Влияние конструктивных решений узлов сопряжений оконных блоков с наружными стенами на их уровень теплозащиты

УДК 699.8

А.Б. КРУТИЛИН, зав. сектором теплофизических исследований РУП «Институт БелНИИС», г. Минск, Беларусь

В статье отмечается, что обеспечение нормативных требований ТКП 45-2.04-43-2006* по величине приведенного сопротивления теплопередаче предполагает для большинства конструкций наружных стен обязательное утепление снаружи откосов проемов. При этом следует предусматривать утепление не только боковых и верхнего, но и нижнего откоса проема, что зачастую не выполняется.

Экономия тепловой энергии является одной из приоритетных задач строительной отрасли Республики Беларусь. В настоящее время в ТКП 45-2.04-43-2006* [1] значительно увеличены нормативные требования к теплозащите наружных ограждающих конструкций, что усложнило их конструктивное исполнение. В качестве основного показателя, влияющего на толщину теплоизоляционного (конструкционно-теплоизоляционного) материала ограждающих конструкций, установлено приведенное сопротивление теплопередаче, т.е. величина, равная отношению разности температур наружного и внутреннего воздуха к усредненной по площади конструкции плотности проходящего через нее теплового потока при стационарных условиях теплопередачи.

Определение приведенного сопротивления теплопередаче расчетного участка ограждающей конструкции со сложными теплопроводными включениями возможно по результатам расчетов температурных полей отдельных выделенных фрагментов рассматриваемой конструкции с последующим усреднением полученных результатов по ее поверхности. Для этого могут быть использованы различные методики, например, [2-4] и др. В странах ЕС понятие «приведенное сопротивление теплопередаче», как правило, не используется, но определение коэффициента теплопередачи ограждающих конструкций выполняется также на основании подробных расчетов с использованием расчетов температурных полей фрагментов конструкций (см. СТБ EN ISO 10211 [5]). Для расчетов приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с учетом требований СТБ EN ISO 10211 [5] можно использовать методику [2] как наиболее близкую методологически.

По методике [3] выполнены расчеты приведенного сопротивления теплопередаче для различных видов наружных ограждающих конструкций. Определены «слабые» места в узлах сопряжений наружных стен. Установлено, что при расчетах приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций незначительное внимание уделяется узлам сопряжений наружных стен с оконными и дверными блоками, т.е. влиянию откосов проемов наружных стен.

Тенденции конструктивных решений узлов сопряжений наружных стен с оконными блоками

В послевоенном строительстве в СССР наибольшее распространение получили здания с наружными стенами из кирпичной кладки из полнотелого глиняного кирпича. Для Беларуси толщина кладки составляла преимущественно δ=510 мм; в оконные проемы устанавливались блоки в раздельных переплетах с толщиной коробки более 200 мм. Узел сопряжения оконного блока с наружной стеной выполнялся с четвертями, зазоры между блоками и стенами заполнялись паклей, смоченной в цементном растворе. При таком решении узлов сопряжений наружных стен с оконными блоками дополнительные теплопотери через откосы проемов были незначительны, и их влиянием на величину приведенного сопротивления теплопередаче можно было пренебречь.

В дальнейшем, с развитием панельного и блочного домостроения, произошло снижение толщин коробок оконных блоков. Так, уже в 1960-1970 гг. в республике в жилых зданиях в проемы наружных стен устанавливались оконные блоки толщиной коробки в пределах δ=90…130 мм. При такой толщине оконных блоков потери теплоты через откосы проемов значительно увеличились. Узлы сопряжений наружных стен с блоками в ряде случаев имели неудовлетворительный тепловой режим.

На рис. 1 показано температурное поле и распределение плотности теплового потока по сечению узла сопряжения наружной кирпичной стены (кладка выполнена из полнотелого глиняного кирпича с наружной облицовкой кладкой из силикатного полнотелого кирпича) с деревянным оконным блоком с толщиной коробки δ=104 мм.

Плотность теплового потока через откос проема составила 58,5 Вт/м², в то время как через участок наружной стены у проема – 47,6 Вт/м². Минимальная температура на внутренней поверхности наружной стены получена на откосе проема у оконного блока и составила τ=5,3°С, т.е. тепловой режим узла сопряжения наружной кирпичной стены и оконного блока не соответствует требованиям ТКП 45-2.04-43-2006* [1].

Пренебрежение дополнительными теплопотерями через откосы проемов ведет к ошибкам при проектировании системы отопления и, как следствие, к нарушениям параметров микроклимата в помещениях в зимний период года.

В настоящее время толщина коробок оконных и дверных блоков еще уменьшилась. Так, у оконных блоков на сегодняшний день наибольшее распространение получили блоки с толщиной коробки δ=60…80 мм. При этом конструкции стен также изменились – повсеместно стали использовать эффективные теплоизоляционные материалы и т.д. Откосы проемов изнутри стали укрывать различными сэндвич-панелями, ПВХ-панелями и др. штучными элементами. При этом данные решения обосновываются как решения по улучшению теплового режима узлов сопряжений наружных стен с оконными блоками и предполагают отказ от утепления откосов проемов снаружи слоем эффективного теплоизоляционного материала. Одной из задач данной работы является обоснование неэффективности данного решения.

Методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче с учетом откосов проемов

Участки сопряжений наружных стен с оконными и дверными блоками значительно влияют на температурное поле стен в сравнении с их температурным полем вдали от проемов и теплопроводных включений. В зависимости от конструктивного решения стен температуры на внутренней поверхности наружных стен на краевых участках у проемов могут быть как выше температур на «глади» (см. рис. 1 – характерно для широких стен из штучных материалов), так и ниже (характерно для панельных стен зданий). В общем случае всегда имеются дополнительные теплопотери через откосы проемов, которые зависят от конструктивного решения узла сопряжения наружной стены с оконным блоком.

Определение приведенного сопротивления теплопередаче расчетного участка ограждающей конструкции со сложными теплопроводными включениями возможно по результатам расчетов температурных полей отдельных выделенных фрагментов рассматриваемой конструкции с последующим усреднением полученных результатов по ее поверхности. Т.е. при дроблении выбранного расчетного участка ограждающей конструкции на n характерных фрагментов и последующим определении сопротивления теплопередаче для каждого фрагмента сопротивление теплопередаче расчетного участка конструкции в целом рассчитывается по формуле:

, (1)

где F_ВКЛ и R_ВКЛ – площадь (м²) и сопротивление теплопередаче (м²⋅°С/Вт) n-го фрагмента расчетного участка ограждающей конструкции.

Определение приведенного сопротивления теплопередаче расчетного участка наружной стены с учетом влияния всех откосов проема возможно выполнять по формуле:

, (2)

где R_Т.ОТ – условное сопротивление теплопередаче откосов проема (определяется по средней температуре на поверхности откосов на основании расчета температурного поля), м²⋅°С/Вт; F_ОТ – суммарная площадь откосов проема, м².

Подробный вывод зависимости (2) приведен в работе [3].

Для оценки влияния только конструктивных решений узлов сопряжений наружной стены с оконным блоком формулу (2) приведем к виду (3) как для линейного теплопроводного включения. Приведенное сопротивление теплопередаче участка наружной стены с учетом откоса проема для таких условий может быть определено по зависимости:

, (3)

где R_Т.СТ – условное сопротивление теплопередаче стены у проема (определяется по средней температуре на поверхности стены у проема на основании расчета температурного поля узла), м2⋅°С/Вт; L_СТ – протяженность участка стены у проема, м; L_ОТ – протяженность откоса проема, м.

Формула (3) будет в дальнейшем использована только для сравнения уровня теплозащиты узлов сопряжений оконных блоков с наружной стеной с различным утеплением откосов проемов.

Влияние конструктивных решений узлов сопряжений наружных стен с оконными блоками на уровень теплозащиты наружных стен

В качестве базового варианта наружной стены для анализа конструктивного решения с различным утеплением откосов проемов была принята керамзитобетонная стеновая панель с дополнительной теплоизоляцией легкой штукатурной системой и утеплителем из минераловатных плит с λ=0,0428 Вт/(м·°С) и с толщиной слоя δ=120 мм. В качестве заполнения проема принят оконный блок из поливинилхлоридного профиля δ=60 мм с двухкамерным стеклопакетом. Зазоры между коробкой и наружной стеной запенены пенополиуретаном.

Изнутри откосы проема укрыты:

– пустотными ПВХ-панелями без слоя эффективного теплоизоляционного материала;

– сэндвич-панелями со средним слоем из эффективного теплоизоляционного материала – δ=12 мм, λ=0,04 Вт/(м·°С).

Снаружи откосы проемов выполнены в двух вариантах: 1) без слоя теплоизоляции; 2) с утеплением откоса минераловатными плитами с λ=0,0428 Вт/(м·°С) и с толщиной слоя δ=20 мм.

Температурное поле по сечению узла сопряжения оконного блока и наружной стены с укрытием изнутри ПВХ-панелями для первого варианта (без утепления откоса снаружи) показано на рис. 3, распределение плотности теплового потока – на рис. 4. Минимальная температура на внутренней поверхности откоса получена равной τ=+11,8°С, что соответствует требованиям ТКП 45-2.04-43-2006* [1].

Тепловой поток через участок стены у проема (LСТ=400 мм) составил qСТ=25,895 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче стены у проема равно:

RТ.СТ=(18– (–26))/25,895=1,70 м²⋅°С/Вт.

Тепловой поток через откос проема (LОТ=150 мм) составил qСТ=25,953 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче откоса проема равно:

RТ.ОТ=(18– (–26))/25,953=1,695 м²⋅°С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче участка наружной стены с учетом откоса проема с укрытием изнутри ПВХ-панелями для первого варианта равно:

м2⋅°С/Вт.

Температурное поле по сечению узла сопряжения оконного блока и наружной стены с укрытием изнутри сэндвич-панелями для первого варианта (без утепления откоса снаружи) показано на рис. 5, распределение плотности теплового потока – на рис. 6. Минимальная температура на внутренней поверхности откоса получена равной τ=+11,5°С, что соответствует требованиям ТКП 45-2.04-43-2006* [1].

Тепловой поток через участок стены у проема (LСТ=400 мм) составил qСТ=27,442 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче стены у проема равно:

RТ.СТ=(18– (–26))/27,442=1,603 м²⋅°С/Вт.

Тепловой поток через откос проема (LОТ=150 мм) составил qСТ=23,268 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче откоса проема равно:

RТ.ОТ=(18– (–26))/23,268=1,891 м²⋅°С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче участка наружной стены с учетом откоса проема с укрытием изнутри ПВХ-панелями для первого варианта равно:

м²⋅°С/Вт.

Результаты расчетов показали незначительное различие в величинах приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен с учетом влияния откосов проемов (, м²⋅°С/Вт) как при их внутренней отделке ПВХ-панелями, так и сэндвич-панелями. Т.е. слой эффективного теплоизоляционного материала сэндвич-панелей сколь-нибудь значимого влияния на суммарные теплопотери через узел сопряжения оконного блока с наружной стеной не оказывает. Это связано с тем, что при утеплении откосов проема изнутри тепловой поток через них уменьшается, но тепловой поток через участок стены, к ним примыкающий, увеличивается. Отсюда следует вывод: утепление откосов проемов изнутри может рассматриваться только при невозможности их утепления снаружи для предотвращения появления конденсата на их внутренней поверхности и может быть выполнено без использования эффективного теплоизоляционного материала, например, ПВХ-панелями.

При устройстве на откосах проема снаружи слоя дополнительной теплоизоляции минераловатными плитами даже весьма незначительной толщины (δ=20 мм) тепловой режим узла сопряжения резко изменяется.

Температурное поле по сечению узла сопряжения оконного блока и наружной стены с укрытием откосов изнутри ПВХ-панелями для второго варианта (с утеплением откоса проема снаружи) показано на рис. 7, распределение плотности теплового потока – на рис. 8. Минимальная температура на внутренней поверхности откоса получена равной τ=+14°С, что соответствует требованиям ТКП 45-2.04-43-2006* [1].

Тепловой поток через участок стены у проема (LСТ = 400 мм) составил qСТ = 16,102 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче стены у проема равно:

RТ.СТ = (18– (–26))/16,102 = 2,733 м²⋅°С/Вт.

Тепловой поток через откос проема (LОТ = 150 мм) составил qСТ = 15,101 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче откоса проема равно:

RТ.ОТ=(18– (–26))/15,101=2,914 м²⋅°С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче участка наружной стены с учетом откоса проема с укрытием изнутри ПВХ-панелями для второго варианта равно:

м²⋅°С/Вт.

Температурное поле по сечению узла сопряжения оконного блока и наружной стены с укрытием изнутри сэндвич-панелями для второго варианта (с утеплением откоса снаружи) показано на рис. 9, распределение плотности теплового потока – на рис. 10. Минимальная температура на внутренней поверхности откоса получена равной τ = +13,9°С, что соответствует требованиям ТКП 45-2.04-43-2006* [1].

Тепловой поток через участок стены у проема (LСТ = 400 мм) составил qСТ = 17,132 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче стены у проема равно:

RТ.СТ=(18– (–26))/17,132=2,568 м²⋅°С/Вт.

Тепловой поток через откос проема (LОТ=150 мм) составил qСТ=13,880 Вт/м², условное сопротивление теплопередаче откоса проема равно:

RТ.ОТ=(18– (–26))/13,880=3,170 м²⋅°С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче участка наружной стены с учетом откоса проема с утеплением изнутри сэндвич-панелями для второго варианта равно:

м²⋅°С/Вт.

Результаты расчетов показали, что утепление откосов снаружи даже минимальной толщиной слоя эффективного теплоизоляционного материала для обоих вариантов обеспечивает значительное увеличение приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен с учетом влияния откосов проемов, сокращая теплопотери помещений.

Выводы:

Узлы сопряжений наружных стен с оконными и дверными блоками являются мостиками холода, которым при теплотехнических расчетах обязательно должно уделяться должное внимание.

При утеплении откосов проема изнутри тепловой поток через них уменьшается, но тепловой поток через участок стены, к ним примыкающий, – увеличивается. Отсюда следует вывод: утепление откосов проемов изнутри может рассматриваться только при невозможности их утепления снаружи для обеспечения отсутствия конденсата на их внутренней поверхности и может быть выполнено без использования эффективного теплоизоляционного материала, например, ПВХ-панелями.

Обеспечение нормативных требований ТКП 45-2.04-43-2006* [1] по величине приведенного сопротивления теплопередаче предполагает для большинства конструкций наружных стен обязательное утепление снаружи откосов проемов. При этом следует предусматривать утепление не только боковых и верхнего, но и нижнего откоса проема, что зачастую не выполняется.

При использовании в качестве материала теплоизоляции минераловатных плит толщину слоя утеплителя на откосах проема рекомендуется принимать не менее 50 мм с обязательной проверкой конструктивных решений на отсутствие возможности выпадения конденсата на внутренней поверхности наружных стен.

Библиографический список

1. Строительная теплотехника. Строительные нормы проектирования. ТКП 45-2.04-43-2006*. – Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2015. – 47 c.
2. Гагарин В.Г. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов // Строительные материалы, № 12, 2010, с. 4-12.
3. Протасевич А.М. Приведенное сопротивление теплопередаче современных наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений / А.М. Протасевич, А.Б. Крутилин // Энергоэффективность, № 8, 2013, с. 20-25.
4. Рекомендации по расчету приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и расчету потерь теплоты помещений через ограждения. P 1.04.115.13. – Минск: ГП «Институт жилища – НИПТИС им. С.С. Атаева», 2013, – 61 с.
5. СТБ EN ISO 10211 Тепловые мостики в зданиях. Тепловые потоки и температура поверхности. Подробные расчеты. Первая редакция проекта государственного стандарта. – Минск: РУП «Стройтехнорм», 2014.