О теплотехнических расчетах стен с фасадными системами и вентпрослойками

20–21 мая 2010 года в Минске прошла 2-я практическая конференция «Современный фасад в Республике Беларусь». В сборнике ее тезисов представлен материал «Результаты теплотехнических расчетов стен с фасадными системами и вентилируемыми воздушными прослойками». Его автор – Антон Крутилин, научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории ограждающих конструкций института БелНИИС. Содействовал автору Анатолий Протасевич, доцент Белорусского национального технического университета. Далее – изложение фрагментов указанной публикации.

При проектировании вентфасадов предполагается…

Увеличение уровня теплозащиты наружных ограждений зданий осуществляется при повышении их сопротивления теплопередаче. Причем имеется в виду приведенное сопротивление теплопередаче, а не сопротивление теплопередаче участка ограждения вдали от теплопроводных включений. В ряде случаев именно оно сопоставляется с требованиями норм.

Утепление выполняется с наружной стороны стен дополнительным слоем теплоизоляции. Он закрывается от атмосферных осадков либо системой утепления с тяжелой или легкой штукатуркой, либо защитным экраном на относе от теплоизоляции. Последний вариант – это вентилируемая система утепления или, иначе говоря, вентилируемый фасад.

На сегодня такая система наиболее перспективная. Она кроме элементов крепления слоя теплоизоляции имеет кронштейны крепления защитного экрана. Между экраном и слоем теплоизоляции имеется воздушная вентилируемая прослойка, назначение которой состоит в удалении диффундирующего через ограждение водяного пара.

При проектировании вентфасадов предполагается выполнение расчетов:
– приведенного сопротивления теплопередаче, с учетом влияния элементов крепления слоя теплоизоляции;
– влажностного режима, с определением потока водяного пара, диффундирующего в вентпрослойку;
– геометрических характеристик вентпрослойки для ассимиляции движущимся в ней воздухом диффундирующего потока водяного пара;
– воздухопроницаемости, для выбора мер по защите слоя теплоизоляции от продольной, поперечной и внутренней фильтрации воздуха.

Приведенное сопротивление теплопередаче наружных стен с вентфасадами

Защитный экран может быть выполнен как из легкого алюминиевого профиля, так и из тяжелой декоративной плитки или сплошного остекления. В зависимости от нагрузки, создаваемой весом экрана, разнится количество кронштейнов и их конструкция для его крепления.

На сегодня наибольшее распространение получила методика определения приведенного сопротивления теплопередаче на основании расчетов коэффициентов теплотехнической однородности.

Эта методика заключается в следующем:

1. Выбирается расчетная область наружной стены. Строятся расчетные схемы конструкций каждого теплопроводного включения.

2. Выполняются предварительные расчеты температурных полей расчетных схем.

3. Определяются зоны влияния каждого теплопроводного включения. Зона влияния определяется по распределению температур по толщине и по поверхностям расчетного участка ограждения. Для определения зоны влияния выбирается та изотерма, на которой влияние теплопроводного включения наиболее характерно.

4. Выполняются повторные расчеты температурных полей для каждого теплопроводного включения с учетом зон влияния.

5. Определяется приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции.

6. Определяется коэффициент теплотехнической однородности.

Данная методика позволяет определять приведенное сопротивление теплопередаче любых конструкций наружных стен, в том числе с вентпрослойкой. Некоторые результаты расчетов коэффициентов теплотехнической однородности, учитывающие снижение приведенного сопротивления теплопередаче за счет теплопроводных включений различных вентфасадов:
– с легким экраном из алюминиевого профиля – 0,70-0,92;
– с экраном в виде декоративной плитки – 0,56-0,80;
– с экраном в виде сплошного остекления – 0,46-0,60.

Влажностный режим и геометрические характеристики вентпрослойки

Для организации движения воздуха в вентпрослойке в нижней и верхней частях участка вентфасада предусматриваются отверстия для входа и выхода воздуха. Отверстия могут быть также по высоте прослойки через определенные промежутки. Движение воздуха в прослойке осуществляется за счет ветрового и гравитационного давлений.

В прослойку поступает ненасыщенный водяным паром воздух. Перемещаясь в прослойке, он поглощает влагу, постепенно ею насыщаясь. Фазовое состояние влаги меняется в зависимости от температуры воздуха и поверхностей прослойки, а также массы поступающего в него пара. С повышением парциального давления пара изменяется степень насыщения воздуха влагой, которая постепенно приближается к максимальному насыщению. При определенной влажности воздуха на холодной поверхности прослойки возможно выпадение конденсата. Основной целью подбора геометрических характеристик вентпрослойки является обеспечение движения в ней воздуха, при которой конденсата на холодной поверхности прослойки не будет. Наружные стены с вентпрослойкой начали возводить в начале XX века. Методика их расчета до настоящего времени практически не изменилась. Согласно ей, основное условие удаления влаги из вентпрослойки – парциальное давление водяного пара на выходе из прослойки должно быть меньше максимального парциального давления водяного пара, соответствующего температуре воздуха на выходе из прослойки.

Несмотря на многочисленные замечания, предложенная в довоенное время методика расчета вентпрослойки в наружных стенах и совмещенных покрытиях без значительных изменений используется в современных нормах.

Основные недостатки этой методики:
– не разделяются лучистые и конвективные составляющие теплообмена в вентпрослойке;
– величины коэффициентов теплоотдачи и тепловосприятия поверхностей вентпрослойки не соответствуют реальным при движении воздуха за счет гравитационного давления, а также принимаются постоянными при движении воздуха по длине вентпрослойки;
– скорость воздуха в вентпрослойке принимается зависящей от гравитационного давления, потери давления на трение при движении воздуха не учитываются;
– критерием удовлетворительно запроектированной вентпрослойки считается выполнение условия, когда парциальное давление водяного пара на выходе из прослойки меньше максимального парциального давления водяного пара, соответствующего температуре воздуха на выходе из прослойки. Еще в 1982 году доказано, что расчеты без разделения лучистых и конвективных составляющих теплообмена в вентпрослойке ведут к значительной ошибке при определении скорости движения в ней воздуха. Данные натурных обследований противоречили результатам расчетов, приведенных в многочисленных пособиях и рекомендациях.

Для примера в таблице даны некоторые результаты расчетов вентпрослойки наружных панельных стен с вентфасадом. В строках А – данные с учетом потерь давления на трение при движении воздуха в вентпрослойке, в строках Б – без их учета. Скорости движения воздуха по методике, не учитывающей потери давления на трение, выше в 3-5 раз в сравнении со скоростями, рассчитанными с учетом этих потерь. Без их учета резко завышаются расчетные скорости движения воздуха в вентпрослойке. В результате – неминуемая конденсация водяного пара на холодной поверхности экрана при понижении температуры наружного воздуха.

Устройство наружного слоя теплоизоляции и фасадной системы благоприятно влияет на влажностный режим конструкции. Слои конструкции значительно снижают влажность, улучшая тем самым теплозащитные характеристики наружных стен в целом.

Расчеты показали следующее. Основными факторами, влияющими на распределение массовой влажности по толще конструкции, являются параметры микроклимата внутреннего воздуха. Квазистационарный режим наружной стены наступает на третий год эксплуатации. Массовые влажности материалов слоев находятся в зоне сорбционного увлажнения материалов, что хорошо согласуется с натурными данными.

Воздухопроницаемость наружных стен с эффективной теплоизоляцией и фасадными системами

Различают три основных вида фильтрации воздуха в конструкциях наружных ограждений: поперечную, продольную и внутреннюю. Все три вида возможны в наружных стенах с вентфасадами. Особенную актуальность защита от фильтрации воздуха приобретает при возведении зданий повышенной этажности. Фильтрация для таких зданий может свести на нет все теплозащитные характеристики наружных стен.

Если достаточным решением для ликвидации поперечной фильтрации воздуха является наличие у наружных стен плотных конструктивных слоев, то для продольной фильтрации универсального решения нет. Основная причина этого – значительные различия в конструкциях фасадных систем наружной теплоизоляции, а также недостаточная научная проработка предлагаемых конструктивных решений.

Подготовил Дмитрий ЖУКОВ, фото автора