Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Cопротивление теплопередаче стен с навесными теплоизоляционными фасадами

Расчет сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций Rо является обязательной частью раздела «Энергоэффективность» проекта здания. Для наружных стен этот расчет важен не только с точки зрения определения ее конструкции, решения фасада, значений теплоэнергетических параметров здания, но и как связующее звено между архитектурно-строительным разделом и разделом «Отопление и вентиляция» рабочего проекта: по Rо производится расчет отопительных приборов помещений, тепловая нагрузка. Кроме того, расчет влажностного режима стены, вентилируемости воздушной прослойки навесных фасадов как одного из основных условий его функционирования также зависит от значения Rо. Вместе с тем, точность определения Rо утепленных снаружи стен, в зависимости от принятой методики расчета, может существенно отличаться.

При выборе конструкции наружных стен проектирование наружного утепления считается несложной задачей, которая сводится к расчету толщины утеплителя. Этой информацией полны рекламные проспекты фасадных систем и утеплителей. Зачастую теплотехнический расчет наружных стен и в рабочем проекте ограничивается простым сложением термических сопротивлений слоев конструкции стены и сопротивлений теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей.

Расчет сопротивления теплопередаче стен с наружным утеплением, следуя существующим нормам [1, 2], можно производить двумя способами, в зависимости от классификации наружной стены как конструкции однородной многослойной или неоднородной с теплопроводными включениями. В первом случае Rо вычисляется по формуле (1). Во втором случае фасад разбивается на фрагменты и для каждого фрагмента вычисляются значения Roi по формуле (2), для чего предварительно производится расчет температурных полей фрагментов:

Rо = Rsi + Rk + Rse, (1)
Rоi = А / Q (tinttext). (2)

Вопрос в определении: считается ли конструкция стены с наружным утеплением теплотехнически однородной или нет?

По терминологии СП 23-1012000 — да. Но как показывают наши расчеты, а также расчеты [3], ответ на этот вопрос отрицательный: коэффициент теплотехнической однородности указанных стен, в зависимости от ряда факторов, может достигать значения 0,5.

Это означает, что считать теплотехнически однородными конструкции стен с наружным утеплением, особенно с вентилируемыми фасадными системами, нельзя. В [4] коэффициент теплотехнической однородности r для ряда вентилируемых фасадных систем рекомендуется оценивать по таблицам для «худшего», с точки зрения авторов, участка с оконным проемом, в зависимости от толщины и теплотехнических характеристик несущего слоя и утеплителя [4]. При этом предполагается разбивка всего фасада на «глухие» участки и участки с простенками с последующим определением приведенного значения Rопр стен. Однако известно, что сопротивление теплопередаче стены меняется в зависимости от целого ряда факторов, перечисленных на рис. 1. В диаграмме, как менее значительные, не указаны влияние термоизоляционной прокладки между несущими кронштейнами и стеной, количество и характеристики анкерных дюбелей.

Рисунок 1.

Факторы, определяющие значение сопротивления теплопередаче стены с наружным утеплением и вентилируемой фасадной системой

Для определения комплексного влияния ряда перечисленных факторов и выявления возможности назначения универсальных коэффициентов теплотехнической однородности нами был выполнен анализ значений сопротивления теплопередаче фрагментов фасадов с вентилируемой воздушной прослойкой и навесных фасадов со штукатурным слоем с различными характеристиками материала несущего слоя и подоблицовочной конструкции.

Определение Rоi фрагмента выполнялось по формуле (2) с расчетом объемного стационарного температурного поля при помощи программного комплекса «Alfa 3D» (Версия 3.0). Такая практика расчета Rоi с последующим определением приведенного значения Rопр фасада уже несколько лет применяется при разработке разделов «Энергоэффективность» проектов зданий в Томске и области. Методика построения фрагментов и граничных условий изложена в [4]. Исходные данные для расчета см. в табл. 1.

Таблица 1
Коэффициенты теплопроводности материалов, принятые для расчетов
Наименование материала Плотность,
кг/м3
Коэффициент
теплопроводности,
Вт/м•°C
1 Железобетон 2 500 2,04
2 Кирпичная кладка из
сплошного кера-
мического кирпича
1 800 0,81
3 Ячеистый бетон 800 0,37
4 Светопрозрачное заполнение
оконных проемов
(условная величина)
0,34
5 Минераловатная плита 80 0,05
6 Алюминий 2 600 221,0
7 Оцинкованная сталь 7 850 58,0

Граничные условия принимались для условий Томска: расчетная температура наружного воздуха text = –40 °C, температура внутреннего воздуха tint = 21 °C, ai=8,7 Вт/м2 • °C, aе = 10,8 Вт/м2 • °C.

В отличие от рекомендаций [2], при вычерчивании конструкции кронштейнов учитывалась их часть, выступающая в вентилируемую прослойку, на основании значительной разницы в значениях Rоi и данных работы [3]. Рассмотренные варианты фрагментов фасада относятся к конструктивной схеме ненесущих стен, опирающихся на монолитные или сборные диски перекрытий. Размеры фрагментов приняты из рабочего проекта жилого дома, проектируемого в Томске. Для равнозначного сравнения фрагментов количество кронштейнов на 1 м2 площади фасада принималось равным 2 для алюминиевых и стальных кронштейнов, площадь откосов стен не участвовала в расчете сопротивления теплопередаче.

Решение примыканий заполнений во всех сравниваемых вариантах было одинаковым — без «четвертей».

Толщина алюминиевых кронштейнов высотой 250 мм в уровне ж/б перекрытий, по стене 120 мм, принималась равной 3 мм, из оцинкованной стали высотой 95 мм — толщиной 2 мм. Высота фрагментов принималась 2,8 м.

При сравнении результаты удобнее было представить не в виде абсолютных значений Rоi фрагмента, а в виде коэффициентов теплотехнической однородности ri, определяемых как отношение значения Rоi, полученного для фрагмента по формуле (2), к значению, полученному по формуле (1). Результаты представлены в табл. 3. Как видно из табл. 3, снижение ri фрагмента внутри одной и той же конструкции наружной стены меняется в довольно большом интервале. Как правило, это влияние тем более значимо, чем больше разница в теплотехнических характеристиках материалов несущего, теплоизоляционного слоя и подоблицовочной конструкции, чем более «изогнут» и «прорезан» проемами фасад. Заметно существенное (до 43 %) влияние вида фрагмента.

Таблица 2

Сравниваемые фрагменты

Таблица 3
Коэффициент теплотехнической однородности, ri для отдельных
элементов фасада с вентилируемой воздушной прослойкой
Вариант несущей конструкции Номер фрагмента (см. табл. 2)
1 2 3 4 5
Газобетон,
300 мм
Без учета каркаса системы 0,97 0,85 0,574 0,9 0,74
С учетом
каркаса
Алюминий 0,65 0,6 0,57 0,647 0,47
Оцинкованная сталь 0,82 0,71 0,67 0,83 0,559
Кирпичная
кладка,
250 мм
Без учета каркаса системы 0,99 0,83 0,69 0,82 0,49
С учетом
каркаса
Алюминий 0,56 0,55 0,52 0,55 0,4
Оцинкованная сталь 0,83 0,7 0,619 0,7 0,546
Кирпичная
кладка,
380 мм
Без учета каркаса системы 0,99 0,78 0,713 0,83 0,62
С учетом
каркаса
Алюминий 0,58 0,51 0,51 0,539 0,42
Оцинкованная сталь 0,84 0,639 0,54 0,71 0,56

На коэффициент теплотехнической однородности, кроме геометрических размеров участка, влияет наличие теплопроводных железобетонных перекрытий, пилонов, термовкладышей в перекрытии, конструктивное решение «четвертей». Влияние перечисленных элементов можно проследить по изолиниям температуры (рис. 2). На рис. 3 приведены фрагменты навесного фасада со штукатурным слоем. Из них видно, что толщина утеплителя на узких простенках не так важна, как ширина простенка, конструктивное решение откосов и «четвертей». Причины изменения значений коэффициента ri, показанные в табл. 3, понятны и согласуются со схемой рис. 1. Но прогнозировать величину их изменения для конкретно взятого случая очень сложно.

Рисунок 2.

Температурные поля по сечениям фрагмента 5 с несущим слоем 250 мм из кирпичной кладки (табл. 2)

Рисунок 3.

Влияние вида фрагмента на ri навесных фасадов со штукатурным слоем с несущим слоем из кирпичной кладки 510 мм и наружным утеплением 100 мм: а) наружный глухой угол, б) угловой простенок с различным решением «четвертей»

Даже внутри одного фрагмента перечисленные выше факторы формируют индивидуальное значение Rоi, характерное только для рассматриваемого случая. Так же как и индивидуально влияние факторов на отдельно взятый фрагмент (см., например, рис. 4). По нашему мнению, попытка получить универсальные значения коэффициентов ri отдельных фрагментов оправдана только для типового фасада здания с фиксированными значениями по материалу комплектующих и по другим параметрам. В остальных случаях целесообразно производить расчет сопротивления теплопередаче фрагментов фасада по формуле (2) с последующим определением приведенного значения Rо пр по фасаду.

Кроме исключения ошибки определения Rо, применение программ расчета температурных полей позволяет достаточно точно определять температуру внутренней поверхности ограждения (рис. 2, 3), что важно для оценки удовлетворения санитарно-гигиеническим требованиям и возможности расчета результирующей температуры помещения [5]. При этом неизбежно возникают вопросы, связанные с использованием описанного метода расчета в проектировании:

В каком объеме должен быть выполнен расчет сопротивления теплопередаче наружных стен здания?

Если значения Rоi фрагментов различны, как определять остальные теплотехнические параметры наружных стен: влажностный режим, вентилируемость воздушной прослойки (для навесных фасадных систем)?

Какие значения Rоi принимать в разделе проекта «Отопление и вентиляция» для расчета количества отопительных приборов?

Конечно, расчет Rоi по формуле (2) повышает трудоемкость теплотехнических расчетов. Но результаты оправданы.

Рисунок 4.

Влияние факторов на значение Roi фрагмента утепленной снаружи наружной стены с простенком. Здесь 1 — термическое сопротивление несущего слоя, 2 — термическое сопротивление слоя утеплителя, 3 — конструктивное решение примыкания заполнения проема, 4 — ширина простенка, 5 — расстояние до угла, 6 — количество кронштейнов (для вентилируемых систем)

Считаем, что влажностный режим стены и вентилируемость воздушной прослойки необходимо считать по двум участкам — «по глади» (плоскому, без проемов) и наихудшему, с минимальным значением Rоi, рассчитанным по формуле (2). Расстановку отопительных приборов необходимо выполнять по значению Rоi для конкретно взятого помещения.

Раздел «Энергоэффективность» проекта здания в приложениях, помимо расчетных значений Rоi фрагментов, по нашему мнению, должен содержать комплект изолиний температуры для анализа возможности образования конденсата и план типового этажа с указанием Rоi каждого помещения с наружными стенами. Разбивку на фрагменты наружных стен здания необходимо производить в зависимости от их повторяемости на фасаде.

Предлагаемая схема структуры теплотехнической части раздела «Энергоэффективность» показана на рис. 5. Ее применение позволит не только более точно выполнить анализ конструкции стены для здания с конкретным фасадом, но и получить данные для параметров раздела «Отопление и вентиляция», выявить возможности изменения комплектующих фасадных систем.

Рисунок 5.

Предлагаемая структура теплотехнического расчета раздела «Энергоэффективность» проекта здания

Заключение

Анализ теплотехнической однородности фрагментов стен с наружным утеплением и значений сопротивления теплопередаче, полученных расчетом объемного стационарного температурного поля при помощи программного комплекса показал, что изменение Roi в значительной мере определяется, помимо известных факторов (количества, материала, конструкции и расстановки кронштейнов, теплофизических характеристик материала несущего слоя и утеплителя), видом фрагмента фасада. Его геометрия, конструктивное решение примыкания заполнения проемов, наличие теплопроводных включений в сочетании с другими перечисленными факторами определяют конкретное, иногда на 40–60 % отличающееся от соседнего фрагмента, значение Rоi. Такое изменение связано с сильно отличающимися (в 16–4 420 раз) коэффициентами теплопроводности материалов — комплектующих фасадных систем и несущего слоя. В связи с тем, что стены с наружным утеплением являются теплотехнически неоднородными, считаем целесообразным фасад здания разбивать на характерные участки-фрагменты с последующим определением Rоi каждого фрагмента по формуле (2) и приведенного значения Rо пр фасада целиком. Другие теплотехнические характеристики в разделе «Энергоэффективность» проектов зданий рекомендуется определять исходя из расчета участка «по глади» (плоскому, без проемов) и наихудшего, с минимальным значением Rоi. Расчетные Rоi использовать в разделе «Отопление и вентиляция» в качестве исходной информации для назначения количества отопительных приборов помещений.

Обозначения

Rsi = 1 / ai, R = 1/aе — сопротивления теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей соответственно, м2 • °C/Вт;

ai — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м2 • °C;

aе — то же, наружной поверхности;

А — площадь неоднородной ограждающей конструкции или ее фрагмента, м2, по размерам с внутренней стороны;

Q — суммарный тепловой поток через конструкцию или ее фрагмент площадью А, Вт;

Rоi — сопротивление теплопередаче фрагмента фасада, Вт/м2 • °C;

Rо — то же, рассчитанное по формуле (1);

Rопр — приведенное сопротивление теплопередаче фасада, м2 • °C/Вт;

ri — коэффициент теплотехнической однородности, ri = Rоi / Rо.

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России, 2004.

2. СП 23-101-2000. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: Госстрой России, 2001.

3. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Цыкановский Е. Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК. 2004. № 2. С. 20–26, 2004. № 3. С. 20–26.

4. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий. М.: Правительство Москвы, Москомархитектура, 2001.

5. Пособие по проектированию тепловой защиты жилых и общественных зданий (к ТСН 23-316-2000) Томской области. Томск: Главное управление архитектуры и градостроительства Томской области, 2003.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №3'2005

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте