В Республике Беларусь вентилируемые системы утепления (вентфасады) начали использовать для облицовки и тепловой модернизации стен зданий сравнительно недавно. Вместе с тем в ряде стран, например в Германии, Финляндии, Польше, накоплен достаточно большой опыт по их применению. Само понятие “вентфасад” возникло в Германии. Едва появившись, вентфасады сразу завоевали популярность как у архитекторов и строителей, так и среди заказчиков.
Вентфасад представляет собой конструкцию, закрепляемую на наружной (холодной) поверхности стены, состоящую из облицовки (плит, листовых или мелкоштучных материалов) и подоблицовочной конструкции (деревянных или металлических каркасов, опорных столиков или кронштейнов). Для увеличения сопротивления теплопередаче между стеной и облицовкой может быть установлен утеплитель, закрепляемый к стене или к подоблицовочной конструкции. В этом случае вентфасад представляет собой вентилируемую систему утепления наружных стен, в которой в отличие от так называемых совмещенных систем утепления (легкая и тяжелая штукатурные системы) декоративно-защитный слой (облицовка) отнесен на некоторое расстояние от поверхности утеплителя, что позволяет осуществлять его проветривание наружным воздухом, т.е. вентилировать. Отсюда произошли и названия: вентилируемая система утепления наружных стен, вентилируемый фасад или, кратко, вентфасад.
За рубежом разработано большое количество конструктивно-технологических решений подобных систем. Вентилируемым системам утепления отдается предпочтение при тепловой защите зданий с повышенной влажностью помещений, а также общественных и градообразующих зданий, где требуется высокое качество декоративных облицовок.
Очевидно, что для осуществления процесса проветривания (вентилирования) обязательным элементом конструкции любого вентфасада является воздушный зазор между поверхностью утеплителя и облицовкой и связанный с наружным воздухом (вентилируемая воздушная прослойка, вентзазор, вентпрослойка).
Вентфасады отличаются друг от друга материалом облицовочного слоя, конструкцией каркаса, способом крепления к стене, методом защиты утеплителя от потоков воздуха, перемещающегося в вентпрослойке. Однако в любом вентфасаде присутствуют следующие обязательные элементы: подоснова (утепляемая стена); подоблицовочная конструкция; теплоизоляционный слой; вентпрослойка; облицовка.
Анализ зарубежного опыта показал, что при правильном выборе конструкции и качественном исполнении вентфасады отличаются высокой надежностью и долговечностью. Однако имеются и негативные примеры адаптации известных конструктивных решений вентфасадов к другим климатическим условиям эксплуатации. В связи с этим ведущие разработчики вентфасадов крайне осторожно подходят к вопросам их адаптации к конкретным температурно-влажностным и силовым воздействиям.
Таким образом, конструкция вентфасадов обладает рядом неоспоримых преимуществ. Но им присущи и определенные недостатки, которые, если их не учесть при проектировании, могут свести все преимущества к нулю.
Конструктивные решенияДля организации вентиляции утеплителя в вентфасадах используется разность давления воздуха на входе и на выходе из вентилируемой прослойки. Входные отверстия устраивают внизу, выходные — наверху.
Для создания вентпрослойки необходимо конструктивно удалить облицовку от поверхности утеплителя, что выполняется с использованием различных опорных конструкций. Также возможно устройство “неорганизованной” вентиляции, когда стыки облицовки не герметизируются, а, напротив, между ними устраивают швы шириной около 10 мм. В этом случае процесс вентилирования сложно контролировать и рассчитать. Проектирование таких конструкций возможно на основе эмпирического опыта, при этом конструкция облицовки должна обеспечить защиту утеплителя от значительного ветрового напора, попадания снега или атмосферной влаги, например при косом дожде.
Расчет конструкций вентфасадов по предельным состояниям первой и второй групп выполняют с учетом наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок и соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются исходя из анализа вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции с учетом возможности появления различных схем приложения временных нагрузок или при отсутствии некоторых из них.
Вентфасады подвергаются воздействию гравитационных, температурно-влажностных и ветровых нагрузок, а в особых случаях и гололедной. Поэтому их рассчитывают на постоянные, временные и кратковременные нагрузки.
В соответствии с результатами исследований облицовки каркасы вентфасадов эксплуатируются при следующих климатических условиях:
– диапазон изменения температур от минус 40 до плюс 130°С;
– диапазон изменения влажности воздуха от 30 до 100%.
При проектировании вентфасадов следует учитывать совместную работу жестко соединенных друг с другом элементов при изменении температуры и влажности материалов. Стесненная деформация элементов вентфасадов (облицовки, закрепленной к каркасу) при прохождении системой температурных циклов, циклов увлажнения-высыхания приводит к появлению дополнительных напряжений как в облицовке, так и в элементе каркаса.
Особенности теплотехникиВ конструкции вентфасада облицовка крепится к стене таким образом, чтобы между облицовкой и утеплителем оставался воздушный зазор — прослойка, вентилируемая наружным воздухом. Назначение прослойки — удалять водяной пар из теплоизоляционного слоя, уменьшая тем самым влагонакопление в утеплителе.
В отопительный период наружная стена жилого здания отделяет помещения, в которых поддерживается комфортная температура, от окружающей среды с более низкой температурой воздуха. Известно, что давление водяного пара зависит от температуры воздуха: чем выше температура воздуха, тем выше давление водяного пара. Следовательно, при наличии разности температур присутствует и разность давлений водяного пара. Относительная влажность воздуха также влияет на давление водяного пара. Но даже если относительная влажность помещений внутри здания (55%) несколько ниже относительной влажности наружного воздуха (85%), это незначительно снижает разность давлений водяного пара внутри и снаружи, а при повышении влажности внутри помещений ситуация значительно усугубляется.
Из-за разности давлений водяной пар стремится из помещений через ограждающую конструкцию наружу. Проходя через ограждение, пар встречает сопротивление материала, в связи с чем давление падает, перепад давлений постепенно уменьшается до нуля при достижении паром наружной поверхности ограждения.
Однако давление пара при определенной температуре воздуха не может быть беспредельным. Оно ограничивается величиной так называемого максимального парциального давления. Проходя через ограждение, пар попадает в слои с более низкой температурой, в связи с чем возможна ситуация, когда давление пара оказывается выше максимального парциального давления и происходит выпадение капельно-жидкой влаги (конденсата) внутри конструкции. Выпадение конденсата наблюдается в конструкциях, где сопротивление паропроницанию материала недостаточно, чтобы значительно снизить давление пара в теплых слоях конструкции, а температура падает очень быстро. Классическим примером такого материала являются минераловатные утеплители, обладающие эффективной теплозащитой при крайне низком сопротивлении паропроницанию.
Конденсат может выпадать и в случае, когда ближе к наружной поверхности стены, где температура уже понизилась, пар встречает на своем пути малопаропроницаемый слой, например трехслойные конструкции стен, совмещенные рулонные и мастичные кровли, легкие и тяжелые штукатурные системы утепления.
Слой конструкции, где выпадает конденсат, рассматривают как плоскость и называют плоскостью возможной конденсации. Принято, что в однослойных конструкциях плоскость возможной конденсации расположена на расстоянии 2/3 толщины конструкции от внутренней поверхности стены или 1/3 толщины конструкции от наружной. В многослойных конструкциях плоскость возможной конденсации совпадает с наружной поверхностью теплоизоляционного слоя.
В конструкциях, где наружным слоем является утеплитель, плоскость возможной конденсации влаги либо отсутствует, либо находится за пределами утеплителя. Это объясняется отсутствием малопаропроницаемых слоев на наружной (холодной) поверхности утеплителя, препятствующих свободному выходу влаги из конструкции наружу. Вентфасад представляет собой именно такую конструкцию. Утеплитель в вентфасаде защищен от воздействия наружной влаги облицовкой, а от возможности конденсации водяного пара — вентилируемой воздушной прослойкой. Однако в отличие от классической двухслойной конструкции вентфасад все же имеет плоскость возможной конденсации, совпадающую с внутренней поверхностью облицовки.
Известно, что влагоемкость воздуха не бесконечна. Воздух, двигаясь по насыщенной паром вентпрослойке, не может поглощать водяной пар в бесконечном количестве, и на определенном расстоянии от входа в прослойку он может быть перенасыщен водяным паром. Здесь и возможно выпадение конденсата сначала на внутренней стороне облицовки (как более холодной), а затем и на поверхности утеплителя.
Выпадение конденсата на внутренней поверхности облицовки, не влияющее на влажность утеплителя, крайне опасно для конструкции. Как правило, конденсат начинает выпадать в верхней части прослойки, выходные отверстия немедленно замерзают, образуется наледь. Она перекрывает прослойку, движение воздуха прекращается, и процесс становится необратимым до существенного потепления. Указанное явление может привести к переувлажнению утеплителя, резкому увеличению веса конструкции вентфасада за счет гололедной нагрузки, неконтролируемым деформациям и даже к разрушению.
Возможно ли с достаточной степенью надежности защитить вентфасад от указанных неблагоприятных явлений? Несомненно. Для этого необходимо предусмотреть, чтобы через прослойку проходило количество воздуха, достаточное для поглощения всего водяного пара, и не происходило перенасыщение воздуха этим паром.
В результате многолетних наблюдений установлено, что при толщине вентилируемой прослойки более 100 мм обеспечена практически 100%-ная надежность вентфасада. Однако стоимость такой конструкции значительна из-за увеличенных размеров несущих конструкций. Стремление снизить материалоемкость и удешевить конструкцию за счет уменьшения толщины вентпрослойки должно быть основано на теплотехническом расчете, который обычно сводится к определению необходимого расхода воздуха для той или иной конструкции вентфасада на конкретном здании в конкретных климатических условиях.
Облицовка
В вентфасадах в качестве облицовки могут использоваться изделия из следующих материалов: металлы (оцинкованное железо, алюминиевые сплавы и т.д.), цементно-волокнистые материалы, бетоны и полимербетоны, фиброцементы, керамика, натуральный камень, стекло, дерево, различные полимеры, ламинаты высокого давления, композиционные материалы и др.
Облицовка в конструкции вентилируемого фасада выполняет защитно-декоративную функцию, защищает утеплитель, подоблицовочную конструкцию и стену здания от атмосферных воздействий и возможных повреждений. Отделка облицовки может имитировать традиционные материалы: камень, дерево, кирпич, или наоборот — подчеркивать современность и необычность за счет применения металла, цвета, фактуры и т.п. По геометрии облицовки могут быть: крупноразмерными (высотой с этаж), мелкоразмерными и мелкоштучными, длинными узкими панелями (сайдинг), профилированными (волнистыми) листами, объемными панелями из тонколистовых материалов (кассетами).
Кроме высоких декоративных качеств материалы, применяемые для облицовки, должны обладать необходимой прочностью, морозостойкостью, влагостойкостью, долговечностью и ремонтопригодностью.
Теплоизоляционный слойДля теплоизоляционного слоя, как правило, применяются негорючие минераловатные утеплители (плиты). При использовании плит плотностью менее 40 кг/м3 их поверхность со стороны вентилируемой прослойки необходимо защитить более плотными (ветрозащитными) утеплителями или специальной диффузионной пленкой, пропускающей пар со стороны стены и практически воздухо- и паронепроницаемой в обратном направлении.
Плиты теплоизоляционные устанавливают на опорные столики и закрепляют анкерными устройствами к стене здания или специальными прижимными планками к каркасу. Первый вариант менее предпочтителен из-за дополнительных теплопотерь через анкерные устройства.
При любом варианте крепления утеплителя необходимо определить приведенное сопротивление теплопередаче утепленной стены с учетом теплотехнической неоднородности конструкции. Для этого нужно выполнить расчет трехмерного температурного поля.
Как правило, конструкции вентфасадов, предусматривающие устройство линейных каркасов, пересекающих утеплитель, имеют крайне низкое приведенное сопротивление теплопередаче и признаются нерациональными. Так, например, опорные столики и кронштейны, установленные на стене точечно, снижают сопротивление теплопередаче на 15–30%, анкерные устройства — до 15, а линейные металлические каркасы, пересекающие утеплитель, — до 60%. Кроме этого, при использовании однослойного утеплителя плотностью менее 70 кг/м3 без ветрозащиты следует проверить сопротивление теплопередаче с учетом воздухопроницаемости ограждения.
Существует мнение, что сопротивление теплопередаче у вентфасада увеличено из-за повышенной на несколько градусов температуры воздуха в прослойке по отношению к температуре наружного воздуха. Это верно, однако необходимо учитывать следующее обстоятельство. Например, при отсутствии ветра воздух в прослойке движется за счет перепада гравитационных давлений с медленной скоростью и, проходя вдоль теплой стены, успевает нагреваться на несколько градусов, что увеличивает сопротивление теплопередаче ограждения. Но стоит подуть ветру, как скорость движения воздуха в прослойке резко возрастает, он не успевает нагреваться, и в этом случае сопротивление стены не будет увеличено.
Подоблицовочные конструкцииСтолики, кронштейны и закрепленные на них каркасы принято называть подоблицовочной конструкцией вентфасадов. Основное предназначение подоблицовочных конструкций заключается в том, чтобы надежно закрепить облицовку и утеплитель к стене и обеспечить между поверхностью утеплителя и облицовкой необходимый зазор для организации вентилируемой воздушной прослойки.
Подоблицовочная конструкция должна обладать достаточной несущей способностью, антикоррозийной стойкостью, технологичностью монтажа с возможностью нивелирования неровностей стены. Она должна быть рассчитана на нагрузки от собственного веса, веса облицовочных материалов, утеплителя, на ветровые и гололедные нагрузки.
Подоблицовочная конструкция является чрезвычайно сложной и ответственной частью вентфасада. Она не может быть единой для различных фасадов, и, как правило, типовые решения узлов должны дорабатываться при привязке конструкции к конкретному зданию.
При тяжелых облицовках, большой толщине утеплителя, а также в высотных зданиях при значительных нагрузках материалоемкость подоблицовочной конструкции возрастает. Поэтому необходимо рассмотреть ряд конструктивных решений вентфасадов с целью выбора из них наиболее рационального.
Элементы крепленияВ вентфасадах используются анкерные устройства и соединительные крепежные элементы. При помощи анкерных устройств осуществляется крепление опорных столиков и кронштейнов подоблицовочной конструкции к стене, а также крепление плит утеплителя к стене.
Посредством соединительных крепежных элементов (саморезов, болтов, шпилек и т.п.) осуществляется соединение элементов каркаса с опорными столиками и кронштейнами, облицовок с каркасами и т.д.
Для крепления теплоизоляционных плит к стене могут использоваться анкерные устройства, аналогичные применяемым для тех же целей в легкой штукатурной системе утепления. Требования, предъявляемые к данным анкерным устройствам, также аналогичны. Однако есть весьма существенные отличия.
В вентфасадах вентилируемая воздушная прослойка значительно снижает нагрузки от ветрового отсоса. В ряде решений плиты утеплителя устанавливаются на опорные столики, и в этом случае анкерные устройства только фиксируют их у стены. Это уменьшает нагрузку на анкеры, но в связи с тем, что в вентфасадах отсутствует клеевое крепление плит к стене, вес плит в ряде конструктивных решений полностью должен быть воспринят анкерными устройствами.
Собственный вес утеплителей, используемых в вентфасадах, как правило, меньше чем в легкой штукатурной системе утепления, но толщина утеплителя (ввиду большего количества теплопроводных включений) обычно больше, соответственно больше и расчетная длина анкерных устройств. В каждом конкретном случае анкерные устройства подбирают расчетом. В ряде случаев имеется возможность применения вместо анкерных устройств безраспорных дюбелей, и почти всегда возможно применение анкерных устройств с пластмассовыми сердечниками.
Производство работПодготовка поверхности стены при устройстве вентфасадов, как правило, состоит в очистке фасада от грязи и осыпающихся (отслаивающихся) старых покрытий. Осыпающиеся или пылящие поверхности обычно закрепляют грунтованием. Особое внимание при устройстве вентилируемых систем утепления следует обратить на разметку мест установки опорных столиков и кронштейнов. Разметку рекомендуется выполнять с использованием оптических приборов в строгом соответствии с проектной документацией. Разметка наносится на фасад несмываемой краской. Правильность разметки должна контролироваться постоянно, отклонения от проектной документации не допускаются.
Вентфасады обладают высокими декоративными и архитектурными свойствами, что позволяет применять их при тепловой изоляции стен градообразующих зданий. При правильном выборе материалов, конструктивных решений и корректно выполненных расчетах вентфасады могут использоваться практически на любом здании с различной влажностью и температурой воздуха внутренних помещений.
Для расширения области применения вентфасадов в первую очередь необходимо провести комплексные научно-исследовательские и проектно- конструкторские работы, в результате которых должна быть разработана эффективная конструктивно-технологическая система тепловой изоляции наружных стен зданий с вентилируемыми прослойками, выполняемая на основе использования белорусских материалов, соответствующая климатическим условиям Республики Беларусь, обладающая достаточной огнестойкостью, прочностью, декоративностью, технологичностью и в то же время низкой стоимостью и высокой конкурентоспособностью на отечественном рынке систем утепления.