Влияние сопротивления теплопередачи утеплителя на распределение температурных полей в стеновых ограждениях с навесными вентилируемыми фасадами

Навесные вентилируемые фасады (НВФ) появились в Европе в конце 1970-х гг. Изначально они применялись для защиты ограждающих конструкций зданий от агрессивного воздействия окружающей среды, а также для обновления фасадов зданий при реконструкции. В нашей стране НВФ появились в начале 1990-х гг., быстро заняли свою нишу на рынке. В 1995 г. Правительством Российской Федерации для экономии энергоресурсов было принято решение о поэтапном переходе к более высоким требованиям к сопротивлению теплопередачи ограждающих конструкций. К 2001 г. требуемое сопротивление теплопередачи для стенового ограждения увеличилось с 1,15 до 3,70 m2∙°C/W. В связи с этим любое здание, подвергающееся реконструкции или ремонту, должно соответствовать новым нормам [1, 2]. Опыт эксплуатации зданий из кирпича, имеющих повышенное сопротивление теплопередачи, показало возникновение трещин уже после 7-10 лет эксплуатации. Трещины возникают на наружном декоративном слое каменной кладки от больших механических нагрузок, из-за отсутствия армирования, при некачественной установке связей. Наибольшие разрушения появляются в местах с высокой концентрацией теплотехнических неоднородностей (гибкие металлические связи, вспомогательные металлические элементы) из-за образования конденсата на металлических элементах и, как следствие, высокой влажности каменной кладки. Самым дешёвым и быстрым способом

увеличения требуемого сопротивления теплопередачи стало применение навесных вентилируемых фасадов. НВФ стали применяться в Сибири без каких-либо принципиальных изменений в условиях, в которых изначально их не предполагалось эксплуатировать. Таким образом, появляются новые сложные многослойные конструкции стенового ограждения с большим количеством теплотехнических неоднородностей (сборная трёхслойная железобетонная стеновая панель с внутренним утеплителем и навесным вентилируемым фасадом или каменная кладка с эффективным утеплителем с навесным вентилируемым фасадом), требующие тщательного дополнительного изучения, прежде всего в условиях низких отрицательных температур. Новые типы сложных многослойных ограждений также требуют подробного изучения температурновлажностных режимов в процессе эксплуатации, точного подбора материалов для каждого слоя ограждающей конструкции.

Навесные вентилируемые фасады монтируются на металлический каркас, который закрепляется, как правило, стальными анкерами через слой теплоизоляции к несущей части стены здания. Несмотря на удобство монтажа и эксплуатации, высокую ремонтопригодность, такая конструкция несёт в себе существенные недостатки, нарушая в значительной степени теплотехническую однородность ограждающих конструкций. Расчёты были проведены для климатических условий г. Красноярска (табл. 1).

Целью расчётов была оценка влияния теплопроводности внутреннего теплоизоляционного слоя НОК на совместную «тепловую» работу с конструкцией НВФ. Ранее проведённые нами расчёты установили возникновение локальной зоны пониженных температур вблизи анкера крепления НВФ. В этой зоне материал стены испытывает большее количество циклов попеременного замораживания и оттаивания, что негативно сказывается на долговечности как крепления НВФ, так и здания в целом. Расчётным путём мы определили, что зона относительных пониженных температур вблизи анкера крепления НВФ образовывается в наружных ограждающих конструкциях с внутренним утеплителем, таких как каменная кладка с эффективным утеплителем или сборные трёхслойные железобетонные панели [3]. Для дальнейших расчётов были приняты две модели:

Таблица 1

Параметры	Значения параметров	Источник
Климатические характеристики
Район строительства	г. Красноярск	-
Расчётная температура наружного воздуха, t ext , оC	-40	СНиП 23-01-2003, табл. 1
Средняя температура отопительного периода, со среднесуточной температурой воздуха ниже 8 оС, zht, оC	-7.1	- « -
Продолжительность отопительного периода, со среднесуточной температурой воздуха ниже 8 оС, t ht , оC	234	- « -
Влажностный режим помещений	Нормальный	СНиП 23-02-2003 прил. В
Условия эксплуатации ограждающих конструкций	А	СНиП 23-02-2003 табл. 2

• 1)    трёхслойная железобетонная панель с эффективным утеплителем из пенополистирола X = 0,040,W/m* о С;

• 2)    трёхслойная железобетонная панель с эффективным утеплителем из минеральной ваты X = 0,064, W/m* ^оС.

Для выявления температуры наружного воздуха, при которой вблизи крепления анкера НВФ образовывается локальная зона пониженных температур, на расчётную модель была приложена тепловая нагрузка с «шагом» 5 °С от минус 40 до минус 5 °С. Исходные данные для расчётных моделей представлены в табл. 2.

Графики распределения температур, построенные по оси анкера крепления кронштейна НВФ к конструкции стенового ограждения при различных температурах наружного воздуха, представлены на рис. 1.

На рис. 1 хорошо видны характерные изменения углов наклона на границах материалов, обусловленные разными коэффициентами их теплопроводности. Чем больше угол наклона участка графика к оси Х , тем выше сопротивление теплопередачи соответствующего материала. Следует отметить возникновение двух пиков, совпадающих с двумя противоположными концами анкера. По всей видимости, пики вызваны влиянием высокой теплопроводности металлического анкера на материалы, граничащие с ним. Глубина пониженных температур по оси анкера увеличивается с понижением температуры наружного воздуха.

Выполненный расчёт в 3D-геометрии позволил установить, что вблизи заделки анкера образуется зона отрицательных температур в форме усечённого конуса. Такая форма может быть объяснена самой конструкцией стенового ограждения, конус поваляется в защитном слое сборной трёхслойной стеновой панели. Это обусловлено высокой теплопроводностью материла анкера, относительно высокой теплопроводностью защитного слоя и низкой тепло -проводностью наружного и внутреннего утеплителей ограждающей конструкции. Таким образом, создаются условия, при которых возникает зона пониженных температур, появляется подобие «термоса», который отсекает тепловой поток в положительном направлении, позволяя тепловому потоку в отрицательном направлении проходить вглубь стенового ограждения.

Таблица 2

№ п/п	Наименование элемента	Коэффициент теплопро-водности, W/m* о С	Размеры, mm
1	Керамзитобетон (несущий слой)	0,7	110
	Внутренний теплоизоляционный слой (пенополистирол)	0,040	180
2	Внутренний теплоизоляционный слой (минеральная вата)	0,064	180
3	Железобетон (защитный слой)	1,92	60
4	Анкер	58	Ø8х100
5	Основание кронштейна	58	2х96
6	Теплоизоляционный материал НВФ	0.04	100

Рис. 1

Это, безусловно, будет оказывать влияние на деструкцию материала в местах крепления анкера при циклических изменениях температур наружного воздуха. Расчёты показывают, что этот процесс начинается уже при температуре наружного воздуха минус 7 °С.

Наличие зоны пониженных температур вблизи анкера обусловлено уменьшением величины теплового потока ввиду наличия теплоизоляционного слоя внутри стенового ограждения. Таким образом, наиболее неблагоприятным фактором с позиции обеспечения долговечности является наличие внутреннего теплоизоляционного слоя.

Характер распределения температур в конструкции стенового ограждения с НВФ и внутренним утеплителем из минеральной ваты аналогичен изображенному на рис. 1. Глубина промерзания стенного ограждения с утеплителем из минеральной ваты несколько меньше, чем в аналогичной конструкции с утеплителем из пенополистирола, и меняется в зависимости от температуры наружного воздуха (рис. 2).

При температуре наружного воздуха от минус 20 °С и ниже промерзания стенового ограждения с анкером и без него мало отличаются друг от друга. Это связано с тем, что при таких температурах глубина промерзания стенового ограждения существенно больше, чем глубина заделки анкера крепления НВФ. При такой температуре наружного воздуха и соответствующего ей графику распределения температурных полей анкер практически не влияет на тепловую работу конструкции (рис. 4).

Рис. 2

Рис. 3

4 a )

Рис. 4 a , 4 b

4 b )

Рис. 5

Максимальная разница глубин промерзания НОК с учётом влияния анкера крепления НВФ наблюдается при температуре наружного воздуха минус 10 °С (рис. 4 b ). При этом НОК без учёта влияния анкера промерзает до середины защитного слоя раствора толщиной 60 мм. Из-за высокой теплопроводности анкера (металла) глубина промерзания вблизи анкера существенно смещается. Вблизи анкера возникает локальная зона пониженных температур в форме усечённого конуса.

Как можно видеть из сравнения графиков на рис. 5, глубина промерзания трёхслойной стеновой панели с НВФ с внутренним утеплителем из минеральной ваты больше, чем глубина промерзания аналогичного стенового ограждения с внутренним утеплителем из пенополистирола. То есть чем выше сопротивление теплопередачи внутреннего утеплителя, тем больше будет глубина промерзания стеновой конструкции. Это связано с уменьшением теплового потока. Данный эффект наблюдается как при наличии, так и при отсутствии анкера. Увеличение сопротивления теплопередачи теплоизоляционного слоя способствует увеличению локальной конусообразной зоны в стеновом ограждении в месте крепления анкера.

Для стенового ограждения с внутренним утеплителем из минеральной ваты глубина промерзания по оси анкера на 30 % больше, чем по стеновой конструкции без учёта влияния анкера. Для стенового ограждения с внутренним утеплителем из пенополистирола глубина промерзания по оси анкера на 13 % больше, чем по стеновой конструкции без учёта влияния анкера.

Выводы

• 1.    Наибольшую опасность с точки зрения долговечности представляют стеновые конструкции с внутренним теплоизоляционным слоем. Увеличение сопротивления теплопередачи теплоизоляционного слоя (в том числе за счёт изменения вида и теплопроводности материала) при устройстве внутри стеновой конструкции способствует уменьшению значения теплового потока и увеличению локальной конусообразной зоны пониженных температур в стеновом ограждении в местах крепления анкера.

• 2.    Опасность с позиции обеспечения долговечности вызывает многократный циклический переход наружной температуры воздуха, что, безусловно, ведёт к ускоренной деструкции материала и, как следствие, потере несущей способности материала стенового ограждения.

• 3.    Наибольшая зона относительных пониженных температур, а следовательно, наибольшее негативное влияние анкера на несущую способность материала ограждающей конструкции сказывается при температурах наружного воздуха 263,15 K (минус 10 °С). При температуре наружного воздуха 258,15 K (минус 15 °С) влияние металлического анкера на глубину промерзания существенно уменьшается, а при более низких температурах практически отсутствует.