Виды наружных стен энергоэффективных зданий

Рис. 2.1 Виды наружных стен энергоэффективных зданий:

а - однослойная, б - двухслойные, в - трехслойные;

1 – штукатурка; 2 – ячеистый бетон;

3 – защитный слой; 4 – наружная стена;

5 – утеплитель; 6 – фасадная система;

7 – ветрозащитная мембрана;

8 – вентилируемый воздушный зазор;

9 – декоративная панель; 10 – кронштейн;

11 – облицовочный кирпич; 12 – гибкие связи;

13 – керамзитобетонная панель; 14 – фактурный слой

При дальнейшей эксплуатации зданий выявилось много дефектов, связанных с нарушением воздухообмена в помещениях, появлением темных пятен, плесени и грибков на внутренних поверхностях наружных стен. Поэтому в настоящее время внутреннее утепление используется лишь при установке приточно-вытяжной механической вентиляции. В качестве утеплителей применяются материалы с низким водопоглощением, например, пеноплекс и напыляемый пенополиуретан.

Системы с наружным утеплением имеют ряд существенных преимуществ. К ним относятся: высокая теплотехническая однородность, ремонтопригодность, возможность реализации архитектурных решений различной формы.

В практике строительства находят применение два варианта фасадных систем: с наружным штукатурным слоем; с вентилируемым воздушным зазором.

При первом варианте исполнения фасадных систем в качестве утеплителей в основном используются плиты пенополистирола. Утеплитель от внешних атмосферных воздействий защищен базовым клеевым слоем, армированной стеклосеткой и декоративным слоем.

В вентилируемых фасадах используется лишь негорючий утеплитель в виде плит из базальтового волокна. Утеплитель защищен от воздействия атмосферной влаги фасадными плитами, которые крепятся к стене с помощью кронштейнов. Между плитами и утеплителем предусматривается воздушный зазор.

При проектировании вентилируемых фасадных систем создается наиболее благоприятный тепловлажностный режим наружных стен, так как водяные пары, проходящие через наружную стену, смешиваются с наружным воздухом, поступающим через воздушную прослойку, и выбрасываются на улицу через вытяжные каналы.

Трехслойные стены, возводимые ранее, применялись, в основном, в виде колодцевой кладки. Они выполнялись из мелкоштучных изделий, расположенных между наружным и внутренним слоями утеплителя. Коэффициент теплотехнической однородности конструкций относительно невелик (r < 0,5) из-за наличия кирпичных перемычек. При реализации в России второго этапа энергосбережения достичь требуемых значений приведенного сопротивления теплопередаче с помощью колодцевой кладки не представляется возможным.

В практике строительства широкое применение нашли трехслойные стены с использованием гибких связей, для изготовления которых применяется стальная арматура, с соответствующими антикоррозионными свойствами стали или защитных покрытий. В качестве внутреннего слоя используется ячеистый бетон, а теплоизоляционных материалов – пенополистирол, минеральные плиты и пеноизол. Облицовочный слой выполняется из керамического кирпича.

Трехслойные бетонные стены при крупнопанельном домостроении применяются давно, но с более низким значением приведенного сопротивления теплопередаче. Для повышения теплотехнической однородности панельных конструкций необходимо использовать гибкие стальные связи в виде отдельных стержней или их комбинаций. В качестве промежуточного слоя в таких конструкциях чаще применяется пенополистирол.

В настоящее время широкое применение находят трехслойные сэндвич-панели для строительства торговых центров и промышленных объектов.

В качестве среднего слоя в таких конструкциях применяются эффективные теплоизоляционные материалы – минвата, пенополистирол, пенополиуретан и пеноизол. Трехслойные ограждающие конструкции отличаются неоднородностью материалов в сечении, сложной геометрией и стыками. По конструктивным причинам для образования связей между оболочками необходимо, чтобы более прочные материалы проходили через теплоизоляцию или заходили в нее, нарушая тем самым однородность теплоизоляции. В этом случае образуются так называемые мостики холода. Типичными примерами таких мостиков холода могут служить обрамляющие ребра в трехслойных панелях с эффективным утеплением жилых зданий, угловое крепление деревянным брусом трехслойных панелей с облицовками из древесностружечной плиты и утеплителями и т.д.

3 Теплофизический расчет
наружных ограждающих конструкций

Теплотехнический расчёт наружной стены выполняется с целью определения требуемой толщины монолитного керамзитобетона, обеспечивающей нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче.

Приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены находится по формуле

, (1.44)

где R₀^усл. – сопротивление теплопередаче глади наружной стены без учёта влияния наружных углов, стыков и перекрытий, оконных откосов и теплопроводных включений, (м²·°С)/Вт;

r – коэффициент теплотехнической однородности, определяемый согласно таблице 3.1.

Таблица 3.1

Значения коэффициента теплотехнической однородности

№ п/п	Вид конструкции наружной стены	r
	Однослойные несущие наружные стены	0,98 0,92
	Однослойные самонесущие наружные стены в монолитно-каркасных зданиях	0,78 0,8
	Двухслойные наружные стены с внутренним утеплителем	0.82 0,85
	Двухслойные наружные стены с невентилируемыми фасадными системами типа ЛАЭС	0,92 0,93
	Двухслойные наружные стены с вентилируемым фасадом	0,76 0,8
	Трёхслойные наружные стены с использованием эффективных утеплителей	0,84 0,86

Определяется величина R₀^усл для многослойной наружной стены по формуле

(м²·°С)/Вт, (3.2)

где R_к – термическое сопротивление ограждающей конструкции, (м²·°С)/Вт;

– коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности наружной стены, определяемый по таблице 6 [3], Вт/(м²·°С);

– коэффициент теплоотдачи наружной поверхности наружной стены, определяемый по таблице 7 [3], Вт/(м²·°С);

(м²·°С)/Вт, (3.3)

где R₁, R₂, …R_n – термические сопротивления отдельных слоёв конструкции, (м²·°С)/Вт.

Термическое сопротивление R, (м²·°С)/Вт, слоя многослойной ограждающей конструкции следует определять по формуле

(3.4)

где толщина слоя, м;

расчётный коэффициент теплопроводности слоя, Вт/(м·°С).

Нормативное значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции определяется исходя из обеспечения санитарно-гигиенических и комфортных условий, а также исходя из обеспечения условия энергосбережения.

Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий, определяется по формуле [3]:

(3.5)

где n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающей конструкции и наружному воздуху, таблица 6 [3];

нормируемый температурный перепад, °С, таблица 3.2 [3].

Таблица 3.2

Нормируемый температурный перепад между
температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней
поверхности ограждающей конструкции

Здания и помещения	Нормируемый температурный перепад , °С
наружных стен	покрытий и чердачных перекрытий	перекрытий над проездами, подвалами и подпольями
1. Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты	4,0	3,0	2,0
2. Общественные, кроме указанных в поз.1, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом	4,5	4,0	2,5
3. Производственные с сухим и нормальным режимами	tв - τр, но не более 7	0,8(tв - τр), но не более 6	2,5
4. Производственные и другие помещения с влажным или мокрым режимом	tв - τр	0,8(tв - τр)	2,5
5. Производственные здания со значительными избытками явной теплоты (более 23 Вт/м ) и расчетной относительной влажностью внутреннего воздуха более 50%			2,5
Примечание: τр - температура точки росы, °С

Величина требуемого сопротивления теплопередаче, исходя из условия энергосбережения, определяется по величине градусосуток отопительного периода:

ГСОП=(t_в-t_о.п.)·z_о.п.. (3.6)

Значение требуемого приведенного сопротивления теплопередаче определяется по таблице 3.3.

Согласно п.5.1 [3] при выборе уровня теплозащиты здания следует руководствоваться одним из двух предложенных альтернативных подходов к оценке энергетической эффективности здания. При использовании предписывающего подхода нормативные требования традиционно предъявляются к отдельным ограждающим конструкциям.

Таблица 3.3

Требуемоеприведенное сопротивление теплопередаче

ограждающих конструкций зданий

При реализации потребительского подхода энергетическая эффективность здания оценивается по величине удельного расхода тепловой энергии на отопление здания в целом или его отдельных замкнутых объёмов – блок секций, пристроек и прочего. Величину приведенного сопротивления теплопередаче отдельных ограждающих конструкций следует принимать равной не ниже значений, определённых по формуле (3.7) для стен жилых и общественных зданий, либо по формуле (3.8) – для остальных ограждающих конструкций:

(3.7)

(3.8)

где – нормируемые сопротивления теплопередаче, соответствующие требованиям второго этапа энергосбережения, (м²·°С)/Вт.

При выполнении курсовой работы следует руководствоваться потребительским подходом.

По фактическому сопротивлению теплопередаче R₀^усл находят коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции K, Вт/(м²·ºС), по формуле

. (3.9)

Вычисляют удельный тепловой поток q, Вт/м², проходящий через ограждение при температуре наружного воздуха, равной средней температуре наиболее холодной пятидневки по формуле

. (3.10)

Определяют температуру на границах слоев ограждения по формуле

, (3.11)

где – сопротивление теплопередаче отдельных слоев ограждения до рассматриваемого сечения х.

Графическим способом определяют температуру в слоях ограждения (приложение Е):

а) при температуре наружного воздуха, равной температуре наиболее холодной пятидневки;

б) при температуре самого холодного месяца.

Для этого по оси абсцисс в выбранном масштабе последовательно откладывают значения термических сопротивлений , R₁, R₂,…, R_i, , а по оси ординат – температуры наружного и внутреннего воздуха. В масштабе термических сопротивлений распределение температур в ограждении будет прямолинейным. На основании полученных данных строится затем график стационарного изменения температур в стенке в масштабе толщин слоев (приложении Е).

Для проверки условий конденсации влаги на внутренней поверхности наружного угла стены следует найти температуру этой поверхности τ_y по формуле:

, (3.12)

где τ_в – температура внутренней поверхности, ºС.

Затем сравнивают τ_y с температурой точки росы воздуха помещения τ_р, которую можно найти по J– d диаграмме или по приложению И.

При τ_y < τ_р на внутренней поверхности наружного угла будет происходить конденсация водяных паров из воздуха. Необходимо предусмотреть меры, предупреждающие это явление.

Для расчета тепловых потерь наружными ограждениями одного помещения здания нужно знать также коэффициент теплопередачи окна К_ок.

Для определения этой величины выбирают заполнение светового проема таким образом, чтобы соблюдалось условие R₀ / . Величину для окон и балконных дверей принимают по таблице 3.3, а R₀ – по [7, приложение Л].