Методика теплофизического расчета навесных фасадных систем (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой

Л.1 Состав и последовательность расчета

В настоящем разделе приводится методика теплотехнических расчетов, позволяющая определить параметры теплового и влажностного режима стен с НФС.

Теплотехнический расчет состоит из:

подбора толщины утеплителя для стены с НФС, минимально необходимой для удовлетворения нормативным требованиям по сопротивлению теплопередаче;

расчета влажностного режима конструкции и проверки влажности материалов на удовлетворение нормативным требованиям;

уточнения характеристик материалов с учетом их средней влажности в расчетный период;

расчета воздухообмена в воздушной прослойке;

проверки достаточности количества удаляемой из воздушной прослойки влаги в расчетный период;

расчета требуемой величины сопротивления воздухопроницанию стены.

Л.2 Методика расчета

Л.2.1 Определяется требуемое сопротивление теплопередаче исходя из расчетных климатических характеристик района строительства и расчетных значений температуры проектируемого здания.

Л.2.2 Определяется предварительная толщина слоя теплоизоляции (Л.3).

Л.2.3 Из конструктивных соображений назначается толщина вентилируемой воздушной прослойки.

Л.2.4 С учетом этажности здания и района строительства определяется скорость движения воздуха в воздушной прослойке (Л.4).

Л.2.5 Определяется влажностный режим рассматриваемой конструкции (Л.5).

Л.2.6 По результатам п. 5 при необходимости корректируются или добавляются слои пароизоляции и вносятся изменения в облицовочный слой конструкции.

Л.2.7 Рассчитывается парциальное давление водяного пара на выходе из воздушной прослойки (Л.6).

Л.2.8 По результатам п. 7 проверяется возможность выпадения конденсата в воздушной прослойке и при необходимости корректируются толщина воздушной прослойки и зазор между плитками облицовки (Л.6).

Л.2.9 Рассчитывается требуемая величина сопротивления воздухопроницанию стены, достаточное чтобы фильтрация воздуха не нарушала теплового и влажностного состояния стены (Л.7).

Л.2.10 С учетом всех корректировок конструкции рассчитывается приведенное сопротивление теплопередаче стены (Л.8).

Л.3 Определение минимально необходимой толщины утеплителя фасадных систем с вентилируемой воздушной прослойкой.

Далее предполагается, что теплозащитные и геометрические характеристики всех элементов стены с НФС известны. В случае отсутствия каких-либо данных, их следует определять в соответствии с Е.3, Е.4.

Толщина теплоизоляционного слоя определяется по формуле

0204S10-10598

(Л.1)

- требуемое сопротивление теплопередаче стены, (м² ∙ °С)/ Вт, определяемое в соответствии с 5.2;

δ_у - толщина теплоизоляционного слоя, м;

λ_у - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м ∙ °С);

δ_к - толщина конструкционного слоя, м;

λ_к - коэффициент теплопроводности материала конструкционного слоя, Вт/(м ∙ °С);

Ψ_j, χ_k, l_j, n_k - то же, что и в формуле (Е.1).

Л.4 Определение параметров воздухообмена в воздушной прослойке.

Движение воздуха в вентилируемой прослойке осуществляется за счет гравитационного (теплового) и ветрового напора. В случае расположения приточных и вытяжных отверстий на разных стенах скорость движения воздуха в прослойке V_пр может определяться по следующей формуле

0204S10-10598

(Л.2)

где K_н, K_з - аэродинамические коэффициенты на разных стенах здания, по СП 20.13330;

V_н - скорость движения наружного воздуха, м/с;

K - коэффициент учета изменения скорости потока по высоте по СП 20.13330;

h - разности высот от входа воздуха в прослойку до его выхода из нее, м;

t_пр, t_н - средняя температура воздуха в прослойке и температура наружного воздуха, °С;

- сумма коэффициентов местных сопротивлений.

При расположении приточных и вытяжных отверстий воздушной прослойки на одной стороне здания, принимается K_н = K_з и формула (Л.2) упрощается

0204S10-10598

(Л.3)

В формулах (Л.2) и (Л.3) используется средняя температура воздуха в прослойке t_пр, которая в свою очередь зависит от скорости движения воздуха в прослойке

0204S10-10598

(Л.4)

где - предельная температура воздуха в прослойке, °С; (Л.5)

(Л.6)

условная высота, на которой температура воздуха в прослойке отличается от предельной температуры t₀ в е раз (e ≈ 2,7) меньше, чем отличалась при входе в прослойку, м;

с_в = 1005 Дж/(кг ∙ °С) - удельная теплоемкость воздуха;

ρ_в = 353/(273 + t_пр) кг/м³ - средняя плотность воздуха в прослойке;

R_н = 1/α_н + 1/α_пр + R_об - термическое сопротивление стены от воздушной прослойки до наружного воздуха, м² ∙ °С/Вт;

R_об - термическое сопротивление облицовочной плитки, м² ∙ °С/Вт.

Для расчета в качестве R_в берется либо требуемое сопротивление теплопередаче из Л.3, либо приведенное сопротивление теплопередаче стены из Л.7 (в случае если принятая в проекте толщина утеплителя более чем на 20 % отличается от минимально допустимой по Л.3).

Коэффициент теплоотдачи α_пр равен сумме конвективного и лучистого коэффициентов теплоотдачи α_пр = α_к + 2α_л.

Конвективный коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

0204S10-10598

(Л.7)

Лучистый коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

0204S10-10598

(Л.8)

где С₀ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м² ∙ К⁴), равный 5,77;

С₁, C₂ - коэффициент излучения поверхностей, Вт/(м² ∙ К⁴), в случае отсутствия данных по применяемым материалам принимаются равными 4,4 для минеральной ваты, 5,3 для неметаллической облицовки, 0,5 для облицовки полированным (со стороны прослойки) металлом;

m - температурный коэффициент, который определяется по формуле

0204S10-10598

(Л.9)

В процессе расчетов температура прослойки изменяется, но температурный коэффициент при этом изменяется слабо. Поэтому он находится один раз в начале расчетов для температуры t_н + 1.

Температура и скорость движения воздуха в прослойке находятся методом итераций: по формуле (Л.4) определяется средняя температура воздуха в прослойке с коэффициентом теплообмена в прослойке α_пр, затем по формуле (Л.2) или (Л.3) определяется средняя скорость движения воздуха в прослойке при полученной температуре, пересчитывается коэффициент теплообмена в прослойке, пересчитывается R_н, по формуле (Л.4) определяется средняя температура воздуха в прослойке для скорости движения воздуха в прослойке, полученной на предыдущем шаге и т.д. На первом шаге средняя скорость движения воздуха в прослойке принимается равной 0 м/с. Шаги итерации продолжаются пока разница между скоростями воздуха на соседних шагах не станет меньше 5 %.

В результате расчета находятся температура и скорость движения воздуха в прослойке, а также коэффициент теплообмена в прослойке α_пр.Л.5.

Расчет влажностного режима наружных стен с НФС с вентилируемой воздушной прослойкой.

Для определения таких характеристик конструкции, как долговечность и расчетная теплопроводность, рассчитывают влажностный режим конструкции в многолетнем цикле эксплуатации (нестационарный влажностный режим). В наружных граничных условиях учитывают сопротивление паропроницанию ветрозащиты и наружной облицовки, а также воздухообмен в воздушной прослойке.

Результатом расчета является распределение влажности по толщине конструкции в любой момент времени ее эксплуатации, по которому определяют эксплуатационную влажность материалов конструкции.

По результатам расчета устанавливают соблюдение двух требований к конструкции.

Максимальная влажность утеплителя не должна превышать критической величины, которую принимают равной сумме w_Б - расчетной влажности материала для условий эксплуатации Б для применяемого утеплителя и Δw_cp - предельно допустимого приращения влажности материала по таблице 10.

Средняя влажность утеплителя и основания в месяц наибольшего увлажнения не должна превышать расчетную влажность материала для условий эксплуатации.

Если для какого-либо из слоев конструкции требования к влажностному режиму стены не выполняются рекомендуется усиливать внутреннюю штукатурку, или увеличивать воздухообмен в воздушной прослойке, или уменьшать сопротивление паропроницанию ветрозащиты.

Дополнительным результатом расчета нестационарного влажностного режима является величина потока водяного пара из конструкции в воздушную прослойку мг/(ч ∙ м²) в наиболее холодный месяц.

Л.6 Расчет влажности воздуха на выходе из вентилируемой воздушной прослойки.

Давление водяного пара в воздушной прослойке определяется балансом пришедшей из конструкции в прослойку и ушедшей из прослойки наружу влаги. Расчет проводится для наиболее холодного месяца. Решение уравнения баланса описывается формулой

0204S10-10598

(Л.10)

где е_пр - парциальное давление водяного пара в воздушной прослойке, Па;

- предельное парциальное давление водяного пара в прослойке, Па;

0204S10-10598

- условная высота, на которой парциальное давление водяного пара в прослойке отличается от предельного в е раз (е ≈ 2,7) меньше, чем отличалось при входе в прослойку, м;

е_н - парциальное давление водяного пара наружного воздуха, Па;

- сопротивление паропроницанию облицовки фасада, (м² ∙ ч ∙ Па)/мг;

k - коэффициент, определяемый по формуле мг/(м² ∙ ч ∙ Па);

- удельный поток пара из конструкции в воздушную прослойку, мг/(м² ∙ ч), определяется по результатам, Л.5.

Величина е_пр сравнивается с давлением насыщенного водяного пара при температуре воздуха, равной t_н, и если е_пр > Е_н, то принимаются меры по улучшению влажностного режима воздушной прослойки: увеличивается ширина воздушной прослойки, уменьшается высота непрерывной воздушной прослойки (устанавливаются рассечки вентилируемой прослойки), увеличивается ширина зазора между плитками облицовки.

В случае разделения вентилируемой прослойки рассечками следует предусматривать продухи для выхода воздуха из нижней части прослойки и забора воздуха в верхнюю часть прослойки. По возможности следует препятствовать смешиванию выбрасываемого и забираемого воздуха.

Л.7 Расчет требуемой величины сопротивления воздухопроницанию стены с НФС с вентилируемой воздушной прослойкой.

Требуемая воздухопроницаемость G^тр стены с облицовкой на относе, кг/(м² ∙ ч), определяется по формуле

(Л.11)

где Г - параметр, получаемый из таблицы Л.1;

- полное сопротивление паропроницанию стены, (м² ∙ ч ∙ Па)/мг.

Таблица Л.1 - Значения параметра Г для различных значений параметров D и k

D	k
0,005	0,01	0,015	0,02	0,03	0,04	0,06	0,08	0,1	0,12
0,02	3,96	1,61	0,62
0,04	8,16		2,5	1,64	0,63
0,06		6,17	4,05	2,92	1,66	0,92
0,08	16,7		5,54	4,1	2,55	1,68	0,65
0,1		10,5		5,24	3,39	2,38	1,22	0,51
0,12	25,6		8,52		4,19	3,03	1,73	0,96	0,42
0,14		15,1		7,54		3,67	2,22	1,39	0,81
0,16	34,9		11,6		5,8		2,69	1,79	1,17	0,7
0,18		19,8		9,92		4,92		2,17	1,51	1,02
0,2	44,6		14,9		7,43		3,61		1,84	1,32

Параметр D определяется по формуле

(Л.12)

где Е_у - давление насыщенного водяного пара на границе между утеплителем и вентилируемой воздушной прослойкой, Па.

Параметр k определяется по формуле

(Л.13)

где - сопротивлению влагообмену на наружной границе ограждающей конструкции, м² × ч × Па/мг, определяемое по формуле

0204S10-10598

(Л.14)

Полное сопротивление паропроницанию стены определяется как сумма сопротивлений паропроницанию всех слоев конструкции плюс сопротивления влагообмену на наружной и внутренней границах стены.

Воздухопроницаемость конструкции не должна превышать требуемую. Воздухопроницаемость конструкции определяется в соответствии с разделом 7 для условий наиболее холодного месяца.

Л.8 Для конструкции после всех корректировок уточняется приведенное сопротивление теплопередаче.

Приведенное сопротивление теплопередаче рассчитывается в соответствии с приложением Е.

Приложение М
(справочное)