О применении легких утеплителей из стекловолокна в конструкциях навесных вентилируемых фасадов

В современной практике наружного утепления стен широкое применение получили конструкции навесных вентилируемых фасадов (НВФ) с вентилируемым зазором и защитно-декоративной облицовкой из листовых или плитных материалов. В качестве теплоизоляционного слоя в этих конструкциях применяются теплоизоляционные материалы из стеклянного штапельного волокна и минеральной ваты.

Вентилируемый воздушный зазор шириной 50–100 мм располагается между наружным облицовочным покрытием и теплоизоляционным слоем. К преимуществам навесных вентилируемых фасадов относят: - наличие защитного экрана (защитно-декоративное покрытие) из листовых или плитных материалов, который предохраняет утеплитель от механических повреждений, атмосферных осадков, воздействия ветра и улучшает внешний вид здания; - наличие вентилируемого зазора, который исключает накопление влаги и улучшает температурно-влажностный режим эксплуатации ограждающих конструкций. Физико-технические свойства используемых теплоизоляционных материалов оказывают определяющее влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций и в значительной степени определяют сравнительную технико-экономическую эффективность различных вариантов утепления зданий.

Основными направлениями повышения качества волокнистых теплоизоляционных материалов является снижение их теплопроводности и объемной массы, улучшение деформативных характеристик и повышение формостабильности, снижение пожароопасности и повышение водостойкости.

Теплотехническая эффективность теплоизоляционных материалов в условиях эксплуатации в конструкциях утепления зданий в значительной степени зависит от конструктивных особенностей системы утепления и интенсивности воздействия эксплуатационных факторов.

В соответствии с требованиями СП 23-102 «Проектирование тепловой защиты зданий» к применению в НВФ рекомендуются волокнистые теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80–90 кг/куб. м. Однако сегодня с учетом современных тенденций в производстве и применении волокнистых тепло-изоляционных материалов более обоснованным (как с технической, так и экономической точек зрения) является применение в НВФ современных теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/куб. м на основе стекловолокна как в сочетании с волокнистыми материалами плотностью 60–80 кг/куб. м, обладающими ветрозащитными свойствами (двухслойный вариант), так и в сочетании с ветрозащитными мембранами (однослойный вариант).

Этот подход реализуется в зарубежной практике строительства, что нашло отражение в СП РК 5.06-19-2005 «Проектирование и монтаж навесных фасадов с воздушным зазором» [2], разработанном в Республике Казахстан с использованием стандартов Германии DIN 18516-1 «Вентилируемая облицовка внешних стен» [3] и ATV DIN 18351 «Выполнение фасадных работ».

Следует отметить, что в конструкциях НВФ теплоизоляционный материал работает как ненагруженная изоляция, где плотность теплоизоляционного материала не является определяющим параметром, а применение в них мягких теплоизоляционных изделий, обладающих достаточной формостабильностью, является технически совершенно обоснованным.

При равной плотности теплоизоляционные изделия из минеральной ваты и стекловаты разных марок и производителей могут значительно отличаться по деформативным характеристикам и теплопроводности.

В качестве основного аргумента, препятствующего применению в НВФ теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/куб. м, рассматривается возможность возникновения продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое, которая по некоторым расчетным оценкам снижает термическое сопротивление конструкции НВФ под воздействием ветра и вызывает дополнительные тепловые потери через стены [1, 2].

Расчет, обосновывающий эту концепцию, выполнен для межоконного простенка с НВФ при толщине теплоизоляционного слоя 0,15 м, средней скорости ветра 10 м/с и коэффициенте воздухопроницаемости теплоизоляционного материала 0,4 кг/(м•час•Па).По результатам расчета для этих условий, увеличение теплового потока через стену, обусловленное продольной фильтрацией воздуха в утеплителе, составляет до 13%. На основании результатов расчета сделано заключение о необходимости учета этого фактора при теплотехническом расчете конструкции НВФ [2].

По нашей оценке, в реальных условиях влияние фактора продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое на теплозащитные свойства конструкции НВФ межоконного простенка является существенно менее значимым, а для других элементов конструкции практически отсутствует. Этот вывод следует из анализа физических закономерностей процесса теплопередачи и фильтрации воздуха в конструкции НВФ.

В расчетной модели рассматривается увеличение теплового потока через стену, обусловленное продольной фильтрацией воздуха через теплоизоляционный слой под воздействием ветрового потока, параллельного наружной поверхности стены:

Q = QФ — Q0 ,(1)

где: Q0 — плотность теплового потока без учета продольной фильтрации, Вт/кв. м; QФ — плотность теплового потока с учетом продольной фильтрации, Вт/кв. м.

Расчет теплового потока выполняется путем численного решения двухмерной задачи стационарной теплопроводности при граничных условиях третьего рода с учетом переноса тепла фильтрацией воздуха через воздухопроницаемый теплоизоляционный слой. Возрастание плотности теплового потока (Q) через стену с НВФ обусловлено увеличением плотности продольного потока воздуха через теплоизоляционный слой под воздействием ветрового давления [2]. Плотность продольного потока воздуха через тепло-изоляционный слой (Gс), входящая в уравнение для расчета увеличения плотности теплового потока (Q), рассчитывается по формуле:

,(2)

где: Р — разность давлений, вызывающая фильтрацию воздуха через рассматриваемый участок конструкции, Па; R — cумма сопротивлений воздухопроницанию всех слоев конструкции, (кв. м•час•Па)/кг; Rо.п. — сопротивление воздухопроницанию облицовочного покрытия, (кв. м•час•Па)/кг; Rв.м. — сопротивление воздухопроницанию ветрозащитной мембраны, (кв. м•час•Па)/кг; i — коэффициент воздухопроницаемости теплоизоляционного материала, кг/(м•час•Па); L — длина участка конструкции, по которому движется воздух, м; Rт.и. — сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя, (кв. м•час•Па)/кг.

Формула (2) показывает, что плотность потока воздуха (Gc) пропорциональна перепаду давлений (P) на входной и выходной (относительно направления ветра) торцевых поверхностях теплоизоляционного слоя и обратно пропорциональна сопротивлению воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (L/i) и его торцевых поверхностей (Rо.п. и Rв.м.), т. е. сопротивлению воздухопроницанию облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны.

Сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (L/i) из стекловаты или минеральной ваты на участке конструкции длиной 1 м (параллельно поверхности стены) по СП 23-101 и данным, полученным в работе 5, может иметь значения ориентировочно от 2 до 40 (кв. м•час•Па)/кг.

Значение этого показателя (Rв.м.) для ветрозащитных мембран при испытаниях по ГОСТ 12088 находится в диапазоне от 3 000 до 10 000 (кв. м•час•Па)/кг. Материалы облицовочного покрытия являются практически воздухонепроницаемыми, однако с учетом воздухопроницаемости швов между элементами покрытия сопротивление воздухопроницанию облицовочного покрытия (Rо.п.) может иметь значения от нескольких сотен до нескольких тысяч (кв. м•час•Па)/кг в зависимости от размеров элементов покрытия и швов между ними.

Таким образом, сопротивление вохдухопроницанию мембраны (Rв.м.) и облицовочного покрытия (Rо.п.) на несколько порядков превышает сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (Rm.и.), т. е.

С учетом этого фактора плотность фильтрационного потока воздуха в теплоизоляционном слое (Gc) полностью определяется сопротивлением воздухопроницанию облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны на торцевых поверхностях теплоизоляционной конструкции и не зависит от воздухопроницаемости теплоизоляционного слоя.

При наличии обоих этих элементов или только облицовочного покрытия плотность фильтрационного потока воздуха стремится к 0, т.е. продольная фильтрация воздуха в этой конструкции практически отсутствует и, соответственно, не влияет на теплотехническую эффективность конструкции НВФ.

Таким образом, плотность потока воздуха через теплоизоляционный слой в конструкции тепловой изоляции межоконного простенка с учетом сопротивления воздухопроницанию облицовочного покрытия боковых оконных откосов и ветрозащитной мембраны имеет значения, близкие к 0.

Следует отметить, что облицовочные покрытия и ветрозащитные мембраны являются неотъемлемыми элементами конструкций НВФ, и рассматривать воздухопроницаемость и теплотехническую эффективность конструкции межоконного простенка без облицовочных покрытий боковых оконных откосов представляется неправомерным. Расчетная модель конструкции, в которой отсутствуют ветрозащитная мембрана и облицовочное покрытие бокового оконного откоса, не отражает физические свойства и конструктивные особенности НВФ. Очевидно, что наличие облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны снижает в 10, 100 и более раз торцевую проницаемость конструкции НВФ и соответственно эффект продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое при воздействии ветрового потока параллельного поверхности стены.

Вопрос о возможной продольной фильтрации воздуха в утеплителе может относиться только к участкам стены с открытыми торцевыми поверхностями теплоизоляционного слоя, расположенными перпендикулярно направлению воздушного потока. Такими участками могут быть межоконные простенки, площадь которых составляет не более 10–20% от общей поверхности стены. Для стены здания с площадью более чем 80% вопрос о продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое НВФ под воздействием ветрового давления практически не актуален, т. к. в конструкции отсутствуют открытые торцевые поверхности теплоизоляционного слоя, расположенные перпендикулярно направлению воздушного потока. Поэтому предполагаемое снижение приведенного термического сопротивления всей стены за счет возможного эффекта продольной фильтрации в межоконных простенках, отнесенное ко всей стене, фактически также стремится к 0.

Аэродинамическое сопротивление канала, по которому движется воздух, прямо пропорционально его длине, поэтому на участках поверхности стен выше и ниже оконных проемов, а также для глухих стен вопрос о продольной фильтрации воздуха в утеплителе тоже не актуален, т. к. их аэродинамическое сопротивление в десятки раз выше сопротивления оконного простенка длиной 1 м. Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить, что гипотетический фактор продольной фильтрации воздуха в утеплителе под воздействием ветрового давления, по нашей оценке, практически отсутствует и не влияет на теплотехническую эффективность стен с навесными вентилируемыми фасадами, а показатель воздухопроницаемости волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/куб. м не является препятствием к их применению в конструкциях НВФ. К аналогичному заключению при рассмотрении данного вопроса пришли специалисты Иccледовательского центра CRIR (Франция).

Наши выводы согласуются также и с результатами экспериментальных исследований, выполненных Государственным институтом исследования строительства (Дания) на натурных фрагментах конструкций НВФ (материал предоставлен компанией ЗАО «Минеральная вата»-ROCKWOOL RUSSIA). Эти исследования показали отсутствие влияния ветрового воздействия на термическое сопротивление НВФ с теплоизоляционным слоем из стекловаты плотностью 13 кг/куб. м и минеральной ваты плотностью 23 кг/куб. м [3].

Как уже было указано выше, теплоизоляционные материалы плотностью 15–20 кг/куб.м рекомендуются для применения в конструкциях НВФ в СП РК 5.06-19-2005, разработанном в Республике Казахстан с использованием стандартов Германии DIN 18516-1 «Вентилируемая облицовка внешних стен» и ATV DIN 18351 «Выполнение фасадных работ».

Применение в фасадных конструкциях теплоизоляционных материалов с более низкой плотностью и достаточной формостабильностью приводит к снижению нагрузки на несущие конструкции и, можно предположить, повышает эксплуатационную надежность и долговечность конструкций НВФ.

Включение в номенклатуру материалов, рекомендуемых для применения в конструкциях НВФ, эффективных волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/куб. м при существующей высокой потребности в теплоизоляционных материалах является обоснованным как технически, так и экономически.Представляется также, что высказанные соображения могут способствовать принятию разрешительными органами Росстроя РФ обоснованных решениий по применению эффективных современных теплоизоляционных материалов в конструкциях НВФ в интересах повышения качества строительства в РФ.

Выводы 1. Анализ физических закономерностей процесса и характеристик конструкции НВФ показывает, что продольная фильтрация воздуха в теплоизоляционном слое НВФ под воздействием ветрового давления при наличии облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны практически отсутствует. 2. Стабильность теплозащитных свойств конструкции НВФ относительно ветрового воздействия полностью обеспечивается наличием обязательных элементов конструкции НВФ — облицовочным покрытием и ветрозащитной мембраной — и качественным выполнением монтажных работ. 3. Показатели воздухопроницаемости волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/куб. м не являются препятствием к их применению в конструкциях НВФ.

Литература 1. СП 23-102 «Проектирование тепловой защиты зданий» 2. СП РК 5.06-19-2005 «Проектирование и монтаж навесных фасадов с воздушным зазором». 3. DIN 18516-1 «Вентилируемая облицовка внешних стен». 4. К. Ф. Фокин. «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий». — М.: «Стройиздат», 1973 г. 5. В. Г. Гагарин, В. В. Козлов, А. В. Садчиков, И. А. Мехнецов. «Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях».//АВОК; № 8; 2005. 6. Аста Николайсен. «Вентилируемая наружная стена. Влияние ветра на тепловые потери»: Государственный институт исследования строительства. Дания, Копенгаген. Ноябрь 1989 г.

NBF в Северной столице.

Юбилей Северной Лавры.

Производство стройматериалов не успевает за темпами строительства.

ПК «СОЛЮКС»: будни.

Строители, власти и IT-специалисты объединились в поисках денег на доступное жилье.

Новые строительные нормы помогут сохранить наш город.

Строительные металлоконструкции: технологии XXI века.

Главная Публикации