VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

На сегодняшний день практически во всех странах с развитой экономикой приняты и активно применяются на практике технологические нормативы, регламентирующие вопросы строительства зданий и сооружений с учетом рационального распределения энергии. Как показывает эксплуатационная практика, данная проблема решается путем строительства различных вентилируемых конструкций. В частности, в этом плане высокую эффективность неоднократно доказала система вентилируемых фасадов: технология вентилируемый фасад позволяет стабильно осуществлять вентиляцию зданий при любых климатических условиях.

Во время ознакомительной практики в Германии мы приняли участие в проектировании и строительстве вентилируемого фасада, изучили новые теплоизоляционные материалы, систему и концепцию утепления в целом, что позволило приступить к разработке строительства жилых домов для условий Севера, который имеет ряд индивидуальных особенностей.

Вентилируемый фасад представляет собой конструкцию, которая состоит из слоя утеплителя, непосредственно примыкающего к несущей стене здания, ветро-, гидроизоляционной паропроницаемой мембраны и декоративной наружной облицовки вентилируемого фасада, которая по технологии может быть выполнена из натурального камня, керамогранита, цементно-волокнистых плит, металлических панелей и других фасадных материалов.

При описании функциональности таких конструкций, как система вентилируемых фасадов принято указывать на следующие технические параметры:

- Система вентилируемых фасадов позволяет проектировать различные дизайнерские решения: поставщики таких конструкций, как вентилируемые фасады зданий предлагают огромный ассортимент облицовочных плит и панелей, изготовленных в разных форматах и цветовых гаммах.

- Монтаж вентфасадов - это экономически выгодное решение: устройство вентилируемых фасадов позволяет обеспечить эффективную теплозащиту.

- Система вентилируемых фасадов позволяет продлить эксплуатационный срок службы здания.

- Вентилируемый фасад (стоимость системы, как правило, рассчитывается индивидуально) обеспечивает отличную звукоизоляцию.

- Система вентилируемых фасадов имеет продолжительный срок эксплуатации, оптимально подходит для облицовки новых зданий, применяется при реконструкции старых объектов.

- Вентилируемые фасады зданий не нуждаются в специальном уходе. Расходы на сервисное обслуживание такой конструкции, как система вентилируемых фасадов минимальны.

- При необходимости система навесных вентилируемых фасадов легко ремонтируется.

Технология вентилируемый фасад: необходимость ветрозащитной пленки

Технология вентилируемый фасад предполагает применение ветрозащитной паропроницаемой пленки для решения следующих задач:

- Защитная мембрана, установленная в такой конструкции, как система вентилируемых фасадов, предотвращает увлажнение теплоизоляционного материала

- Ветрозащитная пленка, применяемая при производстве таких работ, как монтаж вентфасадов, устройство вентилируемых фасадов, эффективно препятствует образованию возможных воздушных потоков.

- Паропроницаемая пленка обладает свойством высушивать теплоизоляцию и такую конструкцию, как подсистема для вентилируемых фасадов.

Характеристики теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором

Основной характеристикой теплозащиты ограждающих конструкций является приведенное сопротивление теплопередаче, R_о^пр. На стадии проектирования эта характеристика является расчетной и определяется уравнением (10) СНиП II-3-79* [4]. Фасады с облицовкой на относе имеют более сложную картину теплопередачи, чем та, которая описана в СНиП II-3-79* формулой (10). Имеется как минимум два участка с различной природой теплопереноса, которые приходится рассчитывать отдельно. Поэтому представляется целесообразным закрепить в базовом уравнении двухкомпонентность переноса теплоты:

(1)

Первое слагаемое в правой части формулы (1) описывает теплопередачу через стену с утеплителем, второе слагаемое — через воздушный зазор и облицовку. В случае отсутствия облицовки на относе и воздушного зазора второе слагаемое исчезает и остается привычная для специалистов формула R_о^пр = R_о^усл•r. Сопротивление теплопередаче по глади конструкции, R_о^усл, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/a_в) и наружной (равное 1/a_н) поверхностей.

В строгом смысле R^эф_зазора нельзя назвать термическим сопротивлением. Однако для упрощения описания целесообразно соблюдать единообразие записей членов уравнения (1). Поэтому влияние воздушного зазора на теплопередачу через конструкцию формально обозначается термином «эффективное термическое сопротивление воздушного зазора».

Уравнение (1) определяет направление и характер всех дальнейших расчетов, поэтому его выбор важен для простоты описания и точности расчетов.

Возможен и другой выбор уравнения (1). Например, можно с некоторыми предположениями преобразовать уравнение (10) СНиП II-3-79* таким образом:

(2)

Температура воздуха в воздушном зазоре, t_заз, может изменяться с высотой — чем больше высота участка стены, тем выше будет значение t_заз. Параметр R^пр_СНиП является характеристикой конструкции и не зависит от высоты расположения участка стены. Поскольку с высотой будет изменяться значение t_заз, то плотность потока теплоты через конструкцию, q, также будет изменяться, а значит и значение R_о^пр будет меняться.

При разработке методики расчета теплозащитных характеристик фасадов было выявлено, что форма уравнения (2) менее удобна, чем (1). Уравнение (2) определяет используемые далее понятия R^пр_{о. констр.} и R^про_{о. обл.}. Характеристика R^пр_{о.констр.} в уравнении (2) отличается от характеристики R^пр_СНиП в уравнении (1) тем, что в первой используется 1/a_заз, а во второй — как и предусмотрено СНиП — 1/a_н. Следовательно, характеристика R^пр_СНиП не зависит от параметров воздушного зазора и облицовки, в то время как R^пр_{о. констр.} — зависит.

Анализ процесса теплопередачи в воздушном зазоре позволяет получить при помощи уравнений (1) и (2) формулу для расчета R^эф_зазора :

(3)

Является закономерным вопрос, какой из параметров R_о^пр, R^пр_{о. констр.} или R^пр_СНиП считать характеристикой конструкции фасада при проведении расчетов?

Представляется, что в качестве характеристики конкретной системы фасада с вентилируемым воздушным зазором, при сравнении этих систем и в других подобных случаях, целесообразно использовать R^пр_СНиП. При расчете энергоэффективности здания следует использовать значение R_о^пр, осредненное по всей высоте непрерывного воздушного зазора. Такая характеристика фасада обозначается в дальнейшем R^пр_ср. Рассчитывать R^пр_ср следует при средней температуре отопительного периода.

Такой подход позволит максимально учесть процессы теплопередачи, происходящие в конструкции.

Из представленных положений вытекает необходимость расчета теплопередачи в воздушном зазоре, эффективного термического сопротивления воздушного зазора, R^эф_зазора, и коэффициента теплотехнической однородности, r.

Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре

Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре производится в предположении, что известна скорость движения воздуха в зазоре.

Температура воздуха в воздушном зазоре зависит от геометрических параметров прослойки и теплотехнических характеристик стены и фасада. Зависит она также и от погодных условий: температуры воздуха, направления и скорости ветра. Значение t_заз зависит от высоты (изменяется с расстоянием от значения t_ну входа в зазор до предельного значения температуры воздуха в зазоре, которое соответствует неподвижному воздуху), т. е. чем выше (дальше от входа в зазор) расположен участок стены здания, тем выше значение t_заз и тем больше (ближе к своему пределу) значение R_о^пр. Для рассматриваемой задачи важно расчетное значение t_заз при некоторых заранее оговоренных условиях.

Пусть скорость движения воздуха в прослойке составляет v м/с. Подход, использованный В. Н. Богословским [5] при рассмотрении баланса теплоты для элементарного объема воздуха в зазоре, приводит к дифференциальному уравнению:

(4)

Выражение в правой части уравнения представляет собой предельную температуру воздуха в зазоре и обозначается t₀. Коэффициент при производной обозначается символом x₀, его физический смысл будет прояснен ниже.

(5)

С учетом этих обозначений уравнение (4) принимает вид:

6)

Естественным начальным условием для данной задачи будет: t_заз = t_н при x = 0. При этом решение уравнения (6) имеет вид:

(7)

Если t_н — начальная температура воздуха на входе в зазор, то величина (t₀ — t_н) является по своему физическому смыслу предельным отклонением температуры воздуха в вентилируемом зазоре от своего начального значения. Из формулы (7) следует, что по мере увеличения x значение t_заз стремится к значению t₀. Кроме того, величина x₀ — это высота, на которой разность температур (t₀ — t_заз) становится меньше своего предельного значения (t_н — t₀) в е раз. На рис. 6 приведены графики изменения температуры по высоте воздушного зазора при различных скоростях движения воздуха в зазоре. В данном примере принято t_н = –28 °С. Значение t₀ не явно зависит от a_заз, а значит и от скорости движения воздуха в зазоре и составляет от –25,3 °С для v = 0,1 м/с до –26,1 °С для v = 2 м/с. На рис. 6 видно, что при малых скоростях движения воздуха температура в зазоре становится практически равной своему предельному значению на малых высотах. При увеличении скорости возрастает и соответствующая высота.

Средняя температура воздуха в зазоре при высоте фасада L определяется интегрированием полученной формулы (7):

(8)

Приведенные выше выкладки делались в предположении, что скорость движения воздуха известна. Чтобы найти скорость движения воздуха, приходится сделать обратное предположение, что известна средняя температура воздуха в зазоре.

При этом скорость движения воздуха будет описываться формулой:

(9)

Скоростью движения воздуха в воздушном зазоре под действием ветрового напора чаще всего пренебрегают, т. к. она имеет случайный, переменчивый характер и действует локально. Ее приходится учитывать только для задач, связанных с фильтрацией воздуха через утеплитель.

Совместное решение задач нахождения скорости и средней температуры воздуха в зазоре позволяет приближенно определить эти параметры.

В ходе исследования проведен расчет вентилируемого фасада, его теплозащиты, а также экономическая оценка вложений. Использование системы вентилируемых фасадов эффективно предохраняет стены здания от влияния погодных условий: данная технология позволяет стабилизировать режим теплопередачи при любых эксплуатационных условиях (в 5-6 раз надежнее удерживают тепло по сравнению, например, с привычной штукатурной отделкой или облицовкой стен кирпичом), а также решать проблемы, связанные с долговечностью здания (более 50 лет без ремонта и серьезного обслуживания) и экологичностью внутренних помещений.

Код для цитирования: Скопировать