А.М. ПРОТАСЕВИЧ, канд. техн. наук, Д.Д. ЯКИМОВИЧ, старший научный сотрудник, А.Б. КРУТИЛИН, инженер, Белорусский национальный технический университет (Минск)
Проектирование теплоизоляции наружных стен зданий с вентилируемым зазором предполагает решение трех основных задач: определение толщины слоя теплоизоляции на основании теплотехнического расчета; определение потока диффундирующей влаги через ограждение и расхода воздуха в воздушном вентилируемом зазоре; определение характеристик вентилируемого зазора на основании расчета аэродинамического режима.
В работах русской (советской) школы теплотехники достаточно полно представлены вопросы расчета наружных стен зданий с размещением вентилируемого зазора как внутри их, так и с внутренней или наружной сторон. Учтены также условия микроклимата помещений зданий, влияющих на условия эксплуатации ограждений. Общий подход к теплотехническому расчету вентилируемых прослоек наружных стен представлен В.Н. Богословским [1].
В то же время есть ряд вопросов, на которые полного ответа нет. К ним, в частности, относится оценка влияния аэродинамического режима в воздушном зазоре на формирование избыточного давления на слой утеплителя; отсутствие характеристик воздухопроницаемости современных изделий из минеральной ваты; отсутствие рекомендаций по проектированию ветрозащиты слоя утеплителя.
Для оценки формирования статического давления в воздушном зазоре с различной конструкцией узлов выхода от ветрового воздействия на испытательном стенде выполнены исследования вентилируемого фасада со сплошным экраном на моделях зданий простой конфигурации.
В экспериментах определялось статическое давление в воздушном зазоре. Для этого в местах выхода воздуха из зазора размещались штуцера отбора, соединенные с микроманометром. Отсчеты по приборам выполнялись фотосистемой. Модели устанавливались на поворотной платформе, что позволяло ориентировать их относительно потока. Исследования проводились при скорости воздуха и = 1,1 и 2,4 м/с.
На рис. 1 представлены величины статических давлений, измеренные у входных и выходных отверстий воздушного зазора двух моделей, отличающихся друг от друга конструкцией узлов выхода воздуха.
Результаты испытаний подтвердили зависимость формирования статического давления в вентилируемом зазоре как от скорости потока воздуха, так и от конфигурации модели; возможность опрокидывания потока воздуха в зазоре на заветренной стороне зданий. Кроме того, исследования показали, что величины статического давления воздуха зависят от конструктивного решения узлов входа и выхода воздуха.
Анализ результатов стендовых испытаний и натурных исследований зданий с вентилируемыми фасадами показал, что существенное влияние на распределение давления по поверхности стены оказывает размещение здания в застройке.
На основании стендовых и натурных исследований предложена схема аэродинамического режима воздушного зазора для установившегося режима движения воздуха в зимний период. На рис. 2 показано формирование величины давления по его высоте при одновременном гравитационном и ветровом воздействиях.
Рис. 2. Схема формирования воздушного режима вентилируемого зазора (tв > tн)
Воздушный зазор толщиной 8 имеет узел входа воздуха площадью живого сечения F1 и узел выхода площадью живого сечения F2. Узлы расположены на расстояниях h2 и h2 от осевой линии. Расстояние между ними h0.
Различие в температуре воздуха по высоте зазора вызывает появление гравитационного давления Ргр. Избыточное гравитационное давление в нижней части воздушного зазора направлено внутрь, а в верхней — наружу.
Ветровой поток создает у нижнего узла входа в зазор избыточное статическое давление:
где С1 и С2 — аэродинамические коэффициенты, определяющие избыточное статическое давление у входа и выхода потока воздуха в зазор в долях от динамического давления прямолинейного ветрового потока; ин — скорость ветра, м/с; р — плотность воздуха, кг/м3.
Характер развития статического давления на наветренной и заветренной сторонах здания можно оценить по эпюрам, полученным при проведении стендовых испытаний на моделях (рис. 1).
Рис. 1. Схемы движения воздуха и величины статических давлений (Р, Па) в зазоре и на поверхности моделей при скоростях υ = 1,1 м/с и 2,1 м/с
Внешнее давление, возникающее у узлов зазора, передается вовнутрь, формируя внутреннее давление, равное:
— потери давления при входе и выходе в зазор; Е1 и Е2 — коэффициенты местных сопротивлений; и1 и и2 — скорости воздуха в узлах, м/с.
Величина давления, возникающего вследствие ветрового напора, определяется как:
Рв = Рв1— Рв2; (4)
полное давление в зазоре с учетом гравитационного давления равно:
Некоторые результаты расчета давлений по предлагаемой методике для систем утепления со сплошным экраном из металлического сайдинга приведены в [2].
Выбор способа ветрозащиты слоя утеплителя требует знания результирующего давления в местах размещения узлов входа и выхода. Определение указанной величины по методике, составленной с учетом описанной выше схемы развития полного давления на входе и выходе, позволяет определить величину градиента давления на рассчитываемом участке.
Поведение теплоизоляционного слоя из минераловатных изделий при воздействии потока воздуха зависит от их воздухопроницаемости. Интенсивность фильтрации воздуха через пористые материалы характеризуется коэффициентами воздухопроницаемости, а защитные качества от фильтрации — величиной сопротивления воздухопроницанию:
где Rie — сопротивление воздухопроницанию материалов, (м2 • с- Па)/кг; in — условные коэффициенты воздухопроницания отдельных слоев материала, кг/(м- с- Па); 8n — толщины слоев материалов, м.
Коэффициенты воздухопроницаемости для волокнистых материалов определены как условные величины, так как структура минеральной ваты практически всегда неравномерна по толщине изделия. Кроме того, коэффициент воздухопроницаемости не является величиной, пропорциональной общей толщине изделий, поскольку фильтрационному потоку оказывают большее сопротивление поверхностные уплотненные слои.
Анализ результатов исследований различных авторов [3—6] показывает их разобщенность, что не позволяет сделать выводы о зависимости коэффициентов воздухопроницаемости минеральной ваты от различных факторов. Поэтому при оценке воздухопроницаемости следует использовать величину сопротивления воздухопроницанию конкретного материала или изделия.
Для оценки ветрозащитных качеств плитных теплоизоляционных материалов проведены экспериментальные исследования их воздухопроницаемости. Одновременно выполнена оценка сопротивления воздухопроницанию образцов утеплителя, составленных из минераловатных изделий разной плотности и назначения.
Для проведения испытаний был создан экспериментальный стенд для образцов с размером 1000×1000 мм и различной толщины. Стенд состоит из камеры с пятью жесткими металлическими стенками, воздуходувки и измерительных приборов. Для плотной установки образцов по контуру камеры размещена рамка из металлического уголка. Результаты определения воздухопроницаемости образцов минеральной ваты приведены в табл. 1.
Таблица 1
|
Минеральная вата |
Плотность р, кг/м3 |
Толщина 8, м |
i ,кг/(мсПа) |
Ri, (м2ч*да*Па)/кг |
| Гомель-1 (Г1) |
69 |
0,059 |
0,00015 |
0,011 |
| Гомель-2 (Г2) |
120 |
0,06 |
0,000071 |
0,023 |
| Гомель-3 (Г3) |
166 |
0,061 |
0,000056 |
0,03 |
| Гомель-4 (Г4) |
170 |
0,065 |
0,000055 |
0,033 |
| Parock IL |
30 |
0,1 |
0,00025 |
0,011 |
| Parock WAS 25t |
90 |
0,03 |
0,000046 |
0,018 |
| Ventirock 8=80 мм |
102 |
0,08 |
0,000071 |
0,031 |
| Ventirock 8=50 мм |
103 |
0,05 |
0,000045 |
0,03 |
| Fasrock |
135 |
0,023 |
0,000031 |
0,021 |
| Parock IL +Parock WAS 25t |
— |
0,13 |
0,00014 |
0,03 |
| Parock IL + Fasrock |
— |
0,123 |
0,00012 |
0,03 |
| Г1 + Parock WAS 25t |
— |
0,089 |
0,000102 |
0,025 |
| Г2 + Parock WAS 25t |
— |
0,09 |
0,000069 |
0,036 |
| Г3 + Parock WAS 25t |
— |
0,091 |
0,000056 |
0,045 |
| Г4 + Parock WAS 25t |
— |
0,095 |
0,000051 |
0,051 |
Анализ результатов исследований показывает, что коэффициент воздухопроницаемости зависит от плотности минеральной ваты, толщины изделий. Плитные изделия из минеральной ваты при большей толщине имеют характеристики хуже, чем изделия меньшей толщины, но с защищенной поверхностью, специально предназначенные для систем утепления с вентилируемым воздушным зазором. В то же время высокое сопротивление воздухопроницанию изделий не исключает фильтрацию воздуха во внутренних слоях утеплителя, а следовательно, интенсификацию переноса теплоты через него.
Движение воздуха вдоль слоя утеплителя, имеющего волокнистую структуру, определяет возможность фильтрации по объему минеральной ваты. Воздух проникает внутрь утеплителя как через поры материала, так и через швы между плитами под совместным действием статического и части динамического давлений вихревого потока. Продольная фильтрация обычно возникает в вертикальных щелях, образованных между основной стеной и неплотно прилегающими к ней плитами утеплителя.
Чтобы оценить влияние фильтрации, необходимо знать градиент давлений по высоте зазора. Следует отметить, что у различных типов вентилируемых фасадов градиент давлений будет различным. Так, вентилируемые фасады с наружной облицовкой плиткой с открытыми швами будут иметь совершенно иное распределение давлений по высоте по сравнению с вентилируемыми фасадами, имеющими возухонепроницаемые экраны, например из металлического сайдинга.
Отсутствие достоверных данных по градиентам давлений определяет необходимость иного подхода к выбору мероприятий по ветрозащите утеплителя.
На основании результатов экспериментальных лабораторных и натурных исследований зазоры по поступлению наружного воздуха предлагается классифицировать на слабо вентилируемые, вентилируемые и интенсивно вентилируемые (табл. 2).
Таблица 2
|
Вид воздушной прослойки |
Суммарная площадь входных и выходных вентиляционных узлов, F0T, мм2/(м2 поверхности стены) |
Защитный экран прослойки |
| Слабо вентилируемая |
F0T < 3000 |
Кладка из кирпича, листовые материалы с воздухопроницаемыми швами |
| Вентилируемая |
3000 < F0T < 12000 |
Из материалов, непроницаемых для воздуха, с отверстиями для входа и выхода воздуха внизу и вверху вентилируемого участка |
| Интенсивновентилируемая |
F0T > 12000 |
Малоформатные плитные материалы с открытыми горизонтальными швами |
Предлагаемая классификация позволяет обозначить требования по ветрозащите слоя утеплителя.
При использовании в наружных стенах со слабо вентилируемым воздушным зазором в качестве утеплителя изделий из минеральной ваты их плотность должна быть ρ > 75 кг/м3, а сопротивление воздухопроницанию Ri > 0,025 (м2⋅с⋅даПа)/кг.
Для стен с вентилируемым воздушным зазором в качестве утеплителя рекомендуются изделия из минеральной ваты р > 120 кг/м3 или изделия, имеющие уплотненную поверхность и специально предназначенные для использования в ограждениях с воздушным зазором. Сопротивление воздухопроницанию слоя утеплителя или ветрозащитного слоя должно быть Ri > 0,03 (м2чдаПа)/кг.
В стенах с интенсивно вентилируемыми воздушными прослойками рекомендуются минераловатные плиты с р > 175 кг/м3. При использовании утеплителя с р < 175 кг/м3 следует предусмотреть защиту его поверхности с использованием паропроницаемых листовых материалов или ветрозащитных пленок и мембран со специальной микроперфорацией или с устройством двухслойного утепления из минеральной ваты с наружным защитным слоем из изделий с р > 175 кг/м3 или меньшей плотности, но имеющих обращенную к потоку воздуха ветрозащитную поверхность.
Исключение фильтрации воздуха в слоях утеплителя путем организации ветрозащиты позволит повысить теплозащитные качества систем наружной теплоизоляции ограждений с вентилируемым воздушным зазором.
Список литературы
- Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа. 1982. 414 с.
- Протасевич А.М., Крутилин А.Б., Якимович Д.Д. Теплоизоляция наружных стен зданий по системе вентилируемый фасад // Жилищное строительство. 2006. № 2. С. 8-13.
- Брилинг Р.Е. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов. М.: Стройиздат. 1948. 120 с.
- Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. М., 1969. 138 с.
- Ильинский В.М. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа. 1974. 318 с.
- Блюджюс Р., Самаяаускас Р. Воздействие движения воздуха на теплопередачу конструкций с теплоизоляцией из минеральных плит // Сб. докладов VI научнопрактической конференции «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». 2001. С. 183-187.
- Езерский В.А., Монастырев П.В. Влияние вентилируемого фасада на теплозащитные качества утеплителя // Жилищное строительство. 2003. № 3. С. 18-20.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»
