Гидроветрозащитный барьер как важный элемент долговечных и безопасных зданий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Технологии и материалы

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.83

Г.В. АФАНАСЬЕВА, канд. хим. наук ([email protected])

ООО «Дюпон. Наука и Технологии» (121614, Москва, ул. Крылатская, 17, корп. 3)

Гидроветрозащитный барьер как важный элемент долговечных и безопасных зданий

Рассмотрена взаимосвязь энергоэффективности конструкции здания и использования гидроветрозащиты как одного из элементов защиты здания. Показано, что при наличии гидроветрозащиты в конструкции снижается влияние эффекта продольной фильтрации и, как следствие, повышение теплоизоляционных свойств конструкции. Пожаробезопасность строительных материалов в настоящее время становится все более актуальной задачей ввиду ужесточения противопожарных требований, касающихся всех компонентов системы при проектировании зданий с повышенными требованиями к пожаробезопасности. Описана новая технология FireCurb™ для улучшения пожарных характеристик полимерных мембран и обозначены области применения нового продукта Tyveks FireCurb™. Приведены примеры объектов реализованных в ряде стран.

Ключевые слова: гидроветрозащита, пожарная безопасность, продольная инфильтрация, энергоэффективность, огнезащитное покрытие.

G.V. AFANASIEVA ([email protected]), Candidate of Sciences (Chemistry), OOO DuPont Science and Technology (17, structure 3, Krylatskaya Street, 121614, Moscow, Russian Federation)

Hydrowind-shelter barrier as important element of durable and non-hazardous buildings

In this article the link between energy efficiency of construction and application of windbarrier (diffusion membrane) as one of the element of construction is discussed. There are several articles analyzed, that are showing the reducing thermal efficiency due to wind washing effect. Also facts are presented, that in combination with wind barrier (diffusion membrane) the effect of wind washing is reduced and as a result thermal efficiency of the construction was improved. Fire safety of construction materials are becoming vital today due to toughening fire regulations. This requirements contain all components of the system, when there is process of designing buildings with higher requirements of fire safety. In the article new technology is described to improve fire safety of polymeric membranes and fields of application are described for new product Tyvek® FireCurb™. After author gives several examples of buildings in different countries (Turkey, Norway, Ireland and Czech Republic), where Tyvek® FireCurb™ was used.

Keywords: wind barrier (diffusion membrane), fire safety, wind washing, energy efficiency, flame retardant covering.

В настоящее время жилое здание рассматривается как энергетическая система, которая включает различные физические процессы, происходящие в конструкциях, и взаимодействие с окружающей средой. Достаточно актуальным становится включение в нормативные документы требований к отдельным элементам и конструкциям, а также к применяемым технологиям и материалам, что может обеспечить не только энергоэффективность зданий в целом, но и экологическую безопасность и сокращение нерационального расхода энергии в процессе всего жизненного цикла здания.

В работах В.С. Беляева, Ю.Г. Граника и др. дается определение энергоэкономичных зданий, в которых при проектировании, строительстве и эксплуатации осуществлено максимальное количество мероприятий, направленных на экономию топливно-энергетических ресурсов. Создание энергоэкономичных зданий связано с усовершенствованием всех их составных элементов, которые неразрывно связаны между собой.

Одним из значительных путей, влияющих на тепловой режим помещений, является теплозащита наружных ограждающих конструкций. Важным элементом энергоэффективной конструкции во многих странах стали гидроветрозащитные мембраны, которые широко используются для защиты подкро-вельного пространства в скатных утепленных крышах, в стеновых конструкциях различного типа, каркасных конструкциях.

Как отмечают специалисты, повышение качества строительных материалов, конструкций и их монтажа является одним из направлений улучшения тепловой эффектив-

32| -

ности зданий. Влажностный режим ограждающей конструкции оказывает влияние на теплоизоляционные характеристики конструкции и микроклимат здания в целом. Согласно СП 50.13330.2012 регламентируется допустимое значение влагонакопления для различных теплоизоляционных материалов, например для минеральной ваты это значение на уровне 3%.

Известно, что увлажнение утеплителя значительно снижает его теплотехнические свойства, что подразумевает необходимость защиты от воздействия внешних источников влаги (дождь, снег, туман и т. д.) и возможность просыхания конструкции за максимально короткий срок в случае ее увлажнения (риск образования конденсата в конструкции) [1 ].

Как показывают исследовательские работы, еще одним фактором, который может снижать теплотехнические характеристики конструкции, является эффект продольной фильтрации («wind washing effect»), в первую очередь в конструкциях с навесными фасадными системами (НФС) и в каркасных конструкциях. В России данный процесс впервые был описан в работах Р.Е. Брилинга. Процесс заключается в конвекции воздуха между внешним слоем теплоизоляционного материала и воздухом в вентиляционном зазоре за счет разницы давлений на поверхности теплоизоляционного материала (конвективный обмен). В результате ветровых воздействий формируется переменное распределение внешнего давления по облицовке фасадов. В свою очередь, под действием градиента внешнего давления возникает вну-

^^^^^^^^^^^^^ 112015

Научно-технический и производственный журнал

Technologies and materials

При скорости ветра ~2 м/с теплоизоляционный материал

Рис. 1. Снижение сопротивления теплопередаче стекловолокон-ного утеплителя под воздействием ветрового потока: 1 — без гидроветрозащиты; 2 — с гидроветрозащитой

треннее воздушное течение в зазоре навесных конструкций и в слое утеплителя [2]. Отмечено, что даже незначительные движения воздуха в слое утеплителя могут приводить к серьезным теплотехническим потерям. На примере математического расчета показано влияние продольной фильтрации воздуха на теплоперенос в конструкции межоконных простенков. Теп-лопотери через рассматриваемую в работе [2] конструкцию вследствие продольной фильтрации увеличились на 13%. Подобные расчеты показали, что увеличение тепло-потерь вследствие продольной фильтрации может достигать 60%. Эти данные хорошо коррелируют с экспериментальными данными, полученными зарубежными исследователями.

Одна из попыток найти и проанализировать взаимосвязь между коэффициентом продольной фильтрации и силой ветра, его направлением и длиной поверхности методом математического моделирования предпринята в работе [3]. Авторы показывают в своей работе, что данный эффект хорошо описан в литературе и задокументирован, но с целью помочь проектировщикам принимать оптимально правильные решения для каждого случая необходимо рассматривать различные методы расчета с использованием коэффициента продольной фильтрации. Неверное применение коэффициента продольной фильтрации в расчете может значительно сказаться на расчетах энергоэффективности. Как показывает анализ авторов [3], математическая модель, применяемая для конкретного случая, должна быть внимательно выверена, чтобы избежать ошибок в расчетах.

На рис. 1 представлены результаты сравнительных экспериментов в климатической камере по воздействию ветрового потока на стекловолоконный утеплитель малой плотности, описанных в работе [4]. При этом на графике представлено два случая - утеплитель не защищен гидроветробарьером (диффузионной мембраной) и защищен гидроветробарьером.

В работе [5] отмечено, что рассчитать связь между повышением теплосопротивления изоляции стены и повышением уровня энергосбережения достаточно просто; эти расчеты подтверждаются лабораторными испытаниями при статических условиях. Но результаты испытаний при статических условиях для определения уровней теплосопротивле-ния для всех форм изоляции не всегда соответствуют характеристикам установленной теплоизоляции в жилом доме. Данная статья подчеркивает необходимость учета влияния конвективного теплопереноса на общие характеристики стен. Чтобы определить влияние продольной инфильтрации воздуха через стену, авторами было проведено 34 испытания на 12 разных стеновых конфигурациях с гидроветрозащитой и без нее. Гидроветрозащита, по мнению авто-

112015 ^^^^^^^^^^^^^^

Скорость ветра 10 м над уровнем грунта, м/с

Рис. 2. Увеличение теплопотерь через стену с деревянным каркасом вследствие продольной фильтрации [6]: 1, 2 — без ветрозащитного барьера; 3, 4, 5, 6 — тип ветрозащитного барьера

ров, является эффективным способом снижения эффекта продольной фильтрации в различных типах конструкций.

Эксперимент заключается в испытании при разных перепадах статического давления через стену. Перепад давления через образец вызывал перемещение холодного воздуха через стеновые блоки, что требовало дополнительный подвод тепла пропорционально уровню инфильтрации. Авторами было зафиксировано снижение от 9 до 21% расчетных значений R от величины давления ветрового потока на внешнюю облицовку конструкции, в которой была обеспечена полная герметизация пароизоляционного слоя. В случае наличия мембраны в составе конструкции, значения Rзф сохраняли показатели на уровне расчетных значений сопротивления теплопередаче R независимо от давления ветрового потока на конструкцию.

Давление ветрового потока может значительно изменяться в зависимости от его направления (угла воздействия), конструкционных особенностей вентиляционного зазора и т. д., как следствие, ветровой поток увеличивает тепловые потери здания. Экспериментальные данные зависимости коэффициента градиента давления ветра от угла направления его воздействия приведены в работе [6]. Измерения в ходе эксперимента показали, что теплопотери, вызванные продольной фильтрацией, могут в 3-10 раз превышать расчетные значения идеальных конструкций. На основании измерений, выполненных в эксперименте, Норвежский научно-исследовательский строительный институт (NBI) определил рекомендуемый верхний предел воздухопроницаемости ветрозащитных барьеров, включая стыки, на уровне 0,05 м3/(м2ч.Па) (или 1,4E м3/(м2.с.Па)), где Е=10-5 - стандарт по которому проводили измерения.

На рис. 2 показаны результаты натурных испытаний и математического моделирования зависимости тепловых потерь (%) от скорости ветра (м/с) на высоте 10 м над уровнем грунта. Представлено два варианта установки теплоизоляции без вет-робарьера (1) и (2), а также четыре варианта с установленным ветробарьером с различным уровнем воздухопроницаемости: I тип - 4,9.10-5 м3/(м2.с.Па); II тип - 1,910-5 м3/(м2.с.Па); III тип - 0,7310-5 м3/(м2.с.Па); IV тип - 0,22.10-5 м3/(м2.с.Па). Определение уровня воздухопроницаемости производили с учетом влияния стыков.

Таким образом, дополнительная гидроветрозащита теплоизоляционного материала в конструкции от увлажнения и эффекта продольной фильтрации является одним из решений при строительстве энергоэффективных зданий.

В последнее время требования строителей и экспертов к пожарной безопасности строительных материалов возрастают. Все больше востребованы материалы, которые не

- 33

Технологии и материалы

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 5. Жилой дом г. Студенка, Чешская республика

поддерживают горения, не распространяют пламени и не образуют вторичных источников возгорания, в первую очередь это материалы для строительства зданий с повышенными требованиями по пожарной безопасности. Среди категории гидроветрозащитных мембран эти дополнительные свойства востребованы, когда проектируют такие здания, как детские сады, школы, больницы, высотные здания (гостиницы, офисные здания и др.) с целью защиты конструкции от эффекта продольной фильтрации, увлажнения и случайных источников возгорания.

Как видно одним из решений поставленной задачи, можно отметить новую технологию FireCurb™ компании «Дюпон». Данная технология подразумевает отказ от галогенсо-держащих антипиренов и рекомендует использование фос-форорганических соединений, которые снижают образование дыма и не образуют токсичных продуктов горения. Огнезащитное покрытие наносится на поверхность мембраны из полиэтилена flash-spunbond и обеспечивает продукту способность не поддерживать горения. При воздействии случайного источника возгорания на поверхность мембраны в

Список литературы / References

1. Swinton M.C., Brown W.C., Chown G.A. Controlling the transfer of heat, air and moisture through the building envelope, small buildings: technology in transition. Proceeding for the Building Science Insight. 1990. Vol. 17, pp. 17-31.

2. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Козлов В.В., Леденев П.В., Цы-кановский Е.Ю. Результаты исследований свойств навесных фасадных систем с вентилируемой воздушной прослойкой в рамках гранта РФФИ «Аэротеплофизика проницаемых тел в низкоскоростных воздушных потоках». Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. C. 261-278. Gagarin V.G., Guvernyuk S.V., Kozlov V.V., Ledenev P.V., Zikanovskiy E.U. Results of research of ventilated facades with ventilated space in the frame of grant of RFFI «Airthermophysics of permable bodies in low speed air flows» Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. 2009. No. 5, pp. 261-278. (In Russian).

3. Palyvos J.A. A survey of wind convection coefficient correlations for building envelope energy systems' modeling. Applied Thermal Engineering. 2008. No. 28, pp. 801-808.

4. David C. Jones Impact of airflow on the thermal performance of various residential wall systems utilizing a calibrated hot box. Thermal Envelope VI/Heat Transfer in Walls II -Principles. 1994, pp. 247-260.

34l -

Рис. 6. Торговый центр. г. Афьонкарахисар, Турция

месте воздействия пламени образуется коксовый слой, который препятствует распространению пламени по поверхности и образованию горящего каплепадения. Продукт на данном этапе представлен под названием Tyvek® FireCurb™ и был использован в некоторых крупных проектах (рис. 3-6).

Материал Tyvek® FireCurb™ в настоящее время прошел сертификацию по методу национального стандарта ГОСТ Р «Материалы строительные. Метод испытаний на возгораемость под воздействием малого пламени» (аналог EN ISO 11925-2 «Reaction to fire tests- Ignitability of building products, subjected to direct impingement of flame- Part 2. Single flame source test») во ВНИИПО МЧС России, и по результатам испытаний было установлено, что материал не относится к группе горючих легковозгораемых материалов. Материалы, которые не относятся к группе горючих легковозгораемых материалов, не распространяют пламени по поверхности, не образуют горящего каплепадения и, как следствие, не образуют вторичных источников возгорания. Более подробно об особенностях оценки термически тонких материалов и метода малой горелки описано в работах [7, 8].

5. David C. Jones, P.E., Member ASHRAE Impact of Air flow on the Thermal Performance of Various Residential Wall Systems Utilizing a Calibrated Hot Box, Thermal Envelopes VI/Heat transferrin Walls II-Principles. 1996, pp. 247-260.

6. Uvslokk S. The importance of wind barriers for insulated timber frame constructions. Thermal Insul. And Bldg. Envs. 1996. Vol. 20, pp. 40-62.

7. Константинова Н.И., Вебер К., Афанасьева Г.В., Фрей Н. Исследование пожарной безопасности гидроветрозащитных мембран для ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2014. № 11. C. 21-27. Konstantinova N.I., Veber K., Afanasieva G.V., Frey N. Research in fire safety of hydro-windproof membranes for enclosing structures. Stroitelnye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 11, pp. 21-27. (In Russian).

8. Константинова Н.И., Молчадский О.И., Меркулов А.А. Особенности оценки пожарной опасности полимерных отделочных материалов // Пожарная безопасность. 2011. № 1. С. 84-89.

Konstantinova N.I., Molchadskii O.I., Merkulov A.A. Features assessment of fire hazard of polymeric finishing materials. Pozharnaya bezopasnost. 2011. No. 1, pp. 84-89. (In Russian).

^^^^^^^^^^^^^^ 112015