкции возрастут. Оценка максимально достижимого значения Яопр по формуле (2), без конструктивной доработки теплопроводных включений конструкции рядовой стены, показывает:
^ _ 20-(- 28) _ макс 1,74 + 2,5 + 1,5
м2 оС/Вт.
(5)
Для торцевой стены Ямакспр = 28,2 м2 оС/Вт. Такое высокое значение Я пр показывает, что теп-
макс
лопроводные включения в данной конструкции меньше влияют на теплозащитные свойства по сравнению с конструкциями с облицовкой из кирпичной кладки. То есть конструкция является более проработанной с точки зрения теплозащиты. При проектировании рассматриваемых конструкций часто принимают значение коэффициента теплотехнической однородности, г, равным 0,85 и даже выше. Приведенный пример показывает, что такого высокого значения г еще следует добиваться, уменьшая влияние мостиков холода.
Влажностный режим рассматриваемых конструкций оказывает существенное влияние на их долговечность [5]. Проблемы, обусловленные влаж-ностным режимом, могут возникать в местах стыков плит утеплителя, в зоне оконных откосов, около головки дюбеля [5]. В местах переувлажнения штукатурного слоя может наблюдаться трещино-образование, изменение цвета, обрастание биоор-ганизмами4 . Увеличение влажности утеплителя приводит к некоторому снижению теплозащитных свойств конструкции.
Прогнозирование их влажностного режима на
4 К биоорганизмам в данном случае относится любая растительность.
строительная теплофизика и энергосбережение
основе методики СНиП [1] представляется абсолютно неверным. Прежде всего, потому, что в методике [1] в качестве слоя, проверяемого на переувлажнение, предполагается весь слой теплоизоляционного материала, в то время как в рассматриваемых конструкциях таким слоем является слой штукатурки и тонкий слой минеральной ваты непосредственно у штукатурки. Достаточно удобным и хорошо себя зарекомендовавшим методом расчета влажностного режима рассматриваемых ограждающих конструкций является усовершенствованный метод последовательного увлажнения, представленный в [6]. Этот метод является развитием метода расчета К.Ф.Фокина [7]. Для проведения расчетов по методу [6] необходимо знание ряда теплофизических характеристик штукатурного слоя. Из этих характеристик систематически проводятся измерения только коэффициента паропро-ницаемости, причем различными специалистами, и эти данные никто не обобщает.
5. Стены с теплоизоляционными навесными фасадными системами с вентилируемой воздушной прослойкой
Данная широко известная конструкция состоит из стены, к которой прикрепляется минераловат-ный утеплитель и металлические кронштейны. К кронштейнам крепятся металлические направляющие, к которым, тем или иным способом, крепятся элементы облицовки. Эти конструкции являются наиболее сложными и наукоемкими из рассматриваемых. Однако они обладают рядом достоинств и применяются в целях:
1. Достижения архитектурной выразительности комплекса зданий.
2. Сокрытия дефектов стен.
3. Улучшения внешнего вида или даже изменения облика здания.
4. Повышения теплозащиты стен.
К преимуществам таких конструкций относятся:
5. Быстрота монтажа.
6. Возможность частичного ремонта фасада.
7. Возможность обеспечения любого архитектурного решения фасада.
8. Всесезонность выполнения монтажных работ.
9. Пониженные требования к качеству стены-основания.
10. Возможность достижения большой долговечности фасада.
Основные недостатки этого вида ограждающих конструкций:
1. Дороговизна по сравнению с другими конструкциями.
2. Сложный набор комплектующих элементов системы.
Характерной особенностью работы навесной фасадной системы является движение воздуха в вентилируемой прослойке, причем пористый утеплитель находится в непосредственном контакте с наружным воздухом. С точки зрения теплофизики проблемы рассматриваемых конструкций можно разделить на следующие группы, связанные с теплозащитой, с фильтрацией воздуха и с влажностным режимом.
Проблемы обеспечения теплозащитных свойств рассматриваемых конструкций обусловлены, прежде всего, наличием теплопроводных включений в виде металлических кронштейнов. Кроме того, теплопроводными включениями являются дюбеля для крепления утеплителя, оконные откосы, балконные плиты, крепления для рекламы, кондиционеров, выпуски арматуры для крепления лесов и т.д.
Основная характеристика теплозащиты таких конструкций — Я пр, является расчетной величиной. Экспериментальное ее определение является сложной, в большинстве случаев невыполнимой задачей. Прежде всего, следует отметить, что проверка теплозащитных свойств таких конструкций при помощи теп-ловизионной съемки с наружной стороны является бессмысленной. А именно таким способом проверяется теплозащита построенных зданий. При экспериментальном определении коэффициента теплотехнической однородности также допускаются ошибки, главная из которых заключается в том, что значение плотности теплового потока принимают по данным его измерения на внутренней поверхности конструкции в некотором удалении от места крепления кронштейна. Это экспериментальное значение плотности теплового потока получается завышенным, вследствие чего рассчитанный по результатам эксперимента коэффициент теплотехнической однородности также получается завышенным. Завышенным получается и значение приведенного сопротивления теплопередаче, определяемое умножением коэффициента теплотехнической однородности на условное сопротивление теплопередаче. При расчете часто допускается ошибка, заключающаяся в том, что не учитывается сток теплоты по кронштейну на облицовку. При таком подходе занижаются тепло-потери, обусловленные кронштейном, вследствие чего получается завышенное значение приведенного сопротивления теплопередаче и коэффициента теплотехнической однородности. Этими ошибками можно объяснить высокие значения приведенных сопротивлений теплопередаче конструкций, используемых в рекламных материалах. Влияние кронштейнов на сопротивление теплопередаче стены с НФС с вентилируемой прослойкой подробно рассмотрено в [9].
В таблице 3 приведены рассчитанные дополнительные удельные теплопотери через теплопровод-
строительная теплофизика и энергосбережение
№ п/п Теплопроводное включение Дополнительные удельные теплопотери, О,, Вт/м2
1. Тарельчатые дюбели с металлическим распорным элементом, 10 шт/м2 (среднее значение). 2
2а. Кронштейны стальные (среднее значение). 4,0
26. Кронштейны из алюминиевого сплава (среднее значение). 5,5
3. Оконный откос (хорошее исполнение). 2,5
4. Балконная плита (среднее значение). 1,5
Таблица 3. Дополнительные удельные теплопотери через теплопроводные включения теплоизоляционных навесных фасадных систем с вентилируемой прослойкой.
ные включения конструкции с теплоизоляционным навесным фасадом с вентилируемой прослойкой. Расчеты выполнены для фасада на киричной стене с утеплителем из минераловатных плит толщиной 150 мм. Расчеты выполнены для двух видов кронштейнов: из стали и из алюминиевого сплава. Условное сопротивление теплопередаче конструкции составляет Яоусл = 3,80 м2 °С/Вт. Удельные теплопотери по глади конструкции составляют О = 12,6 Вт/м2.
Приведенное сопротивление теплопередаче конструкции со стальными кронштейнами составляет:
** - >н
опр _
= О + УО;
20 - (- 28)
12,6 + 2,0 + 4,0 + 2,5 + 1,5
м2 оС/Вт, г = 0,56;
= 2,12
(6)
— с кронштейнами из алюминиевого сплава:
t -1
£Пр = 'в 'н =
20 - (- 28)
= 1,99
О + ^ О, 12,6 + 2,0 + 5,5 + 2,5 + 1,5 м2 оС/Вт, г = 0,52. (7)
Полученные значения Яопр меньше нормируемого по [1], но больше минимальных по [1]. Конструкция будет удовлетворять требованиям СНиП [1] только при условии выполнения норм по удельным теплопотерям здания. Оценка максимально достижимого значения Яопр по формуле (2), без конструктивной доработки теплопроводных включений конструкции, показывает, что Я пр равно от 4,8 до 4,2 (м2-°С)/Вт.
Приведенные в таблице 3 дополнительные удельные теплопотери представлены средними значениями. В конкретных случаях они могут быть снижены. То есть имеется некоторый резерв для повышения Яопр этих конструкций. Например, при применении кронштейнов из коррозионностойкой стали с площадью поперечного сечения 1 см2, соответствующие дополнительные тепловые потери снизятся до 2 Вт/м2. В этом случае для торцевой стены (без окон и балконов) составит 2,89
(м2-°С)/Вт, г = 0,76. Значение Ямакспр этой конструкции составляет 12 (м2-°С)/Вт, что указывает на конструктивную проработанность указанных кронштейнов. В то же время увеличение толщины теплоизоляционного слоя для дальнейшего повышения приведенного сопротивления теплопередаче конструкции сопряжено со значительными сложностями, увеличением числа кронштейнов, повышением стоимости и представляется нецелесообразным.
Наличие воздушной прослойки является большим преимуществом этой конструкции по сравнению с другими. Назначение вентилируемой воздушной прослойки заключается в обеспечении нормального влаж-ностного режима конструкции. Обеспечение ее нормального функционирования для вывода влаги из конструкции является одной из главных задач при проектировании и монтаже. Отсюда следует актуальность корректного расчета влажностного режима конструкции. При прогнозировании влажностного режима НФС с вентилируемой воздушной прослойкой необходимо учитывать следующие особенности:
1. Разным зонам по высоте стены соответствуют различные граничные условия влагообмена теплоизоляционного слоя в воздушной прослойке. Это объясняется тем, что воздух, двигаясь вверх по прослойке, насыщается водяным паром, вследствие чего разность парциальных давлений водяного пара в воздухе прослойки и в утеплителе изменяется с высотой. То есть граничные условия влагообмена утеплителя в возушной прослойке изменяются с высотой. Следовательно, и влажностный режим ограждающей конструкции будет меняться с высотой.
2. Возможная зона конденсации располагается не только в слое утеплителя, но и на внутренней стороне облицовки и на элементах подконструкции, то есть вне традиционного расчетного участка стены. Образование конденсации на облицовке и под-конструкции происходит в том случае, когда давление водяного пара в воздухе прослойки становится равным давлению насыщенного водяного пара. В этом случае начинает образовываться конденсат на наиболее холодных поверхностях в прослойке, к которым относится поверхность облицовки.
строительная теплофизика и энергосбережение
3. Повышенная воздухопроницаемость фасадной системы обуславливает возможность эксфильтрации, в результате чего водяной пар с воздухом проникает из помещения в слой утеплителя и увлажняет его. Повышенная воздухопроницаемость конструкции объясняется отсутствием плотного наружного конструкционного слоя, а также воздухопроницаемостью кладки, на которую крепится НФС. Проблема экс-фильтрации особенно актуальна для верхних этажей высоких зданий, где давление в помещении превышает наружное давление (без учета влияния ветра).
Для прогнозирования влажностного режима НФС с вентилируемой прослойкой метод СНиП [1] совершенно непригоден. Не годятся и другие методы расчета влажностного режима конструкций [6, 7] , которые не учитывают перечисленные особенности.
Для расчета влажностного режима конструкций разработаны специальные методики, которые частично вошли в инструктивные документы [10,8]. Расчет влажностного режима НФС с вентилируемой прослойкой включает в себя несколько этапов:
— рассчитывается сопротивление теплопередаче конструкции по методике [9, 10, 8];
— рассчитывается режим течения воздуха в воздушной прослойке; этот расчет в ряде случаев проводится без учета влияния зазоров в облицовке по методике [9], в других случаях — с учетом, по методике [11];
— рассчитывается влажностный режим основания конструкции с утеплителем для нескольких сечений по высоте конструкции по методикам [6] или [2] в зависимости от вида стены; по результатам расчетов устанавливается поток влаги в воздушную прослойку;
— рассчитывается распределение влажности воздуха по высоте прослойки и определяется критическая высота фасада, на которой начинает выпадать конденсат на облицовке по методике [12].
При проведении такого расчета корректируется конструкция НФС с целью нормализации влаж-ностного режима слоя утеплителя и воздушной прослойки. В частности, фасад может быть конструктивно разбит на зоны по высоте для исключения выпадения конденсата в верхней части зон, может быть увеличена толщина воздушной прослойки для увеличения скорости движения воздуха в ней, может быть увеличено сопротивление воздухопрони-цанию стены для снижения эксфильтрации и т.д. В правильно спроектированной конструкции отсутствует влагонакопление в утеплителе и не происходит образование конденсата в воздушной прослойке. Таким образом, расчет влажностного режима позволяет обеспечить проектирование конструкции с заданными эксплуатационными свойствами.
Отсутствие в конструкции малопроницаемого кон-
струкционного наружного слоя приводит к тому, что слой волокнистого утеплителя находится в контакте с наружным воздухом. В силу теплового и ветрового напоров образуются перепады давления воздуха через стену с НФС. При ветровых порывах создаются перепады давления параллельно стене. Вследствие высокой воздухопроницаемости утеплителя перепады давления обуславливают фильтрацию воздуха в ограждении, которая ведет к снижению теплозащитных свойств конструкции. Поперечная фильтрация ограничивается требованиями СНиП [1], которые необходимо проверять при проектировании рассматриваемых ограждающих конструкций. Влияние продольной фильтрации на теплозащитные свойства ограждения можно оценить по методике [13]. Суть данной методики заключается в том, что оценивается увеличение теплопотерь через наиболее слабый в теплотехническом отношении фрагмент фасада при наиболее невыгодном направлении фильтрационного потока воздуха в теплоизоляционном слое данного фрагмента. Если определенные таким образом теп-лопотери через фрагмент и теплозащитные свойства конструкции будут удовлетворять заданным критериям, то другие участки фасада здания и подавно будут удовлетворять этим критериям. Расчеты показывают, что теплопотери, обусловленные продольной фильтрацией, могут в некоторых случаях достигать 40% от общих теплопотерь через конструкцию.
6. Заключение
Для всех рассмотренных конструкций характерным является то, что расчетное значение их приведенного сопротивления теплопередаче ниже нормируемого по СНиП [1]. В то же время, приведенное сопротивление теплопередаче применяемых конструкций в большинстве случаев превосходит минимальное значение по СНиП [1]. Коэффициенты теплотехнической однородности рассмотренных конструкций отличаются малой величиной. Эти значения существенно меньше, чем обычно предполагается при проектировании и при расчете энергоэффективности зданий. Для достижения нормируемых значений следует не увеличивать толщину теплоизоляции, а уделять основное внимание совершенствованию узлов ограждающих конструкций с целью снижения теплопотерь.
Анализ теплофизических свойств стен современных панельных зданий не выполнялся в рамках данной работы, поскольку НИИСФ не имеет систематических заказов по данной тематике. Однако разовые работы, выполненные в этом направлении, позволяют считать, что и у этих стен приведенное сопротивление теплопередаче менее нормируемого.
Влажностный режим современных ограждающих
строительная теплофизика и энергосбережение
конструкций в ряде случаев является неудовлетворительным. Проверка влажностного режима на стадии проектирования конструкций не выполняется. Метод, представленный в СНиП, совершенно не пригоден для корректного прогнозирования влажностного режима современных ограждающих конструкций. Он не учитывает наличие в конструкции воздушных прослоек, фильтрацию воздуха, отсутствие идеального контакта между материалами. Неправильно задает критический для проверки слой материала в конструкции. Новые методики расчета влажностного режима конструкций, разработанные в последнее десятилетие, не имеют достаточного распространения и не представлены в нормативных документах. Представляется необходимым разработка нового инженерного метода расчета для включения в нормы и проведение планомерных исследований характеристик материалов, необходимых для проведения расчетов.
За почти десятилетний период в массовом строительстве не удалось создать стеновые ограждающие конструкции с приведенным сопротивлением теплопередаче, соответствующим нормируемой величине. В связи с этим совершенно неадекватными представляются призывы к дальнейшему повышению нормируемого значения сопротивления теплопередаче стен зданий массового строительства.
При написании данной статьи автор использовал результаты, полученные к.т.н. В.В.Козловым.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №08-08-13724).
Список литературы
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.
2. Козлов В.В. Метод инженерной оценки влажно-
стного состояния современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты при учете паропроницаемости, влагопро-водности и фильтрации воздуха. Автореферат дисс. к.т.н. М., НИИСФ. 2004.
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическое моде-
лирование влажностного состояния воздушной прослойки для стены вентилируемого фасада. // В кн. Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2007 году. Труды РААСН. М.-Белгород. 2008, том 2. стр. 135-141.
4. Козлов В.В. Влияние тарельчатого дюбеля на теп-
лофизические свойства фасадной теплоизоляционной системы с наружным штукатурным слоем. // Стройпрофиль. 2009, №3, стр. 20-24.
5. В.Г. Гагарин. Теплоизоляционные фасады с тон-
ким штукатурным слоем. Температурно-влаж-
ностные воздействия и долговечность систем с тонким штукатурным слоем. (По материалам статьи H.M. Kunze!, H. Kunze!, K. Sedelbauer «Hygrothermische Beanspruchung und Lebensdauer von Warmedamm-Verbundsystemen», Bauphysik, 2006, Bd. 28, H. 3) // Журнал «ABOK», №6, 2007 г., стр. 82-90; №7, стр. 66-74.
6. Руководство по расчету влажностного режима
ограждающих конструкций зданий. М., Строй-издат, 1984, 168 С.
7. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограж-
дающих частей зданий. М., ABOK-ПРЕСС, 2006, 252 С.
8. Овсянников С.Н., Копаница H.O., Подласова И.А.,
Солодников Е.В., Гагарин В.Г., Козлов B.B., Овсянникова Т.Ю. Фасадные системы для сибирского климата. Томск, ТГУ, 2006. 217 С.
9. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Рас-
чет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором. // Журнал АВОК. 2004, №2 стр. 20-26, №3 стр. 20-26.
10. Горпинченко В.М., Мамедов Т.И., Пономарев О.И., Лаковский Д.М., Шеремет А.Г., Кацнель-сон Л.Б., Пестрицкий А.В., Отставнов В.А., Грановский А.В., Попов Н.А. Беляев В.Ф., Шилов H.H., Цветков В.А., Гагарин В.Г., Подвальный А.М., Козлов В.В. Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции. М., Госстрой России, 2004. С.58.
11. Козлов В.В. Аналитический метод расчета движения воздуха в воздушном зазоре вентилируемого фасада с облицовкой, содержащей периодические разрывы. // В кн. Строительная физика в XXI веке. Научно-техническая конференция посвященная 50-летию НИИСФ РААСН. Москва, НИИСФ, 25-27 сентября 2006 г. с.65-72.
12. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическое моделирование влажностного состояния воздушной прослойки для стены вентилируемого фасада. // В кн. Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2007 году. Труды РААСН. М.-Белгород. 2008, том 2. стр.135-141.
13. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Садчиков А.В., Мех-нецов И.А. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях. Метод оценки теплозащиты стены здания с вентилируемым фасадом с учетом продольной фильтрации воздуха. // Журнал АВОК. 2005, №8 стр. 60-70.
