В современной практике наружного утепления стен широкое применение получили конструкции навесных вентилируемых фасадов (НВФ) с вентилируемым зазором и защитно-декоративной облицовкой из листовых или плитных материалов. В качестве теплоизоляционного слоя в этих конструкциях применяются теплоизоляционные материалы из стеклянного штапельного волокна и минеральной ваты. Вентилируемый воздушный зазор шириной 50-100 мм располагается между наружным облицовочным покрытием и теплоизоляционным слоем.
К преимуществам навесных вентилируемых фасадов относят наличие защитного экрана защитно-декоративного покрытия, предохраняющего утеплитель от механических повреждений, атмосферных осадков, воздействия ветра и улучшающего внешний вид здания, и вентилируемого зазора, исключающего накопление влаги и обеспечивающего благоприятный температурно-влажностный режим эксплуатации ограждающих конструкций.
Физико-технические свойства используемых теплоизоляционных материалов оказывают существенное влияние на теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность конструкций и в значительной степени определяют сравнительный технико-экономический эффект различных вариантов утепления зданий. Основными направлениями повышения качества волокнистых теплоизоляционных материалов являются снижение их теплопроводности и объемной массы, улучшение деформативных характеристик и повышение формостабильности, снижение пожароопасности и повышение водостойкости.
Теплотехническая эффективность теплоизоляционных материалов в условиях эксплуатации в конструкциях утепления зданий в значительной степени зависит от конструктивных особенностей системы утепления и интенсивности воздействия эксплуатационных факторов. В соответствии с требованиями СП 23-101 «Проектирование тепловой защиты зданий» к применению в НВФ рекомендуются волокнистые теплоизоляционные материалы плотностью не менее 80-90 кг/м3. Однако на сегодняшний день, учитывая современные тенденции в производстве и применении волокнистых теплоизоляционных материалов, более обоснованным как с технической, так и экономической точки зрения, является использование в НВФ эффективных современных теплоизоляционных материалов плотностью 15-20 кг /м3 на основе стекловолокна, как в сочетании с волокнистыми материалами плотностью 60-80 кг/м3, обладающими ветрозащитными свойствами (двухслойный вариант), так и в однослойном варианте в сочетании с ветрозащитными мембранами.
В конструкциях НВФ теплоизоляционный материал работает как ненагруженная изоляция, где его плотность не является определяющим параметром, а применение в них мягких теплоизоляционных изделий, обладающих достаточной формостабильностью, технически совершенно обосновано. При равной плотности теплоизоляционные изделия из минеральной ваты и стекловолокна разных марок и производителей могут значительно отличаться по деформативным характеристикам и теплопроводности.
В качестве основного аргумента, препятствующего применению теплоизоляционных материалов плотностью 15-20 кг/м3 в НВФ, рассматривается возможность возникновения продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое, которая, по некоторым расчетным оценкам, снижает термическое сопротивление конструкции НВФ под воздействием ветра и вызывает дополнительные тепловые потери через стены.
Расчет, обосновывающий данную концепцию, выполнен для межоконного простенка с НВФ при толщине теплоизоляционного слоя 0,15 м, средней скорости ветра 10 м/с и коэффициенте воздухопроницаемости теплоизоляционного материала 0,4 кг/(м*ч*Па). По результатам расчета для этих условий увеличение теплового потока через стену, обусловленное продольной фильтрацией воздуха в утеплителе, составляет до 13 %. На основании полученных результатов сделано заключение о необходимости учета этого фактора при теплотехническом расчете конструкции НВФ.
В реальных условиях влияние фактора продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое на теплозащитные свойства конструкции НВФ межоконного простенка является существенно менее значимым, а для других элементов конструкции практически отсутствует. Этот вывод следует из анализа физических закономерностей процесса теплопередачи и фильтрации воздуха в конструкции НВФ.
В расчетной модели рассматривается увеличение теплового потока через стену, обусловленное продольной фильтрацией воздуха через теплоизоляционный слой под воздействием ветрового потока, параллельного наружной поверхности стены:
dQ = Qф – Q0 ,
где Q0 — плотность теплового потока без учета продольной фильтрации, Вт/м2;
Qф — плотность теплового потока с учетом продольной фильтрации, Вт/м2.
Расчет теплового потока выполняется путем численного решения двухмерной задачи стационарной теплопроводности при граничных условиях третьего рода, с учетом переноса тепла фильтрацией воздуха через воздухопроницаемый теплоизоляционный слой. Возрастание плотности теплового потока через стену с обусловлено увеличением плотности продольного потока воздуха через теплоизоляционный слой под воздействием ветрового давления.
С учетом данного фактора плотность фильтрационного потока воздуха в теплоизоляционном слое полностью определяется сопротивлением воздухопроницанию облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны на торцевых поверхностях теплоизоляционной конструкции и не зависит от воздухопроницаемости теплоизоляционного слоя.
При наличии обоих этих элементов или только облицовочного покрытия она стремится к 0, т.е. продольная фильтрация воздуха в этой конструкции практически отсутствует и, соответственно, не влияет на теплотехническую эффективность конструкции НВФ. Таким образом, плотность потока воздуха через теплоизоляционный слой в конструкции тепловой изоляции межоконного простенка с учетом сопротивления воздухопроницанию облицовочного покрытия боковых оконных откосов и ветрозащитной мембраны имеет значения, близкие к 0.
Облицовочные покрытия и ветрозащитные мембраны являются неотъемлемыми элементами конструкций НВФ, и рассматривать воздухопроницаемость и теплотехническую эффективность конструкции межоконного простенка без облицовочных покрытий боковых оконных откосов представляется неправомерным. Расчетная модель конструкции, в которой отсутствуют ветрозащитная мембрана и облицовочное покрытие бокового оконного откоса, не отражает физические свойства и конструктивные особенности НВФ. Очевидно, что наличие облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны снижает в десятки, сотни и более раз торцевую проницаемость конструкции НВФ и, соответственно, эффект продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое при воздействии ветрового потока, параллельного поверхности стены.
Вопрос о возможной продольной фильтрации воздуха в утеплителе может относиться только к участкам стены с открытыми торцевыми поверхностями теплоизоляционного слоя, расположенными перпендикулярно направлению воздушного потока. Такими участками могут являться межоконные простенки, площадь которых не превышает 10-20 % общей поверхности стены. Для более чем 80 % стены здания вопрос о продольной фильтрации воздуха в теплоизоляционном слое НВФ под воздействием ветрового давления практически не актуален, так как в конструкции отсутствуют открытые торцевые поверхности теплоизоляционного слоя, расположенные перпендикулярно направлению воздушного потока. Поэтому предполагаемое снижение приведенного термического сопротивления всей стены за счет возможного эффекта продольной фильтрации в межоконных простенках, отнесенное ко всей стене, фактически стремится к нулю.
Аэродинамическое сопротивление канала, по которому движется воздух, прямо пропорционально его длине, поэтому на участках поверхности стен выше и ниже оконных проемов, а также для глухих стен вопрос о продольной фильтрации воздуха в утеплителе неактуален, так как их аэродинамическое сопротивление в десятки раз выше сопротивления оконного простенка длиной 1 м. Таким образом, гипотетический фактор продольной фильтрации воздуха в утеплителе под воздействием ветрового давления, по нашей оценке, практически отсутствует и не влияет на теплотехническую эффективность стен с навесными вентилируемыми фасадами, а показатель воздухопроницаемости волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 15-20 кг 1м3 не является препятствием к их применению в конструкциях НВФ. К аналогичному заключению при рассмотрении данного вопроса пришли специалисты Исследовательского центра CRIR (Франция).
Эти выводы согласуются также с результатами экспериментальных исследований, выполненных Государственным институтом исследования строительства (Дания) на натурных фрагментах конструкций НВФ (материал предоставлен компанией 3АО «Минеральная вата» («ROCКWOOL RUSSIA»). Данные исследования свидетельствуют об отсутствии влияния ветрового воздействия на термическое сопротивление НВФ с теплоизоляционным слоем из стекловолокна плотностью 13 кг 1м3 и минеральной ваты плотностью 23 кr/м3. Применение в фасадных конструкциях теплоизоляционных материалов с более низкой плотностью и достаточной формостабильностью приводит к снижению нагрузки на несущие конструкции и, можно предположить, повышает эксплуатационную надежность и долговечность конструкций НВФ.
Включение в номенклатуру материалов, рекомендуемых для применения в конструкциях навесных вентилируемых фасадов, эффективных волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 15-20 кг 1м3 при существующей высокой потребности в теплоизоляционных материалах является обоснованным как технически, так и экономически. Анализ физических закономерностей процесса и характеристик конструкции НВФ показывает, что продольная фильтрация воздуха в теплоизоляционном слое НВФ под воздействием ветрового давления при наличии облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны практически отсутствует. Стабильность теплозащитных свойств конструкции НВФ относительно ветрового воздействия полностью обеспечивается — наличием обязательных элементов конструкции НВФ — облицовочного покрытия и ветрозащитной мембраны и качественным выполнением монтажных работ. Показатели воздухопроницаемости волокнистых теплоизоляционных материалов плотностью 1520 кr/м3 не являются препятствием к их применению в конструкциях НВФ.