Теплозащитные свойства эксплуатируемых навесных вентилируемых фасадных конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Расчет конструкций

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.86

Н.П. УМНЯКОВА, канд. техн. наук, зам. директора по научной работе НИИСФ РААСН (Москва)

' Я 1 ___

Теплозащитные свойства эксплуатируемых навесных вентилируемых фасадных конструкций

Приведены результаты натурных исследований навесных вентилируемых фасадов, которые показали, что через 5-12 лет эксплуатации вентфасадов в условиях Москвы плиты утеплителя из минеральной ваты на основе базальтового волокна не подверглись деструкции, не потеряли теплозащитных качеств и находятся в удовлетворительном состоянии.

Ключевые слова: число Рейнольдса, термическое сопротивление, воздушная прослойка, ламинарный режим, турбулентный режим, переходный режим, конвективный теплообмен, лучистый теплообмен.

Применение в строительстве навесных вентилируемых фасадных систем позволяет снизить энергозатраты в зданиях. Одной из таких наружных стеновых конструкций, которая позволяет уменьшить теплопотери по сравнению с традиционными стенами, является конструкция вентфа-сада [1]. В системах навесных вентилируемых фасадов основную теплоизоляционную функцию выполняет утеплитель из минеральной ваты на основе базальтового волокна или стекловолокна.

На теплозащитные свойства конструкций навесных вентилируемых фасадных систем оказывают влияние многие составляющие, но основная теплозащита приходится на теплоизоляционные плиты. Поэтому большой интерес представляет изменение их теплозащитных свойств в процессе эксплуатации. В отношении воздушных прослоек следует отметить, что их термическое сопротивление будет определяться в основном скоростью движения воздушного потока в вентилируемой воздушной прослойке, которая в свою очередь зависит от скорости ветра.

Теплоизоляционный материал конструкций вентфасадов в большинстве городов России подвергается различным атмосферным воздействиям:

- изменениям в широком диапазоне температуры зимой от -40оС и летом до +40оС;

- резким колебаниям знакопеременной температуры в холодный период года. Например, в Москве среднее число переходов через 0оС составляет 65-70 раз в течение холодного периода;

- в воздушную вентилируемую прослойку вместе с атмосферным воздухом поступают загрязняющие вещества в виде пыли, сажи, вредных взвешенных веществ, в состав которых входят оксиды углерода, оксиды азота, оксиды серы, фенолы, аммиак, тяжелые металлы и т. д. Они оседают на поверхности минераловатного утеплителя и могут проникать в его толщу, вызывая деструкцию материала и ухудшение эксплуатационных характеристик утеплителя;

- атмосферный воздух в вентилируемой воздушной прослойке движется с различной скоростью, а при сильных порывах ветра может значительно повышаться;

- диффундирующие через наружную стену в холодное время года водяные пары увлажняют утеплитель и повышают относительную влажность в вентилируемой воздушной прослойке.

Все эти воздействия могут привести к изменению первоначальных теплоизоляционных характеристик минерало-ватных плит. Поэтому большой интерес представляет получение основных теплозащитных показателей утеплителя, находящегося в эксплуатируемых зданиях.

В связи с этим проведено исследование по определению свойств утеплителя в конструкциях навесных вентилируемых фасадов. Работа проводилась в рамках обследования прочностных качеств элементов вентфасадов промышленными альпинистами под руководством канд. техн. наук А.А. Ступакова. В ходе работы обследованы два навесных вентилируемых фасада, расположенных в Москве на пересечении городских магистралей с Садовым и Бульварным кольцом.

Система навесного вентилируемого фасада, находящегося рядом с Садовым кольцом, представляет собой кронштейны из нержавеющей стали, установленные на несущей части монолитной железобетонной стены. На них с помощью специальных штырей закреплены плиты из натурального гранита с основным размером 0,6X1 м и толщиной 28 мм. В качестве утеплителя применены минераловатные плиты из базальтового волокна толщиной 100 мм. Между утеплителем и гранитной плитой облицовки имеется вентилируемая воздушная прослойка 50-70 мм. Ветрозащитная мембрана на поверхности не установлена. Фасад находится в эксплуатации в течение 12 лет.

Вентфасад на Бульварном кольце представляет систему кронштейнов из нержавеющей стали, на которых с помощью штырей закреплены плиты из натурального гранита. Размер основных плит составляет 0,6X1 м. Толщина гранитных плит 25 мм. Стена утеплена двумя слоями плит из минеральной ваты на основе базальтового волокна толщиной 80 и 50 мм. Вентилируемая воздушная прослойка между утеплителем и гранитными плитами облицовки имеет толщину 25-35 мм. Ветрозащитная мембрана отсутствует. Фасад находится в эксплуатации в течение 5 лет.

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

0,2

0,1

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1 1,2 1,6 2 3 4 5 6 8 10

и = 0,327и 0

возд.пр ' п.эт

(1)

возд.пр

= 0,327

\0,46

к„

(2)

где иветр - расчетная скорость ветра

Рис. 1. Зависимость скорости движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке от скорости ветра

Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования. Скорость воздуха определялась одновременно в 14 и 18-этажных зданиях в центре Москвы, находящихся на примагистральных территориях. В облицовочных плитах вентфасадов были просверлены отверстия диаметром 12-14 мм, в них вставлены датчики, которые замеряли скорость движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке. Одновременно измерялась скорость движения воздуха у поверхности фасада. Полученная зависимость между скоростью ветра и воздуха в вентилируемой прослойке приведена на рис. 1.

Обобщение данных замеров позволило получить эмпирическое уравнение для определения скорости воздуха в вентилируемой воздушной прослойке вентфасада:

полученная по данным метеорологических наблюдений и статистически обработанным за несколько лет, м/с; К и К - попра-

^ ' ' п.эт метеор ^

вочные коэффициенты к скорости ветра на уровне высоты этажа и к скорости ветра по данным метеорологических станций, измеряемым на высоте 10 или 15 м [2], приведены в табл. 1.

В вентилируемой воздушной прослойке вентфасада скорость движения воздуха увеличивается с увеличением ветрового потока и уменьшается при понижении ветрового потока; с повышением этажности она возрастает, с понижением этажности уменьшается.

Величину критерия Рейнольдса для прямоугольной вентилируемой воздушной прослойки можно представить в следующем виде:

Яе:

26 в

■ ^возд.пр'

воздушной прослойке, м/с; ип эт - скорость ветра у наружной облицовочной плиты вентфасада, м/с.

Область применения данного уравнения ограничивается скоростью ветра 8 м/с.

После соответствующих преобразований получили уравнение определения скорости воздуха в вентилируемой воздушной прослойке на разной высоте здания в зависимости от расчетной скорости ветра:

у(б + в) "воздпр" (3)

где б и в - толщина и ширина вентилируемой воздушной прослойки, м; V - кинематическая вязкость воздуха, м2/с.

Движение воздушного потока при критерии Re = 2 • 103 будет соответствовать ламинарному режиму. Турбулентный режим характеризуется значением Re > 1 • 104. Изменение Re от 2 • 103 до 1 • 104 соответствует переходному режиму.

Проведенные расчеты по определению критерия Рей-нольдса показали, что в вентилируемых воздушных прослойках с сечением 0,07x1 м в зависимости от скорости ветра и температуры воздуха скорости движения воздушных потоков могут соответствовать ламинарному и переходному к турбулентному режимам (табл. 2). В табл. 2 разграничены линии между ламинарным и переходным режимом, а также переходным и турбулентным режимом.

На основе собственных исследований и других работ [3, 4, 5], после соответствующих преобразований для определения конвективного теплообмена в середине вентилируемой воздушной прослойки получены следующие уравнения:

- для ламинарного режима

Таблица 1

иветр' м/с

Высота от уровня поверхности земли, м 1 3 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 100

К„эт К метеор 0,36 0,47 0,53 0,61 0,66 0,69 0,74 0,77 0,8 0,83 0,86 0,88 0,91

Таблица 2

Температура воздуха t„, оС Кинематическая вязкость воздуха ^10-6, м2/с Критерий Рейнольдса при V / V г г г-1 г ветр. возд.пр

0,1/0,1 0,35/0,2 0,8/0,3 1,5/0,4 2,5/0,5 3,7/0,6 5,2/0,7 7/0,8 9/0,9

30 16 811 1570 2355 3271 4056 4841 5626 6542 7327

20 15,06 863 1700 2485 3401 4317 5102 6018 6934 7719

10 14,16 915 1831 2747 3663 4579 5544 6411 7327 8242

0 13,28 985 1962 2878 3925 4841 5887 6803 7850 8766

-10 12,43 1046 2093 3140 4186 5233 6280 7588 8373 9420

-20 11,6 1123 2256 3271 4448 5626 6672 7850 8897 10074

-30 10,8 1203 2355 3532 4841 6018 7196 8373 9682 10856

Расчет конструкций

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

Таблица 3

Температура воздуха, оС 30 20 10 0 -10 -20 -30

Коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м°С) 0,0267 0,0259 0,0251 0,0244 0,0236 0,0228 0,022

Таблица 4

Температура воздуха, оС 30 20 10 0 -10 -20 -30

Критерий Прандтля 0,701 0,703 0,705 0,707 0,712 0,716 0,723

Таблица 5

I / з экв е при Re равном

1-104 2-104 5-104 1-105 1-106

1 1,65 1,57 1,34 1,28 1,14

2 1,5 1,4 1,27 1,22 1,11

5 1,34 1,27 1,18 1,15 1,08

10 1,23 1,18 1,13 1,1 1,05

15 1,17 1,13 1,1 1,08 1,04

20 1,13 1,1 1,08 1,06 1,03

30 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02

40 1,03 1,02 1,02 1,02 1,01

50 1 1 1,0 1 1

„ -ПЯ0^В03Д

"к.воздлр и1ОЭ .

26 в б.

у(б + в)

\0,46

ветр,

0,4

0,33

Рг

(4)

где ^возд - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(моС). В зависимости от температуры воздуха коэффициент теплопроводности принимается по табл. 3; I - высота вентилируемой воздушной прослойки, м; Рг - критерий Прандтля (табл. 4);

- для переходного режима

-|0,9

а„

=0,0029

2бв

у(б + в)

1)»

Кп

^,46

К„

Рг

0/43

(5)

- для турбулентного режима

Ок.Возд.пр=0,008^

26 в

v(б + в)

\0,46

_ одз Рг •£,

где е - коэффициент, учитывающий изменение коэффициента среднего конвективного теплообмена по длине вентилируемой воздушной прослойки. В зависимости от соотношения 1/Зэкв его величина приведена в табл. 5.

Полученные уравнения позволяют определить коэффициент среднего конвективного теплообмена в вентилируемой воздушной прослойке при действии ветра со скоростью до 8 м/с на различной высоте вентфасада.

Коэффициент теплообмена излучением для воздушной вентилируемой прослойки, когда две плоскости расположены параллельно, определим по формуле:

1

Л.ВОЗД-Пр

1

1

1

£2,

'фас.пл

(7)

где Сфаспл - коэффициент излучения полированной фасадной плиты 3,9 Вт/(м2-К4); Смин - коэффициент излучения шероховатой поверхности минераловатной плиты 4,5 Вт/ (м2 К4); С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела 5,76 Вт/(м2-К4); □ - температурный коэффициент определяется по графику, приведенному на рис. 2, по средней разности температур поверхности вентилируемой воздушной прослойки.

Проведенные вычисления позволили получить значения коэффициента теплообмена излучения в воздушной вентилируемой прослойке при различных значениях температуры от 30оС до -30оС (табл. 6). Из нее видно, что с повышени-

ем температуры воздуха коэффициент теплообмена излучением в воздушной вентилируемой прослойке повышается и с понижением температуры воздуха понижается.

Термическое сопротивление И вентилируемой воз-

^ ^ возд.пр ^1

душной прослойки с учетом конвективного и лучистого теплообмена можно записать в виде:

И

= 1 / (2а

) 4 к.в

(8)

(6)

Теплозащитные свойства вентилируемой воздушной прослойки при различной скорости ветра, толщине вентилируемой воздушной прослойки и температуре наружного воздуха приведены в табл. 7. Термическое сопротивление с понижением температуры повышается, а с повышением температуры понижается в зависимости от скорости ветра и скорости движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке.

Для оценки состояния утеплителя было сделано несколько вскрытий обследуемых навесных вентфасадов и сняты плиты гранитной облицовки. Вскрытие гранитных плит вентфасадов показало, что на обоих фасадах поверхность плит утеплителя находится в удовлетворительном состоянии (рис. 3, а). Визуально деструкция минеральной ваты на поверхности утеплителя не обнаружена, поверхность плит плотная, рельефный рисунок на поверхности сохранился (рис. 3, б). Сползания утеплителя в зоне крепеж-

1,2

1,1

% 1

0,9

I 0,8

0,7

0,6

0,5

35 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25

2

Рис. 2. График для определения температурного коэффициента

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Расчет конструкций

Рис. 3. Поверхность плит утеплителя после вскрытия гранитных плит вентфасада: а — внешний вид; б — поверхность плит утеплителя под зазором между плитами гранитной обшивки; в — загрязнение плит утеплителя

5

4

^ 3 3

2 1

Рис. 4. Весовая влажность образцов утеплителя из минеральной ваты, взятых из конструкции эксплуатируемых вентфасадов: 1 — условия эксплуатации Б (т = 5%); 2 — условия эксплуатации А (т = 2,5%). Высокая влажность образца № 1 (>1%) объясняется тем, что данный образец был расположен вплотную к нижней фасадной плите без зазора и сильно загрязнен (запылен)

0,05 -

С 0,04 -^ 0,03 -¿5 0,02 -^ 0,01 -

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Образец

Рис. 5. Коэффициент теплопроводности образцов утеплителя, взятых из конструкций эксплуатируемых вентфасадов: 1 — расчетное значение Л = 0,045 Вт/(м°С) для условий эксплуатации Б

ных дюбелей не обнаружено, щелей между выше- и нижерасположенными плитами утеплителя нет, распушения минеральной ваты на поверхности утеплителя не наблюдается. Цвет поверхности плит утеплителя практически не изменен, кроме отдельных узких полосок на поверхности утеплителя шириной 1,5-2 см, расположенных под зазором между плитами гранитной обшивки. В этих местах на ши-

рину 15-20 мм поверхность утеплителя несколько осветлилась и приобрела сероватый оттенок. Плиты утеплителя по всей поверхности, обращенной в воздушную прослойку, покрыты слоем пыли (рис. 3, в).

Результаты измерения подвижности воздуха в воздушной прослойке показали, что по всей площади вентфаса-да в вентилируемом зазоре наблюдается постоянное движение воздуха и происходит его вентиляция.

Обследование плит утеплителя показало, что утеплитель плотно прилегает к несущей монолитной части стены. Во всех вскрытиях деструкция утеплителя не только на поверхности, но и по толщине материала визуально не установлена. Цвет и структура минеральной ваты по толщине не изменились, поверхность утеплителя плотная. Распу-шения и увеличения объема минеральной ваты не наблюдается. По результатам визуальных обследований состояние минераловатного утеплителя удовлетворительное.

В ходе лабораторных исследований образцов минера-ловатных плит, взятых из вентфасадов, были определены следующие характеристики теплоизоляционных плит:

- весовая влажность утеплителя, которая определялась в соответствии с ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний»;

- коэффициент теплопроводности материала методом стационарных тепловых потоков по ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения тепло-

Таблица 7

- 2

1 1 1 1 1 1 1 1

Таблица 6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Температура воздуха, оС 30 20 10 0 -10 -20 -30

Коэффициент теплообмена излучением, Вт/(м2оС) 3,72 3,31 3 2,68 2,39 2,13 1,93

Температура воздуха г, оС Термическое сопротивление воздушных прослоек м2 • оС/Вт при V / V Г Г Г Г ветр. возд.пр

0,1/0,1 0,35/0,2 0,8/0,3 1,5/0,4 2,5/0,5 3,3/0,6 5,2/0,7 7/0,8

30 0,163 0,153 0,135 0,110 0,101 0,09 0,08 0,072

20 0,178 0,164 0,141 0,116 0,104 0,095 0,084 0,075

10 0,19 0,172 0,144 0,117 0,105 0,097 0,086 0,076

0 0,199 0,18 0,155 0,122 0,108 0,099 0,087 0,076

-10 0,215 0,19 0,155 0,126 0,11 0,102 0,085 0,075

-20 0,224 0,2 0,16 0,13 0,113 0,102 0,086 0,084

-30 0,23 0,208 0,163 0,135 0,114 0,101 0,088 0,083

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

проводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме»;

- коэффициент теплопроводности материала методом зондирования по ГОСТ 30256-94 «Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом».

Результаты определения относительной влажности образцов утеплителей (рис. 4), взятых в октябре, декабре и в конце февраля - начале марта, колеблются от 0,26 до 0,65%, т. е. составляют менее 1%, что значительно ниже расчетной влажности, рекомендуемой для условий эксплуатации Б (условия Москвы).

На основе результатов измерений коэффициента теплопроводности образцов утеплителя, взятых в местах вскрытия вентфасадов, методами стационарных тепловых потоков и зондовым методом установлена очень высокая сходимость результатов.

На рис. 5 приведены значения коэффициентов теплопроводности образцов утеплителя. Как видно, эти значения ниже расчетных, рекомендуемых строительными нормами для условий эксплуатации Б.

Проведенные исследования теплозащитных качеств утеплителя из минеральной ваты, эксплуатируемого в вент-фасаде длительное время, позволили сделать следующие выводы:

- замеры относительной влажности и подвижности воздуха в вентилируемой прослойке показали, что в процессе эксплуатации в воздушном зазоре между утеплителем и гранитными плитами облицовки происходит постоянный воздухообмен, способствующий осушению утеплителя в системе вентилируемого фасада;

- на основе визуального обследования утеплителя в месте вскрытий установлено, что внешних признаков старения и деструкции плит из минеральной ваты на основе базальтового волокна за 5 и 12 лет эксплуатации вентилируемого фасада не замечено;

- в ходе лабораторных исследований образцов утеплителя, взятых из фасадной системы, установлено, что его влажность не превышает 1%.

Полученные в ходе лабораторных испытаний образцов ми-нераловатных плит плотностью 70-100 кг/м3 коэффициенты теплопроводности составляют 0,035-0,043 Вт/(моС), что удовлетворяет расчетным значениям, предъявляемым к эффективным утеплителям для навесных вентилируемых фасадов.

Список литературы

1. Умнякова Н.П. Состояние утеплителя в навесных вентилируемых фасадах в условиях эксплуатации г. Москвы // Сб. докладов научно-технической конференции «Современные фасадные системы: эффективность и долговечность». М.: МГСУ, 2008. С. 261-268.

2. Ариель Н.З., Ключников Л.А. Ветер в городе. Л.: Труды ГГО. Вып. 94. 1962. 100 с.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 316 с.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1981. 415 с.

5. Нащекин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975. 497 с.

6. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.

оникс-ап/вд ®

Серия приборов для измерения адгезии различных покрытий, усилия вырыва дюбелей и фасадных анкеров. Эргономичная конструкция с 2 устойчивыми регулируемыми опорами, встроенная электроника. Регистрация изменения нагрузки и перемещений в функции времени в процессе испытаний. Диапазон нагрузокот1 до 100 кН.

оникс-ос <е> Серия измерителей прочности бетона отрывом со скалыванием, в которых исключено проскап мы ванне анкера. Оригинальная конструкция с самоустановкой оси вырыва и двумя гидроцилиндрами. Модификации на усилие 5 и 10 тонн. Патент на прибор и способ испытаний.

ПУЛЬСДР-1.1/1.2/1.2 ДБС ®

Три модификации ультразвуковых приборов. Измерение времени и скорости ультразвука. Поиск дефектов, определение прочности бетона и плотности материалов, глубины трещин Визуализация и анализ А-сигналов. Модификация для контроля фундаментов и буронабивных свай.

..... ДИАР-1

Оперативный контроль силы натяжения проволочной, канатной, прядевой и стержневой арматуры методом поперечной оттяжки по ГОСТ 22362 Контроль состояния растяжек контактной сети, антенн, опор, мачт, вантовых мостов,... Оригинальная конструкция с изменяемой базой, гидроприводом, контролем силы и величины оттяжки.

© ОНИКС-2.5/2.6

Самый компактный и легкий ударно-импульсный измеритель прочности бетона и строительных материалов. Впервые реализован многопараметрический метод измерения (патент). Контроль тяжелых, легких и высокомарочных бетонов. Визуализация и многофакторный анализ сигналов.

МИП

Самые легкие испытательные прессы для мобильных и стационарных лабораторий. Испытание кернов и образцов-кубов. Модификации с ручным и электрическим приводом (патент). Уникальные массогабаритные показатели при усилиях до 250 и 500 кН.

Челябинск: (351) 729-88-85, 211-54-30/31 Москва: (495) 998-01-95, 789-28-50 С-Петербург: (812) 454-03-55, 335-26-95

Реклама