Cопротивление теплопередаче стен с навесными теплоизоляционными фасадами

И. А. Подласова, канд. техн. наук, Томский государственный архитектурно-строительный университет;

В. Ю. Чернета, директор департамента градостроительства и перспективного развития г. Томска;

Н. О. Копаница, канд. техн. наук;

Е. В. Солодников, Томский государственный архитектурно-строительный университет

При выборе конструкции наружных стен проектирование наружного утепления считается несложной задачей, которая сводится к расчету толщины утеплителя. Этой информацией полны рекламные проспекты фасадных систем и утеплителей. Зачастую теплотехнический расчет наружных стен и в рабочем проекте ограничивается простым сложением термических сопротивлений слоев конструкции стены и сопротивлений теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей.

Расчет сопротивления теплопередаче стен с наружным утеплением, следуя существующим нормам [1, 2], можно производить двумя способами, в зависимости от классификации наружной стены как конструкции однородной многослойной или неоднородной с теплопроводными включениями. В первом случае R_о вычисляется по формуле (1). Во втором случае фасад разбивается на фрагменты и для каждого фрагмента вычисляются значения Roi по формуле (2), для чего предварительно производится расчет температурных полей фрагментов:

R_о = R_si + R_k + R_se, (1)
R_оi = А / Q (t_int— t_ext). (2)

Вопрос в определении: считается ли конструкция стены с наружным утеплением теплотехнически однородной или нет?

По терминологии СП 23-1012000 — да. Но как показывают наши расчеты, а также расчеты [3], ответ на этот вопрос отрицательный: коэффициент теплотехнической однородности указанных стен, в зависимости от ряда факторов, может достигать значения 0,5.

Это означает, что считать теплотехнически однородными конструкции стен с наружным утеплением, особенно с вентилируемыми фасадными системами, нельзя. В [4] коэффициент теплотехнической однородности r для ряда вентилируемых фасадных систем рекомендуется оценивать по таблицам для «худшего», с точки зрения авторов, участка с оконным проемом, в зависимости от толщины и теплотехнических характеристик несущего слоя и утеплителя [4]. При этом предполагается разбивка всего фасада на «глухие» участки и участки с простенками с последующим определением приведенного значения R_о^пр стен. Однако известно, что сопротивление теплопередаче стены меняется в зависимости от целого ряда факторов, перечисленных на рис. 1. В диаграмме, как менее значительные, не указаны влияние термоизоляционной прокладки между несущими кронштейнами и стеной, количество и характеристики анкерных дюбелей.

Рисунок 1. Факторы, определяющие значение сопротивления теплопередаче стены с наружным утеплением и вентилируемой фасадной системой

Для определения комплексного влияния ряда перечисленных факторов и выявления возможности назначения универсальных коэффициентов теплотехнической однородности нами был выполнен анализ значений сопротивления теплопередаче фрагментов фасадов с вентилируемой воздушной прослойкой и навесных фасадов со штукатурным слоем с различными характеристиками материала несущего слоя и подоблицовочной конструкции.

Определение R_оi фрагмента выполнялось по формуле (2) с расчетом объемного стационарного температурного поля при помощи программного комплекса «Alfa 3D» (Версия 3.0). Такая практика расчета R_оi с последующим определением приведенного значения R_о^пр фасада уже несколько лет применяется при разработке разделов «Энергоэффективность» проектов зданий в Томске и области. Методика построения фрагментов и граничных условий изложена в [4]. Исходные данные для расчета см. в табл. 1.

Граничные условия принимались для условий Томска: расчетная температура наружного воздуха t_ext = –40 °C, температура внутреннего воздуха t_int = 21 °C, a_i=8,7 Вт/м² • °C, a_е = 10,8 Вт/м² • °C.

В отличие от рекомендаций [2], при вычерчивании конструкции кронштейнов учитывалась их часть, выступающая в вентилируемую прослойку, на основании значительной разницы в значениях R_оi и данных работы [3]. Рассмотренные варианты фрагментов фасада относятся к конструктивной схеме ненесущих стен, опирающихся на монолитные или сборные диски перекрытий. Размеры фрагментов приняты из рабочего проекта жилого дома, проектируемого в Томске. Для равнозначного сравнения фрагментов количество кронштейнов на 1 м² площади фасада принималось равным 2 для алюминиевых и стальных кронштейнов, площадь откосов стен не участвовала в расчете сопротивления теплопередаче.

Решение примыканий заполнений во всех сравниваемых вариантах было одинаковым — без «четвертей».

Толщина алюминиевых кронштейнов высотой 250 мм в уровне ж/б перекрытий, по стене 120 мм, принималась равной 3 мм, из оцинкованной стали высотой 95 мм — толщиной 2 мм. Высота фрагментов принималась 2,8 м.

При сравнении результаты удобнее было представить не в виде абсолютных значений R_оi фрагмента, а в виде коэффициентов теплотехнической однородности r_i, определяемых как отношение значения R_оi, полученного для фрагмента по формуле (2), к значению, полученному по формуле (1). Результаты представлены в табл. 3. Как видно из табл. 3, снижение r_i фрагмента внутри одной и той же конструкции наружной стены меняется в довольно большом интервале. Как правило, это влияние тем более значимо, чем больше разница в теплотехнических характеристиках материалов несущего, теплоизоляционного слоя и подоблицовочной конструкции, чем более «изогнут» и «прорезан» проемами фасад. Заметно существенное (до 43 %) влияние вида фрагмента.

Таблица 2 Сравниваемые фрагменты

На коэффициент теплотехнической однородности, кроме геометрических размеров участка, влияет наличие теплопроводных железобетонных перекрытий, пилонов, термовкладышей в перекрытии, конструктивное решение «четвертей». Влияние перечисленных элементов можно проследить по изолиниям температуры (рис. 2). На рис. 3 приведены фрагменты навесного фасада со штукатурным слоем. Из них видно, что толщина утеплителя на узких простенках не так важна, как ширина простенка, конструктивное решение откосов и «четвертей». Причины изменения значений коэффициента r_i, показанные в табл. 3, понятны и согласуются со схемой рис. 1. Но прогнозировать величину их изменения для конкретно взятого случая очень сложно.

Рисунок 2. Температурные поля по сечениям фрагмента 5 с несущим слоем 250 мм из кирпичной кладки (табл. 2)

Рисунок 3. Влияние вида фрагмента на ri навесных фасадов со штукатурным слоем с несущим слоем из кирпичной кладки 510 мм и наружным утеплением 100 мм: а) наружный глухой угол, б) угловой простенок с различным решением «четвертей»

Даже внутри одного фрагмента перечисленные выше факторы формируют индивидуальное значение R_оi, характерное только для рассматриваемого случая. Так же как и индивидуально влияние факторов на отдельно взятый фрагмент (см., например, рис. 4). По нашему мнению, попытка получить универсальные значения коэффициентов r_i отдельных фрагментов оправдана только для типового фасада здания с фиксированными значениями по материалу комплектующих и по другим параметрам. В остальных случаях целесообразно производить расчет сопротивления теплопередаче фрагментов фасада по формуле (2) с последующим определением приведенного значения R_о пр по фасаду.

Кроме исключения ошибки определения R_о, применение программ расчета температурных полей позволяет достаточно точно определять температуру внутренней поверхности ограждения (рис. 2, 3), что важно для оценки удовлетворения санитарно-гигиеническим требованиям и возможности расчета результирующей температуры помещения [5]. При этом неизбежно возникают вопросы, связанные с использованием описанного метода расчета в проектировании:

• В каком объеме должен быть выполнен расчет сопротивления теплопередаче наружных стен здания?

• Если значения R_оi фрагментов различны, как определять остальные теплотехнические параметры наружных стен: влажностный режим, вентилируемость воздушной прослойки (для навесных фасадных систем)?

• Какие значения R_оi принимать в разделе проекта «Отопление и вентиляция» для расчета количества отопительных приборов?

Конечно, расчет R_оi по формуле (2) повышает трудоемкость теплотехнических расчетов. Но результаты оправданы.

Рисунок 4. Влияние факторов на значение Roi фрагмента утепленной снаружи наружной стены с простенком. Здесь 1 — термическое сопротивление несущего слоя, 2 — термическое сопротивление слоя утеплителя, 3 — конструктивное решение примыкания заполнения проема, 4 — ширина простенка, 5 — расстояние до угла, 6 — количество кронштейнов (для вентилируемых систем)

Считаем, что влажностный режим стены и вентилируемость воздушной прослойки необходимо считать по двум участкам — «по глади» (плоскому, без проемов) и наихудшему, с минимальным значением R_оi, рассчитанным по формуле (2). Расстановку отопительных приборов необходимо выполнять по значению R_оi для конкретно взятого помещения.

Раздел «Энергоэффективность» проекта здания в приложениях, помимо расчетных значений R_оi фрагментов, по нашему мнению, должен содержать комплект изолиний температуры для анализа возможности образования конденсата и план типового этажа с указанием R_оi каждого помещения с наружными стенами. Разбивку на фрагменты наружных стен здания необходимо производить в зависимости от их повторяемости на фасаде.

Предлагаемая схема структуры теплотехнической части раздела «Энергоэффективность» показана на рис. 5. Ее применение позволит не только более точно выполнить анализ конструкции стены для здания с конкретным фасадом, но и получить данные для параметров раздела «Отопление и вентиляция», выявить возможности изменения комплектующих фасадных систем.

Рисунок 5. Предлагаемая структура теплотехнического расчета раздела «Энергоэффективность» проекта здания

Заключение

Анализ теплотехнической однородности фрагментов стен с наружным утеплением и значений сопротивления теплопередаче, полученных расчетом объемного стационарного температурного поля при помощи программного комплекса показал, что изменение Roi в значительной мере определяется, помимо известных факторов (количества, материала, конструкции и расстановки кронштейнов, теплофизических характеристик материала несущего слоя и утеплителя), видом фрагмента фасада. Его геометрия, конструктивное решение примыкания заполнения проемов, наличие теплопроводных включений в сочетании с другими перечисленными факторами определяют конкретное, иногда на 40–60 % отличающееся от соседнего фрагмента, значение R_оi. Такое изменение связано с сильно отличающимися (в 16–4 420 раз) коэффициентами теплопроводности материалов — комплектующих фасадных систем и несущего слоя. В связи с тем, что стены с наружным утеплением являются теплотехнически неоднородными, считаем целесообразным фасад здания разбивать на характерные участки-фрагменты с последующим определением R_оi каждого фрагмента по формуле (2) и приведенного значения R_о пр фасада целиком. Другие теплотехнические характеристики в разделе «Энергоэффективность» проектов зданий рекомендуется определять исходя из расчета участка «по глади» (плоскому, без проемов) и наихудшего, с минимальным значением R_оi. Расчетные R_оi использовать в разделе «Отопление и вентиляция» в качестве исходной информации для назначения количества отопительных приборов помещений.

Обозначения

R_si = 1 / a_i, R_sе = 1/a_е — сопротивления теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей соответственно, м² • °C/Вт;

a_i — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/м² • °C;

a_е — то же, наружной поверхности;

А — площадь неоднородной ограждающей конструкции или ее фрагмента, м², по размерам с внутренней стороны;

Q — суммарный тепловой поток через конструкцию или ее фрагмент площадью А, Вт;

R_оi — сопротивление теплопередаче фрагмента фасада, Вт/м² • °C;

R_о — то же, рассчитанное по формуле (1);

R_о^пр — приведенное сопротивление теплопередаче фасада, м² • °C/Вт;

r_i — коэффициент теплотехнической однородности, r_i = R_оi / R_о.

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России, 2004.

2. СП 23-101-2000. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: Госстрой России, 2001.

3. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Цыкановский Е. Ю. Теплозащита фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК. 2004. № 2. С. 20–26, 2004. № 3. С. 20–26.

4. Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий. М.: Правительство Москвы, Москомархитектура, 2001.

5. Пособие по проектированию тепловой защиты жилых и общественных зданий (к ТСН 23-316-2000) Томской области. Томск: Главное управление архитектуры и градостроительства Томской области, 2003.