Влияние кронштейнов
на теплозащитные свойства НВФ

Кронштейны навесного вентилируемого фасада

Для крепления наружных облицовочных панелей каждый навесной вентилируемый фасад имеет несущую раму — подконструкцию. Обычно эта подконструкция состоит из кронштейнов, которые устанавливаются на основании, и направляющих профилей, которые, в свою очередь, закрепляются на кронштейнах. На направляющих профилях устанавливаются облицовочные панели. Бывают системы облицовки, которые обходятся только кронштейнами.

Требования к элементам подконструкции — кронштейнам
и направляющим профилям

зависят от следующих факторов:

• местные ветровые нагрузки
• высота фасада
• материал основы (несущей стены)
• вес и размеры облицовочного материала
• коэффициент теплопроводности и толщина утеплителя
• ширина воздушного зазора между облицовкой и утеплителем
• требования по коррозионной стойкости
• класс противопожарной безопасности

Обычными материалами для изготовления элементов подконструкции, в том числе, кронштейнов, являются алюминиевые сплавы, оцинкованная сталь и нержавеющая сталь.

Схема вентилированного фасада с кронштейном:

(а) — вид сверху
(б) — вид сбоку.

Обозначения:
1 — основание (несущая стена);
2 — утеплитель;
3 — ветробарьер;
4 — теплоизоляционная прокладка;
5 — алюминиевый кронштейн;
6 — вентилируемый воздушный зазор;
7 — облицовочная панель.

Тепловые мосты оболочки здания

Преимущество навесных вентилируемых фасадов состоит в том, что они обеспечивают почти полное исключение таких типичных для обычных зданий мест утечки тепла — тепловых мостов — как междуэтажные перекрытия. Часто их называют мостиками холода, хотя, скорее, это не холод проникает по ним внутрь здания, а тепло утекает из здания наружу. Поэтому в зарубежной технической литературе их и называют тепловыми мостами (thermal bridge).

Слой теплоизоляции навесного вентилируемого фасада, который устанавливается на основу, является практически непрерывным, за исключением тех мест, где кронштейны подструктуры «прорезают» утеплитель.

Теплозащитные характеристики стены

В отечественной практике основной характеристикой теплозащиты навесного вентилируемого фасада, как и других элементов оболочки здания, является приведенное сопротивление теплопередаче Rпр, которое имеет размерность [м2 ·К/Вт] или [м2 ·ºС/Вт].

Сопротивление теплопередаче однородного слоя материала вычисляется по формуле R = d/λ,

где λ — коэффициент теплопроводности материала,
d — толщина материала.

Приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента стены, который состоит из нескольких, например четырех, однородных слоев вычисляется по формуле:

Rпр = Rн + R1 + R2 + R3 + R4 + Rв,

где R1, R2, R3, R4 — сопротивление теплопередаче четырех отдельных слоев,
Rн — сопротивление передаче наружной поверхности стены,
Rв — сопротивление передаче внутренней поверхности стены.

В зарубежной технической литературе для оценки теплозащитных свойств фрагментов оболочки здания применяют величину, которая обратна приведенному сопротивлению теплопередаче — коэффициент теплопередачи (U = 1/ Rпр).

Коэффициент теплопередачи теплозащитной оболочки имеет, в принципе, более понятный физический смысл. Это — средняя плотность потока тепла, который проходит через квадратный метр стены, когда по обеим ее сторонам, наружной и внутренней, разность температуры составляет один градус Кельвина (1 К) (или Цельсия (1 ºС)). Таким образом, размерность коэффициента теплопередачи является величина [Вт/м2·К] или [Вт/м2·ºС].

Кронштейны как тепловые мосты

Кронштейны подконструкции навесного вентилируемого фасада устанавливаются на основании (несущей стене). Они неизбежно локально проходят сквозь утеплитель и, следовательно, снижают теплозащитные свойства стены. Такие элементы называются в европейских стандартах EN ISO 6946 и EN ISO 10211 точечными тепловыми мостами. В отечественных нормативных документах, например, в СП 50.13330.2012, их называют точечными (тепловыми) неоднородностями.

Для учета вклада точечных тепловых мостиков в общий коэффициент теплопередачи оболочки здания, в том числе, наружной стены, применяют понятие точечного коэффициента теплопередачи χ, Вт/К. Влияние, например, кронштейнов на теплозащитные свойства фасада учитывают в виде добавки ΔU к коэффициенту теплопередачи U фасада в виде:

ΔU = χ ·n,
U = U0 + ΔU,

где n — количество кронштейнов на квадратный метр фасада, штук/м2,
U0 — коэффициент теплопередачи той же стены, но без кронштейнов, Вт/м2 ·К.

Точечный коэффициент теплопередачи кронштейна

В работе представлены интересные результаты численных расчетов точечного коэффициента алюминиевого кронштейна навесного вентилируемого фасада в различных условиях их применения.

Применялись следующие условия расчетов:

Характеристики кронштейна:

• материал — алюминиевый сплав;
• толщина — 3 мм;ширина — 40 мм;
• толщина теплоизоляционной прокладки между кронштейном и основой — 5 мм;
• расстояние между кронштейнами по горизонтали и вертикали — 600 мм;
• количество кронштейнов на 1 м2: n = 2,778 шт./м2.

Базовый расчетный вариант расчетов:

• толщина основания: 200 мм;
• коэффициент теплопроводности основания : 0,5 Вт/мК;
• толщина утеплителя: 150 мм;
• коэффициент теплопроводности теплоизоляции: 0,034 Вт/мК.

Интервалы вариаций параметров:

• толщина основания: 50-500 мм;
• коэффициент теплопроводности несущей стены: 0,1-1,0 Вт/мК;
• толщина теплоизоляции: 100-200 мм;
• коэффициент теплопроводности утеплителя:0,030-0,040 Вт/мК.

Расчет тепловых потоков через кронштейн

Влияние кронштейна как теплового моста на поведение теплового потока определяли трехмерным расчетом полей температуры с помощью известной программы HEAT3.

Обычно считается, что параметрами, которые определяют влияние кронштейнов на теплозащитные свойства стены, являются коэффициент теплопроводности материала кронштейна и площадь его поперечного сечения. С увеличением площади поперечного сечения кронштейна и коэффициента теплопроводности его материала отрицательное влияние кронштейнов на теплозащитные свойства стены возрастает. Для снижения теплового потока через кронштейн его обычно устнавливают на основу через теплоизоляционные прокладки. Более радикальным решением является применение кронштейнов с терморазрывом.

Результаты расчетов в статье показали, что точечный коэффициент теплопередачи кронштейна зависит не только от площади его поперечного сечения и коэффициента теплопроводности материала, но также от:

• коэффициента теплопроводности основы;
• толщины основы;
• коэффициента теплопроводности утеплителя;
• толщины утеплителя.

Влияние коэффициента теплопроводности основы

Материалы основы могут быть различными по их термическим свойствам. Например, кирпичная кладка имеет коэффициент теплопроводности 0,77 Вт/м К, а монолитный бетон — 2,3 Вт/м К.

Точечный коэффициент теплопередачи χ кронштейна довольно сильно зависит от коэффициента теплопроводности основы. При возрастании коэффициента теплопроводности основы в 10 раз (от 0,1 до 1,0 Вт/мК), величина точечного коэффициента теплопередачи возрастает в 5 раз, от 0,008 до 0,039 Вт/мК. Добавка ΔU соответственно возрастает с 0,022 до 0,109 Вт/К. При этом влияние кронштейнов на общий коэффициент теплопередачи стены возрастает с 13 до 35 %.

Влияние толщины основы

При увеличении толщины несущей стены от 50 до 500 мм величина точечного коэффициента теплопередачи кронштейна снижается с 0,034 до 0,022 Вт/К. При этом добавка к коэффициенту теплопередачи стены ΔU уменьшается с 0,094 до 0,060 Вт/м2К. Влияние кронштейнов на общий коэффициент теплопередачи стены снижается с 31 до 25 %.

Влияние коэффициента теплопроводности утеплителя

При увеличении коэффициента теплопроводности утеплителя от 0,03 до 0,04 Вт/м К точечный коэффициент теплопередачи кронштейна снижается с 0,0281 до 0,0278 Вт/К.

Влияние толщины утеплителя

При увеличении толщины утеплителя от 100 до 200 мм точечный коэффициент теплопередачи кронштейна незначительно возрастает — от 0,0275 до 0,0297 Вт/К. По данным, однако, с увеличением толщины утеплителя точечный коэффициент теплопередачи кронштейна остается почти постоянным или немного снижается. В любом случае за счет увеличения толщины утеплителя общий коэффициент теплопередачи стены уменьшается, то есть ее теплозащитные свойства повышаются.

выводы

Из всех этих «мудреных» слов и цифр, которые были представлены выше, можно сделать простые практические выводы:

1. Металлические кронштейны навесных вентилируемых фасадов являются тепловыми мостами: через них из стены происходит повышенная утечка тепла. Мерой влияния кронштейна на теплозащитные свойства стены является его точечный коэффициент теплопередачи. Чем больше точечный коэффициент теплопередачи кронштейна, тем на большую величину он повышает общий коэффициент теплопередачи стены.
2. Чем больше поперечное сечение кронштейна и выше коэффициент теплопроводности его материала, тем больше его точечный коэффициент теплопередачи.
3. Конструкция кронштейнов и их количество должны обеспечивать необходимые прочностные характеристики фасада. Вместе с тем, нужно помнить, что с увеличением поперечного сечения кронштейнов, а также их среднего количества на квадратный метр фасада, степень их отрицательного влияния на теплозащитные свойства стены возрастает.
4. Чем выше теплозащитные свойства основы (больше толщина и выше коэффициент теплопроводности материала), тем меньше отрицательное влияние кронштейнов на общий коэффициент теплопередачи стены. И, наоборот, если основа имеет малую толщину и низкую теплопроводность, то это усугубляет отрицательное влияние кронштейнов на общие теплозащитные свойства стены.