Стратегии уменьшения теплового моста в бетонных стенах

Введение: скрытая энергетическая утечка в строительстве масонства

В современном дизайне здания тепловое мостовое соединение остается одной из наиболее стойких, но часто упускаемых из виду причин потери энергии. Когда тепло течет через оболочку здания через высокопроводящие материалы, такие как бетон, сталь или каменная кладка, оно обходит изоляционный слой, подрывая все тепловые характеристики сборки стены. Для конструкций, построенных из бетонных блоков - обычное в коммерческом, промышленном и жилом строительстве - тепловое мостовое соединение может снизить эффективное R-значение сборки на 30-50% или более. Это не только повышает затраты на отопление и охлаждение, но и создает холодные внутренние поверхности, которые способствуют конденсации, росту плесени и дискомфорту пассажиров.

Понимание и смягчение теплового моста в бетонных стенах блоков, таким образом, имеет важное значение для архитекторов, строителей и владельцев, которые стремятся соответствовать все более строгим энергетическим кодам и достичь долгосрочной операционной экономии.В этой статье исследуется наука, стоящая за тепловым мостом, выявляются наиболее уязвимые места в бетонных стенах блоков и обеспечивается комплексный набор стратегий, чтобы минимизировать его воздействие.

Что такое тепловое соединение и почему это важно?

Теплопроводность возникает, когда материал с высокой теплопроводностью (например, бетон, сталь или алюминий) создает прямой путь для прохождения тепла через изолированную сборку. В бетонной блок-стене сами блоки часто являются основным мостом. Процесс регулируется фундаментальной физикой теплопередачи: тепло перемещается из более теплых в более холодные области, и оно проходит путь наименьшего сопротивления. Даже если стена содержит изоляцию - либо в полости, на внешней стороне, либо на внутренней стороне - непрерывная сеть бетонных блоков создает тепловое короткое замыкание.

Значение этого эффекта измеряется значением R-полосы, которое учитывает все компоненты, включая каркас, блочные ядра, минометные соединения и соединения. Стена может иметь значение R-полости, скажем, 20, но как только значение R-полосы учитывается, значение R-полосы может упасть до 10 или даже ниже. В холодном климате это приводит к более высоким потерям тепла через оболочку, в то время как в жарком климате это увеличивает охлаждающие нагрузки. Внутри тепловые мосты вызывают риск конденсации, когда температура внутренней поверхности падает ниже точки росы воздуха в помещении - прямой путь к повреждению влаги, коррозии встроенной стали и биологическому росту.

Ключевые показатели: R-Value и U-Value

R-значение (термическое сопротивление) является мерой способности материала противостоять тепловому потоку; выше лучше. U-значение (теплопропуск) является обратным - скорость теплового потока через сборку; ниже лучше. Для бетонных стен блоков эффективное U-значение должно быть рассчитано с учетом всех тепловых мостов. Такие инструменты, как двумерное моделирование теплопередачи (например, программное обеспечение THERM из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли), могут помочь количественно оценить влияние мостов на углы, края плит и контрольные соединения.

Общие места расположения тепловых мостов в бетонных блок-стенах

Для эффективного решения проблемы теплового мостинга необходимо сначала определить, где он обычно происходит. Следующие места печально известны тем, что создают пути теплового потока:

• Блоковые ленточные и твердые секции: Твердые участки стандартного бетонного блока (часто около 40-50% поверхности блока) обеспечивают прямой проводящий путь.Даже когда ядра изолированы, сети передают тепло.
• Мортарные соединения:Мортар имеет высокую теплопроводность, аналогичную блочному материалу, а непрерывные горизонтальные и вертикальные минометные пласты создают сеть проводящих плоскостей.
• Стенки-на-поле или Стенки-на-лаборатории Соединения: Бетонные напольные плиты, которые проходят через или прикрепляются к стене блока, действуют как большие радиаторы, перемыкая от интерьера к внешнему виду.
• Окно и дверные проемы: По периметру фенестраций часто вовлекаются сплошные блоковые или железобетонные перемычки, создающие прочные тепловые мосты. Металлические оконные рамы добавляют дополнительные мостики.
• Стыки управления и соединения расширения: Если для движения вводятся зазоры, то совместный наполнитель может быть проводящим или блок с обеих сторон создает непрерывный путь.
• Усиленные балки и колонны из бондов: Усиленные бетонные балки из связок (горизонтальные) и колонны (вертикальные) обладают высокой проводимостью и часто пересекают всю толщину стенки.
• Парапеты и кровельные соединения: Там, где крыша встречается со стеной парапета, бетонный блок продолжает над линией крыши, часто без изоляционного покрытия, создавая существенный мост.
• Проникновение в сервисы: Механические каналы, электрические трубопроводы и трубопроводы, которые прокалывают стену, особенно если их оставить незапечатанными или изолированными, обеспечивают прямые тепловые шорты.

Стратегии минимизации теплового моста

Решение проблемы теплового моста в бетонных стенах блоков требует многослойного подхода, который сочетает в себе выбор материала, детализацию дизайна и тщательное выполнение строительства. Ниже приведены наиболее эффективные стратегии, начиная от простых модернизаций до фундаментальных изменений дизайна.

1.Применять непрерывную внешнюю изоляцию

Единственная наиболее эффективная стратегия заключается в установке непрерывного слоя изоляции на внешней стороне стенки блока. Этот внешний слой охватывает все тепловые мосты, включая блочные паутины, минометные соединения и структурные ребра. Жесткие пенопластовые плиты, такие как расширенный полистирол (EPS), экструдированный полистирол (XPS) или полиизоцианурат (PIR) являются общим выбором. Изоляция должна быть полной высоты и бесперебойной структурными элементами. Длинные крепежи или клеи необходимы для прикрепления облицовки или готовой поверхности над изоляцией. Должна быть также установлена непрерывная воздушная преграда и устойчивый к погодным условиям барьер для предотвращения попадания влаги за изоляцией.

Пример: Для бетонной блочной стены в холодном климате 2-дюймовый слой XPS (R-10), нанесенный на внешнюю поверхность, может эффективно изолировать тепловую массу блоков от наружной температуры, уменьшая потери тепла через мосты.

2. Заполните блокировочные ядра изоляцией

Хотя это не так эффективно, как непрерывная внешняя изоляция, заполнение полых ядер бетонных блоков изоляционными материалами снижает теплообмен через блочные полости. Варианты включают в себя материалы с рыхлыми заправками (вермикулит, перлит или пенопластовые шарики), полиуретановую пену или впрыскиваемую пену. Важно отметить, что заполнение ядер само по себе не касается твердой прокладки между ядрами; поэтому эта стратегия лучше всего используется в сочетании с другими мерами. Это может быть экономически эффективным модернизацией существующих стен, где внешняя изоляция невозможна.

3. Используйте изолированные бетонные формы (ICF) системы или изоляционные блоки

Системы ICF заменяют традиционные полые бетонные блоки формами из жесткой пены (обычно EPS), которые остаются на месте после заливки. Бетонное ядро обеспечивает прочность конструкции, в то время как пена на обеих гранях обеспечивает непрерывную изоляцию. Существуют также передовые бетонные блоки, такие как «изоляционные бетонные блоки» (CMU) с вставкой пены с одной стороны. Эти системы практически устраняют тепловое мостовидение, потому что слой пены непрерывный по всей поверхности стены. Однако они поставляются с более высокими материальными затратами и требуют специализированных методов строительства.

4.Установка тепловых разрывов при проникновении и структурных соединениях

Везде, где через стену должен проходить проводящий элемент, такой как стальной балка, бетонная плита или труба, должен быть включен тепловой разрыв. Термический разрыв представляет собой слой низкопроводящего материала (обычно полиуретана высокой плотности, неопрена или жесткой пены), вставленный между проводящим элементом и окружающей стеной. Например, на краю бетонной плиты пола, которая встречается с бетонной стенкой блока, слой жесткой пены, разрезанный для размещения вокруг края плиты, может уменьшить тепловой поток. Для стальных перемычек над отверстиями доступны системы терморазрыва, которые поддерживают облицовку без металлического контакта.

5. Подавите блок Wythes или создайте стену полости

Традиционные одностворчатые блочные стены по своей сути являются мосто-тяжелыми. Двухслойная стена (два слоя блока, разделенные воздушным зазором) обеспечивает некоторое улучшение, но выемки должны быть связаны вместе с металлическими стеновыми галстуками, которые сами по себе могут быть тепловыми мостами. Более эффективный подход заключается в том, чтобы построить стену с непрерывной полостью - обычно 2-6 дюймов в ширину - заполненной изоляцией и связанной только с неметаллическими или изолированными связями. Внутренний выем (структурный) изолирован от внешнего выемки (венера) изолированной полостью, резко сокращая общий тепловой поток. Эта система стенок полости является стандартной во многих странах для строительства каменной кладки.

6. Используйте структурные тепловые разрывы для пучков и колонн облигаций

Связные балки и железобетонные колонны неизбежны в блочных стенках для структурной целостности, но они могут быть сконструированы для уменьшения мостоукладки. Один из способов заключается в размещении стальной арматуры и затирки только там, где это структурно необходимо, и заполнении остальных сердечников блока изоляцией. Альтернативно, используя смесь затирки с более низкой проводимостью (с легкими агрегатами или перлитом) может немного уменьшить проводимость. В критических местах доступны предварительно изолированные блоки пучка связи, которые имеют слой пены внутри них. Другое решение состоит в том, чтобы отлить отдельный тепловой разрыв вокруг пучка во время строительства с использованием вставок пены или запатентованных продуктов термического разрыва.

7.Улучшение оконных и дверных установок

Отверстия для фехтования являются основными источниками теплового мостика в стенах блоков. Для минимизации этого рассмотрим следующее:

• Используйте «изолированные дверные рамы» или «термически сломанные» оконные рамы, которые включают непроводящую полосу, разделяющую внутренние и внешние экструзии.
• Оберните грубое отверстие непрерывной изоляцией (например, подоконники из пены и ямбы), чтобы избежать тепловых шорт по периметру.
• Установите окна так, чтобы рама была промыта внешним изоляционным слоем — не утоплена дальше внутрь — и запечатайте зазор с помощью задней стержня и герметика.
• Используйте вспышки, которые также действуют как тепловой разрыв, например, гибкий металлический или композитный лист с изоляционным слоем на внутренней стороне.

8. Уплотнить все соединения и проникновения воздухонепроницаемыми материалами

Утечка воздуха составляет большую часть потерь энергии, и она часто происходит в тех же местах, что и тепловые мосты — зазоры вокруг труб, трубопроводов и на переходах от стены к полу. В то время как уплотнение воздуха не уменьшает проводящий тепловой поток непосредственно, оно предотвращает конвективные потери тепла и нагруженный влагой воздух от достижения холодных поверхностей, где может произойти конденсация. Высококачественная пенополиуретановая пена, акустический герметик или специализированные воздушные барьерные ленты должны использоваться при каждом проникновении. Тщательная детализация в контрольных соединениях также необходима; используйте сжимаемый пенопластовый задний стержень и высокоэластичный герметик, который может приспособить движение.

9. Оптимизация ориентации стен и дизайна фехтования

Пассивные стратегии проектирования могут дополнять активные меры по смягчению тепловых мостов. Например, размещение меньшего количества окон на северной стороне здания (в северном полушарии) уменьшает площадь слабых мест. Использование внешних затеняющих устройств и оптимальных соотношений окна к стене может еще больше уменьшить общее воздействие тепловых мостов. Хотя это не устраняет мосты, это снижает спрос на оболочку здания.

Дизайн-соображения: соответствие коду и производительность всей стены

Многие современные энергетические коды, включая Международный кодекс по энергосбережению (IECC) и ASHRAE 90.1, требуют, чтобы тепловые характеристики стен оценивались на основе сплошной стенки. Это означает, что проектировщики должны учитывать все линейные и точечные тепловые мосты, а не только R-значение изоляции. Соответствие обычно включает в себя расчет общего U-значения с использованием средневзвешенных по площади или моделирования конечных элементов. Некоторые коды позволяют предписывающее соответствие для определенных типов стен, но бетонные блочные стены часто требуют более детального подхода.

В частности, в коммерческом строительстве наличие каменных стен с тяжелыми структурными соединениями (например, стальные колонны или бетонные плиты) может затруднить соответствие коду без добавления значительной внешней изоляции. Например, общая 8-дюймовая бетонная стенка с изоляцией полости и непрерывным 4-дюймовым наружным слоем пены может достигать значения R-полосы от примерно R-15 до R-20 в зависимости от качества установки. Без внешней изоляции та же стена может давать только R-5 до R-8.

Инструменты для анализа

Несколько программных инструментов и онлайн-калькуляторов доступны, чтобы помочь дизайнерам оценить эффекты теплового мостика. Программа THERM от Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обеспечивает двумерное моделирование теплопередачи. Строительная научная корпорация веб-сайт предлагает многочисленные тематические исследования и руководства для сборок каменной кладки. Кроме того, Институт изоляции предоставляет ресурсы для непрерывной изоляции и смягчения теплового мостика.

Примечание: Для дальнейшего чтения по тепловым характеристикам всей стенки и количественным данным о тепловом мостинге в каменной кладки, обратитесь к Страница тепловых характеристик всей стены Министерства энергетики США .