Многослойные стены с воздушным зазором

Обновлено: 17.05.2024

Каменные стены с воздушной вентилируемой прослойкой имеют древнюю историю. Еще до открытия Америки Колумбом индейцы нынешних южных штатов США строили дома с лицевым слоем из кирпича, отделенным от внутреннего несущего слоя воздушным зазором толщиной 20–30 см. Это позволяло сохранять микроклимат внутри помещений при резких сменах температуры наружного воздуха. В XX в. слоистые стены с лицевым слоем из кирпича широко применялись в северных европейских странах с влажным климатом. Первоначально это было вызвано необходимостью обезопасить наружные стены от повышенной влажности окружающей среды. Например, при частых косых дождях неоштукатуренные кирпичные стены способны увлажняться до 25–35 см, что приводит к снижению их теплоизоляционных свойств и долговечности. Эффективным способом защиты стен от переувлажнения явилось устройство воздушной вентилируемой прослойки толщиной до 5 см [1]. При этом для обеспечения совместной работы внутренний и лицевой слои соединялись между собой кирпичными диафрагмами либо, во избежание мостиков холода, гибкими стальными связями. Следует отметить, что в целях вентилирования деревянные перекрытия также обладали воздушными прослойками, соединенными с вентилируемыми каналами стен (рис. 1). Такая технология, известная как колодцевая кладка, широко применялась во всех республиках бывшего СССР вплоть до 70-х гг. ХХ в.

В 70-х годах прошлого столетия в Европе из-за повышения требований к теплозащитным свойствам стен толщина воздушной прослойки увеличивается до 10–15 см с целью размещения эффективного утеплителя, а лицевой кирпичный слой преимущественно соединяется с внутренним несущим слоем с помощью гибких анкеров (рис. 2). Такое решение применяется как в нововозводимых домах, так и в старых каменных, которые с целью снижения энергозатрат на обогрев и повышение презентабельности (эстетики фасадов) обкладываются высококачественным кирпичом.

В связи с ужесточением требований Мирового банка к экономии энергоресурсов толщина зазора между лицевым и внутренним слоями, заполненного утеплителем, должна быть увеличена до 15–20 см. При этом предпочтение отдается решению, показанному на рисунке 2, б, в котором во избежание сезонного влагонакопления в утеплителе и кирпичной кладке между ними устраивается воздушная вентилируемая прослойка (по примеру навесных фасадов). Такая прослойка способствует охлаждению и высыханию лицевого слоя, повышая этим его долговечность, а высыхание утеплителя – стабильности его теплотехнических свойств. Кроме того, предотвращается конденсация водяного пара на стальных анкерах, которые даже будучи оцинкованными подвергаются коррозии, особенно при контакте с минеральной ватой и фенольно-резольным пенопластом [2]. Категорически запрещается располагать воздушную прослойку между утеплителем и внутренним слоем стены, т.к. при таком расположении водяной пар в результате диффузии конденсируется в толще утеплителя, резко снижая его теплоизоляционные свойства.

Толщина воздушной прослойки с учетом возможности выдавливания раствора лицевого слоя внутрь должна быть около 4–5 см. При большей толщине возникающие воздушные потоки способствуют охлаждению утеплителя. На рис. 3 представлены полученные авторами опытные графические зависимости изменения температуры наружного воздуха, лицевого слоя из силикатного кирпича и воздушной прослойки в одном из эксплуатируемых зданий.

Их анализ показывает, что суточные колебания температуры наружного воздуха вызывают такие же колебания температуры воздушной прослойки и лицевого слоя. Существенным является то, что температура лицевого слоя может намного превышать температуру воздуха, а разница температур на наружной и внутренней поверхности лицевого слоя (до 10 0С) приводит к его колебанию из-за температурных деформаций. Благодаря циркуляции воздуха в прослойке в летнее время происходит о хлаждение лицевого слоя, а в осенне-зимнее время предотвращается его увлажнение. Вентилируемая прослойка должна быть непрерывной по высоте и длине невысоких зданий либо в случае высоких каркасно-монолитных зданий с поэтажной разрезкой кладок – в пределах этажа.

В России, как и в большинстве других стран СНГ, слоистые каменные стены стали широко применяться в середине 1990-х годов в связи с повышением нормативных требований к теплозащитным свойствам наружных стен жилых зданий. В процессе эксплуатации таких стен уже в первые годы выявился ряд серьезных недостатков, приведших к аварийному состоянию лицевого слоя в виде его растрескивания и отслоения. Одним из основных недостатков, по мнению специалистов, является отсутствие вентилируемой воздушной прослойки, что приводит к сезонному накоплению влаги между лицевым и внутренним слоями стены [3, 4].

Следует отметить, что СНиП 23–02–2003 [5] и ТКП 45–2.04–43–2006 [6] предписывают для многослойных ограждающих конструкций производить расчеты на сезонное влагонакопление. Эти расчеты тем более необходимы для широко применяемых конструкций двухслойных стен с внутренним слоем из ячеисто-бетонных блоков и лицевым слоем из пустотелых керамических камней. Известные недостатки таких стен усугубляются тем, что не защищенные термически торцы железобетонных перекрытий и балконов являются мостиками холода, которые оказывают негативное влияние на температурно-влажностное состояние обоих слоев кладки (рис. 4).

Термоизолирующие вставки в краевой части перекрытия методом сквозной перфорации не только малоэффективны, но и способствуют скоплению в них влаги в зимнее время. Скапливание конденсата между лицевым и внутренними слоями стен особенно на уровне перекрытий приводит в зимнее время к образованию льда. Одним из негативных последствий этого является “выдавливание” лицевого слоя наружу. Следует отметить, что свою “лепту” в этот процесс вносят и архитекторы, разнообразив цветовую гамму фасадов (рис. 4). Материалы темного цвета, как известно, способны более поглощать солнечную энергию, чем материалы светлых тонов. В связи с этим температура лицевого слоя, а следовательно, и воздуха в вентилируемой прослойке могут существенно отличаться в пределах одного фасада.

Отсутствие вентилируемой прослойки в двухслойных стенах (рис. 5) приводит к возникновению температурных деформаций во внутреннем слое. Являясь заполнением каркаса, при стесненных температурных деформациях внутренний слой подвержен трещинообразованию. Чаще всего трещины возникают в углах оконных и дверных проемов.

В зарубежной практике рассматриваемые вопросы разрешены давно и успешно. На рис. 6 показана типовая конструкция трехслойной стены с воздушной вентилируемой прослойкой.

Вентилирование стены и одновременно отвод конденсационной влаги в уровне перекрытий осуществляются с помощью специальных пластмассовых вкладышей, устанавливаемых в вертикальных растворных швах (рис. 6, в), а также под и над оконными и дверными проемами. Подобное решение было воплощено в конце 80-х годов ХХ века в разработанной ЦНИИСК типовой серии домов 2.130–8 (выпуски 0 и 1), в которой, в частности, предусматривались отливы из оцинкованной стали в уровне перекрытий. Такие отливы из нержавеющей стали являются атрибутом лицевого кирпичного слоя многоэтажных зданий, возводимых в США. Кроме отвода конденсата, отливы выполняют функцию водоразбрызгивающих карнизов, предотвращающих затекание в щель между лицом перекрытия и кладкой больших дождевых потоков, которые стекают по фасадам многоэтажных зданий.

Заслуживает также внимания способ отвода конденсата из внутренней полости стены (рис. 7).

Скапливаясь на гидроизоляционной пленке, уложенной между внутренним и лицевым слоями на уровне перекрытий, конденсат отводится с помощью специальных фитилей из влагопоглощающих материалов.

В заключение следует отметить, что обеспечение надежного вентилирования слоистых каменных стен существенно повышает их качество и долговечность. Это доказано научными исследованиями и многолетним опытом их эксплуатации в странах Европы. Апробированные технические решения слоистых стен надлежит внедрять и в Республике Беларусь. При этом необходимо помнить, что обеспечению надежного вентилирования стен должны предшествовать соответствующие теплотехнические расчеты для конкретных климатических условий эксплуатации зданий.

1. Ahrert, R., Krause, K. Tipische Baukonstruktionen von 1860 bis 1960, Band 1. – Berlin, 2008. – 216 s.
2. Слоистые кладки в каркасно-монолитном строительстве // Технологии строительства. – 2009. – № 1 (63).
3. Ищук, М.К. Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки. – М.: РИФ “Стройматериалы”, 2009. – 360 с.
4. Лобов, О.И., Ананьев, А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий // Жилищное строительство. – 2008. – № 8. – С. 48–52.
5. СНиП 23–02–2003 Тепловая защита зданий. Госстрой России. – М., 2004. – 61 с.
6. ТКП 45–2.04–43–2006 Строительная теплотехника. Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. – Мн., 2007. – 32 с.

ТИПОВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

Устройство слоистой (многослойной) кирпичной кладки

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Типовая технологическая карта (ТТК) составлена на устройство слоистой (многослойной) кирпичной кладки.

ТТК предназначена для ознакомления рабочих и инженерно-технических работников с правилами производства работ, а также с целью использования при разработке проектов производства работ, проектов организации строительства, другой организационно-технологической документации.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При создании энергоэффективного дома используются разные новые технологии. Одной из них является слоистая кладка (рис.1), которая предусматривает наличие утеплительной прослойки. Это максимально снижает тепловые потери, что позволяет сэкономить расходы на обогреве помещения.

Рис.1. Слоистая кладка

Описание технологии слоистой кладки

Слоистую кладку ещё называют трёхслойной, что обусловлено конструктивными особенностями. Её устройство включает:

- несущую стену из кирпича или другого материала;

- облицовку из кирпича.

Материалы и конструктивные решения

В качестве теплоизоляционного материала в конструкции слоистой кладки часто используют засыпку из гранулированной минеральной ваты, плиты из каменной ваты или пенопласта (рис.2).

Рис.2. Теплоизоляционный материал из пенопласта

Трёхслойная кладка

Одной из разновидностей утеплённой стены является трёхслойная кирпичная кладка (рис.3). Конструкция её выглядит следующим образом:

1. Внутренняя стена из кирпича, шлакоблоков, газобетона и т.д. Выполняет несущую функцию для межэтажных перекрытий и кровли здания.

2. Утепление кирпичной кладки. Утеплитель помещается во внутренние полости-колодцы между наружной и внутренней стенами. Защищает внутреннюю стену от промерзания в холодное время года.

3. Наружная стена с облицовкой из кирпича. Выполняет декоративные функции, придавая фасаду дополнительную эстетику.

Рис.3. Трехслойная стена в разрезе:

1 - внутренняя отделка; 2 - несущая стена здания; 3 - утеплитель между кирпичной кладкой; 4 - вентиляционный зазор между внутренним утеплителем и облицовочной стеной; 5 - наружная стена с облицовкой из кирпича; 6 - внутреннее армирование, соединяющее внутреннюю и внешнюю стену

При использовании стержней (металлических или стеклопластиковых) в качестве связей между верстами минераловатные плиты просто накалываются на них. Дополнительного крепления не требуется (рис.4).

Рис.4. Трехслойная кирпичная кладка с утеплителем. В качестве связей используются стержни:

1 - внутренняя часть кирпичной стены; 2 - минеральная вата; 3 - наружная часть кирпичной стены; 4 - связи

В такой конструкции появляется возможность устроить воздушный зазор между утеплителем и наружной верстой для лучшего вывода влаги из несущей стены и утеплителя.

При использовании теплоизоляционного слоя между внутренней и наружной верстами должны быть предусмотрены гибкие связи. Ранее они выполнялись из стальной арматуры, сейчас - из щелочестойкого стеклопластика. Этот вариант предпочтителен из-за меньшей теплопроводности стеклопластиковых стержней. Теплопроводность связей оказывает сильное влияние на тепловую однородность конструкции. Замена стальных гибких связей на стеклопластиковые позволяет снизить толщину теплоизоляционного слоя на 5-10%.

Типовые решения устройства слоистых кладок можно разделить на два вида: с устройством воздушного зазора и без него (рис.5). Устройство воздушного зазора позволяет более эффективно удалять влагу из конструкции, т.к. избыточная влага из несущей стены и утеплителя будет сразу уходить в атмосферу. В то время как в конструкции без воздушного зазора пар будет проходить и через облицовочный кирпич. При этом воздушный зазор увеличивает общую толщину стены, а, следовательно, и фундамента; увеличится длина гибких связей.

Рис.5. Схема слоистой кладки:

А - без воздушного зазора; Б - с воздушным зазором

Кирпичная кладка с утеплителем внутри, как и прочие строительные технологии, имеет свои плюсы и минусы. К её положительным качествам следует отнести:

Меньший объём кладки, что позволяет уменьшить сметную стоимость за счёт экономии на количестве строительного материала.

Меньший вес постройки, что даёт возможность использовать более лёгкие и недорогие фундаменты.

Высокие теплоизоляционные показатели, позволяющие сохранять тепло в зимнее время.

Улучшенная звукоизоляция. Теплоизоляционный слой позволяет значительно снизить уровень шума, что особенно актуально, если здание находится на центральной улице с интенсивным дорожным движением.

Внешние стены, облицованные декоративным кирпичом, не нуждаются в дополнительной декоративной отделке.

Среди минусов многослойных стен можно указать:

Большую трудоёмкость, связанную с утеплением, по сравнению с кирпичной кладкой в 3-3,5 кирпича.

Трёхслойные стены не дают возможность периодической замены утеплителя, в то время как срок его службы всегда короче срока службы кирпичных стен.

Выбор утеплителя

В качестве теплоизолирующего материала может применяться широкий ассортимент утеплителей, которые отвечают рекомендациям СНиП.

Во-первых, показатель теплопроводности материала должен быть таким, чтобы обеспечить защиту внутренних помещений при максимальных минусовых показателях, свойственных для данного региона.

Ознакомиться с теплоизолирующими показателями утеплителя можно в инструкции от производителя на его упаковке или в таблицах технических характеристик СНиП. Сравнив эти показатели с зимними минимумами температур, можно вычислить необходимую толщину слоя утеплителя.

13 Августа 2019 | Категория: Технологии 2375

Из чего состоит многослойный «пирог» кладки, как обустраиваются вентиляционные зазоры, как стыкуется несущая стена и лицевая кладка? Об этих и о многих других нюансах возведения 2-х и 3-слойных стен читайте в этой статье.

Для обеспечения высокой теплоэффективности и звукоизоляции стену здания делают двух или трехслойной. Каждый из этих слоёв выполняет свою функцию.

Несущая стена. Для её кладки может быть выбран кирпич, керамические блоки, газобетон или иной стеновой материал;

Теплоизоляция. Этот слой обеспечивает сохранение тепла. В качестве утеплителя может быть выбрана базальтовая вата, пенополистерол либо иной рулонный или плитный теплоизоляционный материал;

Облицовочный слой. Наружная кладка, для возведения которой используется обычный лицевой кирпич, клинкер или кирпич ручной формовки.

Важно!

Для предотвращения образования конденсата в теплоизоляционном материале, между слоями «пирога» стены нужно оставлять вентиляционный зазор шириной 3-4 см. Способность утеплителя препятствовать потере тепла резко снижается при его намокании – стена становится холодной, увеличивается расход энергии, затрачиваемой на обогрев здания.

(Стена без утеплителя)

(Стена с утеплителем)

Схема «пирога» стены

4) наружная (фасадная) кладка

5б) анкер с кружком-капельником

7) слой гидроизоляционного материала

8) слой теплоизоляции

Важно!

Одна из наиболее распространенных ошибок при наружной кладке – забивание раствором вентиляционного зазора. Это не позволяет воздуху свободно циркулировать внутри кладки и затрудняет отвод влаги.

Вентиляция кладки

Дом с пустотными швами

Смена температур в течение дня приводит к образованию конденсата в вентзазоре. Чтобы влага не скапливалась, а сразу выводилась, необходимо движение воздуха. Его создают пустотные швы, которые мастера оставляют в процессе кладки. Благодаря таким вертикальным швам, между слоями «пирога» свободно циркулирует воздух, выводится влага и кладка остается сухой внутри.

Где оставляются пустотные швы?

швы необходимо оставлять над дверными проёмами, над окнами и под ними. В отношении окон должно быть не меньше двух швов на окно;

в многоэтажных зданиях «пустошвы» должны быть над и под перемычками и перекрытиями;

для зданий с высотой свыше 6 метров, необходимо оставлять такие швы посередине каждой из стен;

в процессе кладки пустотные швы также оставляются в её нижнем и в верхнем ряду, с шагом 1-1,5 метра. Минимальное расстояние швов до угла – 25 см.

Важно! Порядок расположения пустотных швов всегда должен быть одинаковым – один над другим.

Гидроизоляция

«Фартук» для гидроизоляции – элемент защиты кладки от влаги, который устанавливается с наклоном по направлению к пустотным швам. Этот элемент устанавливается над перемычками, перекрытиями, в нижнем ряду кладки, а также над окнами. Чтобы в «фартук» не попадали насекомые, в пустотные швы необходимо заложить сетку из пластика.

Стыковка стены и облицовочного слоя при помощи анкеров

Лицевая кладка фиксируется к несущей стене на анкеры – элемент крепления, который может быть изготовлен из нержавеющей стали, стеклопластика или иных материалов, устойчивых к коррозии. Для этой цели могут быть использованы забивные или закладные анкеры.

Забивные монтируются в уже готовую стену в процессе закладки теплоизоляционного материала и облицовочных работ. Закладные элементы монтируются в горизонтальные швы при кладке несущей стены. Нужно отметить, что закладные анкеры в облицовочную кладку необходимо закладывать только в раствор, на глубину от 6 до 8 см.

(Анкера закладного типа)

(Анкера забивного типа)

Способы закладки анкеров

В процессе кладочных работ можно использовать разные способы фиксации несущей стены и облицовки. Первый метод обеспечивает простой монтаж анкеров, но имеет свои недостатки. В частности, при его использовании весь «пирог» стены должен быть возведен за один сезон.

Еще один момент – этот способ усложняет утеплительные работы и работы по кладке облицовочного слоя. При этом есть риск несовпадения горизонтальных швов облицовки и несущей стены. Если возникнет такая ситуация, то анкеры нужно будет гнуть. Важный момент – сгибание анкеров должно производиться только вверх.

Вторая методика фиксации технически сложнее, но при этом упрощаются работы по монтажу теплоизоляционного материала. Этот способ не требует возведения всего «пирога» в одно время и гарантирует совпадение швов фасадной и несущей стены.

При монтаже анкеров необходимо брать в расчет «проблемность» таких участков, как перемычки, углы стен, проёмы дверей и окон. В этих зонах анкеры устанавливаются в линейном порядке с шагом 30 см (по вертикали и по горизонтали). Важный момент – при закладке расстояние от края проёма до угла не должно быть меньше 15 см. Для всех остальных зон используется шахматный порядок установки анкеров.

Важно! Если планируется обустраивать в стене вентиляционный зазор, то в процессе закладки анкеров нужно использовать прижимной капельник.

Назначением этого элемента является надежная фиксация утеплителя к поверхности несущей стены. Кроме этого капельник обеспечивает отведение влаги.

Сколько потребуется анкеров на квадратный метр стены?

Среднее количество анкеров, которые используются при кладке – 4-8 штук на квадратный метр. При расчетах учитываются такие факторы, как высота и длина стены, степень нагрузки, которую создаёт ветер, а также использование каких-либо декоративных фасадных элементов, утяжеляющих конструкцию. В среднем рекомендуется использовать 5 анкеров на 1 кв.м. стены, однако подсчет их количества всё же стоит доверить специалисту.

Деформационные (усадочные и температурные) швы

Деформационные швы делают в тех зонах несущей и облицовочной кладки, в которых есть риск деформации (смещения по отношению друг к другу). Такие швы представляют собой пустоты между элементами кладки, не заполненные раствором.

Температурные швы делают в тех местах кладки, где по расчетам предполагается большая разница между температурами несущей стены и облицовочной кладки, а также при строительстве зданий с большой протяженностью стен.
Усадочные деформационные швы оставляют в местах, где разные части здания могут давать неравномерную усадку, либо в тех зонах, где соединяются разные участки стены.

Важно! Последний и обязательный этап работ по обустройству таких швов – их герметизация, которая производится при помощи эластичной деформационной ленты.

Расположение швов, препятствующих деформациям

(Основание лицевой кладки)

Какое расстояние должно быть между деформационными швами?

Это напрямую зависит от расположения стены. К примеру, для вертикальных швов южной стены это расстояние составляет от 8 до 9 метров, для северного фасада – 12-12 м, для западного – 7-8 м, для восточного – 10-12 м.

Для горизонтальных швов, (при полном основании фасада) шаг между ними – 12 м. При частичном основании фасада – от 6 до 8 м.

Устройство деформационных швов: три способа исполнения

(Предусмотрено три варианта швов – прямой вертикальный, «зубчатный» вертикальный и третий – горизонтальный шов).

Усиления фасада на примере конструкций MURFOR

Деформации стен, в результате которых на них появляются трещины, можно предупредить, если в процессе кладки использовать армирующие конструкции. В качестве примера можно назвать систему усиления стены MURFOR. Эта конструкция представляет собой два параллельных элемента (прута), которые приварены к третьему элементу, имеющему форму синусоиды.

Как работает MURFOR? После её закладки в опасных зонах, где есть риск смещения элементов стены, она берет на себя возникающие нагрузки, обеспечивая их равномерное распределение. Рекомендуемые зоны установки такой системы – это оконные и дверные проёмы, которые чаще всего подвержены деформациям по высоте.

Проем окна

Проем двери

Потенциально опасные зоны, подверженные изменениям высоты кладки

Схема установки армирующей системы MURFOR, которая монтируется при риске проседания грунта под зданием. Сначала элементы системы закладываются в пять рядов подряд, начиная с самого нижнего.

Далее армируется каждый пятый и шестой ряд.

Традиционно используемый железобетонный армопояс является дорогостоящим и трудоёмким решением. Вместо него можно применять конструкции MURFOR, монтируя их в верхние ряды кладки.

Благодаря использованию MURFOR шаг между деформационными швами может быть увеличен:

Армирующая система MURFOR предусматривает возможность использования вместе с ней специальных хомутов, которые позволяют производить монтаж оконных и дверных перемычек.

Вариант горизонтальной кладки

Варианты вертикальных кладок

Навесные консоли Baut: пример использования вместе с системой MURFOR

Армопояс, который фиксируется на навесных элементах

Армирующая система MURFOR может использоваться в сочетании с другими элементами – к примеру, с навесными консолями Baut. Благодаря такому сочетанию обеспечивается удобство монтажа навесного фасада. В высотном строительстве это является важным фактором.

Как производится монтаж? Ряд навесных элементов Baut крепится к несущим стенам здания по всему его периметру. Далее на них кладут первый ряд облицовочного материала. Второй этап – обустройство армопояса из системы MURFOR. Закладка армирующих конструкций производится в 1,2 и 3 ряды: на такие усиленные ряды затем приходится нагрузка других рядов.

Установка элементов системы MURFOR производится за края перемычки. Места закладок - по всей длине перемычки между 2 и 3 рядами кладки. Также элементы закладываются также между 1 и 2 рядами.

В вертикальной кладке хомуты закладываются в швы перемычки (через один). При горизонтальной кладке они устанавливаются в каждый вертикальный шов.

Усиление кладки - первых трех рядов

В каких случаях могут быть использованы навесные фасады?

в ситуации, когда облицовочная кладка идет со второго этажа;

для зданий с высотой фасада 12 м и выше;

при монтаже перемычек, которые имеют длину 2 м и более;

в том случае, если в кладке оставляются горизонтальные деформационные швы.

Полезная модель относится к области строительства зданий и направлена на изменение теплозащитных свойств воздушных прослоек ограждающей конструкции стены в теплый и холодный периоды года. Технический результат - повышение теплотехнических качеств многослойной стены. Многослойная стена содержит наружную и внутреннюю стенки с воздушным каналом между ними. К наружной поверхности внутренней стенки жестко прикреплена пластина, разделяющая воздушный канал на две зоны. В наружной стенке выполнено отверстие, в котором установлен жесткий каркас с заслонкой, имеющей перфорацию, причем заслонка соединена со штоком, размещенным в горизонтальном канале внутренней стенки. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Известна ограждающая конструкция многослойной стены с воздушной прослойкой, включающая укрепленную на стене теплоизоляционную решетку из жестко связанных между собой в правильном порядке объемных элементов выпуклой формы, расположенных с образованием промежутков между ними, обеспечивающих паропроницаемость в направлении, перпендикулярном к поверхности стены, защитную облицовку, вентиляционные каналы из множества чередующихся расширений и сужений и жесткие соединительные связи, проходящие через поперечные промежутки между объемными элементами решетки и окруженные слоем цементосодержащей композиции (RU 2150554, E04B 1/76, 10.06.2000). Подобная конструкция обладает рядом недостатков сопряженных с потерями тепла в зимний период и перегревом помещений в летний.

Известна многослойная стена, в которой кладка выполнена при помощи фигурного кирпича/блока, создающих воздушные каналы за счет введенных дополнений в конструкцию стены (RU 99122565, Е04С1/00, E04B 2/14, 10.09.2001). Недостатком данного решения является повышенная воздухопроницаемость за счет создания воздушных каналов путем введения различных дополнений в геометрическую конфигурацию ограждающей конструкции, по причине которых проявляются низкие теплозащитные качества.

Известна ограждающая конструкция многослойной стены, представляющая собой навесной вентилируемый фасад с облицовочным слоем из кирпича, утепляющим слоем и устройством для крепления облицовочного слоя, состоящего из несущих горизонтальных элементов, выполненных с возможностью крепления на промежуточных вертикальных элементах фиксирующих узлов; при этом, облицовочный слой расположен на несущих горизонтальных элементах, каждый промежуточный вертикальный элемент выполнен с возможностью крепления к облицуемой поверхности, причем между облицуемой поверхностью и промежуточными вертикальными элементами размещен утепляющий слой с возможностью образования воздушного зазора с облицовочным слоем (RU 97146, E04B 2/00, 27.08.2010). Недостатком данного решения является теплотехническая неоднородность ограждающей конструкции, приводящей к неравномерному распределению температурных полей на всей поверхности наружной глади стены здания.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является многослойная кирпичная наружная стена, состоящая из наружной и внутренней стенок, между которыми выкладывается промежуточная стенка, образующая замкнутые тепловоздушные полости, при этом кладка выполнена в различном сочетании, обеспечивая устойчивую жесткость. (RU 20011120692, E04B 2/28. 20.04.2003). Недостатками рассматриваемого решения являются невысокая энергоэффективность ограждающей конструкции стены, низкие теплотехнические качества за счет теплотехнической неоднородности кирпичной стены.

Задача полезной модели - это реализация больших функциональных возможностей многослойной ограждающей конструкции стены, достигаемых путем совмещения двух принципов работы воздушной прослойки. В первом случае, воздушная прослойка являет собой замкнутое пространство, обеспечивающее высокие теплозащитные качества ограждающей конструкции в зимний период. Во втором случае, воздушная прослойка представляет собой вентилируемый канал, позволяющий снизить перегрев помещений в теплый период года.

Технический результат - повышение теплотехнических качеств многослойной стены. Технический результат достигается тем, что многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами, содержащая наружную и внутреннюю стенки с воздушным каналом между ними, к наружной поверхности внутренней стенки жестко прикреплена пластина, разделяющая воздушный канал на две зоны, в наружной стенке выполнено отверстие, в котором установлен жесткий каркас с заслонкой, имеющей перфорацию, причем заслонка соединена со штоком, размещенным в горизонтальном канале внутренней стенки.

В предлагаемой полезной модели такие изделия как пластина, каркас, заслонка и шток изготавливаются из металла или атмосферостойкого композитного материала.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1, 2 изображена конструкция многослойной стены с регулируемыми теплозащитными свойствами для теплого периода года при открытом положении заслонки; на фиг.3, 4 представлена конструкция многослойной стены с регулируемыми теплозащитными свойствами в холодный период года при закрытом положении заслонки.

Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами представляет собой конструкцию, состоящую из наружной стенки 1, внутренней стенки 2 и пластины 3, разделяющей воздушный канал между ними на две зоны: верхнюю 4 и нижнюю 5. В наружной стенке 1 выполнено отверстие прямоугольного или круглого сечения, в котором размещен жесткий каркас 6.

Регуляция подачи воздуха в обеих частях канала 4, 5 осуществляется посредством заслонки 7, представляющей собой диск с перфорацией, имеющий два рабочих положения: открытое (фиг.1, 2) и закрытое (фиг.3, 4). Заслонка 7 запускается в действие при помощи штока 8, размещенным в горизонтальном канале внутренней стенки 2 и соединенного с приводом 9. В состав ограждающей конструкции многослойной стены входят такие элементы, как: пластина, каркас, заслонка, шток и привод, которые могут быть выполнены из металлических сплавов (железоуглеродистые, цинковые, никелевые) или атмосферостойких композитных материалов, например: углепластик, стеклопластик, сферопластик, полимерное покрытие металлических изделий.

Работа многослойной стены с регулируемыми теплозащитными свойствами осуществляется следующим образом: воздушные каналы 4, 5 в открытом положении позволяют обеспечить вентиляцию воздушной прослойки в теплый период года, при замкнутом - его изоляцию в холодный период. Указанная возможность осуществляется при помощи заслонки 7, имеющей два рабочих положения: открытое (фиг.1, 2) и закрытое (фиг.3, 4), которая механически приводится в действие штоком 8 привода 9 заслонки 7. В случае открытого положения (фиг.1, 2) - в теплый период года конвективные потоки воздуха в воздушных каналах 4, 5 способствуют понижению температуры внутренней грани стены 2 со стороны помещения. При закрытом положении (фиг.3, 4) создается замкнутое пространство, в котором воздушная прослойка 4, 5 выполняет роль теплоизолирующего компонента, обеспечивающего необходимые теплотехнические качества многослойной стены.

Механическая регуляция свойств воздушной прослойки многослойной стены в теплый и холодный периоды года по сравнению с аналогом, выбранным в качестве прототипа, позволяет:

- избежать перегрева помещения в теплый период года;

- снизить материальные затраты на кондиционирование воздуха внутри здания при открытом положении задвижки за счет вентиляции воздушной прослойки в многослойной стене;

- сохранить необходимые теплозащитные качества многослойной стены здания в холодный период года при закрытом положении задвижки за счет образования замкнутой воздушной прослойки;

- обеспечить вывод образовавшегося конденсата по воздушным каналам через сквозные отверстия в конструкции наружной стенки в теплый период года;

- достичь большей теплотехнической однородности многослойной стены, что упрощает выполнение теплотехнических расчетов и повышает теплотехнические качества здания.

1. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами, содержащая наружную и внутреннюю стенки с воздушным каналом между ними, отличающаяся тем, что к наружной поверхности внутренней стенки жестко прикреплена пластина, разделяющая воздушный канал на две зоны, в наружной стенке выполнено отверстие, в котором установлен жесткий каркас с заслонкой, имеющей перфорацию, причем заслонка соединена со штоком, размещенным в горизонтальном канале внутренней стенки.

2. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами по п.1, отличающаяся тем, что пластина, каркас, заслонка и шток выполнены из металла.

3. Многослойная стена с регулируемыми теплозащитными свойствами по п.1, отличающаяся тем, что пластина, каркас, заслонка и шток выполнены из атмосферостойких композитных материалов.

Е. П. Шароварова, ассистент кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» («САП»), Институт строительства и архитектуры (ИСАрх) Уральского федерального университета (УрФУ), ведущий архитектор ООО «Техкон» (г. Екатеринбург); С. Е. Щеклеин, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии», УрФУ; В. Н. Алёхин, к.т.н., профессор, заведующий кафедрой «САП», ИСАрх УрФУ; И. А. Степанов, выпускник кафедры «САП», ИСАрх УрФУ

Энергосберегающие технологии и использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) являются приоритетной задачей для проектировщиков и строителей. В данной статье представлена новая фасадная конструкция — многослойная фасадная панель (МФП) с вентилируемым воздушным зазором для энергоэффективных зданий с комплексом ВИЭ. Вентилируемый зазор, образованный несущим каркасом из перфорированных профилей, используется как канал для движения тёплого осушенного вытяжного воздуха. Наружный слой фасадной панели может выполняться с дополнительным слоем из тонкоплёночных солнечных панелей. Использование многослойных фасадных панелей значительно сокращает расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания.

Ключевые слова: многослойная фасадная панель с вентилируемым воздушным зазором, энергоэффективные здания, возобновляемые источники энергии.

UDC 620.92. Number of scientific specialty: 05.14.08.

Multi-layer facade panel with air gap for energy-efficient buildings with renewable energy complex

E. P. Sharovarova, assistance lecturer of the Department of CAD Systems in Civil Engineering (CADSCE), Institute of Civil Engineering and Architecture (ICEA), Ural Federal University (UrFU), leading architect in «Techcon», Ltd. (Ekaterinburg city); S. E. Shcheklein, PhD, Professor, Head of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources, Ural Power Engineering Institute, UrFU; V. N. Alekhin, PhD, Professor, Head of the Department of CADSCE, ICEA UrFU; I. A. Stepanov, a graduate of the Department of CADSCE, ICEA UrFU

Energy saving technologies and the use of renewable energy sources are the priority issues for engineers and builders. This article presents a new facade design — the multilayer facade panel with a ventilated air gap for energy efficient buildings with a complex of renewable energy sources. A ventilated gap formed by a supporting frame of perforated profi les is used as a channel for the movement of warm and dried exhaust air. The outer layer of the facade panel can be designed with an additional layer of thin film solar panels. The use of multilayer facade panels significantly reduces the consumption of thermal energy for heating and ventilation of the building.

Key words: multilayer facade panel with ventilated air gap, energy-efficient buildings, renewable energy sources.

Введение

В настоящее время в мировом сообществе особо актуальна проблема экономии энергетических ресурсов. Развитые страны в решении данной проблемы делают упор на сокращение удельного энергопотребления и рост использования возобновляемых источников энергии.

Основными факторами, влияющими на развитие в мире возобновляемой энергетики, являются: сокращение запасов топливных ресурсов, увеличение стоимости ископаемого топлива, быстрый рост населения Земли [1], рост энергопотребления, повышение температуры биосферы, необходимость снижения выбросов парниковых газов и многое другое.

С конца XX века можно было наблюдать резкий рост человеческой популяции (рис. 1). К примеру, в 1987 году на Земле жило 5 млрд человек, а в 2019 году численность человечества приближается к отметке в 8 млрд. Одновременно с ростом населения растёт энергопотребление, в результате чего происходит резкое увеличение объёмов выбросов парниковых газов (углекислого газа, метана, оксида азота и т. п.), рис. 2 [2]. По предполагаемым сценариям развития глобального потепления, повышение температуры земной биосферы к 2100 году может составить +5°C [3].

Строительство и эксплуатация зданий и сооружений производят более половины выбросов всех парниковых газов [2]. Таким образом, энергосберегающие технологии в строительстве становятся приоритетной задачей для проектировщиков и строителей.

Кроме того, в связи с действующей госпрограммой «Социально-экономическое развитие Дальневосточного федерального округа» и «Стратегией развития Арктической зоны РФ» развитие и создание новых технологий и конструкций для строительства зданий и сооружений в труднодоступных регионах с экстремальными природно-климатическими условиями становятся необходимыми.

Отличительными особенностями данных регионов являются: экстремальные природно-климатические условия, удалённость от основных промышленных центров, малая плотность населения.

Например, общая площадь регионов, входящих в «Программу освоения земель Дальнего Востока» (Забайкальский, Приморский, Хабаровский и Камчатский края, Республика Бурятия, ЕАО, Республика Саха, Амурская, Магаданская и Сахалинская области, край, Чукотский АО), составляет 6169329 км², а средняя плотность населения по перечисленным областям и республикам составляет 1,0 человек на 1 км². Перечисленные особенности делают развитие подобных «удалённых» территорий затруднительным.

Конструкция многослойной фасадной панели

Произведённый анализ современных фасадных решений позволил создать новый тип многослойной фасадной панели (МФП) [4]. Прототипом для многослойной фасадной панели послужил один из трендов европейской архитектуры — климатический фасад или фасад с «двойной кожей» (double-skin facade). Основоположником идеи климатического фасада считается известный архитектор Ле Корбюзье. Предложенная архитектором в начале XX века инновационная идея «нейтрализующей стены» (neutralizing wall) заключалась в создании двухслойного фасада с воздушным зазором, в котором устанавливаются трубки для нагрева и охлаждения воздуха [5].

В настоящее время конструкция двойного остеклённого фасада особо распространена в высотном строительстве.

Мировую известность получили такие здания, как «Сити-Холл» и небоскрёб «Мэри-Экс» в Лондоне, «Коммерцбанк» во Франкфурте-на-Майне и многие другие.

Фасад с «двойной кожей» представляет собой две оболочки из стекла, которые обеспечивают эстетическое оформление и выполняют функцию ограждения. Климатические фасады различаются по многим параметрам: размещению поверхностей двойного фасада, наличию вентиляционных отверстий (без отверстий, с отверстиями, на обоих слоях фасада, только на внутренней поверхности фасада), величине зазора и другим. Климатический фасад может предусматриваться с механической или естественной вентиляцией через запроектированную систему отверстий. Расстояние между слоями фасада составляет от 20 до 200 см.

В общем случае межстекольное пространство — это канал для прохода воздуха, который может сообщаться с улицей, с помещениями и системой вентиляции при помощи открывающихся заслонок. Пространство между слоями служит не только каналом циркуляции воздуха; здесь размещаются электроприводы внутренних и наружных фрамуг, солнцезащитные устройства, трапы-проходы для обслуживания и т. п. [6]. Запатентованная конструкция МФП (рис. 3) представляет собой два теплоизоляционных слоя 1 и 2, соединённых между собой каркасом из перфорированных швеллеров 3, образующих воздушный вентилируемый зазор. Теплоизоляция защищена со стороны вентилируемого зазора и помещения влагостойкими цементными плитами 4, 5 и 6 («Аквапанель KNAUF» или аналог).

С фасада наружный слой теплоизоляции защищён алюминиевым листом 7, который можно окрашивать в любой цвет и придавать ему любую фактуру, меняя таким образом архитектурный облик здания. Современные технологии и оборудование для фотопечати позволяют наносить любой рисунок и текстуру на панели — имитация дерева, металла и т. д. Защитные слои сохраняют теплоизоляцию на протяжении заявленного срока службы, препятствует её разрыхлению, деформации и прониканию влаги внутрь панели, а также служат поверхностью, готовой для внутренней отделки изнутри. Соединение внешнего слоя панели является герметичным за счёт конструкции соединения «паз-гребень».

Каркас, выполненный из перфорированных профилей для беспрепятственного движения воздуха, образует замкнутый воздушный зазор в плоскости фасада здания между двумя слоями утеплителя. Герметичность конструкции стены, выполненной из данных фасадных панелей, позволяет использовать нагретый воздух в зазоре для снижения расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

Многослойные фасадные панели крепятся поэтажно к торцам плит с помощью крепёжного элемента в виде двутавра с рёбрами. В пазы панели, выполненные по углам, заводится крепёжный элемент (рис. 4).

С южной стороны фасада здания на алюминиевый лист МФП предусмотрена возможность монтажа тонкоплёночных фотоэлементов 8 (рис. 3). Невысокая стоимость (от $ 0,25 за ватт), вместе с коэффициентом полезного действия 12–20% модулей третьего поколения и высокой производительностью при рассеянном свете по сравнению с кристаллическими аналогами, делают целесообразным их использование, в том числе и в Уральском регионе, с преимущественно пасмурной погодой. Некоторые виды модулей производят с прозрачностью до 20%, что позволяет применять такие тонкоплёночные батареи на светопрозрачных конструкциях.

Наиболее распространёнными являются тонкоплёночные батареи на основе аморфного кремния с КПД не более 12%. В настоящее время наиболее эффективны тонкоплё- ночные фотоэлементы на основе индия, селена и меди с коэффициентом полезного действия около 20%.

Данную панель можно применять в регионах с различными климатическими условиями, изменяя некоторые параметры: толщины внутреннего и внешнего слоёв теплоизоляции, размеры перфорированного профиля и перфораций, температуру нагнетаемого воздуха в зазор и многие другие.

Преимущество многослойной фасадной панели состоит в значительном снижении ресурсоёмкости и упрощении монтажа фасада, повышении срока службы теплоизоляции, а также снижения энергопотребления здания.

Применение МФП в зданиях с комплексом возобновляемых источников энергии (ВИЭ)

Для эффективной работы многослойной фасадной панели может быть использован грунтовый теплообменник (ГТО). Наружный холодный воздух поступает в грунтовый теплообменник, затем поступает в приточно-вытяжную установку, где происходит догрев, и оттуда поступает в помещения (рис. 5а).

Отработанный вытяжной воздух сначала проходит через рекуператор, затем через конденсационный осушитель, после чего поступает в нижней части вентилируемого воздушного зазора фасада. Тёплый воздух в зазоре панелей поднимается наверх, где происходит удаление вытяжного воздуха через вентиляционные решётки в уровне парапета здания.

На аналогичной схеме показано, как тёплый осушенный воздух из вентилируемого воздушного зазора поступает в чердачное пространство, после чего происходит удаление вытяжного воздуха наружу (рис. 5б).

Такая схема представляет собой замкнутый цикл движения воздушных масс, в результате которого весь объём нагретого воздуха для систем принудительной вентиляции направлен на сохранение положительной температуры в вентилируемом зазоре. В качестве источника тепла могут быть использованы градирни при размещении зданий вблизи промышленных предприятий.

В летний период приточный воздух, охлаждённый за счёт использования грунтового теплообменника до температуры грунта, подаётся в воздушный зазор фасада, вследствие чего уменьшается требуемая мощность системы кондиционирования.

На рис. 6 и 7 изображены здания с фасадом из МФП с использованием грунтового теплообменника и тонкоплёночных батарей на южном фасаде. Окна в зданиях (рис. 6) можно выполнять «в пол», оставляя только парапетную панель. Также возможно устройство подоконной части из многослойной фасадной панели (рис. 7), перфорации в несущем каркасе в горизонтальной плоскости не будут препятствовать движению воздуха.

На рис. 8 изображена схема поэлементного монтажа фасада здания. Монтаж панелей 1 начинается снизу вверх, завершает здание парапетная панель 2. Витраж 3 комплектуется замкнутой конструкцией 4, формирующей оконные откосы и узел сопряжения с панелями. На кровлю здания дополнительно устанавливают солнечные батареи 5.

Заключение

Совершенствование ограждающих конструкций зданий является приоритетной задачей для проектировщиков во всем мире. МФП — многослойная фасадная панель с вентилируемым воздушным зазором — может применяться в труднодоступных регионах с децентрализованным энергоснабжением. Заводская сборка панелей и возможность интегрирования ВИЭ в такие здания способствует развитию строительства в малонаселённых регионах, что в настоящее время является актуальной задачей в связи с действующей программой освоения Дальнего Востока и стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации.

Читайте также: