Вентилируемые фасады

О некоторых теплотехнических ошибках, допускаемых при проектировании вентилируемых фасадов

В. Г. Гагарин, доктор техн. наук, профессор, НИИ строительной физики

Введение

Одной из основных предпосылок использования в современном строительстве стеновых ограждающих конструкций с вентилируемыми фасадами является уверенность в их высоких теплозащитных свойствах, которые позволяют достигнуть современных повышенных требований по теплозащите зданий.

При этом предполагается, что никаких серьезных теплофизических проблем при применении этих конструкций не возникает.

Накопленный опыт использования вентилируемых фасадов показывает обратное. Снижение теплофизического качества рассматриваемых конструкций объясняется дефектами, которые вызваны ошибками проектирования и монтажа фасадов.

Анализу некоторых ошибок, допускаемых при проектировании, посвящена настоящая статья.

Несоответствие стен с вентилируемыми фасадами требованиям СНиП по энергосбережению

Добиться того, чтобы расчетное значение сопротивления теплопередаче соответствовало требуемому по второму этапу энергосбережения [1], не всегда удается. Это объясняется тем, что применяемые в рассматриваемых конструкциях металлические кронштейны являются «мостиками холода» и существенно снижают коэффициент теплотехнической однородности.

Так, при использовании кронштейнов из алюминия расчетный коэффициент теплотехнической однородности конструкции практически не превышает значения r = 0,7 [2]. И это без учета влияния оконных откосов, которые еще более снизят этот коэффициент.

В результате для достижения требуемого для климатических условий Москвы значения сопротивления теплопередаче стен жилых зданий R₀^пр = 3,13 м²•°С/Вт необходим слой минераловатного утеплителя толщиной около 0,20 м. С учетом толщины воздушного зазора 40–60 мм, вылет кронштейна должен составлять не менее 0,25 м, что влечет необходимость его усиления и повышения металлоемкости подконструкции и стоимости фасада.

В связи с этим при проектировании вентилируемых фасадов часто применяют следующий прием. Без всякого обоснования или со ссылкой на сомнительные источники принимают значение коэффициента теплотехнической однородности конструкции равным r = 0,85–0,90, после чего рассчитывают необходимую толщину слоя минераловатной теплоизоляции, которая получается равной 0,10–0,15 м. Такой прием является типичным и имеет место при проектировании многих объектов.

Рисунок 1. (подробнее) Реконструируемое здание в Москве с монтируемым фасадом с алюминиевой подконструкцией

В качестве примера рассмотрим фасад с алюминиевой подконструкцией, использованный при реконструкции одного из общественных зданий в Москве (рис. 1). Кронштейны алюминиевые толщиной 3 мм. Большой кронштейн высотой 160 мм (сечение 4,8 см²). Малый кронштейн высотой 80 мм (сечение 2,4 см²). Вертикальная направляющая — алюминиевый уголок 40x60 мм, толщиной 1,7 мм. На одну вертикальную направляющую длиной 3,6 м приходится 5 кронштейнов — один большой и четыре малых.

Итого на полосу фасада длиной 3,6 м, шириной 0,6 м (размер облицовочной плитки) приходится 5 кронштейнов общей площадью 4,8 + 2,4 x 4 = 14,4 см². Средняя площадь кронштейна составляет 14,4/5 = 2,88 см². Площадь фасада, приходящаяся на одну направляющую, составляет 0,6 x 3,6 = 2,16 м². Количество кронштейнов на один м² фасада составляет 5/2,16 = 2,31 шт/м². Расчетное значение коэффициента теплотехнической однородности, определенное по методике [2], составляет r = 0,6 (без учета оконных откосов и других теплопроводных включений).

Стена, на которую крепится рассматриваемый фасад, представляет собой кладку из ячеистобетонных блоков на цементно-песчаном растворе толщиной 0,20 м. Плотность ячеистого бетона — 600 кг/м³. Согласно [3], расчетное значение коэффициента теплопроводности такой кладки составляет 0,32 Вт/(м•°С).

Условное сопротивление теплопередаче конструкции стены с вентилируемым фасадом, согласно [1], составляет:

Приведенное сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции стены с вентилируемым фасадом составляет:

Требуемое значение сопротивления теплопередаче стены административного здания составляет 2,68 (м²•°С)/Вт, т. е. даже без учета влияния витражей сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции стены с вентилируемым фасадом не удовлетворяет требованиям [1]. Между тем, узлы опирания витражей (рис. 2) не выдерживают никакой критики. При монтаже данного фасада следует принять специальные меры, чтобы избежать промерзания этих узлов. Очевидно, что через эти узлы будут осуществляться дополнительные теплопотери.

Таким образом, в рассматриваемом примере решения, принятые на стадии проектирования, не обеспечивают теплозащиты, требуемой вторым этапом «энергосбережения» [1].

Рисунок 2. (подробнее) Опирание витража

Недостаточный учет кривизны стены, на которую осуществляется монтаж фасада

Вентилируемые фасады позволяют «выровнять» искривленную поверхность стены, на которую они монтируются. Эта возможность является одним из достоинств их применения. Вместе с тем, нельзя допускать, чтобы она реализовывалась с ущербом для выполнения вентилируемым фасадом других функций.

При проектировании вентилируемых фасадов стремятся ограничить вылет кронштейнов. Это вызывает:

• частичное расположение направляющих и других элементов подконструкции в слое теплоизоляции;

• расположение гидроветрозащитной пленки не по утеплителю, а по направляющим, что, в свою очередь, еще больше уменьшает ширину воздушного зазора;

• снижение ширины воздушного зазора вплоть до его полного отсутствия (рис. 3).

Рисунок 3. (подробнее) Отсутствие воздушного зазора (вид сверху через раскрытое окно)

Расположение направляющих в слое теплоизоляции (рис. 4), с точки зрения строительной теплофизики, невыгодно тем, что снижает коэффициент теплотехнической однородности.

Рисунок 4. (подробнее) Направляющая в виде алюминиевого уголка «утоплена» в слой минераловатного утеплителя

Температурное поле, соответствующее такому случаю, приведено на рисунке 5. На стене из кирпичной кладки толщиной 25 см закреплены минераловатные плиты толщиной 14 см. Направляющая в виде алюминиевого уголка одной полкой утоплена в слое минеральной ваты. На рисунке 5 приведены изотермы, разность температур между соседними изотермами составляет 4 °С. Видно, что возмущение температурного поля сглаживается в слое утеплителя, однако расположение полки алюминиевого уголка (направляющей) в этом слое приводит к снижению коэффициента теплотехнической однородности до значения r = 0,91 и к соответствующему снижению сопротивления теплопередаче ограждения.

Рисунок 5. (подробнее) Изотермы на участке стены с расположением части направляющей в слое минераловатного утеплителя. Коэффициент теплотехнической однородности r = 0,91

Расположение гидроветрозащитной пленки не по утеплителю, а по направляющим (рис. 6) приводит к затруднению движения воздуха в воздушном зазоре, что препятствует удалению влаги из зазора.

Закрепление пленки не по поверхности утеплителя, а на расстоянии от него вызывает ее колебания, что, с одной стороны, может сопровождаться звуковыми эффектами, а с другой стороны, понижает ее долговечность.

Рисунок 6. (подробнее) Гидроветрозащитная пленка расположена поверх горизонтальных направляющих

Отсутствие воздушного зазора или недостаточная его ширина при некоторых условиях может вызвать скопление влаги и переувлажнение утеплителя (рис. 7). Таким образом, представляется целесообразным установить требования к ограничению кривизны стены, на которой предполагается монтаж вентилируемого фасада. Проектирование фасада нужно осуществлять с учетом фактической кривизны поверхности стены так, чтобы соблюдалась ширина воздушного зазора, определенная из условия влагоудаления.

Рисунок 7. (подробнее) Отсутствие воздушного зазора и влагоперенос через стену привели к скоплению влаги в утеплителе

Отсутствие вентиляции воздушного зазора фасада

На некоторых зданиях применяются фасадные системы, в которых воздушный зазор фактически не вентилируется. К таким фасадным системам относятся, прежде всего, те, в которых отсутствует вход в воздушный зазор и отсутствуют зазоры между элементами облицовки (рис. 8).

Встречаются также решения фасадов, в которых вход в воздушный зазор предусмотрен, но вентиляция в нем затруднена из-за большого сопротивления движению воздуха.

Рисунок 8. (подробнее) Фасадная система с облицовочными элементами из композитного материала с отсутствующими зазорами между облицовочными элементами и с отсутствующим входом в воздушный зазор

Например, на рисунке 9 фрагмент фасада небольшой высоты с облицовочными элементами из композитного материала, зазоры между которыми отсутствуют. Повышенное сопротивление движению воздуха создается горизонтальным участком воздушного зазора.

В таких случаях влага, попадающая в воздушный зазор из помещений вследствие влагопереноса через стену и слой теплоизоляции, почти не выходит в наружный воздух, скапливаясь в зазоре и увлажняя теплоизоляцию. Вследствие этого снижается долговечность минераловатного утеплителя и его теплозащитные свойства.

Рисунок 9. (подробнее) Фасадная система с отсутствующими зазорами между облицовочными элементами из композитного материала и с горизонтальным участком воздушного зазора

В качестве обоснования для применения невентилируемых фасадов иногда ссылаются на зарубежный опыт эксплуатации таких фасадных систем в странах с теплым климатом (Италия, Турция и т. д.). При этом совершенно не учитываются особенности нашего климата, «не прощающего» подобные ошибки, и более высокие требования к теплозащите зданий в нашей стране.

В наших условиях теплозащитные свойства ограждений «востребованы», главным образом, в отапливаемый период года, когда температура и влажность воздуха в помещении выше, чем наружного воздуха, влагоперенос осуществляется от внутреннего воздуха к наружному.

В странах с теплым и влажным климатом административные здания снабжены системой кондиционирования воздуха. Перепад температуры и влажности воздуха по разные стороны ограждений большую часть года имеют противоположную направленность, по сравнению с условиями в России.

Следовательно, проблема влажностного режима ограждений, в нашем понимании, незнакома южным строителям, и к их рекомендациям следует относиться скептически. В частности, вентилируемые фасады должны вентилироваться.

Неправильное проектирование узлов примыкания оконных блоков

При проектировании узлов примыкания оконных блоков к стене с вентилируемым фасадом основные ошибки заключаются в установке по контуру оконных блоков металлических элементов, которые являются мощными теплопроводными включениями. Необходимо проводить расчеты температурных полей, анализ которых поможет избежать дополнительных теплопотерь и промерзания элементов блоков и оконных откосов.

Рисунок 10. (подробнее) Стена здания, подготовленная для монтажа вентилируемого фасада. Оконные проемы «обрамлены» стальными швеллерами

На рисунке 10 показана грубая и очевидная ошибка, допущенная проектировщиком при проектировании этих узлов. Менее очевидная ошибка представлена на рисунке 11, где показано обрамление оконных откосов утепленным стальным профилем. Если для конструкции на рисунке 10 грозит промерзание, то для конструкции на рисунке 11 — повышенные теплопотери. Ни в том, ни в другом случае теплотехнические расчеты узлов не проводились.

Рисунок 11. (подробнее) Установка оконного блока с обрамлением по откосу стальным профилем с последующим его утеплением

Отсутствие учета воздухопроницаемости стен

При проектировании наружных стен с вентилируемыми фасадами практически не обращается никакого внимания на воздухопроницаемость стен. Эта проблема актуальна, поскольку, с одной стороны, минераловатный утеплитель обладает повышенной воздухопроницаемостью, а с другой стороны, в верхней части здания может быть значительная эксфильтрация воздуха, обусловленная перепадом давлений за счет теплового напора.

В зимнее время воздух, содержащий водяной пар, фильтруется из помещения через стену и утеплитель в воздушный зазор, при этом водяной пар конденсируется в утеплителе, повышая его влажность.

Во многих случаях стены, на которые крепятся конструкции вентилируемых фасадов, выполняются из кирпичной кладки (рис. 2) или ячеистобетонных блоков (рис. 1). Сопротивление воздухопроницанию таких стен чрезвычайно мало. По данным приложения 9 [1], оно не превышает 18 м²•Па/кг.

Методика расчета сопротивления воздухопроницанию стены, требуемого для ограничения эксфильтрации, имеется в [5]. Его величина определяется перепадом давлений, а также сопротивлением паропроницанию стены и параметрами воздушного зазора. Оно может быть значительным и обеспечивается соответствующей отделкой стены с внутренней стороны. Особенно большие значения этого параметра должны быть обеспечены для стен верхних этажей высотных зданий.

Так, для одного из зданий при высоте 200 м для климатических условий января в Москве требуемое сопротивление воздухопроницанию, рассчитанное по этой методике, составило 2 450 м²•Па/кг (для сравнения: сопротивление воздухопроницанию слоя штукатурки цементно-песчаным раствором по каменной или кирпичной кладке толщиной 15 мм составляет 373 м²•Па/кг [1]). В этом случае необходимо снижение требуемого сопротивления воздухопроницанию путем изменения конструкции вентилируемого фасада.

Заключение

Вентилируемые фасады являются сложными конструкциями, использующими разнородные по своим свойствам материалы. Кажущиеся незначительными ошибки, допускаемые при создании таких конструкций, могут иметь серьезные последствия. Выше рассмотрены некоторые ошибки, касающиеся теплофизических аспектов, допускаемые при проектировании вентилируемых фасадов.

Следует иметь также в виду, что, помимо теплофизических, существуют и другие проблемы (прочностные, коррозионные и т. д.), решение которых необходимо для надежной эксплуатации вентилируемых фасадов зданий. При проектировании вентилируемых фасадов необходимо комплексное рассмотрение многих аспектов с учетом их взаимного влияния.

Повышение качества проектирования фасадных систем эффективнее всего было бы решить путем создания соответствующих нормативных документов. Однако принятый «Закон о техническом регулировании» и ликвидация Госстроя России сделали невозможными наиболее эффективные решения подобных проблем.

Тем не менее, некоторые пути решения рассматриваемой проблемы еще имеются. Для повышения надежности фасадных систем очень полезной представляется выдача Технических свидетельств, которую осуществляет Федеральный научно-технический центр сертификации в строительстве.

В процессе подготовки Технического свидетельства осуществляется всесторонняя экспертиза фасадной системы, определяются ее основные технические характеристики [5].

Данные, приводимые в Техническом свидетельстве, следует использовать при проектировании фасадов конкретных зданий. Наличие Технического свидетельства упрощает контроль качества строительства, осуществляемый ИГАСНом. Правительство Москвы в 2004 г. поручило специализированной организации ГУ Центр «Энлаком» осуществлять экспертизу проектов навесных фасадов всех зданий. Эти меры способствуют наведению порядка при проектировании и устройстве навесных фасадов зданий.

Литература

1. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М., 1998.

2. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Цыкановский Е. Ю. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК. 2004. № 2, № 3.

3. Рекомендации по применению стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов. М.: ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, 1992.

4. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М., 2004.

5. Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции. М., Госстрой России, 2004.

Тел.: (095) 174-77-88, 482-39-29