6 Июль 2016

 

В.Г. ГАГАРИН, д-р техн. наук, В.В. КОЗЛОВ, научн. сотрудник,
НИИ строительной физики (Москва)

 

Ограждающие конструкции с вентилируемыми воздушными прослойками давно использовались при строительстве зданий. Они применялись для нормализации влажностного режима или для снижения перегрева от солнечной радиации, поэтому их теплофизические свойства исследовались с этих точек зрения в работах советских теплофизиков. Основным отличием 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. Кроме того, фасады с вентилируемым воздушным зазором применяются в многоэтажных зданиях высотой в десятки метров, что также определяет специфику их теплофизических свойств.

 

Фасады с вентилируемым воздушным зазором следовало бы применять в первую очередь для достижения архитектурных целей. Однако основная цель, которой обосновывается в настоящее время их применение, — повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий с нормальным температурно-влажностным режимом до уровня нормативных требований, введенных изменением № 3 СНиП II-3—79*. Следовательно, характеристики теплозащиты должны рассчитываться и контролироваться в первую очередь. Однако такие расчеты часто проводятся весьма приближенно или не проводятся совсем, несмотря на насыщенность конструкции теплопроводными включениями.

 

Известные методы расчетов не учитывают такого количества теплопроводных включений. Поэтому для анализа теплозащитных свойств фасадов с вентилируемым воздушным зазором эти методы должны быть модифицированы.

 

Основной характеристикой теплозащиты ограждающих конструкций является приведенное сопротивление теплопередаче (Rnpo). На стадии проектирования эта характеристика является расчетной и определяется уравнением (10) из СНиП II-3—79* [1]:

где tв, tн – температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, оС; q – плотность потока теплоты через конструкцию, Вт/м2.

Фасады с облицовкой на относе имеют более сложную картину теплопередачи, чем предусмотрена в
СНиП II3–79* этой формулой. Имеются два участка с различной природой теплопереноса, которые приходится рассчитывать отдельно. Поэтому представляется целесообразным закрепить в базовом уравнении двухкомпонентность переноса теплоты:

где RпрСНиП – приведенное сопротивление теплопередаче конструкции стены с утеплителем, определяемое в соответствии со СНиП II3–79* (без учета воздушного зазора), м2оС/Вт; r – коэффициент теплотехнической однородности конструкции; Rэфзазора – эффективное сопротивление теплопередаче воздушного зазора, м2оC/Вт.
Первое слагаемое в правой части формулы (2) описывает теплопередачу через стену с утеплителем с теплопроводными включениями, второе слагаемое – через воздушный зазор и облицовку. В случае отсутствия облицовки на относе и воздушного зазора второе слагаемое исчезает и из (2) получается привычная для специалистов формула:

Важно отметить, что в RпрСНиП по формуле (3) учитывается αн, принимаемое по СНиП II3–79*, а не расчетное значение коэффициента теплоотдачи поверхностей в зазоре αзаз, которое должно было бы учитываться при расчете сопротивления теплопередаче стены с утеплителем. Так сделано для того, чтобы величина RпрСНиП полностью совпадала с расчетной величиной, определяемой по СНиП II3–79*. Эффект от снижения αзаз по сравнению с αн учитывается при расчете Rэфзазора.

 

Величина Rэфзазора изменяется по высоте зазора. Анализ процессов теплопередачи в воздушном зазоре позволил получить формулу для расчета Rэфзазора:

где αзаз – коэффициент теплообмена в воздушном зазоре, Вт/(м2оC); tзаз – температура воздуха в воздушном зазоре, оС.

 

Поскольку в настоящее время сопротивление теплопередаче нормируется исходя из требований энергосбережения, то при расчете энергоэффективности здания следует использовать значение Rnpo, определяемое по формуле (2) и усредненное по всей высоте непрерывного воздушного зазора. Такая характеристика фасада обозначается в дальнейшем Rnpcp.

 

Рассчитывать ее следует при средней температуре отопительного периода. Такой подход позволит максимально учесть процессы теплопередачи, происходящие в конструкции.


Количество кронштейнов, приходящихся на 1 м2

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплотехнической однородности
от количества кронштейнов, приходящихся на 1 м2 фасада. Площадь поперечного сечения кронштейна 2 см2


Площадь поперечного сечения кронштейнов, см2
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплотехнической однородности от площади поперечного сечения кронштейнов. Количество кронштейнов на 1 м2 фасада равно 2

sm07_04-12
Рис. 3. Зависимость эффективного термического сопротивления воздушного зазора Rэфзазора от ширины зазора d при различной высоте фасада L

 

Для расчета приведенного сопротивления теплопередаче конструкции Rnp СНиП необходимо знать два параметра: Яусл о и r. Расчет Rycло для части конструкции без воздушного зазора хорошо известен. Расчет коэффициента теплотехнической однородности части конструкции r имеет ряд особенностей. Методика такого расчета должна учитывать многообразие форм кронштейнов, применяемых в различных системах, их количество, подконструкции, расположенные в зазоре, и облицовку.

 

Теоретически такая задача решается расчетом трехмерного температурного поля. Однако даже в этом случае учесть все факторы не представляется возможным: сложная форма кронштейна, разнообразные вставки, клепки, болты, направляющие, кляммеры настолько усложняют расчетную схему, что для систематического решения практических задач она становится непригодной. Наиболее значительным упрощением при решении данной задачи является отказ от внесения в расчетную схему сложных элементов (кляммеров, направляющих, плит облицовки) и учет их влияния граничными условиями. Вторым упрощением является переход к цилиндрическим координатам [2].

 

Для иллюстрации возможностей методики определим влияние некоторых факторов на коэффициент теплотехнической однородности конструкции. Рассмотрим следующую конструкцию: стена из материала с коэффициентом теплопроводности λк = 0,81 Вт/(моС) и толщиной δк = 0,25 м (соответствует кладке из полнотелого керамического кирпича), слой теплоизоляции толщиной δу = 0,15 м из материала с коэффициентом теплопроводности λу = 0,05 Вт/(мoС) (примерно соответствует минераловатным плитам). Другие параметры варьировались при проведении расчетов. Сопротивление теплопередаче по глади рассматриваемой конструкции составляет 3,53 мС/Вт. Критическое значение коэффициента теплотехнической однородности, ниже которого приведенное сопротивление теплопередаче конструкции менее 2,68 мС/Вт (требуемое значение для административных зданий в Москве по табл. 1б СНиП II-3—79*), составляет rкр = 0,76.

 

На рис. 1 представлены результаты расчетов коэффициентов теплотехнической однородности при изменении количества кронштейнов, приходящихся на 1 м2 фасада. Площадь поперечного сечения кронштейна принята равной 2 см2. Количество кронштейнов пк существенно влияет на значение r: при увеличении пк от 1 до 4 величина r снижается с 0,93 до 0,76 в случае выполнения кронштейнов из стали и с 0,83 до 0,56, если кронштейны выполнены из алюминия. В действительности величина пк вряд ли будет ниже 1,5—2, а в большинстве случаев пк будет более 3. В таких случаях значение r будет менее 0,8, если кронштейны выполнены из стали, и менее 0,6, если кронштейны выполнены из алюминия.

 

Из других параметров, влияющих на значение коэффициента теплотехнической однородности, наиболее значимым является площадь поперечного сечения кронштейнов. На рис. 2 представлены результаты расчетов при изменении площади поперечного сечения кронштейнов. При этом количество кронштейнов, приходящихся на 1 м2 фасада, принято равным пк = 2.

 

Для расчета Rэф зазора необходимо проводить совместный расчет температуры и скорости движения воздуха в зазоре. Расчет тепломассообмена в вентилируемом воздушном зазоре является сложной задачей. Между поверхностями облицовки и теплоизоляции осуществляется лучистый теплообмен с зависящим от температуры коэффициентом. Конвективный теплообмен осуществляется между воздухом в зазоре и элементами конструкции, коэффициенты которых зависят от скорости движения воздуха, температуры воздуха и элементов конструкции. Скорость движения воздуха в зазоре, в свою очередь, зависит от его средней температуры. А расчет температуры предполагает знание скорости движения воздуха и коэффициентов теплообмена в воздушном зазоре. Нелинейная взаимосвязь расчетных параметров, включающая эмпирические уравнения, не позволяет получить их расчетные формулы. Поэтому расчет температуры воздуха и других параметров в воздушном зазоре следует проводить численно итерационным методом. В результате такого расчета определяется температура, скорость движения воздуха и другие параметры тепломассообмена в зазоре.

 

Кратко эта методика описана в [2]. Расчет по ней позволяет получить зависимости Rэф зазора от различных параметров. Например, на рис. 3 представлена такая зависимость от ширины воздушного зазора при различных значениях высоты фасада. Из рисунка видно, что значение Rэф зазора не превышает 0,25 м2.оС/Вт. В некоторых случаях это добавление к сопротивлению теплопередаче конструкции может оказаться значимым, поскольку поможет удовлетворить требования по энергосбережению.

 

Таким образом, теплозащитные свойства фасадов с вентилируемым воздушным зазором зависят не только от толщины применяемого теплоизоляционного материала и его теплопроводности, но и от ряда других параметров, из которых являются определяющими количество кронштейнов и их материал.

 

При проектировании фасадов необходимо проводить достаточно полные расчеты теплозащитных характеристик конструкций для объективной оценки используемых систем. Это будет способствовать техническому совершенствованию систем фасадов с вентилируемым воздушным зазором и удовлетворению требуемых норм теплозащиты.

 

Список литературы

  1. СНиП II-3—79*. Нормы проектирования. Ч. II. Строительная теплотехника. М., 1998.
  2. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором // Журнал АВОК. 2004. № 2, 3.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»