Строительные материалы и технологии
Выпуск от 28.06.2006

О продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое навесных вентилируемых фасадов

Дополнительное наружное утепление является эффективным способом повышения тепловой защиты зданий. 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.

Вентилируемые фасады применяют в новом строительстве и при реконструкции старых зданий. Наибольшее распространение в оте-чественной практике нашли конструкции на-весных вентилируемых фасадов, разработанные и применяемые компаниями «ДИАТ», «КапТехноСтрой» (КТС-ВФ), «Алкон Трейд» (U-kon), «Краспан» и другие. Навесные вентилируемые фасадные системы представляют собой конструкцию, состоящую из металлической подконструкции, теплоизоляционного и ветрозащитного слоев и облицовочного покрытия. Металлическая подконструкция состоит из кронштейнов, которые крепятся непосредственно к стене, и несущих профилей, устанавливаемых на кронштейны, к которым при помощи крепежных элементов крепятся элементы защитно-декоративного покрытия. В качестве теплоизоляционного слоя применяются материалы из стеклянного штапельного волокна и минеральной ваты. В качестве ветрозащитного слоя применяются паропроницаемые пленки типа Tyvek, «Изоспан», стеклоткани и другие воздухонепроницаемые, но проницаемые для водяного пара материалы.

В качестве облицовочного покрытия применяются металлический и виниловый сайдинг, панели из профилированных металлических листов «Раннила», фасадные плиты «Минерит», «Этернит», «Керамогранит», композитные панели «Краспан», «Алюкобонд» и др. Вентилируемый воздушный зазор шириной 50–100 мм располагается между наружным облицовочным покрытием и теплоизоляци-онным слоем. К преимуществу 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;
• 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. Технические требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам, используемым в НВФ, изложены в СП 23-102-2003 «Проектирование тепловой защиты зданий». В соответствии с требованиями СП 23-102 к применению в НВФ рекомендуются волокнистые теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80–90 кг/м³. Это требование исключает возможность применения в НВФ эффективных современных теплоизоляционных материалов плотностью 15–20 кг/м³ на основе стекловолокна. Плотность теплоизоляционного материала в этих конструкциях не является определяющим параметром, так как при равной плотности теплоизоляционные изделия из минеральной ваты и стекловолокна разных марок и производителей могут значительно отличаться по деформативным характеристикам и теплопроводности. Например, минераловатные плиты марки П75; 125 (номинальная плотность 75; 125 кг/м³ ), выпускаемые по ГОСТ 9573, имеют сжимаемость, соответственно, 20% и 12% под нагрузкой 2 кПа, а плиты из стеклянного штапельного волокна марки ISOVER OL-E при плотности 50 кг/м³ имеют сжимаемость 10% под нагрузкой 10 кПа. Значения расчетного коэффициента теплопроводности, например, для условий эксплуатации Б для плит П75; 125 составляют, соответственно, 0,064 Вт/(м · К) и 0,07 Вт/(м · К), а для плит ISOVER OL-E - 0,04 Вт/(м · К).

Рис. 1. Конструкция утепления межоконного простенка (навесной вентилируемый фасад)

В качестве обоснования ограничений в применении теплоизоляционных материалов плотностью ниже 80 кг/м³ в НВФ указывается их высокая воздухопроницаемость и приводятся результаты исследования влияния продольной фильтрации воздуха в утеплителях из волокнистых теплоизоляционных материалов на теплотехническую эффективность конструкций НВФ (1, 2). Рассматривается увеличение теплового потока через стену, обусловленное продольной фильтрацией воздуха через теплоизоляционный слой под воздействием ветрового потока, параллельного наружной поверхности стены (1):
ΔQ = Q_ф - Q₀     (1)
где: Q₀ - плотность теплового потока без учета продольной фильтрации, Вт/м²;
       Q_ф - плотность теплового потока с учетом продольной фильтрации, Вт/м².

Расчет теплового потока выполнен путем численного решения двухмерной задачи стационарной теплопроводности при граничных условиях третьего рода, с учетом переноса тепла фильтрацией воздуха через воздухопроницаемый теплоизоляционный слой, при воздействии ветрового потока, параллельного поверхности стены. Расчет выполнен для межоконного простенка с НВФ при толщине теплоизоляционного слоя 0,15 м, средней скорости ветра 10 м/сек 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.

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. Ниже приводятся аргументы, обосновывающие нашу позицию по этому вопросу. Плотность теплового потока через стену с НВФ возрастает с увеличением плотности продольного потока воздуха через теплоизоляционный слой (1). В соответствии с (2) плотность продольного потока воздуха через теплоизоляционный слой G_с, входящая в уравнение для расчета увеличения плотности теплового потока ΔQ, рассчитывается по формуле:
   (2)
где: ΔР - разность давлений, вызывающая фильтрацию воздуха через рассматриваемый участок конструкции, Па; ΣR - cумма сопротивлений воздухопроницанию всех слоев конструкции, (м² · час · Па)/кг;
R_о.п. - сопротивление воздухопроницанию облицовочного покрытия, (м² · час · Па)/кг;
R_в.м. - сопротивление воздухопроницанию ветрозащитной мембраны, (м² · час · Па)/кг;
i - коэффициент воздухопроницаемости теплоизоляционного материала, кг/(м · час · Па);
L - длина участка конструкции, по которому движется воздух, м;
R_т.и. - сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя, (м² · час · Па)/кг. Формула (2) показывает, что плотность потока воздуха G_c пропорциональна перепаду давлений ΔP на входной и выходной (относительно направления ветра) торцевых поверхностях теплоизоляционного слоя и обратно пропорциональна сопротивлению воздухопроницания теплоизоляционного слоя - L/i и его торцевых поверхностей - R_о.п. и R_в.м., то есть сопротивлению воздухопроницания облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны. Сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (L/i) из стекловолокна или минеральной ваты на участке конструкции длиной 1 м (параллельно поверхности стены) по СП 23-101 и данным, полученным в (1), может иметь значения ориентировочно от 2 до 40 (м² · час · Па)/кг.

Значение этого показателя (R_в.м.) для ветрозащитных мембран при испытаниях по ГОСТ 12088 находится в диапазоне от 3000 до 10000 (м² · час · Па)/кг. Материалы облицовочного покрытия являются практически воздухонепроницаемыми, однако с учетом воздухопроницаемости швов между элементами покрытия, сопротивление воздухопроницанию облицовочного покрытия (R_о.п.) может иметь значения от нескольких сотен до нескольких тысяч (м² · час · Па)/кг, в зависимости от размеров элементов покрытия и швов между ними.

Таким образом, сопротивление вохдухопроницанию мембраны (R_в.м.) и облицовочного покрытия (R_о.п.) на несколько порядков превышает сопротивление воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (R_т.и.), то есть

С учетом этого фактора плотность фильтрационного потока воздуха в теплоизоляционном слое (G_c) 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 нулю, то есть продольная фильтрация воздуха в этой конструкции практически отсутствует и, соответственно, не влияет на теплотехническую эффективность конструкции НВФ (рис. 1).

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 нулю.

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. Это равносильно расчету сопротивления теплопередаче навесного вентилируемого фасада, без учета термического сопротивления теплоизоляционного слоя.

Расчетная модель (1) не учитывает наличия облицовочного покрытия бокового оконного откоса и поэтому 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 являются межоконные простенки, площадь которых составляет не более 10–20% от общей поверхности стены. Более чем для 80% стены здания вопрос о продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое НВФ под воздействием ветрового давления практически не актуален, так как 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 нулю.

Аэродинамическое сопротивление канала, по которому движется воздух, прямо пропорционально его длине, поэтому на участках поверхности стен, расположенных выше и ниже оконных проемов, а также для глухих стен вопрос о продольной фильтрации воздуха в утеплителе тоже не актуален, так как их аэродинамическое сопротивление в десятки раз выше сопротивления оконного простенка длиной 1 м, рассматриваемого в проведенных расчетах.

Представляется, что при определении расчетной скорости ветра и, соответственно, расчетного ветрового давления, воздействующего на торцевую поверхность теплоизоляционного слоя, в данном расчете следует учитывать его изменение как по времени, так и по направлению, то есть следует учитывать лишь составляющую скорости, параллельную рассматриваемой стене.

Предлагаемое в работе (1) введение дополнительных коэффициентов к коэффициенту теплотехнической однородности приводит к необоснованному увеличению расчетной толщины теплоизоляционного слоя либо к введению ограничений на применение эффективных теплоизоляционных материалов по признаку высокой воздухопроницаемости или «низкой плотности», что при современных высоких нормативных требованиях к теплозащите зданий является нежелательным, как с теплотехнической, так и с конструктивной точек зрения.

Следует отметить, что применение в фасадных конструкциях теплоизоляционных материалов с более низкой плотностью при достаточной формостабильности приводит к снижению нагрузки на несущие конструкции и, предположительно, повышает эксплуатационную надежность конструкций НВФ.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно заключить, что гипотетический фактор продольной фильтрации воз- духа в утеплителе под воздействием ветрового давления, по нашей оценке, практически отсутствует и не влияет на теплотехническую эффективность стен с навесными вентилируемыми фасадами, а воздухопроницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью ниже 80 кг/м³ не является препятствием к их применению в конструкциях НВФ.

Включение эффективных волокнистых теплоизоляционных материалов из стеклянного штапельного волокна в номенклатуру материалов, рекомендуемых для применения в конструкциях навесных вентилируемых фасадов, при существующей высокой потребности в утеплителях, является обоснованным, как технически, так и экономически.

Представляется также, что высказанные соображения могут способствовать принятию разрешительными органами Росстроя РФ обоснованных решений по применению эффективных современных теплоизоляционных материалов в конструкциях НВФ в интересах повышения качества строительства в России.

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. Теплотехническая эффективность конструкции НВФ не зависит от воздухопроницаемости теплоизоляционного слоя, так как возможность продольной фильтрации воздуха под воздействием ветрового давления определяется сопротивлением воздухопроницанию облицовочного покрытия торцевых поверхностей теплоизоляционной конструкции.

3. Стабильность теплозащитных свойств конструкции НВФ относительно ветрового воздействия полностью обеспечивается обязательными элементами конструкции НВФ -облицовочным покрытием и ветрозащитной мембраной - и качественным выполнением монтажных работ.

4. Воздухопроницаемость волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью ниже 80 кг/м³ не является препятствием к их применению в конструкциях НВФ.

Материалы:

1. В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, А.В. Садчиков, И.А. Мехнецов. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях. Журнал «АВОК», №8, 2005 г.
2. К.Ф. Фокин. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М., Стройиздат, 1973 г.

Сен-Гобен Изовер, Россия
www.isover.ru
123022, Москва, 2-я Звенигородская ул., 13, корп. 15
(495) 775-15-10 (многокан.), 775-15-11 (факс)
Санкт-Петербург (812) 332-56-60, 332-56-61 (факс)
Ростов-на-Дону (863) 250-00-55, 250-00-28
Нижний Новгород (8312) 19-89-04, 43-00-34
Екатеринбург (343) 359-61-59
Новосибирск (383) 335-07-12, 335-07-13
Производство
140300, Московская обл., Егорьевск, ул. Смычка, 60