Проблемы проектирования теплозащиты наружных стен

1.

Современные проблемы
проектирования теплозащиты
наружных стен
Профессор Казанского ГАСУ
д.т.н., член-корр. РААСН
Куприянов Валерий Николаевич
1

2.

Параметры теплозащиты:
1. Необходимое сопротивление теплопередаче
2. Ненакопление парообразной и конденсированной
влаги
3. Невыпадение конденсата на внутренних
поверхностях
ТР
Требуемое сопротивление теплопередаче для Казани Rто :
до 1995 года – 1 (м2·0С)/Вт
после 1995 года – 3,2 (м2·0С)/Вт
2
2

3. Нормы теплозащиты стен в России – одни из самых высоких в мире Распределение требуемых приведенных сопротивлений теплопередаче по террит

Нормы теплозащиты стен в России –
одни из самых высоких в мире
Распределение требуемых приведенных сопротивлений теплопередаче по территории
России
5,0
5,0
2,5
3,5
3,0
5,5
4,0
2,5
3,0
4,5
4,0
3,5
Сопротивление теплопередаче стены в 2 кирпича 1,0
м2 оС/Вт
3

4. Основные конструкции стен с повышенным уровнем теплозащиты, применяемые в современном строительстве Сопротивление теплопередаче стен 2,0-

Основные конструкции стен с
повышенным уровнем теплозащиты,
применяемые в современном
строительстве
Сопротивление теплопередаче стен
2,0-3,0 м2 оС/Вт
4

5. Здания со стенами из мелких блоков с облицовкой из кирпичной кладки

5

6. Стены с системой теплоизоляции с тонким штукатурным слоем

6

7. Стены с навесными фасадными системами с вентилируемой воздушной прослойкой

Кронштейн
из алюминия
Кронштейн
из нержавейки
7

8.

Основные схемы конструктивных решений наружных стен,
как объектов теплозащиты:
а, б – однослойные (сплошные) стены;
в – двухслойные стены с наружным утеплением и штукатуркой по сетке;
г – трехслойные стены с облицовочным слоем из кирпича или камня;
д – стена с невентилируемой воздушной прослойкой;
е – стена с вентилируемой воздушной прослойкой.
1-внутренняя штукатурка; 2– наружная штукатурка; 3-конструкционно- теплоизоляционный материал; 4 –
лицевой кирпич или камни, составляющие сплошное сечение со стеной; 5 – конструкционный материал; 6 –
теплоизоляционный слой; 7 – лицевой кирпич или камни, связанные с конструкционным слоем гибкими
связями; 8 – пленка типа Тайвек; 9 – листовые или плитные облицовочные слои; 10 – приточное отверстие;
11- вытяжное отверстие
8

9.

Тепловой поток :
tB tH
, Вт/м2
Q
RTO
Сопротивление теплопередаче “по глади” стены
Rто = Rтв+∑ Rтi + Rтн ,(м2·0С)/Вт.
Теплопередача в многослойном ограждении
δ, δ1, δ2 – толщины слоев; λ, λ1, λ2 – коэффициенты теплопроводности
материалов слоя, причем λ1» λ2,
Q- тепловой поток
9

10.

Структура теплопотерь в зданиях (%)
Виды теплопотерь
Общественные
здания
Жилые здания
28
28-42
14
14-21
Через неплотности, в том числе
воздухообмен
52
30-48
Горячее водоснабжение
7
22-30
Электроэнергия
13
-
Всего
100
100
Через наружные ограждения, (в
том числе через стены и окна)
в том числе через стены (50%)
Реальная экономия теплопотерь от увеличения Rто составляет
лишь часть от 14% (по данным НИИСФ – 5 ÷ 8%)
10
10

11.

Структура теплопотерь по элементам
ограждающих конструкций (%)
Элементы ограждений
• По глади стены
•Через углы
•Через сопряжения наружной стены с
внутренними стенами
•Через сопряжения наружной стены с
междуэтажными перекрытиями
•Через оконные откосы
•Прочие теплопроводные включения
Теплопотери, %
53
1
3
47
10
5
28
Вывод: половина теплопотерь (47%) зависит от конструктивных решений
узлов ограждений, содержащих теплотехнические неоднородности
(“мостики холода”).
11
11

12.

Температуры внутренней поверхности горизонтального
стыка железобетонных панелей наружных стен:
1 – гернит; 2 – цементный раствор; 3 – фибролит; 4 –
железобетонная плита
междуэтажного
перекрытия; 5 – пенополистирол
Температурные поля у оконного проема в 2 1 2
стене кирпича:
а – при двойных раздельных оконных переплетах;
б – при спаренных оконных переплетах
Температурное поле в наружном
углу стены из силикатного
кирпича
12

13. Невыпадение конденсата на внутренних поверхностях наружных стен в зонах теплотехнических неоднородностей τ´в >tр , где : τ´в- температура в

Невыпадение конденсата на внутренних поверхностях наружных
стен в зонах теплотехнических неоднородностей
τ´в >tр ,
где :
τ´в- температура внутренней поверхности в зоне теплотехнических неоднородностей;
tр - температура точки росы
Для типовых теплотехнических неоднородностей
(по СП 23-101-2004) величина τ´в может быть определена по известным
формулам
В остальных случаях на основании расчета температурных полей в
узлах ограждающих конструкций.
13

14.

Узел примыкания
наружной стены к
монолитному
железобетонному каркасу
1 - перекрытие,
2 - колонна,
3 - пенобетонные блоки,
4 - термовкладыш URSA,
5 - теплоизоляционные
плиты URSA,
6 - сетка,
7 - наружная штукатурка,
8 - внутренняя штукатурка
14

15.

Температурные изотермы в месте опирания плиты перекрытия
15

16.

Плесень на оконных откосах в жилом доме (Казань, ул.Глушко, д.9)
16

17.

• Действующие нормативные документы – СНиП и СП
предусматривают конструирование наружных стен
только с позиции энергосбережения
• Нормы не учитывают изменение параметров теплозащиты
при эксплуатационных воздействиях
• В результате, после нескольких лет эксплуатации
в наружных стенах появляются всевозможные дефекты
17
17

18. Высотный дом в городе Санкт-Петербург, по ул. Косыгина

18

19. Узлы

19

20.

20
20

21.

21
21

22.

Данные John Morton
Великобритания
Россия
22

23.

Из "Технологии строительства"
№ 1(63)/2009
23

24.

Московский Комсомолец № 25703
от 27 июля 2011 г.
24

25. Причины разрушения наружных стен

Ошибки проектных решений
недостаточное армирование кладки облицовачных слоев,
отсутствуют требования к форме растворных швов (вогнутый шов при
щелевых облицовочных кирпичах приводит к замачиванию пустот),
гибкие связи, кладочные сетки и анкера выполняются из некоррозионно
-стойкой стали,
отсутствие расчетов по влагонакоплению и защите конструкций от
конденсата и коррозии
Ошибки производства работ
массовые отступления от проектных решений в части замены металла,
кирпича, блоков, утеплителя, анкеров и т.д.
не выполнение строительных допусков,
уменьшение количества анкерных связей для крепления
теплоизоляционных и облицовочных слоев к конструкционному слою.
Главная причина – недостаточный учет эксплуатационных воздействий
при конструировании наружных стен
25
25

26.

Увеличение сопротивления теплопередаче может привести к снижению
долговечности
Внутренняя
поверхность
Наружная
поверхность
Распределение температур в трехслойной стене с облицовочным
слоем из кирпича (120мм)
Сопротивление теплопередаче стены Rто
1 – 1,2 (м2·0С)/Вт
2 – 3,2 (м2·0С)/Вт
26

27.

Продолжительность эксплуатации фасадных систем до первого
капитального ремонта в зависимости от величины их сопротивления
теплопередаче (по данным Лобова О.И. и Ананьева А.И. )
Продолжительность
эксплуатации
фасадных систем до
первого
капитального
ремонта, года.
>70
65
60
55
50
45
40
<35
Температура воздуха наиболее холодной
пятидневки обеспеченностью 0,92 ºС
-20
-30
-40
Сопротивление теплопередаче фасадных систем
(м2·0С)/Вт
0,99
1,18
1,27
1,33
1,40
1,53
1,60
1,80
1,24
1,48
1,60
1,73
1,79
1,93
2,00
2,20
1,48
1,75
1,89
2,00
2,10
2,30
2,40
2,60
27

28. Рекомендации по проектированию теплозащиты наружных стен с ограничением или исключением конденсации парообразной влаги

Проектирование основано на подборе
оптимальных
соотношений
между
сопротивлением
паропроницанию
слоёв
ограждения
(RПi)
и
сопротивлением
теплопередаче этих же слоёв (RТi) для
различных климатических условий (tн)
28

29.

Диффузия парообразной влаги через однослойную
ограждающую конструкцию
eB eH
, мг/м2·ч
G
RПO
В климатических условиях Казани
(зимой)
(eВ –eН) ≈ 1000 Па
RПО для существующих наружных стен
RПО = от 3 до 20 (м2·ч·Па)/мг
1000
G1
300 мг м 2 ч
3
1000
G2
50 мг м 2 ч
20
29

30. Конденсация парообразной влаги в ограждении

Условия конденсации: равенство действительной упругости водяного пара
в каком либо сечении (е) максимальной упругости
( или пределу насыщения ) в том же сечении (Е) ,
т.е. е=Е или φ=(е/Е)100=100%
30

31.

Обобщённая
кривая условий
конденсации
парообразной
влаги
в ограждении
31

32.

Требования СНиП 23-02-2003 “Тепловая защита зданий” по
защите от переувлажнения ограждающих конструкций
1. Нормируется сопротивление паропроницанию ограждающей
конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости
возможной конденсации – Rп
тр
2. Условие соответствия СНиПу Rп > Rп
тр
3. Требуемое сопротивление паропроницанию Rп определяется из
условий ненакопления влаги в ограждающей конструкции за годовой
период эксплуатации
RÏÒÐ
eâ Ei 2
RÏ
Ei eí
4. В основу требований положено равенство потоков
парообразной влаги до и после плоскости
конденсации
eâ Ei Ei eí
ÒÐ
RÏ
RÏ2
СНиП не содержит рекомендаций по конструированию
ограждений, которые бы не накапливали влаги.
СНиП лишь оценивает конструкцию сформированную
из условий энергосбережения
32
32

33.

Образование плоскости и зоны конденсации
(расчет)
Пример. (однослойное ограждение из обыкновенного глиняного кирпича)
Δ = 77см (в три кирпича), λ = 0,7 Вт/(м·ºС), μ = 0,11 мг/(м·ч·Па)
Условные слои толщиной по 15,4 см
Температура
наружного
воздуха, 0С
-10,2
-11
-12
-13
-15
-20
(Е – е) по сечениям ограждения, Па
1/2
2/3
3/4
4/5
376
316
290
277
230
116
123
110
85
66
21
-79
26
18
0
-17
-51
-151
13
3
-13
-24
-50
-103
33

34.

Анализ увлажнения многослойных ограждений по методу Фокина-Власова
Распределение температур (t и τ), действительных (е) и максимальных (Е)
давлений водяного пара по сечению наружной стены:
1- теплоизоляционный слой; 2 – несущий слой. Заштрихованная
треугольная область на рис.(а) - зона конденсации водяного пара 34

35.

Количество конденсирующей
парообразной влаги, мг / м2·ч
масштаб Е и е, Па
eВ E1 2 E1 2 eН
Gконд G1 G2
RП1
RП 2
1169 42 42 32
2817,5 3 2814,5
0,4
3,33
За сутки это составит – 67,5 г/м2
За месяц – 2 026,44 г/м2,
то есть более 2л воды на 1 м2
масштаб RП, – (м2·ч·Па)/мг
Параметры для расчета количества конденсата в ограждении:
G1 –количество водяного пара, идущего до сечения 1/2 из помещения;G2 –
количество водяного пара, выходящего из ограждения в наружный воздух
35

36.

Первое условие проектирования:
Обеспечение беспрепятственного прохождения водяного пара
от внутренней поверхности к наружной
Это обеспечивается таким расположением слоёв, паропроницаемость которых нарастает от внутренней поверхности (GВП) к
наружной (GНП), т.е.
G âÏ G1 G 2 ... G í Ï
Паропроницаемость слоя – это не
количество влаги, проходящей через
слой, а «пропускная способность» слоя.
паропроницаемость слоя
Gi=1/ RПi= μi/δi, мг/(м2 · ч·Па)
36

37.

Пример. Конструкция ограждения приведена в СТО 00044807-001-2006 «Теплозащитные
свойства ограждающих конструкций», М.: РОИС, 2006
Характеристика слоев: 1 – известково-песчаный раствор, δ1 =0,02м, λ 1 =0,7 Вт/м·ºС, μ
2
1 = 0,12 мг/(м ·ч·Па); 2 – керамический эффективный кирпич, δ2 =0,25м, λ 2 =0,58
Вт/м·ºС, μ 2 = 0,14 мг/(м2·ч·Па); 3 – монолитный пенобетон, δ3 =0,15м, λ 3 =0,095
Вт/м·ºС, μ 3 = 0,25 мг/(м2·ч·Па); 4 – керамический эффективный кирпич, δ2 =0,25м, λ 2
=0,58 Вт/м·ºС, μ 2 = 0,14 мг/(м2·ч·Па);
Климатические условия (г.Самара): tн=-12,2 ºС, φн= 83%, tв=20ºС, φн= 55%, отсюда
Е н=213 Па, е н=177 Па, Е в=2338 Па, е в=1286 Па.
Паропроницаемость слоев
ограждения по СТО
Gi 6 0.56 1.67 1.17
б
Паропроницаемость слоев
ограждения
после
коррекции
а
Gi 6 0.12 1.0 1.17
1.Кирпичная
кладка
заменена на железобетон
той же толщины (δ2
=0,25м, λ 2 =1,92, μ 2 =
0,03)
2.Толщина монолитного
пенобетона увеличена на
10см (δ3 =0,25м)
Распределение действительных (е) и максимальных Зависимость (Е-е) в сечении 3/4 от
(Е) упругостей водяного пара по сечению
температуры наружного воздуха tH:
ограждения:
а – ограждение по СТО;
а – ограждение по СТО [44]; б – скорректированное
ограждение. Область с вертикальной штриховкой –
зона конденсации
б – скорректированное
ограждение
37

38.

Второе условие проектирования:
Обеспечение опережающего нарастания сопротивления
паропроницаемости слоёв R от внутренней поверхности к наружной
по отношению к нарастанию сопротивления теплопередаче этих
слоёв R
Сопротивления теплопередаче RТi и паропроницания Rпi отдельных
слоев определяют главные параметры условий конденсации Е и е
Величина (Е i) определяется температурой слоя τ i, распределение
которой по сечениям ограждения зависит от RТi
t t
i t В В H RТi
RТО
Величина (е i) в том же сечении определяется величиной Rпi
еi еВ
еВ еH
RПi
RПО
В этих формулах нарастание сопротивления теплопередаче от
внутренней поверхности RТi и паропроницанияю Rпi выражены в
относительных единицах к сопротивлениям теплопередаче и
паропроницания всего ограждения , т.е.
38

39. Сочетания между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию слоёв ограждения в относительных единицах

1 Опережение нарастание сопротивления теплопередаче
слоёв ограждения по отношению к сопротивлению
паропроницания
ΣRTi/RTO
0,1
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
0,85
0,9
0,95
1,0
ΣRПi/RПО
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1,0
2 Пропорциональное нарастание сопротивления
теплопередаче и паропроницания
ΣRTi/RTO
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
ΣRПi/RПО
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
3 Опережение нарастание сопротивления паропроницанию
слоёв ограждения по отношению к сопротивлению
теплопередаче
ΣRTi/RTO
0,1
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
0,85
0,9
0,95
1,0
ΣRПi/RПО
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1,0
39

40. Температура начала конденсации tнк в зависимости от соотношения ΣRTi /RTO к ΣRПi /RПO

40

41. Зависимость температуры начала конденсации tнк от усреднённого соотношения ограждающей конструкции

Зависимость температуры начала конденсации tнк от усреднённого
соотношения
R
R
Ïi
RÏ Î
Ti
RTO
ограждающей конструкции
41

42. Сопоставление процессов конденсации в однослойной и многослойной конструкциях

Однослойная конструкция и кирпича δ=770 мм
tн, 0С
-10,2
-11
-12
-13
-15
-20
Многослойная конструкция по СТО РОИС
(Е – е) по сечениям ограждения, Па
1/2
2/3
3/4
4/5
376
316
290
277
230
116
123
110
85
66
21
26
18
0
13
3
-79
-17
-51
-151
-13
-24
-50
-103
При определённой tн вблизи наружной
поверхности образуется плоскость
конденсации. При дальнейшем понижении tн
конденсация парообразной влаги идет по
сечению в сторону внутренней поверхности
(зона конденсации)
tн,ºС
(Е-е) по сечениям ограждения, Па
1/2
2/3
3/4
+1
932
886
17
+0,5
927
891
11
+0,2
923
894
3
±0
921
896
-2
-5,0
889
857
-75
-12,2
846
788
-173
-13,0
846
776
-180
-15,0
834
746
-198
-20,0
799
670
-236
При определённой tн с наружной стороны
утеплителя образуется плоскость
конденсации. При дальнейшем понижении tн
зона конденсации не наблюдается, происходит
увеличение количества конденсата.
42

43. Изменение температуры начала конденсации tнк путем изменения паропроницаемости слоёв ( на примере ограждения по СТО РОИС) 1.- параметры огр

Изменение температуры начала конденсации tнк путем изменения
паропроницаемости слоёв ( на примере ограждения по СТО РОИС)
1.- параметры ограждения по СТО РОИС: 6 > 0,56 < 1,67 > 1,17
2.- тоже ограждение с изменёнными параметрами слоёв: 6 > 0,12 < 1,0 < 1,17
Сочетание ΣRTi /RTO и ΣRПi /RПO
ограждающей конструкции
Зависимость(Е-е) по сечению ¾ от
температуры наружного воздуха
43

44.

Благодарю за внимание!
44
44