П.П. Пастушков, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, НИИСФ РААСН, НИИ механики МГУ;
Д.Ю. ЖЕЛДАКОВ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник НИИСФ РААСН

Настоящая статья посвящена описанию исследований воздухопроницаемости современной минеральной ваты на примере изделий производства ООО «УРСА Евразия», а также описанию полученных при этом наработок для новых и актуализируемых нормативных документов по данному вопросу.

This article is devoted to the description of studies of the air permeability of modern mineral wool on the example of products manufactured by the URSA Eurasia company as well as to the description of the resulting developments for new and updated regulatory documents on this issue.

Введение

Воздухопроницаемостью называется свойство материала пропускать воздух при наличии разности давлений на противоположных поверхностях изделия из этого материала. Воздухопроницаемость определяется количеством воздуха, проходящим через единицу площади изделия в единицу времени, и характеризуется показателем, называемым коэффициентом воздухопроницаемости.

Воздухопроницаемость теплоизоляционных материалов непосредственно влияет на теплозащитные свойства ограждающих конструкций. Исследованиями воздухопроницаемости строительных материалов занимались как отечественные, так и зарубежные ученые, начиная с XIX века. При этом наиболее обстоятельные работы в этой области были проведены Р.Е. Брилингом [1] в период с 1935 по 1948 годы. Определенные им значения сопротивлений воздухопроницанию слоев различных строительных материалов до сих пор используются специалистами, а обобщенные результаты легли в основу соответствующего раздела СНиП «Строительная теплотехника» (в настоящее время СП «Тепловая защита зданий» [2]).

В связи с широким распространением, начиная с 2000-х годов в РФ навесных фасадных систем (НФС) с применением минераловатных изделий, большую актуальность приобрело прогнозирование их теплозащитных свойств с учетом фильтрации воздуха в слое утеплителя. В НИИСФ РААСН была разработана методика учета продольной фильтрации [3], а также проведен ряд экспериментальных исследований [4], которые послужили основой при разработке нового стандарта ГОСТ 32494-2013 «Здания и сооружения. Метод математического моделирования температурно-влажностного режима ограждающих конструкций». Методика данного стандарта активно используется в секторе испытаний теплофизических характеристик строительных материалов лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН.

В настоящее время по поручению Минстроя РФ началась подготовка нового нормативного документа (свода правил) по проектированию НФС. Актуальными вопросами для специалистов в области строительной теплофизики при разработке этого СП является установка некоторых критериев по сопротивлению воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (а до этого – обоснование необходимости такого критерия), а также устранение путаницы, возникшей в связи с применением многими производителями теплоизоляционных материалов данных, полученных по методике зарубежного нормативного документа (переведенного в РФ) ГОСТ EN 29053-2011 «Материалы акустические. Методы определения сопротивления продуванию потоком воздуха».

Методика исследований воздухопроницаемости

Сущность метода испытаний на воздухопроницаемость заключается в измерении количества воздуха (плотности потока воздуха), проходящего через образец материала с известными геометрическими размерами, при последовательном создании стационарных перепадов давления воздуха.

Схема испытательной установки для определения воздухопроницаемости приведена на рис. 1.

1 – компрессор; 2 – регулирующая запорная арматура; 3 – шланги; 4 – расходомеры (ротаметры) воздуха; 5– герметичная камера, обеспечивающая стационарный режим движения воздуха; 6 – приспособление для герметичного крепления образца; 7 – образец; 8 – манометр
Рис. 1. Схема испытательной установки для определения воздухопроницаемости

Испытания проводились на трех образцах каждой марки, представляющих собой квадратные пластины таких размеров, чтобы после закрепления в испытательной установке воздух проходил через сечение образца 200×200 мм. При помощи компрессора и регулирующей арматуры последовательно (ступенчато) создавались перепады давлений по обе стороны образца. Испытания начинались с перепада давления ΔP в 5 Па и затем с шагом в 1-3 Па доводились до того момента, пока расходомер (ротаметр) воздуха не показывал максимальный для своего диапазона использования расход воздуха (максимальный зафиксированный перепад давлений в серии экспериментов составил 50 Па).

По зафиксированным значениям расхода воздуха Qi, м3/ч для каждой ступени давления вычислялось значение расхода воздуха (плотность потока воздуха), проходящего через образец, Gi, кг/(м²·ч), по формуле:

, (1)

где γв– плотность воздуха, кг/м³;

S – площадь лицевой поверхности образца, м².

Коэффициент воздухопроницаемости материала i, кг/[м·ч·(Па)n], входит в уравнение фильтрации воздуха:

, (2)

где δ – толщина образца, м.

Для определения характеристик воздухопроницаемости материала по полученным результатам испытания уравнение (2) представлялось в виде (логарифмировалось):

По экспериментально найденному набору данных {ΔPi, Gi} в логарифмических координатах строился график. Логарифмы значений Gi наносились на плоскость координат в зависимости от логарифмов соответствующих перепадов давлений ∆Pi. Через нанесенные точки проводилась прямая линия. Значение показателя режима фильтрации n определялось как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

Коэффициент воздухопроницаемости материала i, кг/[м·ч·(Па)n], определялся по формуле:

i=δ⋅exp(b), (3)

где b – ордината пересечения прямой с осью ln G.

Сопротивление воздухопроницанию образца материалаRи,[м²·ч·(Па)n]/кг, определялось по формуле:

. (4)

Значения коэффициента воздухопроницаемости материала, сопротивления воздухопроницанию образцов материала, а также показателя режима фильтрации материала для каждой марки определялись как среднеарифметические значения результатов всехиспытанных образцов.

Отдельной задачей являлось определение характеристик воздухопроницаемости, используемых в Европе: сопротивления продуванию потоком воздуха (airflow resistance), R, (Па∙с)/м³, удельного сопротивления потоку (airflow resistivity), r, (Па∙с)/м², воздухопроницаемости, l, м³/(Па⋅м⋅с), по найденной зависимости расхода воздуха от перепада давления.

Для этого рассматривался участок массива экспериментальных данных при малых значениях расходов воздуха: от 1,5 до 2,5 м³/ч.
Минимум по 3 значениям расхода воздуха, Qi, м³/ч, в данном диапазоне и соответствующих им значениям перепада давления, ΔPi, Па, вычислялись значения сопротивления продуванию потоком воздуха (airflow resistance), Ri, (Па∙с)/м3 по формуле:

, (5)

Среднее значение сопротивления продуванию потоком воздуха (airflow resistance), R, (Па∙с)/м³ рассчитывалось как среднеарифметическое значение найденных значений Ri.

Далее, значения удельного сопротивление потоку (airflow resistivity), r, (Па∙с)/м², и воздухопроницаемости, l, м³/(Па⋅м⋅с), вычислялись, соответственно по формулам:

, (5)

, (6)

где Rs – удельное сопротивление продуванию потоком воздуха, (Па·с)/м;

А – площадь образца, м².

Результаты исследований воздухопроницаемости

Испытания проводились на образцах изделий из минеральной изоляции марок URSA 37 PN, URSA 35 QN, URSA 34 PN, URSA 34 PFB, URSA 33 PN, URSA 32 PFB, URSA 31 PN. Испытания проводились на специальной экспериментальной установке НИИСФ РААСН, реализованной по описанной выше схеме – рис. 2.

Рис. 2 Экспериментальная установка по определению воздухопроницаемости

Графическая обработка экспериментальных данных представлена на рис. 3. Рядом с аппроксимирующими (экспериментальные точки) прямыми выписаны определяющие их уравнения, по коэффициентам которых находились параметры уравнения воздухопроницаемости для соответствующей марки.

Показатели воздухопроницаемости испытанных марок минеральной изоляции URSA, найденные по формулам (3)-(6), представлены в табл. 1.

Табл. 1. Показатели воздухопроницаемости минеральной изоляции ursa

№ п/п	Тип мембраны	Толщина мембраны, мм	Гидростатическое давление, МПа	Количество тестовых участков*	Количество мест повреждений	Места повреждений
1	ПВХ	1,5	2	10	0	—
2	ПВХ	2,0	2	10	0	—
3	ТПО	1,5	1,8	10	1	На грани пирамиды
4	ТПО	2,0	2,0	10	1	На грани пирамиды
5	ПЭВП	2,0	0,06	15	15	На вершине пирамиды
6	БПРМ	4,0	0,08	15	15	На вершине пирамиды

* Изделия, кэшированные стеклохолстом

Анализ полученных результатов

Получен новый экспериментальный результат для минераловатных изделий из стеклянного волокна для всех марок, отличающихся по плотности; показатель режима фильтрации примерно одинаков и равен 1,25. При анализе зависимости воздухопроницаемости от плотности, установлено, что воздухопроницаемость линейно зависит от плотности (чем выше плотность, тем ниже воздухопроницаемость) до значения 30 кг/м³, далее значение воздухопроницаемости устанавливается – этот факт требует дополнительных исследований. Зависимость экспериментально установленной теплопроводности от воздухопроницаемости не определена, при этом данные исследования необходимо продолжить в натурных условиях на навесных фасадных системах с вентилируемым зазором. Сопротивление воздухопроницанию материалов, кэшированных стеклохолстом, выше сопротивления воздухопроницанию для аналогичных материалов без стеклохолста.

Рис. 3 Графическое определение параметров уравнения воздухопроницаемости образцов минеральной изоляции URSA

Заключение

По результатам проведенных исследований получены важные для практики показатели воздухопроницаемости для современных минераловатных изделий. Они могут быть использованы при расчетах воздухопроницаемости ограждающих конструкций по методике СП 50.13330 [2]. Также найдены новые методические подходы по определению показателей воздухопроницаемости, используемых в европейских нормативных документах, по результатам экспериментов, проведенных по методике отечественного ГОСТ 32494. Данные подходы необходимо отразить при ближайшей актуализации этого документа. Для обоснования необходимости введения критерия по сопротивлению воздухопроницанию теплоизоляционного слоя в НФС и нахождения его значения необходимо проведение комплекса натурных исследований.

Библиографический список
1. Брилинг Р.Е. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов. М., Госстройиздат, 1949.
2. СП 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий»
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Садчиков А.В., Мехнецов И.А. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2005. № 8. С. 60-70.
4. Козлов В.В., Курилюк И.С. Результаты экспериментальных исследований параметров воздухопроницаемости минеральной ваты // Academia. 2009. № 5. С. 500.