Утепление балконов и консольных полов – сравнительное исследование тепловых и энергетических аспектов | HTflux

Утепление балкона и консольного пола – сравнительное исследование тепловых и энергетических аспектов

В исследовании сравниваются различные методы изоляции консольной плиты (например, балкона). Исследование охватывает только энергетические (теплопотери) и тепловые аспекты различных случаев. Экономические, эстетические и конструктивные аспекты также должны быть рассмотрены, но они не являются частью этого обзора.

При оценке теплового моста необходимо учитывать два различных эффекта:

1. Локальное снижение температуры поверхности, вызванное тепловым мостом
   Снижение температуры характеризуется путем оценки самой низкой температуры внутренней поверхности. Эта температура должна оставаться выше точки росы, чтобы избежать образования конденсата на стене или потолке. Однако, как правило, требуется, чтобы температура также находилась выше так называемой «температуры пресс-формы». При этой температуре воздух в помещении достигает уровня влажности 80%. Когда уровень влажности 80% достигается или превышается в течение длительного периода, очень вероятно образование плесени.
2. Дополнительные потери тепла из-за теплового моста
   Так называемое «значение U» отражает потери тепла на квадратный метр (кв. фут) стены при разнице температур в один градус. По аналогии значение Ψ («psi») или линейный коэффициент теплопередачи используется для характеристики потерь энергии линейного теплового моста. Соответственно он измеряет потери тепла на погонный метр конструкции при разнице температур в один градус.

Граничные условия

Имитационная модель предполагает наличие консольного балкона и обогрева обоих этажей. Температура внутри 20°C, а снаружи -5°C. Точка росы и температура плесени рассчитываются исходя из предположения, что относительная влажность в помещении составляет 60%.

Помимо минимальной температуры, существует так называемый температурный коэффициент f*._RSI был рассчитан. Значение описывает падение температуры независимо от фактической разницы температур.

Модели

Модель состоит из железобетонной плиты, образующей консольный балкон длиной 150 см (от внешней поверхности стены). Плита имеет толщину 20см.

Исследуются два различных типа стеновых конструкций, поскольку эффект теплового моста зависит от проводимости стены:

Что касается изоляции, было проанализировано 12 различных случаев:

• без изоляции (ссылка)
• внутренняя изоляция – вкладыш из изоляционной панели 50 х 2 см
• внутреннее утепление – клин утеплителя в углу 50 х 10 см (ниже штукатурки)
• терморазрыв – терморазделенный балкон – (Isokorb модель KXT 30 R90)
• внешняя изоляция – толщина: 8см (λ=0,038 Вт/мК)различная длина: 30см, 75см, 120см, полная
• внешняя изоляция – толщина: 16см (λ=0,038 Вт/мК)различная длина: 30см, 75см, 120см, полная

Следовательно, всего было обработано 2 x 12 симуляций. (для получения более подробной диаграммы и таблицы были обработаны дополнительные длины для корпусов внешней изоляции). Ниже вы найдете графическое представление различных случаев моделирования:

Варианты моделирования «каменная стена»

8см внешняя изоляция l=30см

16см внешняя изоляция l=30см

8см внешняя изоляция l=75см

16см внешняя изоляция l=75см

8см внешняя изоляция l=120см

16см внешняя изоляция l=120см

8см внешняя изоляция l=полная

16см внешняя изоляция l=полная

Варианты моделирования «бетонная стена»

8см внешняя изоляция l=30см

16см внешняя изоляция l=30см

8см внешняя изоляция l=75см

16см внешняя изоляция l=75см

8см внешняя изоляция l=120см

16см внешняя изоляция l=120см

8см внешняя изоляция l=полная

16см внешняя изоляция l=полная

Результаты симуляции

В соответствии с местными стандартами Австрии и Германии расчеты минимальной температуры поверхности проводились при повышенном сопротивлении внутренней воздушной пленки R_si=0,25 м²К/Вт. Расчеты тепловых потерь (значения Ψ) проводились при стандартном сопротивлении воздушной пленки R_si=0,13 м²К/Вт.
Поскольку симуляции раскрывают много интересных деталей, все изображения температуры и теплового потока для каждой симуляции доступны в нижней части этой статьи. После того, как вы нажмете на изображения в таблицах, вы сможете просмотреть их в более высоком разрешении. Количественная оценка минимальных температур и потерь энергии представлена ​​в таблицах и сравнительных диаграммах ниже.

Сравнение минимальных температур поверхности

В результате теплового моделирования были получены следующие минимальные температуры поверхности:

Легче сравнивать результаты, отображаемые в виде диаграмм:

Примечание: указанные точки росы и температуры плесени действительны для внутреннего климата 20°C/60% относительной влажности.

Сравнение потерь энергии / значений Ψ

Что касается потерь энергии/тепла, моделирование приводит к следующим результатам:

снова отображается в виде диаграмм для облегчения сравнения:

Заключение и интерпретация

Различные воздействия на кирпичную кладку или бетонные стены

Важным результатом исследования является то, что эффект теплового моста консольного пола различается в зависимости от материала стены. Хотя, с одной стороны, высокая проводимость бетонной стены увеличивает потери энергии, с другой стороны, она помогает предотвратить низкие температуры поверхности. Стена с высокой проводимостью способна подавать дополнительное тепло в проблемную угловую область, что может значительно снизить риск образования росы или плесени. Иными словами, можно сказать, что современный (хорошо изолирующий) кладочный материал помогает снизить потери энергии, но может увеличить минимальный температурный риск в местах соединения, подверженных тепловым мостам. Это относится и к другим классическим элементам теплового моста, например, оконным соединениям.

Внутреннее утепление консоли или балкона

В соответствии с только что проведенным различием следует различать влияние внутренней изоляции на конструкцию с бетонной стеной и влияние на современную конструкцию из каменной стены. Использование местной внутренней изоляции (вкладыш или клин) на каменной конструкции стены может значительно повысить минимальную температуру поверхности в угловой зоне. С другой стороны, использование тех же элементов с железобетонной стеной не оказывает влияния на температуру поверхности или даже несколько отрицательно(!), так как снижает температуру плиты в зоне стыка.
С точки зрения потерь энергии влияние на каменную конструкцию незначительно, в то время как на бетонные стены практически не влияет. Причина опять же в высокой проводимости бетона, что позволяет тепловому потоку легко обходить элементы утепления.

Наружное утепление консоли или балкона

Основным результатом моделирования является то, что внешняя изоляция требует обширного или полного применения изоляционных панелей вокруг балкона. Консольная плита в основном соответствует конструкции охлаждающего ребра. Он имеет большую поверхность снаружи и высокопроводящую сердцевину внутри. По этой причине необходимо утеплить балкон достаточно толстой панелью и максимально полно. Случай односторонней изоляции, который здесь не представлен, практически неэффективен. При тщательном применении внешней изоляции можно значительно повысить температуру внутренней поверхности. В отличие от случая с внутренней изоляцией влияние температуры на бетонную стену теперь сильнее, чем на каменную.
Очевидно, что с точки зрения потерь энергии внешняя изоляция является лучшим выбором, чем внутренняя изоляция, однако она все же значительно отстает от значений, достигнутых при термическом разделении. Что касается сравнения с внутренней изоляцией, следует также учитывать, что внутренняя изоляция часто приводит к проблемам конденсации внутри конструкции. Однако по соображениям ясности эта тема не является частью этой статьи, но будет рассмотрена в следующей.

Терморазрыв (Изокорб)

Явно наилучшие результаты в отношении минимальных температур и особенно в отношении потерь энергии могут быть достигнуты при использовании термически разделяющего элемента. По сравнению с неизолированным случаем, термически разделенный балкон обеспечивает экономию энергии на 78% в случае с каменной кладкой и на 82% в случае с бетонной стеной. Даже по сравнению с корпусом с полной внешней изоляцией и панелями толщиной 16 см термическое разделение на 40 % эффективнее. Также с точки зрения минимальных температур поверхности термическое разделение явно достигает наилучших (=самых высоких) значений.
Высокая эффективность термической сепарации объясняется ее положением. Расположенный точно в изоляционном слое здания элемент должен изолировать наименьшую возможную поверхность. В этом случае тепловое разделение должно охватывать эффективную длину 20 см (толщина плиты), тогда как внешняя изоляция должна удерживать тепло на эффективной длине (поверхности) 320 см (две длины балкона плюс его высота).

Структурное/дизайнерское разделение

Следует отметить, что, если это возможно, конструктивно полностью отделенный балкон представляет собой идеальное решение с точки зрения снижения температуры и потерь энергии. Однако часто реализовать это решение невозможно по эстетическим, дизайнерским или другим причинам. Что касается этого исследования, случай структурного разделения не имеет значения, так как не будет теплового моста. В этом случае температура внутренней поверхности и энергетические характеристики соответствуют показателям плоской стены для бетонных стен (Ψ=0,000 Вт/мК) и лишь немного смещены для каменной стены (Ψ=0,025 Вт/мК).

Тепловое моделирование – просмотр температуры и результаты измерений

Примечание: минимальные температуры поверхности, показанные на изображениях ниже, были рассчитаны с повышенным сопротивлением воздушной пленки R_si=0,25 м²К/Вт. Расчеты значений Ψ, изотерм и температурных цветов основаны на моделировании со стандартным сопротивлением внутренней воздушной пленки (R_si=0,13 м²К/Вт).

Утепление бетонных балконов

Schock North America Терморазрыв конструкции закрепляется проволочными стяжками до укладки бетона.

Тепловой мост возникает, когда элементы здания (такие как балконы, края плит или парапеты) из материала с высокой теплопроводностью (например, бетон или сталь) выступают через внешний изоляционный слой здания, позволяя тепловой энергии быстро передаваться из внутренней части здания в экстерьер. Архитекторы и инженеры использовали такие стратегии, как улучшенная изоляция, окна с тройным остеклением, теплообменники воздух-воздух и воздухонепроницаемые ограждающие конструкции, чтобы улучшить энергетические характеристики здания, но выступающие конструктивные элементы, такие как бетонные балконы, обеспечивают высокую теплопроводность для внутреннего тепла. рассеиваться в холодную внешнюю среду.

Schock North America Узел терморазрыва размещается поверх опалубки перекрытия перед укладкой стали и укладкой бетона.

Оставленные без внимания, бетонные балконы охлаждают внутренние плиты, в результате чего температура внутренней поверхности возле входа в балкон падает ниже точки росы, что приводит к конденсации, образованию плесени и порче материалов. Деградация бетонных балконов была огромной проблемой в многоэтажных жилых домах по всему миру. Скорость теплопередачи зависит, прежде всего, от разницы температур поперек теплового моста, теплопроводности выступающих материалов и площади поперечного сечения теплового моста.

Устранение тепловых мостов

Балконы Schock North America в местах разрывов иногда укрепляют арматурой с эпоксидным покрытием.

Schock North America Завершенный терморазрыв обеспечивает ровную поверхность как с внутренней, так и с внешней плитами.

Немногие североамериканские строительные нормы и стандарты в настоящее время точно определяют, как следует уменьшать тепловые мосты, но это меняется. Были проведены исследования, и комитеты по нормам и правилам изучают изменение строительных норм и правил, чтобы конкретно решить проблему тепловых мостов на балконах и других выступающих конструктивных элементах. Девелоперы также самостоятельно рассматривают возможность улучшения своей практики строительства, чтобы повысить ценность своих инвестиций.

Установка терморазрыва

В простейшем случае структурный термический разрыв представляет собой усиленный конструкционный шов, заполненный изоляцией. Арматурная сталь на внутренней стороне доходит до края плиты. Терморазрыв с 30-дюймовыми арматурными стержнями из нержавеющей стали, выступающими сверху с каждой стороны, располагается на краю плиты и привязывается проволокой к внутренней стали. Арматура в верхней части термического разрыва действует как натяжной элемент, поддерживающий консольную балконную плиту. Точно так же на плите внешнего балкона нержавеющая сталь привязывается к арматуре, которая иногда покрыта эпоксидной смолой. Балконная опалубка крепится при бетонировании.

«Применительно к плите, армированной мягкой сталью, это довольно просто», — говорит Нейт Ламбрехт, региональный менеджер по продажам и инженерно-техническому обслуживанию компании Schöck North America. «В основном вы создаете условие края плиты с 7-дюймовым зазором между плитой и балконом. Наши материалы просто попадают в этот зазор, где они эффективно действуют как блокиратор заливки на месте».

В нижней части узла терморазрыва находятся высокопрочные сжимающие модули, которые упираются в внутренние и балконные плиты и заполнены бетоном с пределом прочности на сжатие 17,500 XNUMX фунтов на квадратный дюйм. Это означает, что изоляция не несет значительной нагрузки. Для поддержки сжимающей нагрузки в нижней части термического разрыва в кромке плиты размещается дополнительная арматура. «Поскольку верхние стержни находятся в состоянии растяжения, модули сжатия в нижней части соединения взаимодействуют с соседними краями плиты», — говорит Ламбрехт. «Из-за этого требуется дополнительное внимание помимо типичной кромки плиты. Дополнительные продольные стержни и либо загнутые вниз стержни, либо U-образные стержни необходимы для придания ему жесткости, чтобы он не раскололся при включении модулей сжатия. Если у нас есть небольшие балконы, дополнительное усиление края не требуется, но если у вас большие консоли, мы собираемся убедиться, что этот край достаточно жесткий, чтобы поддерживать сборку в нижней части плиты».

Терморазрыв также можно использовать с настилами с пост-натяжением. «С PT очень просто разместить тупик, — говорит Ламбрехт, — вы просто размещаете его за термическим разделением, оставляя достаточно места для уплотнения бетона; там, где у вас должен быть доступ к работающему концу, вы просто оставляете пустоту между конструктивными модулями и создаете блок для доступа к арматуре на линии внутреннего края плиты. Затем подрядчик натянет, закрепит и обрежет арматуру, а также поместит изоляционный блок между конструкционными модулями, сохраняя непрерывность теплового разрыва».

Модули терморазрыва имеют стандартную длину, но при необходимости их можно легко разрезать ручной пилой, чтобы они соответствовали контуру балкона. Точно так же структурные термические разрывы производятся со стандартной инкрементной высотой до 10 дюймов в глубину. «Если глубина плиты превышает стандартную высоту, подрядчик чаще всего может просто добавить изоляционный материал», — говорит Ламбрехт. «Как производитель мы стараемся оптимизировать конструкции, используя модули полной длины и стандартной высоты, когда это возможно. Если есть области, где вам нужно еще 6 дюймов или даже фут, мы будем использовать наш изоляционный модуль, который фактически является телом термического разрыва без стержней и модулей сжатия для обеспечения непрерывности огня. Со стороны дизайна архитектору или инженеру просто нужно указать линию терморазрыва, и мы определим, какие материалы и где использовать, а также расстояние и выдадим рабочие чертежи».

Исследование тепловых мостов на балконах было проведено RDH Building Science: «Важность тепловых мостов краев плит и балконов» (24 сентября 2013 г.). Вывод исследования: «Когда края плиты или балконы включены в конструкцию здания, почти невозможно добиться соблюдения предписаний без использования какого-либо термического разрыва края плиты. Балконные терморазрывы значительно улучшают общее значение теплопроводности».

В исследовании RDH были рассмотрены четыре различных способа уменьшения тепловых мостов, вызванных бетоном на балконе, включая тепловые разрывы изготовленных специально изготовленных бетонных плит. Он пришел к выводу, что «моделирование продемонстрировало, что термическая и экономическая эффективность вырезов в конструкционных плитах, концентрированного армирования плит и полной изоляции балконов относительно низкая по сравнению с терморазрывами изготовленных плит, и поэтому дальнейшее исследование не проводилось. В целом, системы терморазрыва на кромке балконной плиты предоставляют проектировщикам архитектурную свободу, сохраняя при этом тепловые характеристики здания для снижения энергопотребления здания, повышения теплового комфорта и соответствия все более строгим требованиям строительных норм и правил».

Другое исследование, проведенное Schöck, пришло к выводу, что структурные термические разрывы обеспечивают эффективное термическое разделение в плите за счет замены сплошного железобетона в месте соединения оптимизированной структурной системой, состоящей из:

• Изоляционный материал, такой как пенополистирол, который не является конструкционным и составляет основную часть и площадь поверхности термического разделения.
• Арматурные стальные стержни, проходящие через изоляционный корпус термического разрыва, изготовлены из нержавеющей стали, проводимость которой всего на 30 % меньше, чем у углеродистой стали. Кроме того, их коррозионная стойкость повышает долговечность холодного соединения.
• Бетонные модули, которые изготовлены из бетона со сверхвысокими характеристиками, армированного стальной фиброй, чтобы свести к минимуму количество проводящего бетонного материала для повышения тепловых характеристик.

Эта сборка из стали и бетона обеспечивает необходимую прочность на сдвиг и изгиб в месте соединения.

Schock North America Консольные балконы, отделенные от строительной плиты термическим разделением, поддерживаются до тех пор, пока бетон не достигнет указанной прочности.

Предотвращение потери тепла и плесени
33-этажная башня LEED Platinum Tower в PNC Plaza в Питтсбурге имеет двойной фасад с внутренней и внешней стеклянной навесной стеной в качестве основного элемента стратегии энергосбережения. Между навесными стенами находится пешеходная поверхность, поддерживаемая консольной конструкцией балкона на 30 этажах. Чтобы предотвратить образование тепловых мостов, проектная группа компаний Gensler, BuroHappold Engineering и Heintges Consulting Architects & Engineers установила 1 милю структурных тепловых разрывов Schöck Isokorb типа «бетон-бетон» между внутренней стеной и ядром здания. Хао Ко, управляющий директор офиса Gensler в Сан-Франциско, пошутил: «Без терморазрыва это было бы все равно, что носить пуховик, но не застегивать молнию».

Schock North America Конструкционные терморазрывы Schock Isokorb для бетонных конструкций содержат изоляционные и несущие компоненты с арматурой, полностью залитой во внутренние и внешние бетонные конструкции в месте прохода.

Соблюдение строительных норм и предоставление ощутимой ценности
Хотя структурные тепловые разрывы в основном используются для повышения стоимости здания за счет предотвращения образования конденсата, роста плесени и потери тепла, они также позволяют разработчикам соответствовать меняющимся требованиям строительных норм и правил по всей Северной Америке. Структурные термические разрывы стали эффективным и экономичным решением для застройщиков, стремящихся улучшить эксплуатационные характеристики ограждающих конструкций и соответствовать все более строгим строительным нормам.