Cветопрозрачные конструкции фасадов и энергоэффективность

В современной архитектурной практике широкое распространение получили здания (в основном общественные) со светопрозрачными стеновыми ограждающими конструкциями.

Для начала необходимо дать четкое определение светопрозрачных ограждений. ДБН В.2.6-33:2006 «Конструкції будинків і споруд. Конструкції зовнішніх стін із фасадною теплоізоляцією. Вимоги до проектування, улаштування та експлуатації», который является частью разрабатываемой системы нормативных документов по обеспечению энергоэффективности строительной отрасли, дает следующее определение. Конструкции наружных стен с фасадной теплоизоляцией и облицовкой светопрозрачными элементами - конструктивное решение наружных стен, которое предусматривает сплошной светопрзрачный фасад или комбинированный фасад с облицовкой светопрозрачными элементами. То есть, система может не быть полностью светопрозрачной, но снаружи выглядит как выполненная полностью из стекла.

Стены с облицовкой светопрозрачными элементами состоят из собственно светопрозрачных элементов (стекла, стеклопакетов), несущего каркаса, в состав которого входят стойки, ригели, конструкции крепления непрозрачных элементов, и делятся на системы: с сплошным светопрозрачным фасадом, в котором массивной теплоизоляцией защищены только элементы перекрытий (рис.1б), и с комбинированным фасадом с светопрозрачными и непрозрачными участками (рис.1а).

По конструктивному решению и технологии возведения светопрозрачного облицовочного слоя конструкции делятся на стоечно-ригельные; со структурным и полуструктурным остеклением; со спайдерным остеклением; двойные фасадные системы.

Заполнение непрозрачных участков выполняется дво- или трехслойными панелями с металлической обшивкой, плитами из минеральной или стекловаты, расположенными на наружной поверхности основания стены.

По количеству стекла конструкции делятся на системы с одним слоем стекла, с двумя и с тремя слоями. По видам заполнения промежутков между стеклами (камер) - на системы воздухонаполненые, аргононаполненые, криптононаполненые, наполненные смесью этих газов.

1 - плита перекрытия, 2 - утеплитель, 3 - светопрозрачная облицовка, 4 - стеклопакеты, 5 - элементы несущего каркаса (ригели), 6 - элементы несущего каркаса (стойки), 7 - кронштейн, 8 - элемент крепления светопрозрачной облицовки, 9 - соединительные элементы

Теперь рассмотрим нормативные требования. Основным документом, в котором установлены теплотехнические требования к ограждающим конструкциям и требования энергоэффективности здания в целом, является ДБН В.2.6-31:2006 «Конструкції будинків і споруд. Теплова ізоляція будинків».

Основным  требованием к ограждающим конструкциям, установленным в ДБН В.2.6-31:2006, является обеспечение необходимых показателей приведенного сопротивления теплопередачи отдельных элементов наружной оболочки здания:

R_{Σпр ≥} R_{q min}, (1)

где,

R_Σпр –  приведенное сопротивление теплопередачи отдельных элементов наружной оболочки здания, м²·К/Вт;
R_{q min} - минимально допустимое значение сопротивления теплопередачи, м²·К/Вт (табл.1);

Табл. 1. Нормативные значения Rq min  для температурных зон
Вид ограждающей конструкции	Температурные зоны Украины
	1	2	3	4
Наружные стены	2,8	2,5	2,2	2
Окна, балконные двери, витрины, витражи, светопрозрачные фасады	0,6	0,56	0,5	0,45

Таким образом, конструкции светопрозрачных ограждений в первую очередь должны отвечать требованию (1).

Следующей особенностью норм является оценка показателей комфортности для зданий с коэффициентом остекления, превышающим 0,18.

Учитывая современные тенденции в проектировании ограждающих конструкций как жилых, так и общественных зданий, - применение фасадных систем со светопрозрачным облицовочным слоем и тем самым увеличение остекления фасада, в нормах ДБН В.2.6-31:2006 изменены требования к температурному перепаду между приведенной температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции и температурой внутреннего воздуха. Требования представлены в виде:

где,

Δt_пр - температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и приведенной температурой внутренней поверхности при расчетном значении температуры наружного воздуха, °С;
Δt_cг - допустимый по санитарно-гигиеническим условиям (условиям комфортности) температурный перепад, °С; для жилых зданий составляет 4,0 °С, для общественных - 5,0 °С.

На основании нормативных требований (2), с учетом методики расчетов температурного перепада, получена зависимость коэффициента остекления фасадов общественного здания от величины приведенного сопротивления теплопередачи светопрозрачных ограждающих конструкций, f(R_{Σпр_сп}). На рис. 2 представлена зависимость для зданий с нормативными значениями сопротивления теплопередачи внешних стен в зависимости от климатического зонирования.

Рис. 2. Зависимость коэффициента остекления фасадов общественного здания от величины приведенного сопротивления теплопередачи светопрозрачных ограждающих конструкций

Условие (2) ограничивает использование необоснованных решений при выполнении проектирования. Выполнение условия (2) в современных зданиях возможно благодаря высокому уровню теплоизоляции одних элементов изоляционной оболочки при относительно низких уровнях теплоизоляции других, а также благодаря обеспечению высоких теплопритоков от солнечного излучения при низких параметрах теплоизоляции светопрозрачных ограждений.

Таким образом, регламентация температурного режима ограждающих конструкций по допустимому температурному перепаду обеспечивает физически обоснованное выполнение тепловых санитарно-гигиенических требований, что позволяет оптимально использовать современные конструктивные решения.

Также, очень важной особенностью норм является оценка теплового состояния узлов сообщения конструкций между собой.

Для зданий с современными архитектурными решениями, в которых используются светопрозрачные фасадные конструкции, особенное значение принимает проектная разработка конструктивных решений узлов примыканий с точки зрения отсутствия в процессе эксплуатации здания тепловых отказов в виде выпадения конденсата и образования плесени (рис.3).

Требования представлены в виде:

где τв _min - минимальное значение температуры внутренней поверхности ограждения в зонах теплопроводных включений , ºС;
t_min - минимально допустимое значение температуры внутренней поверхности при расчетных значениях температур внутреннего и наружного воздуха, ºС, которое при расчетных параметрах равняется 10,7 ºС.

Оценку проектных решений на соответствие требований (3) необходимо выполнять на основании расчетов температурных полей соответствующих узлов при помощи программных продуктов для двух- или трехмерного моделирования (рис.4).

(Информацию о других компьютерных программах для расчетов вы можете найти на нашем сайте).
В свою очередь в нормах ДБН В.2.6-31:2006 установлены требования энергоэффективности здания в целом. Нормы изложены в следующем виде:

где q_буд - расчетное значение удельных теплопотерь на отопление здания за отопительный период, кВт•год/м² или кВт•год/м³;
Еmax - максимально допустимое значение удельных теплопотерь, устанавливается в зависимости от назначения здания, его этажности и температурной зоны эксплуатации.

В основании обеспечения нормативного условия (4) лежит принцип альтернативного проектирования теплоизоляционной оболочки здания - определение интегральной характеристики здания в целом (удельных теплопотерь на отопление), величина которых зависит от объемно-планировочных решений здания в целом и конструктивных особенностей его отдельных элементов.

Определение этого показателя осуществляется при заполнении энергетического паспорта здания согласно методике изложенной в ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 «Проектування. Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будинків при новому будівництві та реконструкції». При сравнении расчетных теплопотерь с нормативными значениями определяется класс энергетической эффективности здания согласно ДБН В.2.6-31:2006 .

Для оценки влияния объемно-планировочных решений здания, которые характеризируются коэффициентом компактности, Λк буд, м-1 (отношение общей площади ограждающих конструкций к его внутреннему объему), была разработана модель цилиндрического здания, для которого было принято коэффициент остекления фасадов равным 0,95. Исследования заключали в себе расчетную оценку удельных теплопотерь выбранной модели, а соответственно и класса энергетической эффективности здания, в зависимости от формы здания при неизменных теплотехнических характеристиках его ограждений и других сопутствующих коэффициентов. Форма здания моделировалась изменением высоты, H, и радиуса, r, цилиндра при постоянной величине внутреннего объема, Vh (рис.5).

В результате исследований было установлено, что при уменьшении коэффициента компактности здания ("вытягивание" здания вверх рис.5) его теплопотери на отопление уменьшаются, а класс энергетической эффективности увеличивается, при прочих равных условиях (рис.6).

В ДБН В.2.2-24:2009 «Будинки і споруди. Проектування висотних житлових і громадських будинків» установлены требования к классу энергетической эффективности высотных зданий, где сказано, что при проектировании устанавливается класс энергетической эффективности не ниже В. Исходя из результатов расчетов (рис.6) можно сделать вывод, что здание с коэффициентом остекления фасадов равным 0,95 и характеристиками теплопередачи ограждений соответствующим условию (рис.2) будет отвечать требованиям по теплопотерям на отопление при коэффициенте компактности не ниже 0,17.

На данном этапе разрабатывается Стандарт Украины на конструкции наружных стен с облицовкой светопрозрачными элементами, который будет регламентировать вопросы проектирования, устройства и эксплуатации таких конструкций. Данный Стандарт является частью разрабатываемого в последние годы комплекса нормативных документов, относящихся к конструктивным особенностям наружных стен с фасадной теплоизоляцией. В указанном Стандарте необходимо отразить результаты проведенных исследований для обеспечения энергоэффективности зданий, на которых он будет применятся.