Summary:

Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 1

Описание:

Ограждающие конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками давно использовались при строительстве зданий. Применение вентилируемых воздушных прослоек имело одну из следующих целей

Ключевые слова: теплозащита, фасад с вентилируемым воздушным зазором

Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором

Часть 1

В. Г. Гагарин, доктор техн. наук;

В. В. Козлов, НИИСФ;

Е. Ю. Цыкановский, канд. техн. наук, ООО «ДИАТ-2000»

Введение

Ограждающие конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками давно использовались при строительстве зданий.

Применение вентилируемых воздушных прослоек имело одну из следующих целей:

- нормализацию влажностного режима ограждающих конструкций, которые в силу особенностей их эксплуатации характеризовались повышенным влагонакоплением (например, стены производственных зданий с мокрым режимом);

- предотвращение перегрева конструкций солнечной радиацией (например, совмещенные покрытия);

- защиту конструкций от увлажнения атмосферной влагой (косыми дождями).

Теплофизические свойства вентилируемых воздушных прослоек и их влияние на температурно-влажностный режим ограждающих конструкций многократно исследовались в указанных направлениях. Этой тематике были посвящены работы В. Д. Мачинского, К. Ф. Фокина, В. Н. Богословского, Ю. А. Табунщикова, Н. Н. Щербака, В. И. Лукьянова и многих других специалистов по строительной теплофизике.

Введение повышенных требований к теплозащите ограждающих конструкций привело к резкому снижению, а в некоторых регионах и к полному прекращению строительства зданий со стенами традиционных для нашей страны конструкций. К таким конструкциям относятся однослойные стены из кирпичной кладки, легкобетонных панелей и блоков, бревен и бруса. Расчетное сопротивление теплопередаче этих конструкций составляет от 0,8 до 1,4 м²•°С/Вт. Очевидно, что современных нормируемых значений сопротивлений теплопередаче, достигающих 5,6 м²•°С/Вт, традиционные конструкции стен обеспечить не смогут. В связи с этим в настоящее время широко применяются многослойные ограждающие конструкции с использованием эффективных теплоизоляционных материалов. К новым конструкциям относятся фасады (или стены) с вентилируемым воздушным зазором.

Основными элементами конструкции стены с вентилируемым воздушным зазором являются (рис. 1): конструкционный слой (далее называемый стеной или основанием), слой теплоизоляции, подконструкция1 для крепления облицовочного слоя и сам облицовочный слой.

Рисунок 1. (подробнее)

Конструкция стены с вентилируемым воздушным зазором. Направляющие расположены вертикально

Подконструкция состоит из кронштейнов, направляющих, элементов крепления облицовки. Различные системы фасадов с вентилируемым воздушным зазором отличаются конструктивными особенностями элементов подконструкции. В частности, подконструкции выполняются с вертикальными, горизонтальными или совмещенными направляющими. На рис. 2 представлена подконструкция с совмещенным расположением направляющих. Известно много видов кронштейнов, они производятся из алюминия (рис. 3), стали (рис. 4) и коррозионно-стойкой стали (рис. 5) и отличаются размерами. Площадь поперечного сечения кронштейнов характеризует их свойство как теплопроводного включения.

Рисунок 2. (подробнее)

Монтаж фасада с вентилируемым воздушным зазором. Подконструкция с вертикальными и горизонтальными направляющими (смешанное расположение направляющих)

Основная цель, с которой в настоящее время применяются фасады с вентилируемым воздушным зазором, — повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий с нормальным температурно-влажностным режимом до уровня нормативных требований. Основными отличиями фасадов с вентилируемым воздушным зазором от давно известных стен с вентилируемой воздушной прослойкой является наличие в зазоре мощного теплоизоляционного слоя, металлической подконструкции и облицовочного слоя, определяющего архитектурный облик здания. Если стены с вентилируемой воздушной прослойкой применялись в малоэтажных зданиях, то фасады с вентилируемым воздушным зазором применяются и в многоэтажных зданиях высотой в десятки метров, что также определяет специфику их теплофизических свойств.

Рисунок 3. (подробнее)

Кронштейны, выполненные из алюминия

Размеры поперечного сечения, мм:

а) П-образный: 2x300x2,5; S = 15 см²;

б) П-образный: 2x60x3,0; S = 3,60 см²;

в) Г-образный: 250x3,7; S = 9,25 см²;

г) Г-образный: 150x3,7; S = 5,55 см²;

д) Г-образный: 80x3,7; S = 3,00 см²;

е) Г-образный: 160x3,85; S = 6,16 см²;

ж) Г-образный: 80x3,85; S = 3,08 см²;

з) Г-образный: 60x3,0; S = 1,80 см²

Несмотря на то что в Москве такие конструкции применяются около 10 лет, а в странах Западной Европы еще дольше, они изучены недостаточно, хотя в настоящее время имеется несколько интересных исследований и методик расчета: Р. Батинича [1], В. А. Езерского и П. В. Монастырева [2], разработки ЦНИИЭПжилища [3] и др. При обосновании проектных решений негласно считается, что фасады почти не имеют теплофизических проблем и нормативные требования по теплозащите легко выполняются. Например, при расчетах сопротивления теплопередаче часто принимают значение коэффициента теплотехнической однородности равным 0,9. Между тем конструкция насыщена металлическими деталями в сочетании с эффективным теплоизоляционным материалом, процесс теплопередачи осложнен лучистым и конвективным теплообменом в зазоре, поэтому принимаемое значение коэффициента теплотехнической однородности должно определяться на основании теплотехнического расчета.

Рисунок 4. (подробнее)

Кронштейны, выполненные из стали с антикоррозионной защитой

Размеры поперечного сечения, мм:

а) 140x1,5; S = 2,1 см²;

б) 110x1,5; S = 1,65 см²;

в) 70x1,75; S = 1,23 см²;

г) 60x1,2; S = 0,72 см²

Настоящая статья посвящена вопросам расчета характеристик теплозащиты в зависимости от конструктивных параметров фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Другие, не менее важные теплофизические проблемы этих конструкций (влажностный режим, фильтрация воздуха в теплоизоляционном слое и т. д.) в статье не рассматриваются.

Рисунок 5. (подробнее)

Кронштейны, выполненные из коррозионно-стойкой стали

Размеры поперечного сечения, мм:

а) 115x1,2; S =1 ,38 см²;

б) 90x1,2; S = 1,08 см²

Характеристики теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором

Основной характеристикой теплозащиты ограждающих конструкций является приведенное сопротивление теплопередаче, R_о^пр. На стадии проектирования эта характеристика является расчетной и определяется уравнением (10) СНиП II-3-79* [4]. Фасады с облицовкой на относе имеют более сложную картину теплопередачи, чем та, которая описана в СНиП II-3-79* формулой (10). Имеется как минимум два участка с различной природой теплопереноса, которые приходится рассчитывать отдельно. Поэтому представляется целесообразным закрепить в базовом уравнении двухкомпонентность переноса теплоты:

(1)

Первое слагаемое в правой части формулы (1) описывает теплопередачу через стену с утеплителем, второе слагаемое — через воздушный зазор и облицовку. В случае отсутствия облицовки на относе и воздушного зазора второе слагаемое исчезает и остается привычная для специалистов формула R_о^пр = R_о^усл•r. Сопротивление теплопередаче по глади конструкции, R_о^усл, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/a_в) и наружной (равное 1/a_н) поверхностей.

В строгом смысле R^эф_зазора нельзя назвать термическим сопротивлением. Однако для упрощения описания целесообразно соблюдать единообразие записей членов уравнения (1). Поэтому влияние воздушного зазора на теплопередачу через конструкцию формально обозначается термином «эффективное термическое сопротивление воздушного зазора».

Уравнение (1) определяет направление и характер всех дальнейших расчетов, поэтому его выбор важен для простоты описания и точности расчетов.

Возможен и другой выбор уравнения (1). Например, можно с некоторыми предположениями преобразовать уравнение (10) СНиП II-3-79* таким образом:

(2)

Температура воздуха в воздушном зазоре, t_заз, может изменяться с высотой — чем больше высота участка стены, тем выше будет значение t_заз. Параметр R^пр_СНиП является характеристикой конструкции и не зависит от высоты расположения участка стены. Поскольку с высотой будет изменяться значение t_заз, то плотность потока теплоты через конструкцию, q, также будет изменяться, а значит и значение R_о^пр будет меняться.

При разработке методики расчета теплозащитных характеристик фасадов было выявлено, что форма уравнения (2) менее удобна, чем (1). Уравнение (2) определяет используемые далее понятия R^пр_{о. констр.} и R^про_{о.
обл.}. Характеристика R^пр_{о.констр.} в уравнении (2) отличается от характеристики R^пр_СНиП в уравнении (1) тем, что в первой используется 1/a_заз, а во второй — как и предусмотрено СНиП — 1/a_н. Следовательно, характеристика R^пр_СНиП не зависит от параметров воздушного зазора и облицовки, в то время как R^пр_{о. констр.} — зависит.

Анализ процесса теплопередачи в воздушном зазоре позволяет получить при помощи уравнений (1) и (2) формулу для расчета R^эф_зазора :

(3)

Является закономерным вопрос, какой из параметров R_о^пр, R^пр_{о. констр.} или R^пр_СНиП считать характеристикой конструкции фасада при проведении расчетов?

Представляется, что в качестве характеристики конкретной системы фасада с вентилируемым воздушным зазором, при сравнении этих систем и в других подобных случаях, целесообразно использовать R^пр_СНиП. При расчете энергоэффективности здания следует использовать значение R_о^пр, осредненное по всей высоте непрерывного воздушного зазора. Такая характеристика фасада обозначается в дальнейшем R^пр_ср. Рассчитывать R^пр_ср следует при средней температуре отопительного периода.

Такой подход позволит максимально учесть процессы теплопередачи, происходящие в конструкции.

Из представленных положений вытекает необходимость расчета теплопередачи в воздушном зазоре, эффективного термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, и коэффициента теплотехнической однородности, r.

Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре

Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре производится в предположении, что известна скорость движения воздуха в зазоре.

Температура воздуха в воздушном зазоре зависит от геометрических параметров прослойки и теплотехнических характеристик стены и фасада. Зависит она также и от погодных условий: температуры воздуха, направления и скорости ветра. Значение t_заз зависит от высоты (изменяется с расстоянием от значения t_н у входа в зазор до предельного значения температуры воздуха в зазоре, которое соответствует неподвижному воздуху), т. е. чем выше (дальше от входа в зазор) расположен участок стены здания, тем выше значение t_заз и тем больше (ближе к своему пределу) значение R_о^пр. Для рассматриваемой задачи важно расчетное значение t_заз при некоторых заранее оговоренных условиях.

Пусть скорость движения воздуха в прослойке составляет v м/с. Подход, использованный В. Н. Богословским [5] при рассмотрении баланса теплоты для элементарного объема воздуха в зазоре, приводит к дифференциальному уравнению:

(4)

Выражение в правой части уравнения представляет собой предельную температуру воздуха в зазоре и обозначается t₀. Коэффициент при производной обозначается символом x₀, его физический смысл будет прояснен ниже.

(5)

С учетом этих обозначений уравнение (4) принимает вид:

(6)

Естественным начальным условием для данной задачи будет: t_заз = t_н при x = 0. При этом решение уравнения (6) имеет вид:

(7)

Если t_н — начальная температура воздуха на входе в зазор, то величина (t₀ — t_н) является по своему физическому смыслу предельным отклонением температуры воздуха в вентилируемом зазоре от своего начального значения. Из формулы (7) следует, что по мере увеличения x значение t_заз стремится к значению t₀. Кроме того, величина x₀ — это высота, на которой разность температур (t₀ — t_заз) становится меньше своего предельного значения (t_н — t₀) в е раз. На рис. 6 приведены графики изменения температуры по высоте воздушного зазора при различных скоростях движения воздуха в зазоре. В данном примере принято t_н = –28 °С. Значение t₀ не явно зависит от a_заз, а значит и от скорости движения воздуха в зазоре и составляет от –25,3 °С для v = 0,1 м/с до –26,1 °С для v = 2 м/с. На рис. 6 видно, что при малых скоростях движения воздуха температура в зазоре становится практически равной своему предельному значению на малых высотах. При увеличении скорости возрастает и соответствующая высота.

Рисунок 6. (подробнее)

Изменение температуры по высоте воздушного зазора при различных скоростях движения воздуха

Средняя температура воздуха в зазоре при высоте фасада L определяется интегрированием полученной формулы (7):

(8)

Приведенные выше выкладки делались в предположении, что скорость движения воздуха известна. Чтобы найти скорость движения воздуха, приходится сделать обратное предположение, что известна средняя температура воздуха в зазоре.

При этом скорость движения воздуха будет описываться формулой:

(9)

Скоростью движения воздуха в воздушном зазоре под действием ветрового напора чаще всего пренебрегают, т. к. она имеет случайный, переменчивый характер и действует локально. Ее приходится учитывать только для задач, связанных с фильтрацией воздуха через утеплитель.

Совместное решение задач нахождения скорости и средней температуры воздуха в зазоре позволяет приближенно определить эти параметры.

Совместный расчет температуры и скорости движения воздуха в воздушном зазоре

Решение рассмотренных уравнений позволяет получить приближенное описание воздушно-теплового режима в зазоре. Благодаря разрывам в облицовке (зазорам между плитками) температура и скорость движения воздуха будут отклоняться от своего среднего значения по высоте вентилируемого зазора. Несмотря на недостатки метода расчета, основанного на приведенных уравнениях, он позволяет установить взаимосвязь основных характеристик теплового режима вентилируемого воздушного зазора.

Расчет тепломассообмена в вентилируемом воздушном зазоре является сложной задачей. Между поверхностями облицовки и теплоизоляции осуществляется лучистый теплообмен с коэффициентом лучистого теплообмена, зависящим от температуры. Конвективный теплообмен осуществляется между воздухом в зазоре и элементами конструкции. Коэффициенты конвективного теплообмена зависят от скорости движения воздуха, температуры воздуха и элементов конструкции. Скорость движения воздуха в зазоре, в свою очередь, зависит от его средней температуры по формуле (9). А расчет температуры по формулам (7) и (8) предполагает знание скорости движения воздуха и коэффициентов теплообмена в воздушном зазоре. Нелинейная взаимосвязь параметров, включающая эмпирические уравнения, не позволяет получить расчетные формулы для их определения. Поэтому расчет температуры воздуха и других параметров в воздушном зазоре следует проводить численно итерационным методом. В результате такого расчета определяются температура, скорость движения воздуха и другие параметры тепломассообмена в зазоре.

Представляет интерес анализ влияния различных факторов на максимальную скорость движения воздуха в зазоре. Если известна скорость, то температуру воздуха можно рассчитать по формулам (7) и (8).

Расчеты проводились при следующих значениях параметров фасада и значениях температуры:

- термическое сопротивление стены (от внутреннего воздуха до поверхности теплоизоляционного слоя в зазоре, без учета сопротивления теплоотдаче в зазоре) — 3,4 м²•°С/Вт;

- термическое сопротивление облицовки (от наружного воздуха до поверхности облицовки в зазоре, тоже без учета сопротивления теплоотдаче в зазоре) — 0,06 м²•°С /Вт;

- толщина воздушного зазора — 0,06 м;

- высота фасада с зазором — 10 м;

- температура внутреннего воздуха — 20 °С;

- температура наружного воздуха — –20 °С.

В случае изменения какого-либо параметра при проведении расчетов его значения указаны на графике.

	Рисунок 7. (подробнее) Зависимость максимальной скорости движения воздуха в зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях термических сопротивлений стены с утеплителем
	Рисунок 8. (подробнее) Зависимость скорости воздуха в воздушном зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях ширины зазора d
	Рисунок 9. (подробнее) Зависимость термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, от температуры наружного воздуха при различных значениях термического сопротивления стены, R^пр_{терм. констр.}
	Рисунок 10. (подробнее) Зависимость эффективного термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, от ширины зазора, d, при различных значениях высоты фасада, L

На рис. 7 представлены зависимости максимальной скорости воздуха в воздушном зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, R^пр_{терм.
констр.}, а на рис. 8 — при различных значениях ширины зазора d.

Во всех случаях скорость воздуха возрастает со снижением температуры наружного воздуха. Увеличение высоты фасада в два раза приводит к незначительному повышению скорости воздуха. Снижение термического сопротивления стены приводит к повышению скорости воздуха, это объясняется увеличением потока теплоты, а значит и температурного перепада в зазоре. Ширина зазора существенно влияет на скорость воздуха, при уменьшении значений d скорость воздуха снижается, что объясняется повышением сопротивления.

Таблица (подробнее)

Экспериментально определенные скорости движения воздуха в воздушном зазоре (по данным [6], с несущественными сокращениями)

На рис. 9 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, R^пр_{терм. констр.}.

Прежде всего, следует отметить слабую зависимость R^эф_зазора от температуры наружного воздуха. Это легко объяснимо, т. к. разность температуры воздуха в зазоре и температуры наружного воздуха и разность температуры внутреннего воздуха и температуры воздуха в зазоре изменяются практически пропорционально при изменении t_н, поэтому их отношение, входящее в (3), почти не меняется. Так, при понижении t_н от 0 до –40 °С R^эф_зазора снижается от 0,17 до 0,159 м²•°С/Вт. Несущественно зависит R^эф_зазора и от термического сопротивления облицовки, при увеличении R^пр_{терм.
обл.} от 0,06 до 0,14 м²•°С/Вт значение R^эф_зазора изменяется от 0,162 до 0,174 м²•°С/Вт. Этот пример показывает неэффективность утепления облицовки фасада. Изменения значения эффективного термического сопротивления воздушного зазора в зависимости от температуры наружного воздуха и от термического сопротивления облицовки являются несущественными для практического их учета.

На рис. 10 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, от ширины зазора, d, при различных значениях высоты фасада. Зависимость R^эф_зазора от ширины зазора выражена наиболее отчетливо — при снижении толщины зазора значение R^эф_зазора возрастает. Это связано с уменьшением высоты установления температуры в зазоре x₀ и, соответственно, с повышением средней температуры воздуха в зазоре (рис. 8 и 6). Если для других параметров зависимость слабая, т. к. происходит наложение различных процессов частично гасящих друг друга, то в данном случае этого нет — чем тоньше зазор, тем быстрей он прогревается, и чем медленнее движется воздух в зазоре, тем быстрей он нагревается.

Вообще наибольшее значение R^эф_зазора может быть достигнуто при минимальном значении d, максимальном значении L, максимальном значении R^пр_{терм. констр.}. Так, при d = 0,02 м, L = 20 м, R^пр_{терм.
констр.} = 3,4 м²•°С/Вт вычисленное значение R^эф_зазора составляет 0,24 м²•°С/Вт.

Для расчета теплопотерь через ограждение большее значение имеет относительное влияние эффективного термического сопротивления воздушного зазора, т. к. оно определяет насколько уменьшатся теплопотери. Несмотря на то что наибольшее абсолютное значение R^эф_зазора достигается при максимальном R^пр_{терм. констр.}, наибольшее влияние эффективное термическое сопротивление воздушного зазора на теплопотери оказывает при минимальном значении R^пр_{терм. констр.}. Так, при R^пр_{терм. констр.} = = 1 м²•°С/Вт и t_н = 0 °С благодаря воздушному зазору теплопотери снижаются на 14 %.

При горизонтально расположенных направляющих, к которым крепятся облицовочные элементы, при проведении расчетов ширину воздушного зазора целесообразно принимать равной наименьшему расстоянию между направляющими и поверхностью теплоизоляции, т. к. эти участки определяют сопротивление движению воздуха (рис. 11).

Рисунок 11. (подробнее)

Фрагмент стены с горизонтально расположенными направляющими

Как показали проведенные расчеты, скорость движения воздуха в зазоре невелика и составляет менее 1 м/с. Разумность принятой модели расчета косвенно подтверждается литературными данными. Так, в работе [6] приведен краткий обзор результатов экспериментальных определений скорости воздуха в воздушных зазорах различных фасадов (см. табл.). К сожалению, содержащиеся в статье данные неполны и не позволяют установить все характеристики фасадов. Однако они показывают, что скорость воздуха в зазоре близка к значениям, полученным описанными выше расчетами.

Представленный метод расчета температуры, скорости движения воздуха и других параметров в воздушном зазоре позволяет оценивать эффективность того или иного конструктивного мероприятия с точки зрения повышения эксплуатационных свойств фасада. Этот метод можно усовершенствовать, прежде всего, это должно относиться к учету влияния зазоров между облицовочными плитами. Как следует из результатов расчетов и приведенных в литературе экспериментальных данных, это усовершенствование не окажет большого влияния на приведенное сопротивление конструкции, однако оно может оказать влияние на другие параметры.

Литература

1. Батинич Р. Вентилируемые фасады зданий: Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях / Сб. докл. IV науч.-практ. конф. М.: НИИСФ, 1999.

2. Езерский В. А., Монастырев П. В. Крепежный каркас вентилируемого фасада и температурное поле наружной стены // Жилищное строительство. 2003. № 10.

3. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий. М.: Москомархитектура, 2002.

4. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 1998.

5. Богословский В. Н. Тепловой режим здания. М., 1979.

6. Sedlbauer K., Kunzel H. M. Luftkonvektions einflusse auf den Warmedurchgang von belufteten Fassaden mit Mineralwolledammung // WKSB. 1999. Jg. 44. H.43.

Продолжение следует.

Список обозначений

с_в = 1 005 Дж/(кг•°С) — удельная теплоемкость воздуха

d — ширина воздушного зазора, м

L — высота фасада с вентилируемым зазором, м

n_к — среднее количество кронштейнов, приходящихся на м² стены, м–1

R^пр_{о. констр.}, R^пр_{о. обл.} — приведенные сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутренней поверхности до воздушного зазора и от воздушного зазора до наружной поверхности конструкции соответственно, м²•°С/Вт

R_о^пр — приведенное сопротивление теплопередаче всей конструкции, м²•°С/Вт

R^усл_{о. констр.} — сопротивление теплопередаче по глади конструкции (без учета теплопроводных включений), м²•°С/Вт

R^усл_о — сопротивление теплопередаче по глади конструкции, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/aв) и наружной (равное 1/aн) поверхностей

R^пр_СНиП — приведенное сопротивление теплопередаче конструкции стены с утеплителем, определяемое в соответствии со СНиП II-3-79*, м²•°С/Вт

R^пр_{терм. констр.} — термическое сопротивление стены с утеплителем (от внутреннего воздуха до поверхности утеплителя в воздушном зазоре), м²•°С/Вт

R^эф_зазора — эффективное термическое сопротивление воздушного зазора, м²•°С/Вт

Q_н — рассчитанный поток теплоты через неоднородную конструкцию, Вт

Q₀ — поток теплоты через однородную конструкцию той же площади, Вт

q — плотность потока теплоты через конструкцию, Вт/м²

q₀ — плотность потока теплоты через однородную конструкцию, Вт/м²

r — коэффициент теплотехнической однородности

S — площадь сечения кронштейна, м²

t — температура, °С

t_в, t_н — температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, °С

t_заз — температура воздуха в воздушном зазоре, °С