CC BY
140
строительные науки Двойные стеклянные фасады
строительная теплофизика и энергосбережение А. В. Шеховцов, H.A. Пантюхов
НИИСФ PAACH
В последние 15 лет устройство двойных фасадов становится все популярнее, однако до настоящего времени не существует однозначного отношения к таким конструкциям. При определении эксплуатационных характеристик двойных фасадов рассматриваются следующие показатели:
■ теплотехнические;
■ акустические;
■ экологические;
■ показатели стоимости и удобства эксплуатации фасада.
Также немалую роль играет стоимость стеклянного двойного фасада.
Остановимся подробнее на каждой из характеристик, но прежде дадим определение двойного фасада и обсудим его концепцию, как ее понимают участники процесса проектирования-производства фасада.
Одним из первых определений современного двойного фасада было дано ученым из университета города Бат (Великобритания) М. Крагом.
«Двойной фасад (Double skin facade) — это система, состоящая из наружного остекления, воздушной прослойки и внутреннего остекления. Одной из функций воздушной прослойки является расположение в ней систем солнцезащиты — поворачивающихся ламелей. Оба слоя остекления могут иметь в своем составе как стекла, так и стеклопа-кеты. Глубина воздушной прослойки и тип вентиляции в ней определяются, исходя из климатических характеристик региона строительства, желаемых теплотехнических характеристик оболочки здания и общих принципов проектирования здания, включая его инженерные системы».
С. Уутту из Технологического университета Хельсинки (Финляндия) дополняет это определение некоторыми уточнениями: «воздушный коридор» двойного фасада должен быть не менее 20 см, а его максимальные размеры доходят до «нескольких метров»; кроме того, он указывает, что наружный слой остекления может быть не герметичным. Это значит, что здания со вторым «спайдер-ным» или консольным остеклением «на ножах» также могут называться зданиями с двойными фасадами, даже если второй слой представляет собой растровое размещение стекол с зазорами по периметру каждого растра, если слои располагаются на определенном, утвержденном строительной практикой, расстоянии 20 см и более. В этом случае, как замечают авторы, такое решение используется для свободной естественной вентиляции помещений в ветреную погоду или на большой высоте помещения. В российской фасадной практике такие решения называют «телевизоры», и это на-
звание прижилось даже в конструкторско-сметнои документации.
Все типы герметичных двоИных фасадов при наличии достаточно прочного и жесткого основания позволяют разместить в воздушноИ прослоИке оборудование для затенения, архитектурного освещения и интегрированных инженерных решениИ. Причем такие устроИства менее затратные, чем соответствующие экстерьерные системы.
Одним из аргументов в пользу двоИных фасадов является то, что внешниИ слоИ остекления способствует значительному повышению теплоизоляции как зимоИ, так и летом. РоссиИские специалисты, включая АВОК и НИИСФ РААСН, скептически относятся к такому суждению европеИских коллег [1,2,3]. Существующие модели стеклянных двоИных фасадов не заслуживают доверия, т.к. моделирование теплопередачи на сегодняшниИ день позволяет достаточно подробно исследовать конструкцию только на качественном уровне, т.е. при сравнении схожих моделеИ, заданных одними и теми же методами, а не на количественном. Результаты лабораторных измерениИ в открытых источниках отсутствуют.
Первая в России объемная работа по исследованию теплотехнических характеристик стеклянных двоИных фасадов проводится в настоящее время в лаборатории НИИСФ. Только сегодня мы может говорить о предварительных результатах ограниченного числа моделеИ двоИных фасадов. Проследить же тепломассообмен в двоИном фасаде, устранить изолированность модели от подвижного воздушного потока, организовать воздухообмен внутри помещения, в буферноИ зоне и снаружи — это задача, которая в научных целях пока не реализована. Это значит, что пока однозначноИ позиции о том, как «работает», в теплофизическом смысле, двоИ-ноИ фасад, нет. Однако в иностранных изданиях мы все чаще видим хвалебные выражения: «синергети-ческиИ фасад», «интеллектуальныИ фасад», «фасад с прозрачноИ теплоизоляциеИ» и пр.
Наблюдения испытаниИ фасада в НИИСФ показали, что воздушная прослоИка обеспечивает коэффициент приведенного сопротивления теплопередаче (Якпр) не более 0,3 м2°С/Вт. Герметичность воздушноИ прослоИки способствует повышению в неИ влажности и ее выпадению на внутреннюю поверхность внешнего слоя остекления в виде капель-ноИ влаги или наледи. Эти эффекты возникают не в критических температурных режимах, а гораздо ближе «к нулю градусов», в отличие от обычного остекления. Заметим также, что они достаточно прогнозируемые. В историческоИ ретроспективе двоИные фасады вполне традиционная конструкция.
404 5 2009
строительная теплофизика и энергосбережение
Исходя из европейской классификации, окна с двойными переплетами также являются двойными фасадами. Это оправданно, т.к. теплофизические процессы, происходящие в этой системе такие же, как и в полностью остекленных двойными фасадами зданиях. Такие окна эксплуатируются до настоящего времени в России и странах бывшего СССР, и зимой они покрываются узорами наледи. Такие же «узоры» мы наблюдаем в эксперименте, проходящем в лаборатории НИИСФ.
Высокая теплоизоляция подразумевает и защиту здания от перегрева летом. Однако и здесь у российских специалистов возникает много вопросов. В солнечный день при температуре наружного воздуха + 28°С, в зависимости от ориентации стеклянных фасадов температура воздуха в воздушном зазоре может достигать 40—50°С, что, как выразились специалисты АВОК, превращает фасад в «стену сауны», и минимальное охлаждение (на 5—8°С) достигается только при 20-кратном воздухообмене [4].
Из описанного выше следует, что именно вентиляция пространства между плоскостями двойного фасада представляет задачу особой важности при проектировании таких конструкций. Благодаря продуманной схеме вентиляции, возможно, двойной фасад будет играть роль предварительного нагревателя воздуха зимой за счет солнечного излучения и охладителя здания благодаря «эффекту дымохода» (см. рис. 1).
Рассмотрим две схемы вентиляции фасада [5].
Второй вариант (см. рис.2.) не предполагает сложной системы вентиляции и кондиционирования в здании, что должно сказаться на стоимости инженерных решений в сторону их понижения.
Что касается акустических характеристик зданий с двойными фасадами, то, на первый взгляд, можно с уверенностью сказать, что уровень защиты от внешнего шума в таких конструкциях значительно выше, чем в традиционных фасадах. Однако исследователи [4] стали заниматься эти вопросом более подробно и пришли к следующим выводам: при повышении одной из характеристик — акустической, оптической, теплотехнической — другие резко снижаются!
К примеру, если открытые вентиляционные отверстия составляют более 16% от площади поверхности фасада, то снижения шума практически не наблюдается.
Установка звукоизолирующих перегородок в воздушном зазоре ведет к ухудшению вентиляционных характеристик и поступления дневного света.
Уменьшение внешнего шума ведет к увеличению субъективного восприятия внутренних шумов. Это означает, что необходимо звукоизолировать и
Winter
Summer
/ / / у
/ / / /
/ / / / /
/ т
Рисунок 1. Двойной фасад как основной предварительный нагреватель поступающего воздуха.
Рисунок 2. Приток естественного предварительно прогретого воздуха без системы централизованной подготовки внутреннего воздуха.
внутренние перегородки. Более того, существуют здания с двойными фасадами, в которых такие работы производились.
В современном мире принято говорить об эко-логичности зданий. Это значит, что для отопления здания требуется меньше энергии, а значит, гипотетически, снижается удельные выбросы вредных газов в атмосферу. Заботиться о будущем нашей планеты, несомненно, необходимо. Однако, во-первых, подтверждения того, что здание с двойным фасадом требует меньшего количества энергии, легко оспорить; во-вторых, специалисты не учитывают затраты энергии и обилие вредных выбросов, возникающие при производстве второго слоя двойного фасада. А это, по сути, второй такой же фасад. После проведенных экспериментальных исследований у нас создается впечатление, что для эксплуатации двойных фасадов потребуется больше тепла, больше света и больше энергии на кондиционирование и вентиляцию здания. Установлено, что в зданиях с отсутствием системы центрального кондиционирования при использовании двойных фасадов невозможно обеспечить комфортные параметры внутреннего микроклимата.
Отдельно отметим, что вентиляция фасадов
Стеклянные двойные фасады
1-й параметр (размещение поверхностей)
Поверхности стеклянной двойного фасада расположены внутри конструкции наружной стены
Поверхности стеклянного двойного фасада частично выдвинуты вперед
Система окон в традиционном фасаде
Поверхности стеклянного двойного фасада выступают за конструкцию внешней стены
Выступ фасада
Система стеклянных двойных фасадов
2-й параметр (вентиляционные отверстия)
Вентиляционные отверстия: вообще отсутствуют, только на внутренней поверхности; на обеих поверхностяхх
Выступающие окна с двойным переплетом
Форточка для вытяжки воздуха
Помещения с кондиционированием воздуха
Двойные поверхности обходятся
Здание
с примыкающим стеклянным экраном и лоджией
Фасад с двойными поверхностями
Фасад с вытяжкой воздуха
Изолирующий фасад
3-й параметр (сегментирование)
Промежуточное пространство фасада не разделяется
Несегментированные стеклянные двойные фасады
Здание со встроенными стеклянными элементами
Промежуточное пространство фасада разделяется
Дом в доме
Коридорный фасад
Шахтный фасад
Фасад с окнами с двойным переплетом
Таблица 1. Классификация стеклянных двойных фасадов на основании данных.
Модифицируемые
одна или обе поверхности
(в зависимости от времени суток и года)
строительная теплофизика и энергосбережение
сопряжена с повышенной пожароопасностью. Исходя из строительной практики, у соответствующих государственных ведомств возникнут вопросы касательно пожарных отсечек, а это будет противоречить концепции двойного фасада как аккумулятора и транспортера теплого воздуха по высоте здания. Замкнутый круг?
Теперь, самое главное: двойные фасады требуют гораздо больших инвестиционных и эксплуатационных затрат. Положительным моментом здесь может быть разве то, что для их проектирования, строительства и эксплуатации потребуется большее количество специалистов. Стеклянные поверхности в этом случае необходимо очищать чаще. И таких поверхностей теперь не две, а четыре. Об этом, как нам кажется, инвесторы и проектировщики забывают.
В качестве завершения обзора приведем слова Хаусладена: «Чем больше имеем дело с техникой двойных фасадов, тем быстрее приходишь к выводу — а зачем мы вообще это делаем?»
Лабораторные испытания двойных фасадов
Теплотехнические испытания фасадной конструкции, состоящей из двух независимых ниток остекления (двойной фасад), начались в январе 2009 года в испытательном центре НИИСФ РААСН.
Этот этап является частью комплексных испытаний образца (макета) фасадной конструкции по определению показателей строительной физики, таких как сопротивление воздействию ветровой нагрузке, воздухопроницаемость, водопроницаемость (статическая и динамическая), сопротивление удару, мол-ниезащитные свойства, огнезащитные свойства.
Цель теплотехнических исследований состояла в определении теплотехнических характеристик конструкции, оценке условий выпадения (невыпадения) конденсата на внутренней поверхности наружной и внутренней ниток остекления.
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе была испытана отдельно наружная нитка, представляющая собой рамную конструкцию из алюминиевых профилей с терморазрывом и вставленными в нее энергосберегающими стеклопакетами треугольной формы, при пяти различных перепадах температур между «теплой» и «холодной» зонами климатической камеры:
режим 1 - ^ = 0°С, ^ = +20°С; режим 2 — \= -10°С, /в = +20°С; режим 3 — / = -20°С, /в = +20°С; режим 4 — / = -28, 2°С, /в = +20°С; режим 5 — / = -40°С, /в =" +20°С. Для определения возможности выпадения конденсата испытания проводились для трех значений относительной влажности воздуха в «теплой» зоне
Рисунок 3. Общий вид наружной нитки, смонтированной в рабочем проеме климатической камеры, со стороны «теплого» отделения.
Рисунок 4. Общий вид двойного фасада со стороны буферной зоны.
камеры: 35, 55, 75%. Общий вид наружной нитки, смонтированной в рабочем проеме климатической камеры, показан на рис.3.
Сопротивление теплопередаче центральной части стеклопакета 1 при режиме 3 составило 0,69 м2 0С/Вт (данные взяты как среднее арифметическое с трех контрольных точек в центральной части стеклопакета 1), а стеклопакета 2 — 0,68 м2 0С/Вт.
На втором этапе проводились испытания двух ниток двойного фасада одновременно. Вторая нитка остекления представляла собой конструкцию из светопрозрачной и непрозрачной частей. Так же как и в первом случае, испытания проводились при пяти температурных режимах в «холодном» отделении камеры: 0 0С, -10 0С, -20 0С, -28,2 0С, -40 0С и при трех значениях относительной влажности внутреннего воздуха: 35, 55, 75%. Температура в «теплом» отделении находи-
строительная теплофизика и энергосбережение
лась в диапазоне 19—21 0С. Общий вид испытуемой конструкции показан на рис.4.
По результатам предварительных расчетов при tн = —20 0С, tв= 20 0С сопротивление теплопередаче центральной части стеклопакета 1 составило 0,7 м2 °С/Вт (среднее арифметическое значение с двух контрольных точек), стеклопакета 2 — 0,68 м2 0С/Вт, а стеклопакета внутренней нитки 0,69 м2 0С/Вт. При этом следует отметить, что каждая нитка остекления рассчитывалась при индивидуальных граничных условиях, обусловленных наличием буферного пространства. Сопротивление теплопередаче самой воздушной прослойки рассчитывалось при известных температурах на поверхностях стекол, обращенных к буферной зоне, и известных значениях тепловых потоков в этих точках.
Для проведения испытаний на выпадение конденсата на поверхностях ограждающих конструкций проводились испытания при температуре в холодной зоне камеры, соответствующей температуре наиболее холодной пятидневки для климатических условий региона строительства с учетом
высотности здания (/н = —28,2°С). Температура внутреннего воздуха принимается согласно ГОСТ 3049496 t= +16°С.
в
Список литературы
1. Журнал «АВОК» 2003 год №7. Стеклянные двой-
ные фасады.
2. Журнал «АВОК» 2004 год №8. Стеклянные двой-
ные фасады.
3. Журнал «АВОК» 2004 год №1. Стеклянные двой-
ные фасады.
4. Gertis K. et dl.: Sind neuere Fassadenentwicklungen bauphysikalisch sinnvoll? Teil 1 : Transparente Waermedaemmung. Bauphysik 21 (1999), H. 1, S. 1-9.
5. Harris Poirazis. Double skin façades. A literature review. a report of IEA SHK Task 34 ECBCS Annex 43, 2006.
6. Lang, W.: Zur Typologie mehrschaliger Gebaeudehuellen aus Glass. Unveroeffentliches Manuskript.
408 5 2009
