размер воздушного зазора в вентилируемых фасадах
Размер воздушного зазора в вентилируемых фасадах
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ С ВЕНТИЛИРУЕМЫМ ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ ДЛЯ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕКОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ
1. РАЗРАБОТАНЫ: Центральным научно-исследовательским и проектным институтом жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища).
2. ПОДГОТОВЛЕНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ И ИЗДАНИЮ Управлением перспективного проектирования и нормативов Москомархитектуры.
3. УТВЕРЖДЕНЫ указанием Москомархитектуры от 18.02.2002 г. N 20.
1. Введение
1.1. Одним из наиболее эффективных способов решения задачи сокращения энергетических затрат на отопление зданий в соответствии с требованиями II этапа энергосбережения СНиП II-3-79* и МГСН 2.01-99 является многослойная конструкция утепления и отделки наружных стен с вентилируемым воздушным зазором между слоем наружной отделки фасада (экраном) и слоем утеплителя, расположенных с внешней стороны несущих конструкций наружной стены. Такие системы утепления и отделки наружных стен и зимой и летом позволяют поддерживать режим теплообмена таким, что это создает достаточно комфортные условия проживания, а во время отопительного сезона позволяет не превышать нормативный расход энергоресурсов на отопление помещений.
1.2. Известно около 20 отечественных и зарубежных систем утепления и отделки наружных ограждений зданий с вентилируемым воздушным зазором, часть из них применяется в г.Москве, в том числе, «Марморок», «Союз «Метроспецстрой», «Техноком» (Интерал), «Каптехнострой» и др. При этом техническими параметрами отдельной системы владеют только предприятия (фирмы)-разработчики этой системы. А у многих проектных организаций, работающих в г.Москве данные необходимые для применения систем наружных ограждений с вентилируемым воздушным зазором, в разрабатываемых проектах отсутствуют.
1.3. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий являются методическим и справочным пособием при разработке проектов наружных ограждений, где применяется фасадная система с вентилируемым воздушным зазором и в соответствии с поставленной задачей, содержат следующие данные:
— технические решения и отличительные особенности систем с вентилируемым воздушным зазором;
— возможности систем по архитектурному оформлению фасадов;
— комплектующие материалы и изделия систем (несущие конструкции, утеплитель, облицовочные фасадные материалы и др.);
— состав исходных данных для проектирования систем;
— определение основных параметров систем;
— прочностные расчеты несущих конструкций систем;
— теплотехнические расчеты систем;
— технико-экономические показатели систем;
— основные положения по производству работ и контролю качества;
— основные положения по эксплуатации систем.
1.4. Методический материал, приводимый в Рекомендациях, базируется на ряде конкретных систем, на примере которых практически могут быть рассмотрены все конструктивные и отделочные элементы, применяемые в системах с вентилируемым воздушным зазором, а также разработаны методики прочностных и теплотехнических расчетов, выполнение которых необходимо при проектировании конкретных объектов.
В настоящих Рекомендациях рассматриваются системы, уже зарекомендовавшие себя в результате их применения в практике строительства, в том числе, в г.Москве, и технические решения которых с необходимыми обоснованиями в настоящее время (сентябрь 2001 г.) рассматриваются в Федеральном центре сертификации Госстроя РФ для оформления Технических свидетельств. К таким системам относятся следующие: «Марморок», «Союз «Метроспецстрой», «Каптехнострой», «Гранитогрес», «Техноком» (Интерал), «Мосрекон-М», «Краспан» и «И-KON».
1.5. Настоящие Рекомендации предназначены для проектных и инвестиционных организаций, работающих в области жилищно-гражданского строительства.
2. Назначение и область применения систем
2.1. Все системы предназначены для наружной отделки и утепления наружных стен жилых и гражданских зданий в соответствии с II этапом энергосбережения СНиП II-3-79* и МГСН 2.01-99, в том числе, для строящихся и реконструируемых зданий в г.Москве. Вместе с тем, все рассматриваемые системы могут применяться только для отделки фасадов зданий без дополнительной теплоизоляции наружных стен.
2.2. Предельная высота зданий, для которой можно применить конкретную систему, и другие ограничения приводятся в соответствующем разделе Приложения к Техническому свидетельству Госстроя РФ на применяемую систему.
3. Конструктивные решения систем
3.1. Принципиальное конструктивное решение всех систем утепления и наружной отделки наружных стен зданий одинаково и заключается в том, что на несущие конструкции наружной стены с внешней стороны устанавливают и фиксируют сплошной слой плит утеплителя и элементы несущего каркаса, посредством которого на стене, с определенным зазором относительно слоя утеплителя, монтируется плитный или листовой отделочный материал (экран). Зазор между экраном и слоем утеплителя необходим для эффективного удаления влаги и паров, мигрирующих из помещений через наружную стену на улицу.
3.2. Отличие между системами заключается в различных способах крепления плит утеплителя на несущих конструкциях наружной стены, в материале и геометрии отдельных элементов несущего каркаса, а также в схеме их расположения на поверхности основания, в выборе отделочных материалов и способе их крепления к несущему каркасу. Кроме того, системы отличаются способами решения архитектурного облика фасада, в том числе, по возможности придания зданиям индивидуальной выразительности.
Отличительные особенности каждой системы будут приводиться в дальнейшем изложении их конструктивных решений.
3.3. В настоящих Рекомендациях используется следующая терминология:
элементы несущего каркаса:
— кронштейны (консоли) крепятся дюбелями и анкерными винтами непосредственно к основанию, наиболее развитый размер этого элемента расположен по нормали от основания, за счет его изменения в основном решается величина, на которую облицовочный слой отнесен от основания, остальные элементы каркаса крепятся к кронштейнам;
3.4. Система «Союз «Метроспецстрой»
Адрес: 103012, Москва, Б.Черкасский пер., д. 4, стр. 2. Тел./факс 921-00-49, тел. 928-81-55.
По проектированию и применению этой системы в 2001 г. выпущены Рекомендации [19]. Здесь приводятся ее основные конструктивные решения и отличительные особенности.
Несущий каркас системы включает кронштейны основные и промежуточные, вертикальные промежуточные профили и горизонтальные профили, к которым крепится облицовочный материал. Все элементы несущего каркаса выполнены из анодированного алюминия, их изготовителем является завод «Металлоконструкция» (г.Видное, Московская область).
В качестве утеплителя применяются минераловатные плиты, которые крепятся к основанию специальными дюбелями. Если применяется утеплитель без кашированной внешней поверхности, его укрывают паропроницаемой влаговетрозащитной пленкой.
Для формирования экрана могут применяться различные отделочные материалы: плиты из природного камня (мрамора или гранита), стеклофибробетона, керамогранита и др. При этом для плит из природного камня используется специальный горизонтальный профиль, вертикальные полки которого входят в пазы, выфрезерованные в верхнем и нижнем торцах облицовочных плит.
Остальные отделочные материалы крепятся к горизонтальному профилю другого сечения с помощью кляммеров из нержавеющей стали или алюминиевых. Конструктивное решение системы показано на рис.3.1-3.3.
В данной системе архитектурный облик фасада создается за счет выбора цвета и фактуры фасадной поверхности, кроме того, пластика фасада может быть достигнута за счет устройства облицовочного слоя на разных расстояниях от основания, а с помощью специального каркаса и облицовочных плит непрямоугольной формы можно создавать на фасаде более сложные архитектурные формы.
3.5. Система «Марморок»
Разработчик и поставщик основных комплектующих деталей ООО «Компания РВМ-2000».
Адрес: 125047, Москва, ул. 4-ая Тверская-Ямская, дом 31. Тел. 250-44-96, факс 251-50-59.
По проектированию и применению этой системы в 2001 г. выпущены Рекомендации [18]. Ее конструктивные решения и основные отличительные особенности следующие.
В системе применяются три вида элементов несущего каркаса: кронштейны, горизонтальные и вертикальные профили, которые выполнены из листовой оцинкованной стали толщиной от 0,55 до 1,5 мм. На полках вертикального профиля с шагом 100 мм выштампованы крючки и полоски для фиксации облицовочных плиток. В отличие от других систем здесь утеплитель надежно закреплен на основании без дюбелей, только элементами несущего каркаса. Выполняется это следующим образом: после установки консолей с шагом по вертикали, равным высоте плит утеплителя к ним крепятся горизонтальные профили, на которые устанавливается горизонтальный ряд плит утеплителя. Если это предусмотрено проектом, плиты утеплителя вместе с горизонтальными профилями покрываются влаговетрозащитной пленкой, после чего на горизонтальные профили с шагом по горизонтали 300 мм крепятся вертикальные профили, окончательно прижимая утеплитель к основанию. В качестве облицовочного материала применяется плитка «Марморок», изготовленная прессованием из каменной крошки на цементном вяжущем и покрытая гидрофобным составом. Плитка, имеющая с задней стороны специальную складку, навешивается на крючки вертикального профиля и фиксируется полоской. Крючки и полоски во время монтажа плиток, отгибаются в рабочее положение. Конструктивное решение системы поясняется рис.3.4 и 3.5.
В этой системе архитектурное решение фасада может быть достигнуто за счет применения облицовочных плиток разного цвета и фактуры, а также сочетанием различных цветов. Могут применяться такие архитектурные детали, как венчающие и промежуточные карнизы, пояски, обрамления окон и дверей, венчающие элементы в виде фиал и шатровых участков крыши. Эти архитектурные детали выполняются преимущественно из оцинкованной листовой стали с полимерным цветным покрытием способом гнутья из предварительно выкроенной заготовки.
3.6. Система «ИНТЕРАЛ»
Адрес: 119530, Москва, пр-д Стройкомбината, дом 5. Тел. 441-22-33, 441-23-22, факс 442-93-73.
Вертикальные профили в этой системе применяются нескольких типов, сечения приводятся на рис.3.7.
В этой системе, также как и в других, в качестве утеплителя применяются минераловатные влагостойкие плиты преимущественно с кашированной поверхностью. Плиты утеплителя и влаговетрозащитная пленка крепятся к основанию специальными дюбелями с широкой тарельчатой шляпкой. Поскольку в приводимых далее системах, кроме системы «Мосрекон», отсутствует специфика, которая может влиять на конструктивное решение слоя утеплителя, далее возвращаться к этому вопросу нет необходимости.
Плиты керамогранита торговых марок «AGROB BUCHTAL», «IMOLA» и др. поставляются размерами 600х600 мм, 600х300 мм и 600х900 мм различных цветов и фактуры.
Многослойные алюминиевые листы с пластиковой или минеральной прослойкой торговых марок «Alucobond», «Reynobond» и «Alpolic», в том числе и с цветным покрытием. Толщина листов 3 мм, 4 мм и 6 мм. Размер поставляемых листов 1100 мм и 1500 мм x 3200 мм.
Кассетные панели из оцинкованной стали или алюминиевых листов с цветным покрытием PVDF или полиэстерным.
Для перечисленных выше облицовочных материалов существуют разные способы их крепления на вертикальных профилях несущего каркаса.
Фибробетонные листы крепятся к полкам вертикальных профилей саморезами или заклепками из оцинкованной стали или алюминиевыми, шляпки которых окрашиваются под цвет фактурного слоя облицовочного материала.
Для крепления в облицовочном материале и полках вертикальных профилей сверлятся отверстия. Конструктивное решение системы показано на рис.3.8 и 3.9.
Крепление плит керамогранита может выполняться двумя способами: с открытым креплением, которое выполняется с помощью кляммеров из нержавеющей стали, укрепленных заклепками на полках вертикального профиля, и со скрытым креплением, для которого к вертикальным профилям дополнительно крепятся специальные горизонтальные профили, а к тыльной стороне плит керамогранита посредством цангового анкера крепятся по 4 кронштейна, которые легко фиксируются на 2-х горизонтальных профилях (рис.3.10).
Многослойные алюминиевые листы можно крепить к вертикальному профилю заклепками так же, как это делается при креплении фибробетонных листов, либо изготовить из листа кассетную панель и крепить невидимым способом к специальным вертикальным профилям П-образного сечения со штифтами (рис.3.11 и 3.12).
При изготовлении кассетных панелей из листа выкраивается заготовка, края которой загибаются, чтобы получить корытообразную панель. В боковых вертикальных стенках панели делаются просечки, посредством которых панель навешивается на втулки, закрепленные в вертикальных профилях.
Архитектурный облик фасада так же, как и в других системах, можно создать за счет подборки нужных облицовочных материалов, их цвета и его сочетаний, кроме того, в этой системе из листовых материалов (многослойные алюминиевые листы, листы из оцинкованной стали и алюминия) можно выкраивать и выгибать различные архитектурные формы.
Фасады – зазоры и регулировка
Содержание [скрыть]
Проектирование современных фасадов требует соблюдения всех технологических норм и параметров, нарушение которых, может привести к уменьшению их срока эксплуатации и даже обрушению конструкции. Особенно это относится к вентилируемым фасадам, где применяется большое количество конструктивных элементов взаимодействующих как с облицовкой так и с несущей конструкцией (стеной, металлокаркасом, фундаментом и т.п.)
Одним из таких параметров является зазор между элементами фасада. Все зазоры в вентилируемых фасадах следует разделить на три группы. Первая – воздушный зазор между утеплителем (стеной для неутепленных фасадов) и внутренней поверхностью облицовочного материала. Вторая – зазор между конструктивными элементам вентфасада (профили, кронштейны, элементы навески, противопожарные отсечки). Третья – зазор между отдельными элементами облицовки (плитами камня, керамогранитной плиткой, металлическими и фиброцементными листами, композитными кассетами и т.д.).
Воздушный зазор в вентфасадах.
Воздушный зазор, который обеспечивает отвод влаги с зоны навесного фасада, является рекомендуемым стандартами значением и может колебаться в пределах от 20 до 100 мм, в зависимости от типа конструкции, наличии или отсутствии теплоизоляции, высоты фасада.
Обычно меньшие значения принимают для так званого прямого монтажа облицовки, когда не используется теплоизоляции и нужно обеспечить минимальный ее вынос от стены. Большие значения принимают для районов с повышенной влажностью и температурой, с целью интенсификации процесса отвода паров влаги. В среднем для стран СНГ оптимальным воздушным зазором является величина 40-50 мм.
Какие последствия могут возникнуть в случае не правильного воздушного зазора в навесном фасаде?
Если зазор менее 20 мм, скорость и объем воздушного потока очень маленькие, и не могут обеспечить эффективного отвода влаги. Кроме того, попадание влаги внутрь такого зазора может привести к его частичной закупорке в случае замерзания, и как следствие, разрушению облицовки.
Если воздушный зазор более 100 мм, возможно образование так называемой воздушной трубы, при которой скорость воздушного потока слишком велика и может привести к выдуванию слоев утеплителя, а также нарушению звукоизоляции здания.
Рекомендуемые размеры воздушного зазора в вентилируемом фасаде с утеплителем (слева) и без утеплителя (справа)
Зазор между конструктивными элементами вентфасада.
Элементы подконструкции практически любого навесного фасада состоят преимущественно из кронштейнов, профилей, крепежа и элементов навески облицовки.
Ограждающие конструкции зданий в процессе эксплуатации являются подвижными в результате усадки, температурных расширений, действия вибрации и т.д. Следовательно, между элементами подконструкции фасада должны соблюдаться определенные зазоры, дабы исключить их деформации и разрушение. Зазор между стыками вертикальных профилей из стали должен быть не менее 3-5 мм, для алюминиевых систем 8-10 мм. Для горизонтально расположенных профилей он немного меньше 2-3 мм для стальных и 5-7 мм для алюминиевых.
Зазор между облицовкой вентфасада.
Расстояние между отдельными плитами, листами или кассетами облицовки, прежде всего, зависит от типа облицовочного материала, его толщины, размеров и условий эксплуатации.
Рекомендуемые значения зазоров для различных видом облицовки с странах СНГ:
— натуральный камень (толщина 20-30 мм): 3-5 мм;
— керамогранит (толщина 8-10 мм): 5-7 мм;
— фиброцемент (толщина 8-10 мм): 8-12 мм;
— листовая сталь (1-2 мм): 7-8 мм;
— листовой алюминий (2-3 мм): 8-10 мм;
— алюмокомпозитные кассеты: 15-20 мм.
Зазоры между элементами облицовки обычно визуально скрывают за счет покраски элементов подконструкции в черный цвет или под цвет облицовочного материала. Для кассет используют техники подвижного скрытого закрепления, при котором визуально зазор не виден.
Зазоры между различными видами облицовки в фасдах
Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором
Часть 1
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 м 2 •°С/Вт. Очевидно, что современных нормируемых значений сопротивлений теплопередаче, достигающих 5,6 м 2 •°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 см 2 ;
б) П-образный: 2x60x3,0; S = 3,60 см 2 ;
в) Г-образный: 250×3,7; S = 9,25 см 2 ;
г) Г-образный: 150×3,7; S = 5,55 см 2 ;
д) Г-образный: 80×3,7; S = 3,00 см 2 ;
е) Г-образный: 160×3,85; S = 6,16 см 2 ;
ж) Г-образный: 80×3,85; S = 3,08 см 2 ;
з) Г-образный: 60×3,0; S = 1,80 см 2
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) 140×1,5; S = 2,1 см 2 ;
б) 110×1,5; S = 1,65 см 2 ;
в) 70×1,75; S = 1,23 см 2 ;
г) 60×1,2; S = 0,72 см 2
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:
б) 90×1,2; S = 1,08 см 2
Характеристики теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором
 | (1) |
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, tзаз, может изменяться с высотой — чем больше высота участка стены, тем выше будет значение tзаз. Параметр R пр СНиП является характеристикой конструкции и не зависит от высоты расположения участка стены. Поскольку с высотой будет изменяться значение tзаз, то плотность потока теплоты через конструкцию, q, также будет изменяться, а значит и значение Rо 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) |
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.
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: tзаз = tн при x = 0. При этом решение уравнения (6) имеет вид:
 | (7) |
Если tн — начальная температура воздуха на входе в зазор, то величина (t0 — tн) 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 tзаз стремится к значению t0. Кроме того, величина x0 — это высота, на которой разность температур (t0 — tзаз) становится меньше своего предельного значения (tн — 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 tн = –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 м 2 •°С/Вт;
— термическое сопротивление облицовки (от наружного воздуха до поверхности облицовки в зазоре, тоже без учета сопротивления теплоотдаче в зазоре) — 0,06 м 2 •°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 tн, поэтому их отношение, входящее в (3), почти не меняется. Так, при понижении tн от 0 до –40 °С R эф зазора снижается от 0,17 до 0,159 м 2 •°С/Вт. Несущественно зависит R эф зазора и от термического сопротивления облицовки, при увеличении R пр терм. обл. от 0,06 до 0,14 м 2 •°С/Вт значение R эф зазора изменяется от 0,162 до 0,174 м 2 •°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 м 2 •°С/Вт вычисленное значение R эф зазора составляет 0,24 м 2 •°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 м 2 •°С/Вт и tн = 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.
| Список обозначений |