ВЕНТИЛИРУЕМЫЕ ФАСАДНЫЕ СИСТЕМЫ С ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ: ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

ABSTRACT

A third of the total energy consumption of buildings is accounted for by their external protective structures. This article examines the design, thermal performance, and operational characteristics of ventilated façade systems with an air gap. Key factors influencing building energy efficiency are analyzed, as well as typical design and installation defects that lead to reduced thermal performance. Particular attention is paid to the impact of Azerbaijan's climatic conditions on heat and moisture exchange processes within the structure. Recommendations are offered for increasing durability, reducing heat loss, and integrating innovative technologies, including adaptive façade systems, the use of environmentally friendly materials, and digital modeling based on BIM and CFD analysis.

АННОТАЦИЯ

Треть общего энергопотребления зданий приходится на их внешние защитные конструкции. В статье рассматриваются конструктивные, теплотехнические и эксплуатационные особенности вентилируемых фасадных систем с воздушной прослойкой. Проанализированы ключевые факторы, влияющие на энергоэффективность зданий, а также типичные дефекты проектирования и монтажа, приводящие к снижению теплозащиты. Особое внимание уделено воздействию климатических условий Азербайджана на процессы тепло- и влагообмена в конструкции. Предложены рекомендации по повышению долговечности, снижению теплопотерь и интеграции инновационных технологий, включая адаптивные фасадные системы, использование экологичных материалов и цифровое моделирование на основе BIM и CFD-анализов.

Keywords: ventilated façade, air gap, thermal engineering analysis, building energy efficiency, climatic conditions, building structures

Ключевые слова: вентилируемый фасад, воздушная прослойка, теплотехнический анализ, энергоэффективность зданий, климатические условия, строительные конструкции

Введение. Как и во всем мире, в Азербайджане актуальны вопросы энергосбережения и решения экологических проблем. Применение инновационных систем и методов на этапах проектирования, строительства и эксплуатации зданий позволяет частично решить эти проблемы. Треть общего энергопотребления зданий приходится на их внешние защитные конструкции, в связи с чем роль конструкций в обеспечении энергоэффективности зданий неоспорима. Известно, что фасадные системы с оптимальными теплотехническими характеристиками, наряду с превосходными эксплуатационными характеристиками материалов, из которых они изготовлены, обеспечивают и качественный монтаж [1].

Основная часть. Возрастающие требования к теплозащите зданий с точки зрения энергоэффективности приводят к созданию различных архитектурно-дизайнерских и инженерных решений, применению новых методов проектирования, производства и монтажа фасадных покрытий, разработке инновационных систем тепло-, влаго-, звукоизоляции и огнестойкости зданий, а также защиты фасада от внешних атмосферных воздействий. На сегодняшний день наиболее адекватно отвечающей требованиям современного строительства по соотношению «качество-энергопотребление-цена» является разработка навесных фасадных систем [2]. Поскольку фасадные системы современных зданий во многих случаях не соответствуют требованиям ИН и К-23-02-2003 «Тепловая защита зданий» и другим, необходимы дополнительные меры по теплоизоляции и защите от неблагоприятных климатических воздействий. Поскольку утепление наружных фасадов при реконструкции существующих зданий и для новых зданий является сложным, трудоемким процессом, применение на них технологии создания вентилируемой фасадной системы является не только удобным, но и позволяет придать зданию любой облик с точки зрения архитектурного решения [3].

Основной основой применения вентилируемых наружных стеновых конструкций с воздушной прослойкой в ​​современном строительстве являются их удобство, многообразие архитектурно-конструктивных решений, функциональность и эффективные теплоизоляционные свойства, что создает возможность успешно удовлетворять современным требованиям к высокому уровню теплозащиты зданий [4]. Для теплотехнического расчета и проектирования наружных стеновых конструкций с вентилируемой воздушной прослойкой в ​​основном используются следующие нормативные и строительные документы: ИН и Q 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия», ИН и Q 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии», ИН и Q 23-01-1999 «Строительная климатология», ИН и Q 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», ИН 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Конструктивные решения этих систем следует принимать после детального изучения влияния местных климатических условий с учетом основных показателей климатических параметров [5]. Теплотехнический расчет наружных стеновых конструкций с вентилируемой воздушной прослойкой включает в себя: - выбор и расчет теплоизоляционного материала; - расчет влажностного режима; - определение параметров воздухообмена в воздушной прослойке; - определение температурно-влажностного режима воздушной прослойки. Наружные стеновые конструкции с вентилируемой воздушной прослойкой применяются для облицовки и теплоизоляции фасадов зданий высотой менее 75 м и выполняют следующие задачи [6]: предотвращают накопление избыточной влаги в наружных конструкциях; защищают от солнечной радиации; защищают от воздействия косых дождей; предотвращают обрушение утеплителя под воздействием сильного ветра (рис. 1).

Рисунок 1. Общий вид вентилируемого фасада с воздушной прослойкой: 1 – основной слой кладки – кирпич, 2 – система крепления, 3 – утеплитель – минеральная вата, 4 – дюбель, 5 – вентилируемая воздушная прослойка, 6 – облицовочная панель, 7 – ветро-влагозащитная мембрана, 8 – кронштейн.

Конструкции наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой различаются [7]: по основному слою кладки (кирпич, бетон плотностью более 900 кг/м³, газобетонные блоки), по конструктивным схемам, по системам крепления, по теплоизоляционному материалу, по материалу облицовочной панели (натуральный камень, керамика, керамогранит, алюминиевые композитные панели, панельные панели и т.д.). Применение теплоизоляции и вентилируемой воздушной прослойки с соответствующими физико-техническими показателями, обеспечивающими соблюдение требований по теплозащите фасадов и температурно-влажностному режиму, обеспечивает эффективную защиту внутренних помещений от внешних воздействий. Воздушная прослойка шириной 40–60 мм, расположенная между облицовочной плитой и теплоизоляцией, обеспечивает влагообмен в наружной ограждающей конструкции. В качестве теплоизоляции обычно используется базальтовая минеральная вата, которая может быть двухслойной, в этом случае они различаются по плотности. Плотность теплоизоляции, расположенной на основном слое кладки, должна быть ниже плотности второго слоя: 45–60 кг/м³ — для первого слоя, 62–90 кг/м³ — для второго слоя. Если плотность верхней поверхности утеплителя, обращенной к воздушной прослойке, выше, чем у остальной поверхности (≥90 кг/м3), применение ветро-влагозащитной мембраны не обязательно.

Задачи энергоэффективности вентилируемых фасадов с воздушной прослойкой:

• расчет необходимого вентилируемого зазора;

• выбор и правильный монтаж качественных строительных материалов;

• обеспечение пожарной безопасности;

• обеспечение теплового сопротивления.

Существующие проблемы условно можно разделить на 2 группы, причины и следствия которых следующие:

1. накопление влаги в конструкции объясняется наличием плохо вентилируемой воздушной прослойки, высокой паропроницаемостью ветрозащитной мембраны и высокой воздухо- и паропроницаемостью основного слоя кладки, и, как следствие, снижением долговечности строительных материалов, ухудшением внешнего вида фасада и снижением сопротивления теплопередаче стены (таблица 1);
2. причины неоднородности конструкции в теплотехническом отношении – образование мостиков холода в металлических кронштейнах, дюбелях, оконных проемах, что приводит к снижению коэффициента теплотехнической однородности, избыточный расход теплоизоляционных материалов и невыполнение требований СНиП «Строительная теплотехника».

Таблица 1.

Дополнительные теплопотери за счёт конструктивных элементов фасада, Вт/м²

Преимущества конструкций наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой:

- циркуляция воздуха в воздушной прослойке способствует удалению влаги из конструкции, т.е. стена дышит;

- за счёт воздушной прослойки снижается энергопотребление климатических приборов, так как уменьшается амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности стены; стена становится суше, так как теплоизоляция защищена от осадков облицовочной плитой;

- звукоизоляция усиливается;

- облицовочные плиты эффективно защищают остальные слои от атмосферных осадков;

- при движении водяного пара изнутри наружу снижается сопротивление паропроницаемости слоёв, т.е. влага не скапливается в конструкции;

- пожарная опасность низкая, так как слои негорючие или обладают низкой горючестью, и существует возможность длительной эксплуатации без ремонта;

- монтаж данного типа конструкций может осуществляться круглогодично, независимо от показателей и изменений внешнего климата.

Исследование эксплуатационных изменений данного типа конструкций под воздействием изменяющихся климатических параметров, их теплофизических свойств является актуальной проблемой. Поскольку скорость воздушного потока в воздушной прослойке влияет на интенсивность тепло- и влагообмена, методика расчета скорости воздушного потока и влияния ветра является сложной и актуальной. Процесс изменения давления внутри воздушной прослойки до сих пор не изучен для жарких, ветреных и влажных климатических условий. Длительная эксплуатация данных конструкций выявила ряд их недостатков. Дефекты проектирования и монтажа приводят к снижению их теплотехнических показателей, а в некоторых случаях они даже не соответствуют требованиям СНиП и СНиП по энергосбережению. Классификация теплотехнических проблем представлена ​​в таблице 1.

а)  b)

Рисунок 2. а – Дефект тонкого сечения, б – Дефект углового сечения: 1 – облицовочная панель, 2 – вентилируемая воздушная прослойка, 3 – крепежный элемент, 4 – теплоизоляционный материал, 5 – элементы подконструкции

Поскольку вентилируемые фасады являются сложными теплотехническими конструкциями, их схемы состоят из строительных материалов с различными техническими характеристиками, поэтому взаимодействие многих аспектов при проектировании данного типа фасадов должно решаться комплексно.

Правильное проектирование, качественные строительные материалы и грамотно выполненные монтажные работы создают основу для выполнения фасадами своих функций на протяжении всего срока службы. Поскольку такие сложные фасадные системы являются дорогостоящими, минимизация их стоимости на каждом этапе обуславливает необходимость поиска новых решений на каждом этапе жизненного цикла здания – проектировании, монтаже, эксплуатации.

Для дальнейшего повышения энергоэффективности и долговечности вентилируемых фасадных систем требуется развитие научно обоснованных подходов к моделированию процессов теплопередачи и влагообмена в условиях реальной эксплуатации зданий. Особое внимание следует уделять применению интеллектуальных фасадных систем с адаптивными элементами регулирования воздушного потока, которые могут изменять параметры вентиляции в зависимости от сезонных колебаний температуры и влажности. Перспективным направлением является интеграция вентилируемых фасадов с фотоэлектрическими панелями и тепловыми коллекторами, что позволит повысить энергетическую автономность здания и сократить его углеродный след. Важным аспектом также становится использование экологически безопасных, вторично перерабатываемых материалов для утеплителя и облицовки, что соответствует концепции устойчивого строительства и принципам «зеленых» стандартов (LEED, BREEAM). Применение цифровых технологий моделирования (BIM, CFD) позволит оптимизировать проектные решения и снизить риски теплотехнических дефектов.

Выводы. Исследования показывают, что конструктивные решения внешних защитных конструкций должны быть реализованы после детального изучения влияния местных климатических условий. Поскольку сегодня внешние защитные конструкции большинства зданий в Азербайджане не соответствуют требованиям Строительных норм и правил, а теплоизоляционные работы, проводимые при их реконструкции, представляют собой сложный процесс, применение вентилируемых воздушно-прослойных фасадов является как их оптимальным теплотехническим решением, так и выразительным и еще более долговечным с точки зрения архитектурного дизайна. Этот тип многослойных фасадов представляет собой системы с наиболее эффективными физическими параметрами для защиты от негативного воздействия ветра и дождя. Анализ схем, преимуществ и недостатков вентилируемых воздушно-прослойных фасадов показывает, что при правильном проведении монтажных работ обеспечивается надежная функциональность и долговременная эксплуатация зданий, решаются проблемы энергоэффективности системы.

Список литературы:

1. Bikas D., et al. Ventilated facades: Requirements and specifications across Europe // Procedia Environmental Sciences. – 2017. – Vol. 38. – Pp. 148–154.
2. Ciampi M., Leccese F., Tuoni G. Ventilated facades energy performance in summer cooling of buildings // Solar Energy. – 2003. – Vol. 75. – Pp. 491–502.
3. Theodosiou T. Maximizing the building energy performance with advanced ventilated façade systems on existing structures // Protection and Restoration of the Environment. – 2017. – Pp. 397–407.
4. Bogoslovsky V.N. Building thermophysics. – Moscow: Vysshaya Shkola, 2012. – 415 p.
5. Воздушный зазор навесного вентилируемого фасада [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.alucom.ru/articles/zarubej_opit/o-vozdushnom-zazore-navesnogo-ventiliruemogo-fasada (дата обращения: 20.10.2025).
6. Petrichenko M.R., Petrochenko M.V. Hydraulics of free-convective flows in enclosing structures with an air gap // Engineering and Construction Journal. – 2011. – No. 8. – Pp. 51–56.)
7. Nemova D.V. Integral characteristics of thermogravitational convection in the air layer of ventilated facades // Engineering and Construction Journal. – 2013. – No. 3. – Pp. 24–36.)