Воздухопроницаемость минераловатных изделий современного производства

Авторы: П.П. Пастушков, В.Г. ГАГАРИН

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 50.13330.2012 «СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий»).

В связи с широким распространением начиная с 2000-х годов в РФ навесных фасадных систем (НФС) с применением минераловатных изделий большую актуальность приобрел вопрос прогнозирования их теплозащитных свойств с учетом фильтрации воздуха в слое утеплителя [2-5]. В НИИСФ РААСН была разработана методика учета продольной фильтрации [6-8], а также проведен ряд экспериментальных исследований [9], которые послужили основой при разработке нового стандарта ГОСТ 32493-2013 «Материалы и изделия теплоизоляционные. Метод определения воздухопроницаемости и сопротивления воздухопроницанию». Методика данного стандарта последние несколько лет активно используется в секторе испытаний теплофизических характеристик строительных материалов лаборатории строительной теплофизики НИИСФ РААСН. При этом исследования по данной тематике описываются крайне редко [10-12].

В настоящее время ведется подготовка нового нормативного документа (свода правил) по проектированию НФС. Актуальными вопросами для специалистов в области строительной теплофизики при разработке этого документа являются: установка критерия по сопротивлению воздухопроницанию теплоизоляционного слоя (а до этого – обоснование необходимости введения такого критерия), а также устранение путаницы, возникающей 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».

Настоящая статья посвящена описанию исследований воздухопроницаемости современных минераловатных изделий из стеклянного и каменного волокна, а также выявленных при этом обобщенных зависимостей. Наряду с этим, в статье описаны новые методические наработки, полученные в ходе данных исследований, которые предлагается учесть при разработке и актуализации нормативных документов по данному вопросу.

Методика исследований воздухопроницаемости

Схема испытательной установки для определения воздухопроницаемости строительных материалов, реализующей методику отечественного стандарта ГОСТ 32493, приведена на рисунке 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
Fig. 1 Test setup for determining air permeability

При помощи компрессора и регулирующей арматуры последовательно (ступенчато) увеличивается поток воздуха через образец (в диапазоне измерений выбранного расходомера (ротаметра) воздуха с шагом в 5%, вплоть до верхнего предела измерений – 100%). При этом манометром на каждом шаге испытания измеряется соответствующий перепад давления по разные стороны от образца.

По результатам измерений вычисляют коэффициент воздухопроницаемости материала, i, кг/[м·ч·(Па)n], входящий в уравнение фильтрации воздуха (установленного на основании закона Дарси):

где G – плотность потока воздуха, кг/(м2· ч);
∆P – перепад давления, Па;
δ – толщина образца, м;
n – показатель режима фильтрации.

Для этого по зафиксированным значениям расхода воздуха, Qi, м3/ч, вычисляется значение плотности потока воздуха, проходящего через образец, Gi, кг/(м2·ч), по формуле:

где γв – плотность воздуха, кг/м3;
S – площадь лицевой поверхности образца, м2.

Далее, уравнение (1) представляется в виде (логарифмируется):

По экспериментально найденному набору данных {ΔPi, Gi} в логарифмических координатах строится график: ln (Gi) в зависимости от соответствующих ln (∆Pi). Значение показателя режима фильтрации n определяется, как тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой.

Коэффициент воздухопроницаемости материала, i, кг/[м·ч·(Па)n], после дополнительного построения в логарифмических координатах, определяется по формуле:

i=δ . exp(b), (3)

где b – ордината пересечения прямой с осью ln G.

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

Отдельной задачей являлось определение характеристик воздухопроницаемости, используемых в европейских нормативных документах (ГОСТ EN 29053): сопротивления продуванию потоком воздуха (airflow resistance), R, (Па∙с)/м3, удельного сопротивления потоку (airflow resistivity), r, (Па∙с)/м2, и воздухопроницаемости (air permeability), l, м3/(Памс), по найденной зависимости перепада давления от расхода воздуха через образец (по методике отечественного ГОСТ 32493). Для этого рассматривался участок массива экспериментальных данных при малых значениях расходов воздуха: от 1,5 м3/ч 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:

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 (air permeability), l, м3/(Памс), вычислялись, соответственно по формулам:

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

Результаты исследований воздухопроницаемости

Испытания проводились на образцах изделий 7 марок минеральной изоляции из стеклянной ваты производства ООО «УРСА Евразия», а также на 8 марках каменной ваты (разной плотности) на специальной экспериментальной установке НИИСФ РААСН, реализованной по описанной выше схеме – рис. 2. Испытания проводились на трех образцах каждой марки, представляющих собой квадратные пластины таких размеров, чтобы после закрепления в испытательной установке воздух проходил через сечение образца 200х200 мм.

Рис. 2 Экспериментальная установка по определению воздухопроницаемости
Fig. 2 Experimental setup for determining air permeability

Графическая обработка экспериментальных данных для минераловатных изделий из стеклянного волокна URSA представлена на рис. 3. Рядом с аппроксимирующими экспериментальные точки прямыми в логарифмических координатах выписаны определяющие их функции, по коэффициентам которых находились параметры уравнения воздухопроницаемости (1) для соответствующей марки.

Рис. 3 Графическое определение параметров уравнения воздухопроницаемости образцов минеральной изоляции URSA
Fig. 3 Graphical determination of the parameters of the equation of air permeability samples of URSA mineral insulation

Показатели воздухопроницаемости испытанных марок минераловатных изделий URSA, найденные по формулам (3)-(7), представлены в табл. 1. Все изделия имели толщину 50 мм за исключением одной – толщиной 20 мм (толщина изделия влияет на сопротивление воздухопроницанию).

Табл. 1 Показатели воздухопроницаемости минераловатных изделий из стеклянного волокна
Table 1 Indicators of air permeability of glass wool mineral insulation

Аналогичным образом получены показатели воздухопроницаемости для каменной ваты, которые представлены в табл. 2. Испытанные изделия из каменной ваты имели толщину 100 мм.

Табл. 2 Показатели воздухопроницаемости минераловатных изделий из каменного волокна
Table 2 Indicators of air permeability of stone wool mineral insulation

Анализ полученных результатов

По анализу полученных данных для испытанных марок минераловатных изделий из стеклянного волокна установлено, что показатель режима фильтрации примерно одинаков и в среднем равен 1,25. При этом для изделий из каменной ваты показатель режима фильтрации колеблется от 1 до 1,15 (необходимо дополнительно проверить – возможно ли принимать его для упрощения равным 1). Также темой дополнительных исследований может служить анализ причин установленных различий в показателях режима фильтрации для изделий из стеклянного и каменного волокна.

Установлено, что коэффициент воздухопроницаемости зависит от плотности изделий из стеклянной и каменной ваты – чем выше плотность, тем меньше коэффициент воздухопроницаемости (с асимптотическим стремлением значения коэффициента воздухопроницаемости к 0,05 кг/[м·ч·(Па)1,25] для стеклянной ваты и к 0,1 кг/[м·ч·Па] для каменной ваты при стремлении плотности материалов к максимальным значениям). Следовательно, имеется и обратная зависимость для сопротивления воздухопроницанию образцов – чем выше плотность изделия, тем больше сопротивление воздухопроницанию. Выпадают из общей зависимости изделия из стеклянного волокна, кэшированные стеклохолстом (при этом установлено, что сопротивление воздухопроницанию кэшированных изделий выше, чем у аналогичных изделий без покрытия стеклохолстом) и изделия двойной плотности из каменной ваты.

При анализе близких по сути характеристик воздухопроницаемости, принятых в отечественных и европейских нормах, определенных на одних и тех же марках минераловатных изделий: коэффициента воздухопроницаемости, i, кг/[м·ч·(Па)n], и воздухопроницаемости, l, м3/(Памс), а также сопротивления воздухопроницанию, Ru, [м2·ч·(Па)n]/кг, и сопротивления продуванию потоком воздуха, R, (Па∙с)/м3, в каждой из этих пар характеристик прослеживается зависимость, близкая к линейной. Однако разброс результатов не позволяет вывести коэффициента перевода из найденных характеристик по методике отечественного стандарта в характеристики из европейского.

В целом, обобщенное уравнение фильтрации воздуха (1), заложенное в основу отечественного стандарта ГОСТ 32493, позволяет более точно определить зависимость расхода воздуха через образец материала во всем диапазоне перепадов давления, в отличие от переведенного европейского стандарта ГОСТ EN 29053, но неудобство для специалистов составляет тот факт, что по определенному таким методом коэффициенту воздухопроницаемости невозможно сравнить различные материалы, если показатели фильтрации у материалов разные. При этом сравнивать показатели, определенные по европейскому стандарту ГОСТ EN 29053, справедливо только при условии малых перепадов давления по разные стороны от образца материала. На рис. 4 представлен график зависимостей воздухопроницаемости, l, м3/(Памс), от плотности изделий из стеклянной и каменной ваты (без учета марок, отличающихся по структуре). По анализу этого графика можно судить о близкой по характеру зависимости воздухопроницаемости от плотности изделий из стекленной и каменной ваты.

Рис. 4 Зависимость воздухопроницаемости минераловатных изделий от плотности
Fig. 4 The dependence of the air permeability of mineral wool products on the density

Заключение

По результатам проведенных исследований получены важные для практики показатели воздухопроницаемости для современных минераловатных изделий, которые возможно использовать при расчетах по методике раздела «Воздухопроницаемость ограждающих конструкций» СП 50.13330 [2].

Наряду с этим, 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. При этом следует установить единые границы расхода воздуха, в которых определяются характеристики воздухопроницаемости, принятые в европейских нормативных документах, т.к. фактически они зависят от выбранного диапазона (в отличие от характеристик, принятых в отечественных нормативных документах, которые описывают весь диапазон измерений).

Для обоснования необходимости введения критерия по сопротивлению воздухопроницанию теплоизоляционного слоя в НФС и нахождения его значения необходимо проведение комплекса натурных исследований. В настоящее время, использование некоторых значений воздухопроницаемости для разрешения либо запрета использования какой-либо марки минераловатных изделий в НФС научно ничем не обосновано.