Критерии выбора утеплителей для навесных вентилируемых фасадов
По роду профессиональной деятельности мне приходится достаточно часто проводить семинары и конференции в разных городах России. Одна из наиболее популярных и, безус-ловно, интересных тем таких встреч — навесные вентилируемые фасады. Конструкция, хоть и известная, но по-прежнему во многом не понятная для значительной части производителей систем, проектировщиков, строителей и даже некоторых экспертов. К сожалению, выпущенные пособия, технические оценки и многие публикации не дают четких критериев по многим аспектам проектирования этих конструкций, а иногда просто грешат ничем не подтвержденными положениями.
Один из актуальных вопросов при конструировании стен с наружным утеплением и облицовкой на относе — выбор марки утеплителя. На него и попробую дать ответ в предлагаемой вниманию читателя статье.
Прежде всего необходимо оговориться. В статье речь идет только о теплотехнических и пожарно-технических качествах навесного фасада. Качество выполнения работ, безусловно, определяющее многие показатели конструкции, в данной статье не обсуждается и принимается хорошим.
Эффективность и долговечность любой строительной конструкции прежде всего определяется корректностью метода расчета и свойствами входящих в нее материалов. В общем случае методика теплотехнического расчета и принципы выбора теплоизоляционного материала должны учитывать архитектурно-строительные особенности здания, климатические воздействия и внешние нагрузки.
К архитектурно-строительным особенностям относятся такие факторы, как: форма и высота здания; остекленность — процент остекления и ширина простенков; форма утепляемой поверхности — плоская или криволинейная; качество утепляемой поверхности — отклонение от плоскостности, наличие выпуклостей или швов; степень огнестойкости здания, класс ответственности здания; влажностный режим помещения — сухой, нормальный, влажный, мокрый.
К климатическим воздействиям, учет которых необходим при выборе теплоизоляции, помимо расчетных температур, относятся ветровые воздействия.
С внешними нагрузками на теплоизоляцию все просто — они сведены к минимуму. Внешних сил к утеплителю в условиях эксплуатации не приложено. Собственный вес отдельной плиты воспринимается механическим крепежом, например, стержнями из стеклопластика с нейлоновым дюбелем. Количество точек крепления на одну плиту определяется проектом. В условиях эксплуатации и монтажа при обеспечении плотного контакта (прижатия) утеплитель подвергается нагрузкам на сжатие, изгиб и кручение, обусловленным геометрией утепляемой поверхности.
Все перечисленные факторы и воздействия однозначно позволяют определить критерии выбора теплоизоляционного материала для навесного фасада. Выбор же конкретной марки теплоизоляции проводится по этим критериям на основе сравнительного анализа физико-механических свойств, предполагаемых к использованию материалов. Количественные показатели критериев нормировать (ограничивать) не имеет смысла, т. к. известно — из материалов с самыми лучшими показателями свойств можно спроектировать плохую конструкцию. И наоборот, из редко применяемых в строительстве материалов, например, глины или земли можно построить даже дворец — Приоратскому дворцу в г. Гатчина под Санкт-Петербургом, построенному архитектором Н. А. Львовым из этих материалов, уже более 200 лет. Попутно стоит заметить, что физико-механические свойства утеплителей не стоит сводить к единственному показателю «плотность», который широко рекомендуется и используется при проектировании. Хотя зависимость свойств волокнистых утеплителей от их плотности очевидна.
Современный уровень проектирования требует более взвешенного подхода ко всем без исключения свойствам теплоизоляции. В противном случае можно получить нежелательные эффекты при эксплуатации конструкции, о которых будет сказано ниже.
Для иллюстрации высказанных тезисов рассмотрим конкретные примеры.
Наиболее точный и полный на сегодняшний день теплотехнический расчет стен с облицовкой на относе, разработанный в НИИ Строительной физики д. т. н., проф. В. Г. Гагариным, к. т. н. В. В. Козловым и опубликованный в [1], состоит из следующих шагов:
1. Подбор толщины утеплителя для стены с облицовкой на относе, достаточной для удовлетворения нормативным требованиям по сопротивлению теплопередаче.
2. Расчет влажностного режима конструкции и проверка влажности материалов на удовлетворение нормативным требованиям.
3. Уточнение характеристик материалов с учетом их средней влажности в расчетный период.
4. Расчет воздухообмена в воздушном зазоре.
5. Проверка достаточности количества удаляемой из воздушного зазора влаги в расчетный период.
6. Расчет требуемой величины сопротивления воздухопроницанию стены.
7. Проверка необходимости ветрозащиты.
Первый пункт теплотехнического расчета определяет и первый критерий для выбора теплоизоляции — коэффициент теплопроводности утеплителя в условиях эксплуатации. Для выбора утеплителя по этому критерию можно пользоваться информацией производителей, представленной в справочных изданиях. Кроме того, следует иметь в виду результаты исследований теплопроводных свойств различных теплоизоляционных материалов, представленных на рынке РФ.
И. Я. Киселевым (НИИСФ) получены полуэмпирические формулы, выражающие зависимость теплопроводности волокнистых теплоизоляционных материалов в сухом состоянии от их плотности [2].
От себя по этому поводу хочется сказать следующее. Желание некоторых производителей теплоизоляционных материалов «выиграть» за счет приближения значений коэффициента теплопроводности в условиях эксплуатации к значениям теплопроводности в сухом состоянии вызывает удивление. Материалы одной природы у разных производителей (а иногда и одни и те же) по рекламным данным имеют разные приращения коэффициента теплопроводности при одинаковом увлажнении. Интересно, за счет каких таких механизмов?
Расчет влажностного режима утепленной стены с облицовкой на относе представляет на сегодняшний день самую большую сложность и вызывает множество вопросов со стороны проектировщиков. Существует миф, что если фасад вентилируемый, то влажностный расчет производить не обязательно. При всех вариантах материалы стены будут оставаться сухими. Причиной появления этого мифа, видимо, следует считать, с одной стороны, вульгарное понимание сути конструкции вентилируемого фасада. С другой стороны, отсутствие для такой конструкции в СНиП 23-02-2003 и других рекомендательных документах корректной методики расчета с учетом ряда факторов, например, высоты здания и ширины вентилируемого зазора.
Влияние высоты здания на влажностное состояние материалов стены обусловлено явлениями инфильтрации и эксфильтрации — движения воздуха вовнутрь и из помещения наружу за счет разницы внутреннего и внешнего давлений, соответственно. При достаточной ширине зазора и отсутствии эксфильтрации на нижних этажах здания влажность материалов стены не будет превышать допустимых значений. Для волокнистых утеплителей эта величина составляет 3–5%.
Для верхних этажей того же здания будет характерна эксфильтрация воздуха, возрастающая с увеличением высоты здания при прочих равных условиях согласно [3]. Состояние материалов на таких участках стен в холодный период года будет характеризоваться повышенной влажностью. Причем, утеплитель может увлажняться значительно больше, чем допустимые расчетные значения. Влага, находящаяся в «холодных» слоях утеплителя, может не удаляться в восходящий поток воздуха в вентилируемом зазоре вследствие малой влагоемкости воздуха. Максимальное увлажнение утеплителя может достигать значения величины водопоглощения. Избыточная влага будет вытекать из утеплителя, и этот эффект можно наблюдать на некоторых фасадах в виде сосулек, свисающих из-под облицовки на верхних этажах, и отсыревших стен внутри помещения.
Ширина вентилируемого зазора и наличие ветрозащитной мембраны на внешней поверхности утеплителя похожим образом влияют на влажностный режим утеплителя. На рис. 2 представлена зависимость влажности утеплителя в зоне максимального увлажнения от сопротивления паропроницанию у его наружной поверхности при двух вариантах отделки внутренней поверхности стены. Сопротивление паропроницанию у наружной поверхности утеплителя обусловлено наличием сопротивления паропроницанию ветрозащитной мембраны, а также эквивалентным сопротивлением паропроницанию воздушного зазора, зависящим от его ширины и высоты.
В общем виде, эквивалентное сопротивление паропроницанию воздушного зазора обратно пропорционально его ширине. Чем уже зазор — тем выше его сопротивление, тем меньше влаги способен усвоить воздух, поднимающийся по зазору.
Как видно из графика на рис. 2, в рассматриваемом примере утеплитель может увлажняться (без учета увлажнения за счет эксфильтрации) значительно больше, чем допустимые расчетные значения, если суммарное сопротивление паропроницанию воздушного зазора и мембраны будет превышать 0,15 м2 ч•Па/мг. Такое сопротивление будет создаваться при ширине воздушного зазора менее 25 мм и ветрозащите Tivek. При уменьшении ширины зазора его эквивалентное сопротивление паропроницанию значительно возрастает.
Рассмотренные случаи наталкивают на мысль, что необходим следующий эксплуатационный критерий для выбора теплоизоляции — водостойкость. Однако следует признать такой критерий излишним, т. к. увлажнение утеплителя выше значений в 3–5 % недопустимо по соображениям снижения эффективности теплоизоляции. Более существенное значение имеет другой показатель — паропроницаемость утеплителя. В случае установки двух слоев утеплителя, когда внешний слой имеет меньшую паропроницаемость, чем внутренний, условия запредельного увлажнения наружного слоя могут наступить даже при нормальных значениях ширины зазора и сопротивления воздухопроницанию несущего слоя стены. Поэтому следующий критерий, определяемый методикой теплотехнического расчета и архитектурно-строительными факторами, — паропроницаемость утеплителя.
После выполнения расчетов по определению сопротивления теплопередаче и влажностному состоянию материалов стены в соответствии с п. 3 методики производится уточнение показателей свойств выбранных материалов по указанным критериям. Таким образом, на этом этапе определяются не только толщины слоев, но и необходимые значения показателей свойств теплоизоляции.
Далее, предполагаются этапы расчета, призванные определить достаточность принятой ширины воздушного зазора для эффективного удаления влаги в холодный период года. Иными словами — способность воздуха, поднимающегося по зазору в определенном количестве и при принятых для расчетного периода кондициях, поглощать рассчитанное количество влаги, поступающей из помещения за счет паропроницаемости и воздухопроницаемости материалов стены. По существу, это проверочные этапы, выполнение которых не привносит новых критериальных параметров.
Шестой пункт методики предусматривает определение параметров воздухопроницаемости стены при инфильтрации и продольной фильтрации. С точки зрения инфильтрации теплоизоляционный слой из волокнистых утеплителей не играет существенной роли, т. к. его воздухопроницаемость при толщине до 200 мм много больше воздухопроницаемости основания вентилируемого фасада. Этот факт нашел свое отражение еще в СНиП II-3-79 и, принимая справедливость данного положения, подробно на этом процессе останавливаться не имеет смысла. Другое дело — продольная фильтрация.
Это явление вызвано перепадом давления, возникающим при движении воздуха вдоль или под углом к плоскости фасада. Расчетов продольной фильтрации воздуха в ограждающих конструкциях и ее влияние на теплозащитные свойства конструкций ранее не проводилось, хотя К. Ф. Фокин отмечал, что методы таких расчетов не разработаны, но учитывать продольную фильтрацию следует строительными мероприятиями [3], т. е. минимизировать за счет конструктивных решений.
И в этом случае налицо связь архитектурно-строительных особенностей здания, конструкции фасада, а также климатических параметров со свойствами теплоизоляционных материалов. Подробно эти явления рассмотрены в [4]. В этой же статье хочется отметить главное. Физическое явление существует. Величины теплопотерь за счет продольной фильтрации могут быть незначительными, в пределах 1–2% при низкой воздухопроницаемости облицовки, например, из металлического сайдинга или большеформатных плит. Этих же значений независимо от воздухопроницаемости облицовки теплопотери могут достигать при использовании ветрозащитных мембран. Особенно эффективно использование ветрозащиты в узлах примыкания слоя теплоизоляции к оконному проему и на углах здания.
В случае высокой воздухопроницаемости облицовки, например, из мелкоразмерных плит с открытыми швами, теплопотери могут достигать значений в 15–20% и более на угловых участках стен и простенках. Еще больших значений, до 30–50%, теплопотери могут достигать при неплотном сопряжении утеплителя с утепляемой поверхностью, т. е. при наличии замкнутых или сквозных щелей. Особенно важен учет этих явлений для ветровых районов с V по VII и для зданий, имеющих отапливаемые помещения на высоте более 75 м от уровня земли в любом ветровом районе.
Для учета теплопотерь за счет продольной фильтрации необходимы следующие три критерия — воздухопроницаемость, сжимаемость и упругость (восстанавливаемость или возвратимость) утеплителя.
На рис. 3 представлена публикуемая впервые зависимость коэффициента воздухопроницаемости утеплителей URSA от плотности. Очевидно, что теплопотери за счет продольной фильтрации зависят как от плотности, так и от структуры утеплителя. К сожалению, систематизированных данных по воздухопроницаемости утеплителей других производителей в распоряжении автора не имеется. Информация из разрозненных источников позволяет предположить следующее.
В принципе, утеплители с большей плотностью имеют меньшие коэффициенты воздухопроницаемости, а при одинаковой плотности изделий из каменной ваты и стекловолокна у последних воздухопроницаемость несколько ниже.
В то же время, в соответствии с седьмым пунктом методики, суммарная воздухопроницаемость слоя утеплителя с высоким коэффициентом воздухопроницаемости и ветрозащитной мембраны может быть значительно меньше, чем у утеплителя с низким коэффициентом воздухопроницаемости. Такой способ регулирования воздухопроницаемости сродни установке слоя с дополнительным сопротивлением паропроницанию — пароизоляции — при расчете влажностного режима конструкций.
С этих позиций, рекомендуемая конструкция двухслойного утепления, когда наружный слой выполнен из плотных волокнистых утеплителей и, следовательно, имеет меньший коэффициент воздухопроницаемости, а внутренний слой выполнен из легких утеплителей, по мнению автора, порочна по двум причинам. Во-первых, наличие внешнего плотного слоя не снижает теплопотери за счет продольной фильтрации. Во-вторых, многочисленные пожарные испытания на предмет определения класса пожарной опасности конструкций навесных фасадов показывают следующее. Использование менее воздухопроницаемых слоев утеплителя во внешнем слое теплоизоляции при двухслойном утеплении приводит к затрудненному газовыделению из внутренних слоев с высокой воздухопроницаемостью при нагреве последних выше температуры начала разложения фенолформальдегидного связующего, содержащегося во всех современных волокнистых утеплителях. При большой толщине внутреннего слоя теплоизоляции это приводит к повышенному задымлению при пожаре и опасности возникновения процессов тления.
Справедливо также и то, что наличие ветрозащитной мембраны, безусловно, способствует распространению огня не только вверх по фасаду, но и в стороны, и вниз.
Сжимаемость и упругость утеплителя определяет качество его сопряжения с поверхностью стены. В этом смысле, с учетом расчетов, выполненных в [4], критерии сжимаемости и упругости представляются наиболее значимыми. Особенно для несущих частей стены, выполненных из кирпича и блоков, а также мест сопряжений с различными конструктивными элементами, например, кронштейнами. При применении жестких утеплителей с низкой упругостью (низкой возвратимостью) наличие швов, уступов, выпуклостей может стать критическим. Отношение теплопотерь за счет продольной фильтрации к суммарным теплопотерям вследствие других процессов может превзойти разумные пределы.
Немаловажное значение, с точки зрения сохранения теплозащитных свойств во времени, имеет способность утеплителя сохранять стабильные геометрические размеры и форму. Эти свойства тепло-изоляционных материалов являются очередным критерием при выборе материала. К сожалению, методов расчета снижения сопротивления теплопередаче за счет раскрытия стыков отдельных фрагментов не разработано. Однако, в первом приближении, каждый раскрытый стык можно считать неутепленным участком стены. При расположении утеплителя в два слоя с разбежкой стыков снижение теплозащитных свойств менее весомо. В любом случае, критерий формостабильности — a priori — следует признать крайне важным.
Криволинейные в плане поверхности наружных стен или их участков, переходы поверхностей по образующей, пилястры и эркеры сложной формы современных зданий определяют механические критерии — прочность на растяжение, прочность на сжатие, гибкость утеплителя.
Прочностные критерии определяются исходя из следующих положений. В точке крепления утеплителя возникают растягивающие усилия от собственного веса теплоизоляционного слоя, действующие в плоскости плиты и сжимающие усилия от крепежа, направленные перпендикулярно плоскости плиты (рис. 4). Величина растягивающего усилия зависит от плотности утеплителя, толщины слоя и количества точек закрепления на 1 м2. Она не должна превышать прочности материала на растяжение. Для утеплителей из стекловолокна, имеющих слоистую структуру, это — прочность на растяжение поперек волокон. Для утеплителей из каменной ваты, не имеющих слоистой структуры, прочности на растяжение вдоль и поперек волокон примерно равны.
Сжимающие усилия приводят к деформации утеплителя. Утеплители с высокой сжимаемостью легко деформируются, и говорить о величине их прочности на сжатие не приходится. В жестких утеплителях величина сжимающих усилий не должна превышать их прочности на сдвиг. Прочность на сдвиг в данном случае можно уравнять с прочностью на сжатие, традиционно определяемой для жестких утеплителей.
Усилия от изгибающих и крутящих моментов, возникающие при эксплуатации, определяются исключительно при проектировании и зависят от геометрических характеристик утепляемой поверхности и способа закрепления теплоизоляции. Они также не должны превышать прочность утеплителя на растяжение. Для утеплителей из стекловолокна это — прочность на растяжение вдоль волокон. Кроме того, в утеплителях, имеющих высокую гибкость, не возникает значительных растягивающих напряжений и, по этой причине, они выпускаются в рулонах.
Итак, подведем итоги. Разработанная под руководством проф. В. Г. Гагарина в НИИСФ методика теплотехнического расчета наиболее полно отражает все особенности работы конструкций стен с наружным утеплением и облицовкой на относе —нестационарный характер теплового режима наружных стен, архитектурно-строительные факторы и климатические воздействия. Методика позволяет определить критерии выбора теплоизоляционных материалов и конструкций теплоизоляционных слоев. Теплоизоляционные материалы целесообразно подбирать по следующим критериям (показателям свойств):
1. Теплопроводность в условиях эксплуатации.
2. Паропроницаемость.
3. Воздухопроницаемость.
4. Сжимаемость.
5. Упругость (возвратимость).
6. Прочность на растяжение и сжатие.
7. Гибкость.
8. Стабильность формы и размеров в условиях эксплуатации.
Нормировать приведенные критерии с точки зрения теплотехники не имеет смысла, т. к. при известных методах оценки влияния любого критерия, в конечном счете, все определяет экономическая целесо-образность принятой конструкции теплоизоляционного слоя.
С точки зрения пожарно-технических характеристик все определяет эксперимент. Поэтому и здесь нормирование свойств теплоизоляционных материалов представляется излишним.
И в том и в другом случае, исходя из целей проектирования, имеет смысл рекомендовать наиболее рациональные конструкции.
Что касается методов теплотехнического расчета, безусловно на основе методики НИИ Строительной физики стоит выпустить национальный стандарт.
Литература
1. «Проектирование фасадных систем с воздушным зазором».
2. Киселев И. Я. «Теплопроводность эффективных теплоизоляционных строительных материалов и изделий». // Журнал Academia, № 4,2004, с. 36–41.
3. Фокин К. Ф. «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий», Изд. 4-е. — М.: Стройиздат, 1973.
4. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Садчиков А. В., Мехнецов И. А. «Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях». // Журнал «AВОК», № 8/2005.
Центральный офис ООО «УРСА Евразия» в Санкт-Петербурге:
Тел. (812) 324-4488, факс (812) 324-4489
Официальные дистрибьюторы ООО «УРСА Евразия» в Санкт-Петербурге:
Центр Строительных ТехнологийТел. (812)331-2200, 331-2201
Группа компаний «Невская»Тел. (812) 329-2333
«ТермоСтройИнжиниринг»Тел.: (812) 372-3265, 372-3266
ООО «ТехноРосс», тел. (812) 380-0924
| Автор: И. А. Мехнецов Дата: 14.08.2006 Журнал Стройпрофиль 5-06 Рубрика: фасадные системы. фасады Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |