Применение вентилируемых воздушных прослоек имело одну из следующих целей:

нормализацию влажностного режима ограждающих конструкций, которые в силу особенностей их эксплуатации характеризовались повышенным влагонакоплением (например, стены производственных зданий с мокрым режимом);

предотвращение перегрева конструкций солнечной радиацией (например, совмещенные покрытия);

защиту конструкций от увлажнения атмосферной влагой (косыми дождями).

Теплофизические свойства вентилируемых воздушных прослоек и их влияние на температурновлажностный режим ограждающих конструкций многократно исследовались в указанных направлениях. Этой тематике были посвящены работы В. Д. Мачинского, К. Ф. Фокина, В. Н. Богословского, Ю. А. Табунщикова, Н. Н. Щербака, В. И. Лукьянова и множественных других специалистов по строительной теплофизике.

Введение повышенных требований к теплозащите ограждающих конструкций привело к резкому снижению, а в некоторых регионах и к полному прекращению строительства зданий со стенами традиционных для нашей страны конструкций. К таким конструкциям относятся однослойные стены из кирпичной кладки, легкобетонных панелей и блоков, бревен и бруса. Расчетное сопротивление теплопередаче этих конструкций составляет от 0,8 до 1,4 м2•°С/Вт. Очевидно, что современных нормируемых значений сопротивлений теплопередаче, достигающих 5,6 м2•°С/Вт, традиционные конструкции стен обеспечить не смогут. В связи с этим в настоящее время широко применяются многослойные ограждающие конструкции с использованием эффективных теплоизоляционных материалов. К новым конструкциям относятся фасады (или стены) с вентилируемым воздушным зазором.

Основными элементами конструкции стены с вентилируемым воздушным зазором являются ( : конструкционный слой (далее называемый стеной или основанием), слой теплоизоляции, подконструкция1 для крепления облицовочного слоя и сам облицовочный слой.

Подконструкция состоит из кронштейнов, направляющих, элементов крепления облицовки. Различные системы фасадов с вентилируемым воздушным зазором отличаются конструктивными особенностями элементов подконструкции. В частности, подконструкции выполняются с вертикальными, горизонтальными или совмещенными направляющими. На 2 представлена подконструкция с совмещенным расположением направляющих. Известно много видов кронштейнов, они производятся из алюминия ( , стали ( и коррозионностойкой стали ( и отличаются размерами. Площадь поперечного сечения кронштейнов характеризует их свойство как теплопроводного включения.

Основная цель, с которой в настоящее время применяются фасады с вентилируемым воздушным зазором, — повышение теплозащиты ограждающих конструкций зданий с нормальным температурновлажностным режимом до уровня нормативных требований. Основными отличиями фасадов с вентилируемым воздушным зазором от давно известных стен с вентилируемой воздушной прослойкой является наличие в зазоре мощного теплоизоляционного слоя, металлической подконструкции и облицовочного слоя, определяющего архитектурный облик здания. Если стены с вентилируемой воздушной прослойкой применялись в малоэтажных зданиях, то фасады с вентилируемым воздушным зазором применяются и в многоэтажных зданиях высотой в десятки метров, что также определяет специфику их теплофиз. свойств.

Несмотря на то что в Москве такие конструкции применяются около 10 лет, а в странах Западной Европы так же дольше, они изучены недостаточно, хотя в настоящее время имеется несколько интересных исследований и методик расчета: Р. Батинича [1], В. А. Езерского и П. В. Монастырева [2], разработки ЦНИИЭПжилища [3] и др. При обосновании проектных решений негласно считается, что фасады фактически не имеют теплофиз. проблем и нормативные требования по теплозащите легко выполняются. Например, при расчетах сопротивления теплопередаче часто принимают значение коэффициента теплотехнической однородности равным 0, м. тем конструкция насыщена металлическими деталями в сочетании с эффективным теплоизоляционным материалом, цикл теплопередачи осложнен лучистым и конвективным теплообменом в зазоре, поэтому принимаемое значение коэффициента теплотехнической однородности должно определяться на основании теплотехнического расчета.

Настоящая статья посвящена вопросам расчета характеристик теплозащиты в зависимости от конструктивных параметров фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Другие, не менее важные теплофизические проблемы этих конструкций (влажностный режим, фильтрация воздуха в теплоизоляционном слое и т. д.) в аналитической статье не рассматриваются.

Характеристики теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором
базовой характеристикой теплозащиты ограждающих конструкций является приведенное сопротивление теплопередаче, Rопр. На стадии проектирования эта характеристика является расчетной и определяется уравнением (1 СНиП II379* [4]. Фасады с облицовкой на относе имеют более сложную картину теплопередачи, чем та, которая описана в СНиП II379* формулой (1 . Имеется как минимум два участка с различной природой теплопереноса, которые приходится рассчитывать отдельно. Поэтому представляется целесообразным закрепить в базовом уравнении двухкомпонентность переноса теплоты:

Первое слагаемое в правой части формулы ( 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 Rопр = Rоусл•r. Сопротивление теплопередаче по глади конструкции, Rоусл, определяется как сумма термических сопротивлений слоев конструкции и сопротивлений теплоотдачи внутренней (равное 1/aв) и наружной (равное 1/aн) поверхностей.

В строгом смысле Rэфзазора крайне не желательно назвать термическим сопротивлением. но для упрощения описания целесообразно соблюдать единообразие записей членов уравнения ( . Поэтому влияние воздушного зазора на теплопередачу через конструкцию формально обозначается термином «эффективное термическое сопротивление воздушного зазора».

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

Возможен и другой выбор уравнения ( . Например, можно с некоторыми предположениями преобразовать уравнение (1 СНиП II379* таким образом:

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

При разработке методики расчета теплозащитных характеристик фасадов было выявлено, что форма уравнения ( менее удобна, чем ( . Уравнение ( определяет используемые далее понятия Rпро. констр. и Rпроо. обл.. Характеристика Rпро.констр. в уравнении ( отличается от характеристики RпрСНиП в уравнении ( тем, что в первой используется 1/aзаз, а во второй — как и предусмотрено СНиП — 1/aн. Следовательно, характеристика RпрСНиП не зависит от параметров воздушного зазора и облицовки, в то время как Rпро. констр. — зависит.

Анализ цикла теплопередачи в воздушном зазоре позволяет получить при помощи уравнений ( и ( формулу для расчета Rэфзазора :

Является закономерным вопрос, какой из параметров Rопр, Rпро. констр. или RпрСНиП 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 RпрСНиП. При расчете энергоэффективности здания следует использовать значение Rопр, осредненное по всей высоте непрерывного воздушного зазора. Такая характеристика фасада обозначается в дальнейшем Rпрср. Рассчитывать Rпрср следует при средней температуре отопительного периода.

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

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

Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре
Расчет температуры воздуха в воздушном зазоре производится в предположении, что известна v 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 tзаз зависит от высоты (изменяется с расстоянием от значения tн у 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 tзаз и тем больше (ближе к своему пределу) значение Rопр. Для рассматриваемой задачи важно расчетное значение tзаз при некоторых загодя оговоренных условиях.

Пусть v 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:

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

С учетом этих обозначений уравнение ( принимает вид:

Естественным начальным условием для данной задачи будет: tзаз = tн при x = При этом решение уравнения ( имеет вид:

Если tн — начальная температура воздуха на входе в зазор, то величина (t0 — tн) является по своему физическому смыслу предельным отклонением температуры воздуха в вентилируемом зазоре от своего начального значения. Из формулы ( следует, что по мере увеличения x значение tзаз стремится к значению t Кроме того, величина x0 — это высота, на которой разность температур (t0 — tзаз) становится меньше своего предельного значения (tн — t в е раз. На 6 приведены графики изменения температуры по высоте воздушного зазора при различных скоростях движения воздуха в зазоре. В данном примере принято tн = –28 °С. Значение t0 не явно зависит от aзаз, 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 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 ( :

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

При этом v движения воздуха будет описываться формулой:

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.

Совместный расчет температуры и скорости движения воздуха в воздушном зазоре
Решение рассмотренных уравнений позволяет получить приближенное описание воздушнотеплового режима в зазоре. Благодаря разрывам в облицовке (зазорам м. плитками) температура и v движения воздуха будут отклоняться от своего среднего значения по высоте вентилируемого зазора. Несмотря на недостатки метода расчета, основанного на приведенных уравнениях, он позволяет установить взаимосвязь основных характеристик теплового режима вентилируемого воздушного зазора.

Расчет тепломассообмена в вентилируемом воздушном зазоре является сложной задачей. м. поверхностями облицовки и теплоизоляции осуществляется лучистый теплообмен с коэффициентом лучистого теплообмена, зависящим от температуры. Конвективный теплообмен осуществляется м. воздухом в зазоре и элементами конструкции. Коэффициенты конвективного теплообмена зависят от скорости движения воздуха, температуры воздуха и элементов конструкции. v движения воздуха в зазоре,, зависит от его средней температуры по формуле ( . А расчет температуры по формулам ( и ( предполагает знание скорости движения воздуха и коэффициентов теплообмена в воздушном зазоре. Нелинейная взаимосвязь параметров, включающая эмпирические уравнения, не позволяет получить расчетные формулы для их определения. Поэтому расчет температуры воздуха и других параметров в воздушном зазоре следует проводить численно итерационным методом. В результате такого расчета определяются температура, v движения воздуха и другие параметры тепломассообмена в зазоре.

Представляет интерес анализ влияния различных факторов на максимальную v движения воздуха в зазоре. Если известна скорость, то температуру воздуха можно рассчитать по формулам ( и ( .

Расчеты проводились при следующих значениях параметров фасада и значениях температуры:

термическое сопротивление стены (от внутреннего воздуха до поверхности теплоизоляционного слоя в зазоре, без учета сопротивления теплоотдаче в зазоре) — 3,4 м2•°С/Вт;

термическое сопротивление облицовки (от наружного воздуха до поверхности облицовки в зазоре, тоже без учета сопротивления теплоотдаче в зазоре) — 0,06 м2•°С /Вт;

толщина воздушного зазора — 0,06 м;

высота фасада с зазором — 10 м;

температура внутреннего воздуха — 20 °С;

температура наружного воздуха — –20 °С.

В случае изменения какоголибо параметра при проведении расчетов его значения указаны на графике.

На 7 представлены зависимости максимальной скорости воздуха в воздушном зазоре от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, Rпртерм. констр., а на 8 — при различных значениях ширины зазора d.

Во всех случаях v воздуха возрастает со снижением температуры наружного воздуха. Увеличение высоты фасада в два раза приводит к незначительному повышению скорости воздуха. Снижение термического сопротивления стены приводит к повышению скорости воздуха, это объясняется увеличением потока теплоты, а значит и температурного перепада в зазоре. Ширина зазора существенно влияет на v воздуха, при уменьшении значений d v воздуха снижается, что объясняется повышением сопротивления.

На 9 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, Rэфзазора, от температуры наружного воздуха при различных значениях высоты фасада, L, и термического сопротивления стены с утеплителем, Rпртерм. констр..

Прежде всего, следует отметить слабую зависимость Rэфзазора от температуры наружного воздуха. Это легко объяснимо, т. к. разность температуры воздуха в зазоре и температуры наружного воздуха и разность температуры внутреннего воздуха и температуры воздуха в зазоре изменяются практически пропорционально при изменении tн, поэтому их отношение, входящее в ( , фактически не меняется. Так, при понижении tн от 0 до –40 °С Rэфзазора снижается от 0,17 до 0,159 м2•°С/Вт. Несущественно зависит Rэфзазора и от термического сопротивления облицовки, при увеличении Rпртерм. обл. от 0,06 до 0,14 м2•°С/Вт значение Rэфзазора изменяется от 0,162 до 0,174 м2•°С/Вт. Этот пример демонстрирует неэффективность утепления облицовки фасада. Изменения значения эффективного термического сопротивления воздушного зазора в зависимости от температуры наружного воздуха и от термического сопротивления облицовки являются несущественными для практического их учета.

На 10 представлены зависимости термического сопротивления воздушного зазора, Rэфзазора, от ширины зазора, d, при различных значениях высоты фасада. Зависимость Rэфзазора от ширины зазора выражена наиболее отчетливо — при снижении толщины зазора значение Rэфзазора возрастает. Это связано с уменьшением высоты установления температуры в зазоре x0 и, соответственно, с повышением средней температуры воздуха в зазоре ( 8 и . Если для других параметров зависимость слабая, т. к. происходит наложение различных циклов частично гасящих друг друга, то в данном случае этого нет — чем тоньше зазор, тем быстрей он прогревается, и чем медленнее движется воздух в зазоре, тем быстрей он нагревается.

Вообще наибольшее значение Rэфзазора может быть достигнуто при минимальном значении d, максимальном значении L, максимальном значении Rпртерм. констр.. Так, при d = 0,02 м, L = 20 м, Rпртерм. констр. = 3,4 м2•°С/Вт вычисленное значение Rэфзазора составляет 0,24 м2•°С/Вт.

Для расчета теплопотерь через ограждение большее значение имеет относительное влияние эффективного термического сопротивления воздушного зазора, т. к. оно определяет насколько уменьшатся теплопотери. Несмотря на то что наибольшее абсолютное значение Rэфзазора достигается при максимальном Rпртерм. констр., наибольшее влияние эффективное термическое сопротивление воздушного зазора на теплопотери оказывает при минимальном значении Rпртерм. констр.. Так, при Rпртерм. констр. = = 1 м2•°С/Вт и tн = 0 °С благодаря воздушному зазору теплопотери снижаются на 14 %.

При горизонтально расположенных направляющих, к которым крепятся облицовочные элементы, при проведении расчетов ширину воздушного зазора целесообразно принимать равной наименьшему расстоянию м. направляющими и поверхностью теплоизоляции, т. к. эти участки определяют сопротивление движению воздуха ( 1 .

Как показали проведенные расчеты, v движения воздуха в зазоре невелика и составляет менее 1 м/с. Разумность принятой модели расчета косвенно подтверждается литературными данными. Так, в работе [6] приведен краткий анализ результатов экспериментальных определений скорости воздуха в воздушных зазорах различных фасадов ( табл.). К сожалению, содержащиеся в аналитической статье данные неполны и не позволяют установить все характеристики фасадов. но они показывают, что v воздуха в зазоре близка к значениям, полученным описанными выше расчетами.

Представленный метод расчета температуры, скорости движения воздуха и других параметров в воздушном зазоре позволяет оценивать эффективность того или иного конструктивного мероприятия с точки зрения повышения эксплуатационных свойств фасада. Этот метод можно усовершенствовать, прежде всего, это должно относиться к учету влияния зазоров м. облицовочными плитами. Как следует из результатов расчетов и приведенных в литературе экспериментальных данных, это усовершенствование не окажет большого влияния на приведенное сопротивление конструкции, но оно может оказать влияние на другие параметры.

Литература
Батинич Р. Вентилируемые фасады зданий: Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях / Сб. докл. IV науч.практ. конф. М.: НИИСФ, 1999.

Езерский В. А., Монастырев П. В. Крепежный каркас вентилируемого фасада и температурное поле наружной стены // Жилищное строительство. 200 № 10.

Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий. М.: Москомархитектура, 2002.

СНиП II379*. Строительная теплотехника. М.: ГУП ЦПП, 1998.

Богословский В. Н. Тепловой режим здания. М., 1979.

Sedlbauer K., Kunzel H. M. Luftkonvektions einflusse auf den Warmedurchgang von belufteten Fassaden mit Mineralwolledammung // WKSB. 199 Jg. 4 H.43.