Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный

университет»

Кафедра отопления и вентиляции

Тепловлажностный расчет

фасадных систем с воздушным зазором

Методические указания к курсовой работе

по дисциплине «Строительная теплофизика»

для студентов дневного и заочного факультетов специальностей «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Промышленная теплоэнергетика»

Н.Новгород 2005 2 УДК 692.232.45:699.8 Тепловлажностный расчет фасадных систем с воздушным зазором Методические указания к курсовой работе по курсу «Строительная теплофизика» для студентов дневного и заочного факультетов специальностей «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Промышленная теплоэнергетика»

Н.Новгород, 2005.

В методических указаниях приведены конструктивные особенности навесных фасадных систем с воздушным зазором. Приведена методика и примеры расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций.

Рис. 6, перечень норм. док. и лит. 15 наим.

Составители: А.Н. Машенков, Е.В. Чебурканова, В.А. Ершов, А.В. Щедров Нижегородский государственный архитектурностроительный университет, Cодержание 1. Назначение. Достоинства фасадных систем с воздушным зазором (ФСсВЗ)………………………………………………………………….. 1.1. Достоинства……………………………………………………………… 2. Конструктивные решения ФСсВЗ……………………………………………. 3. Теплотехнический расчет……………………………………………………... 3.1. Общие требования……………………………………………………….. 3.2. Определение толщины теплоизоляционного слоя…………………….. 3.3. Определение влажностного режима наружных стен………………….. 3.4. Определение параметров воздухообмена в прослойке……………….. 3.5. Определение параметров тепловлажностного режима прослойки…... 3.6. Методика определения условного приведенного сопротивления паропроницанию с учетом вертикальных щелей между облицовочными панелями………………………………………………….. 4. Пример теплотехнического расчета наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой………………………………………………………….. 4.1. Краткая характеристика объекта и нормативные требования………... 4.2. Расчет толщины теплоизоляции………………………………………... 4.3. Расчет влажностного режима бетонных стен…………………………. 4.4. Определение скорости движения воздуха и упругости водяного пара на выходе из прослойки……………………………………………………… 5. Условные обозначения………………………………………………………... 6. Перечень нормативных документов и литературы…………………………. Вне зависимости от конструкций, применяемых на здании, все их объединяет одна общая задача: они являются защитой от влияния погодных условий, создавая благоприятный климат внутри помещения. Поэтому внешнее покрытие здания должно быть устойчиво к любым проявлением атмосферных явлений.

Каждая постройка неизбежно подвергается воздействию дождя, зачастую ливневого дождя, а также тающего снега. Кроме того, на любые ежедневные и обусловленные сменой времен года перепады температуры и низкую температуру в зимний период, здание должно обладать надежной теплозащитой и необходимой тепловой аккумулирующей способностью.

При ненастной погоде однослойные стены, выполненные из однородного материала (камня, бетона, глины, дерева и т.д.) могут насквозь пропитаться влагой. При этом перевязка стенной кладки ослабляется, происходит отслоение материала, вымывание солей и, в конечном итоге, разрушение конструкции под действием холода. Существенно ухудшаются теплоизоляционные свойства.

На основании вышеперечисленных воздействий и их последствий, появляются такие типы компоновки, при которых защищающая от воздействия атмосферных явлений оболочка здания выполняется отдельно от несущей конструкции.

Одним из таких климатически проверенных конструктивных решений является система навесных фасадов с регулируемым воздушным зазором. Внешний облик фасадов зданий всегда разный, однако, эффективность действия применяемых систем всегда высока.

Преимущества строительной технологии фасадных систем с воздушным зазором над однослойными стенами стали известны достаточно давно.

Кроме возможности применения разнообразных архитектурно-конструктивных решений, функциональные преимущества фасадов, как и раньше, являются неоспоримым доводом к их применению.

- Фасады, способные дышать: циркуляция воздуха и тепловое излучение в воздушном зазоре обеспечивает быстрое удаление влаги из внутренних помещений здания, несущих стен, утеплителя – здание «дышит».

Конструкция навесного вентилируемого фасада:

- Солнечная радиация: Наличие теплоизоляции и воздушного вентилируемого зазора увеличивает теплоустойчивость наружной стены, уменьшает амплитуду колебаний температуры внутренней её поверхности, что способствует повышению комфортности микроклимата помещения, снижая нагрузку на системы кондиционирования воздуха.

- Теплоизоляция: Наличие утеплителя, защищенного от воздействия осадков и, главным образом, от накопления конденсата, позволяет сократить расход энергии на системы кондиционирования микроклимата.

- Звукоизоляция: Совместное использование декоративного экрана (облицовки) навесного фасада и теплоизоляции снижает уровень внешнего звукового давления (шумов) в помещении.

- Защита от атмосферных осадков: Конструкция основного несущего профиля спроектирована таким образом, что вся влага, попадающая на поверхность фасада под действием ветра, удаляется в дренаж. Исключается контакт влаги с утеплителем и конструктивной частью стены.

- Защита от накопления влаги толщи наружной стены: Слои конструкции наружной стены расположены в порядке убывания сопротивления паропроницанию по ходу движения водяных паров из помещения наружу. Влага помещения в виде водяных паров диффундирует изнутри помещения в воздушную вентилируемую прослойку и удаляется потоком воздуха между утеплителем и облицовочным экраном.

- Пожарная безопасность: Система навесных фасадов включает в себя материалы и изделия, относящиеся к категории негорючих и слабогорючих со слабой дымообразующей способностью, малоопасные по токсичности продуктов горения.

Рентабельность при строительстве новых объектов:

Высокая потребительская стоимость:

- Компоновка различных видов облицовочных материалов в различной цветовой гамме придает зданию оригинальный и эстетичный вид.

Длительный безремонтный срок службы фасадов.

Высокая технологичность - короткие сроки монтажа:

- Возможность работы круглый год - полностью исключены «мокрые - Предварительная сборка отдельных элементов непосредственно на Отпадает необходимость в ряде работ:

- Устранение поврежденного слоя штукатурки.

- Не требуется предварительной подготовки дефектов стен.

Высокая ремонтопригодность:

- Облицовка легко демонтируется, не затрагивая при этом соседние элементы. Отсутствие риска продления сроков работ и повышения их стоимости.

Конструкции навесных ФСсВЗ состоят из следующих основных частей:

- несущего каркаса (подконструкции);

- слоя теплоизоляции, наличие и величина которого определяется теплотехническим расчетом;

- ветрогидрозащитной паропроницаемой мембраны (может не устанавливаться);

- декоративного экрана (облицовки), устанавливаемого на относе от слоя теплоизоляции (или от стены-основания).

Слои теплоизоляции в ФСсВЗ устраивают из эффективного негорючего утеплителя – минераловатных плит.

Для предотвращения увлажнения от различного рода атмосферных воздействий, а также от возможного выветривания волокон утеплителя и предотвращения развития воздушных циркуляций внутри теплоизоляционного слоя, устанавливается ветрогидрозащитная паропроницаемая мембрана, или производится установка кашированных с наружной стороны минераловатных плит.

Слои теплоизоляции не являются обязательным элементом ФСсВЗ в том случае, если теплозащитные свойства наружного ограждения для зимних условий обеспечены массивом стены-основания или фасад является декоративным.

Несущий каркас (подконструкция), состоящий из металлических кронштейнов и направляющих, воспринимает и перераспределяет нагрузки от защитно-декоративного экрана и передаёт их на основание конструкции каркаса здания или сооружения и стену-основание (при её наличии). Для неответственных зданий или сооружений возможно применение «неметаллических» вариантов подконструкции.

Площадь сечения кронштейнов, их количество, теплопроводящие свойства материала, из которого они изготовлены, напрямую влияют на коэффициент теплотехнической однородности «r» слоя теплоизоляции и теплозащитные качества ограждения.

Декоративный экран (облицовка) защищает слой теплоизоляции и несущие конструкции здания от атмосферных воздействий и выполняет функции архитектурного дизайна.

2. Несущий кронштейн с салазкой. 8. Кассетная панель 3. Опорный кронштейн с салазкой. 9. Шайба с рифлением и заклепка.

5. Вертикальный профиль. 11. Утеплитель.

6. Дренажный элемент. 12. Тарельчатый дюбель.

Рис. 2.1. Конструктивный вариант ФСсВЗ с облицовкой кассетными панелями.

Рис. 2.2. Конструктивный вариант ФСсВЗ с облицовкой кассетными панелями.

а) узел навески кассетных панелей б) узел навески кассетных панелей с помощью крепежного элемента «икли».

Рис. 2.3. Конструктивный вариант ФСсВЗ с облицовкой плитами керамогранита на кляммерах.

Рис. 2.4. Конструктивный вариант ФСсВЗ с облицовкой плитами керамогранита.

Узел открытого крепления плит керамогранита.

2. Несущий кронштейн. 6. Термоизолирующая прокладка.

3. Опорный кронштейн. 7. Утеплитель минераловатный.

4. Вертикальный профиль. 8. Плита керамогранита.

Рис. 2.5. Конструктивный вариант ФСсВЗ с облицовкой плитами керамогранита на кляммерах.

а – горизонтальный разрез б – вертикальный разрез Методика теплотехнического расчета базируется на требованиях СНиП 23- «Тепловая защита зданий» [4].

Расчет наружных стен с экраном и вентилируемой воздушной прослойкой основан на расчете теплотехнических характеристик стен и расчете влажностного режима.

Теплотехнический расчет наружных стен с вентилируемой прослойкой включает в себя:

- выбор материала теплоизоляционного слоя;

- расчет и подбор слоя утеплителя:

- расчет влажностного режима;

- определение параметров воздухообмена в прослойке;

- определение температурно-влажностного режима прослойки;

- определение условного приведенного сопротивления паропроницанию экранов с учетом швов-зазоров между панелями-экранами.

Таким образом, для стен с вентилируемой воздушной прослойкой проводится несколько теплотехнических расчетов: расчет теплового режима стены и прослойки и влажностного режима стены и прослойки.

3.2. Определение толщины теплоизоляционного слоя По температуре внутреннего воздуха и средней температуре отопительного периода и его продолжительности определяют градусо-сутки отопительного периода Dd, °Ссут, по формуле (2) [4]:

где tint - расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций группы зданий по поз. 1 таблицы 4 по минимальным значениям оптимальной температуры соответствующих зданий по ГОСТ 30494 (в интервале 20 - 22 °С), для группы зданий по поз. 2 таблицы 4 - согласно классификации помещений и минимальных значений оптимальной температуры по ГОСТ 30494 (в интервале 16 - 21 °С), зданий по поз. 3 таблицы 4 - по нормам проектирования соответствующих зданий;

tht, zht - средняя температура, °С, и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по СНиП 23-01 [3] для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 10 °С - при проектировании лечебно-профилактических, детских учреждений и домов-интернатов для престарелых, и не более 8 °С - в остальных случаях.

По градусо-суткам отопительного периода, отличающихся от табличных, определяют приведенное сопротивление теплопередаче стены по формуле (1) [4]:

где Dd - градусо-сутки отопительного периода, °Ссут, для конкретного пункта;

a, b – коэффициенты, значения которых следует принимать по данным таблицы [4].

Термическое сопротивление R, м·С/Вт, однородного слоя многослойной ограждающей конструкции следует определять по формуле (6) [7]:

где – толщина слоя, м;

– коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/(м·С).

Термическое сопротивление ограждающей конструкции Rk, м·С/Вт, с последовательно расположенными однородными слоями следует определять как сумму термических сопротивлений отдельных слоев:

где R1, R2, …, Rn – термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м·С/Вт, определяемые по формуле (3);

Ra.l - термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки, м·С/Вт принимаемое по таблице 7 СП 23-101 [7].

Сопротивление теплопередаче Ro, м·С/Вт, однородной однослойной или многослойной ограждающей конструкции с однородными слоями или ограждающей конструкции в удалении от теплотехнических неоднородностей не менее чем на две толщины ограждающей конструкции следует определять по формуле:

где Rsi = 1/int, int - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/м·С, принимаемый по таблице 7 СНиП 23-02 [4];

Rse = 1/ext, ext – коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции для условий холодного периода, Вт/м·С, принимаемый по таблице 8 СП 23-101[7];

Rk – то же, что и в формуле (4).

В основу конструктивных решений наружных стен при определении приведенных сопротивлений теплопередаче главных фрагментов принимаются толщины утеплителя, рассчитанные по формуле:

где Rreq – требуемое приведенное сопротивление теплопередаче стен, м2 · °С/Вт;

R1, Rn – то же, что и в формуле (4);

int, ext – то же, что и в формуле (5).

r – коэффициент теплотехнической однородности по табл. 1; 2.

Значения r кирпичных утепленных снаружи стен Примечания:

1. В таблице даны r для фрагмента с оконным проемом (проемность 25 %).

2. Для получения значений r с учетом глухих участков приведенные в таблице значения умножаются на 1,05.

панели (без дополнительного Для проверки правильности принятых толщин утепляющих слоев определяются приведенные сопротивления теплопередаче наружных стен для основных «фрагментов». Каждый рассчитываемый фрагмент делится на отдельные участки, характеризуемые одним или несколькими видами теплопроводных включений.

Приведенное сопротивление теплопередаче R 0r всей неоднородной ограждающей конструкции определяется по формуле где Ai, R0r, i - соответственно площадь i-го участка характерной части ограждающей конструкции, м2, и его приведенное сопротивление теплопередаче, м2°С/Вт;

А - общая площадь конструкции, равная сумме площадей отдельных участков, м2;

m - число участков ограждающей конструкции с различным приведенным сопротивлением теплопередаче.

Если Rorcp Rreq по табл. 4 СНиП 23-02 [4], конструкция стены удовлетворяет требованиям теплотехнических норм. Если Rorcp < Rreq, то следует либо увеличить толщину утепляющего слоя, либо рассмотреть возможность включения в проект энергосберегающих мероприятий (утепление узлов и т.п.).

Для практических расчетов допускается при определении Ror коэффициент теплотехнической однородности наружных стен с вентилируемой прослойкой применять по табл. 1, 2.

Для расчета значения термического сопротивления наружных стен при наличии в них глухих (без проемов) участков может быть также использована формула:

где: n = 1,05 - коэффициент, учитывающий наличие глухих участков в наружных стенах.

3.3. Определение влажностного режима наружных стен Влажностный режим наружных стен может определяться двумя методами. По СНиП 23-02 [4] и исходя из баланса влаги в годовом цикле.

* В связи с отсутствием данных по паропроницаемости пленки «TYVEK» ее коэффициент паропроницаемости «µ» принят равным «µ» утеплителя.

Определение влажностного режима наружных стен в годовом цикле производится в следующей последовательности:

1. Определяются исходные данные для расчета;

2. Определяются сопротивления паропроницанию слоев конструкции наружной стены, параметры внутреннего и наружного воздуха;

3. Определяется приток и отток влаги (пара) к рассматриваемому сечению по формулам:

где: еint, еext – упругость водяного пара внутреннего и наружного воздуха, Па;

е – то же, в рассматриваемом сечении, Па;

Rвп – сопротивление паропроницанию от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации (с учетом пограничного слоя), м·ч·Па/мг;

Rп.сл – сумма сопротивлений паропроницанию слоев до рассматриваемого сечения, м·ч·Па/мг;

Rоп – сопротивление паропроницанию всей стены, м·ч·Па/мг.

По указанным формулам определяется упругость водяного пара еi в характерных сечениях конструкции за годовой цикл.

Если е превышает максимальную упругость водяного пара Е, то в данном сечении возможно образование конденсата.

3.4. Определение параметров воздухообмена в прослойке Движение воздуха в прослойке осуществляется за счет гравитационного (теплового) и ветрового напоров. Скорость движения воздуха в прослойках Vпр может определяться по следующим формулам:

где к1, к2 - аэродинамические коэффициенты на входе в прослойку и выходе из нее СНиП 2.01.07-85 [2];

Vн - скорость ветра, м/c;

Н – разности высот от входа воздуха в прослойку до ее выхода из нее, м;

tср, text - средняя температура воздуха в прослойке и температура наружного воздуха, C;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений (определяется сложением аэродинамических сопротивлений).

Другим вариантом определения Vпр служит формула:

ext, пр – плотность наружного воздуха и в воздуха прослойке кг/м.

Другой вариант определения Vпр по разности давлений воздуха на входе и выходе:

Vпр по формуле При расположении воздушной прослойки на одной стороне здания (к1 к2), решение упрощается и формула (11) принимает вид:

Формула (12) примет вид:

пр – плотность воздуха в прослойке, кг/м.

Расход воздуха в прослойке определяется по формуле:

где пр – ширина воздушной прослойки длиной 1 м, или площадь Fпр, м2/п.м.

Плотность воздуха в прослойке пр следует рассчитывать по формуле:

3.5. Определение параметров тепловлажностного режима прослойки Температура входящего в прослойку воздуха о определяется по формуле:

где tint, text - расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха,C;

int - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/м·С;

Бw - безразмерный критерий, характеризующий изменение теплозащитных качеств стыка при фильтрации воздуха и равный где ln - расстояние от входа в воздухозаборную щель до искомой точки, м;

Rorу- приведенное сопротивление теплопередаче конструкции в сечении по воздухозаборной щели, м2 · °С/Вт;

y – условная теплопроводность, Вт/м·С;

Бо - критерий, характеризующий теплозащитные качества части стыка от внутренней термической границы конструкции до искомой точки и равный где ln - расстояние от входа в воздухозаборную щель до искомой точки, м;

h - высота воздухозаборной щели, м;

Rorв - приведенное сопротивление теплопередаче конструкции в сечении по воздухозаборной щели, считая от искомой точки до внутренней термической границы конструкции, м2 · °С/Вт.

Допускается определять температуру воздуха, входящего в воздушную прослойку, по формуле:

где n = 0,95.

Температура воздуха по длине прослойки определяется по формуле:

где кint и кext – коэффициенты теплопередачи внутреннего и наружного частей стены до середины прослойки, Вт/м·С;

tint, text – расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха,C;

hу – расстояние между щелями, служащими для поступления (или вытяжки) воздуха, м;

W – расход воздуха в прослойке, кг/п.м.·ч;

С – удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг·C;

о – температура входящего в прослойку воздуха по формуле (18),C.

При определении термического сопротивления прослойки Rв.п следует пользоваться формулами:

где л – коэффициент лучистого теплообмена, Вт/м2 · °С;

Vпр – скорость движения воздуха в воздушной прослойке, м/с.

Действительная упругость водяного пара на выходе из прослойки определяется по формуле:

где Мint и Мext – коэффициенты массопередачи, мг/м·ч·Па равны соответственно:

Rвп и Rпн – сумма сопротивлений паропроницанию от внутренней поверхности до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружной поверхности, м·ч·Па/мг;

eint и еext – действительная упругость водяного пара с внутренней стороны стены и снаружи, Па;

еo – упругость водяного пара воздуха, входящего в прослойку, Па;

hу – расстояние между щелями, служащими для поступления воздуха, м;

W – расход воздуха в прослойке, кг/п.м.·ч;

где tпр - температура воздуха по длине прослойки по формуле(20),°C.

Полученная по формуле (23) величина упругости водяного пара на выходе из прослойки еу должна быть меньше максимальной упругости водяного пара Еy.