пятница, 27 сентября 2013 г.

Теплотехнический расчет вентилируемых фасадов

У всякого плута свой расчет.
Русская народная пословица

Программа расчета температурных полей, пример температурного поля
Проектирование вентилируемого фасада включает прочностные и теплофизические расчеты. Теплофизические в свою очередь включают теплотехнический, влажностный и расчет воздухопроницаемости ограждающей конструкции. Статьи о расчете вентилируемого фасада начну с методик и нормативных документов по теплотехнике вентфасада.

Основными документами для проведения теплотехнического расчета вентилируемого фасада являются СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», а также «Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий» и подобные рекомендации (которых немало, например «Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции»).
Первая методика расчета теплотехники вентилируемого фасада была представлена в «Рекомендации по проектированию навесных фасадных систем с вентилируемым воздушным зазором для нового строительства и реконструкции зданий» (далее Рекомендации). В дальнейшем методику переработали и в окончательном виде она вошла в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» в качестве рекомендуемого приложения М.
Рассмотрим эти методики подробнее.

Методика теплотехнического расчета вентилируемого фасада по Рекомендациям.

Как и расчет любой ограждающей конструкции, расчет вентфасада начинается с определения требуемого сопротивления теплопередачи исходя из расчетных климатических характеристик района строительства и расчетных значений температуры в здании. Методика приведена в п.5 СП 50.13330.2012, на ней останавливаться не стоит.

Подбор толщины слоя теплоизоляции в соответствии с Рекомендациями осуществляется по формуле:

Теплотехнический расчет вентилируемых фасадов

Расшифровку всех значений формулы можно найти в самом документе, представленном в архиве полезных файлов. Там же можно найти пример теплотехнического расчета вентилируемого фасада. Разберем ключевые моменты, и принципиально важным здесь является наличие коэффициента теплотехнической однородности r. Это табличная переменная и её значение приводится в таблицах Рекомендаций (табл. 7.2 и 7.3). При этом, в таблице даны r для худшего в теплотехническом отношении участка (с оконным проемом). Коэффициент "r" посчитан для фрагментов с проемностью 25%. При проёмности, отличающейся от 25%, на каждые 10% коэффициент "r" соответственно изменяется на 4% для кирпичных стен и на 2% для бетонных.

При определении коэффициента теплотехнической однородности, используемого в формуле, требуется знать толщину утеплителя. Поэтому расчет делается в несколько шагов. На первом шаге в формуле принимают r = 1. На следующем шаге r уточняют для толщины утеплителя, полученной на предыдущем шаге. Такой процесс повторяют, пока разница между расчетной толщиной утеплителя на соседних шагах не станет меньше 5 мм


После определения толщины утеплителя определяются приведенные сопротивления теплопередаче наружных стен для основных "фрагментов". Каждый рассчитываемый фрагмент делится на отдельные участки, характеризуемые одним или несколькими видами теплопроводных включений. При этом коэффициент r уже не определятся исходя из таблицы, а рассчитывается для каждой конкретной системы вентилируемого фасада.

Учет влияния металлических включений выполняется по формуле:

расчет навесных фасадов
Где, коэффициент теплотехнической однородности:
тепловой расчет фасадов
Средневзвешенное значение приведенного сопротивления теплопередаче определяется по формуле:

расчет вентилируемого фасада +из керамогранита
Fi, Roiпр - соответственно площадь и приведенное сопротивление теплопередаче i-го фрагмент стен, м2 °С/Вт;

В итоге, средневзвешенное значение приведенного сопротивления теплопередаче сравнивается с требуемым сопротивлением теплопередачи и теплозащита стены обеспечена, если Ror cр > Roreq.

Для расчета средневзвешенного значения многослойных наружных стен при наличии в стенах глухих (без проемов) участков может быть также использована формула:
 

Ror cр = Ror×n,

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



В документе «Фасадные теплоизоляционные системы с воздушным зазором. Рекомендации по составу и содержанию документов и материалов, представляемых для технической оценки пригодности продукции» расчета средневзвешенного значения приведенного сопротивления теплопередаче нет. Теплотехническое проектирование продолжается после влажностных расчетов и включает составление температурных полей, о которых мы поговорим ниже. 



Принятая толщина утеплителя вентилируемого фасада может быть не окончательной, и уточняется после влажностного расчета, который мы разберем в последующих статьях. О том,  как сказывается на теплотехнике нарушение влажностного режима вследствии установки фасада без зазора, можно прочитать в статье Невентилируемый фасад. Последствия установки навесного вентилируемого фасада без зазора.
  

Методика теплотехнического расчета вентилируемых фасадов по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

Опять же расчет начинается с определения требуемого сопротивления теплопередачи исходя из расчетных климатических характеристик района строительства и расчетных значений температуры в здании. Методика приведена в п.5 СП 50.13330.2012, на ней останавливаться не стоит.

Подбор толщины утеплителя производится по формуле:
программа расчета вентилируемого фасада
Опять же, не будем останавливаться на каждой переменной, эта информация есть в соответствующем документе, обратить внимание следует на следующие значения:
программа +для расчета температурных полей
расчет температурных полей
Формулы для определения этих переменных приведены в приложении Е СП 50.13330.2012 и при их расчете требуется составление температурных полей. Температурное поле - это совокупность значений температур во всех точках рассматриваемой конструкции в данный момент времени. Графически температурное поле изображают посредством изотермических поверхностей, соединяющих все точки поля с одинаковой температурой, пример на рисунке:
расчет навесных фасадов
Теплотехнический расчет вентилируемого фасада, расчет утепления фасада, программа расчета вентилируемого фасада

Сам расчет температурных полей не нов и ручное его исполнение можно найти в учебниках, например в книге К. Ф. Фокина «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий» (Москва, «АВОК-ПРЕСС» 2006). Учебник можно скачать в архиве полезных файлов.
Однако составление температурных полей для всех фрагментов едва ли осуществимо вручную, для этого применяют различные программы, от крупных пакетов, в состав которых входит опция расчета температурных полей (например, Ansys, CalculiX, Elmer, Salome, NormCAD) до специализированных на теплотехнике (Temper 3D или Heat3D).
Пример подготовки и обработки данных при расчете на ЭВМ приведен в приложении Н в СП 50.13330.2012 и приложении М СП 23-101-2004.

Заострить внимание на особенностях использования различного программного обеспечения при расчете температурных полей планируется в последующих статьях.

Так же как в расчете  по Рекомендациям принятая толщина может быть не окончательной, и уточняется после определения влажностного режима ограждающей конструкции. В завершении теплотехнического расчета вентфасада сопротивление теплопередачи принятой конструкции проверяется по формуле Е.1 из приложения Е СП 50.13330.2012.

Следует обратить внимание, что приложение М в Своде Правил 2012 года рекомендуемое, но расчет температурных полей из приложения Е имеет статус обязательного. Хотя СП 2004 года в пункте 9.1.4, не исключая вариант расчета температурных полей, добавляет другие возможности:
температурное поле вентфасада
И по данному варианту расчет допускается производить без составления температурных полей, с применением коэффициента r, т. е. в соответствии с Рекомендациями.

О других аспектах проектирования вентилируемого фасада читайте здесь. 

Выводы

Итак, существуют две принципиально различные методики теплотехнического расчета вентилируемых фасадов:
1) В соответствии с СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» и Рекомендациями.
2) В соответствии с СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

Первая для учета теплопроводных включений использует коэффициент теплотехнической однородности, который приводится в Рекомендациях и далее рассчитывается по формуле. Однако применение этого коэффициента оставляет много вопросов по поводу точности.
Расчет по СП 50.13330.2012 для учета теплопроводных включений предполагает использование результатов расчета температурных полей с применением ЭВМ.

Какой вариант расчета предпочтительнее?
Расчет по Рекомендациям носит более прикладной характер, и естественно проще исполним. Расчет по СП «Тепловая защита зданий» актуальнее и точнее, но требует затрат на программное обеспечение. И даже с учетом того, что некоторые программы для расчета температурных полей вентилируемого фасада можно найти в открытом доступе (CalculiX, Elmer, Salome), их использование требует от проектировщика весьма специфичных математических знаний, т. к. они основаны на численных методах. Открытые программы не ориентированы на пользователя и коммерческое использование, а потому не стоит ожидать от них получение быстрых результатов с максимальной простотой. Также по открытым программам не достаточно доступной русскоязычной литературы (хотя различные видеоуроки и примеры найти можно).

Кстати, в большинстве европейских стран (Германия, Австрия, Дания, Польша и др) теплотехнический расчет ведется упрощенно, с применением различных коэффициентов, учитывающих неоднородности, и допустимые значения сопротивлению теплопередаче там значительно ниже. Хотя энергоэффективности и энергосбережению там уделяется гораздо большее внимание.
Вопрос введения обязательного расчета по СП 2012 года считаю не до конца проработанным, ведь издержки при полном расчете температурных полей достаточно велики, и одно дело если речь идет о крупных, технически сложных и уникальных проектах, другое в случае реконструкции и небольших проектов. В 99% случаев, при возведении фасадов, расчет теплотехники опускают вообще, либо производят его без учета неоднородностей. Для исправления данной ситуации была разработана бесплатная онлайн программа, которая позволяет выполнить теплотехнический расчет вентилируемого фасада (а также мокрого фасада СФТК)  по СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» и Рекомендациям, подробнее о ней в статье.

В последнее время проектно-монтажные организации пренебрегают расчетом теплотехники вентилируемого фасада, что кроет в себе массу подводных камней. Какой бы расчет не был, он необходим, каким документом его обосновать дело договоренности с заказчиком/экспертизой, а также личных предпочтений и возможностей. По услугам расчета можно обращаться, используя форму для связи. Удачи!



1 комментарий:

  1. Очень актуально! Жаль, что многие, особенно из категории "бюджетные заказчики" не в теме.

    ОтветитьУдалить