CC BY
51
строительная теплофизика и энергосбережение
Пути повышения эксплуатационных качеств наружных ограждающих конструкций зданий, имеющих помещения с влажным и мокрым режимами эксплуатации
В.А. Козлов
На данном этапе развития строительной отрасли и всего народного хозяйства нашей страны особое внимание уделяется проблеме экономии топливноэнергетических ресурсов. Основной задачей строительной отрасли является создание и внедрение в практику строительства энергоэффективных наружных ограждающих конструкций зданий, которые обеспечивали бы их высокий уровень теплозащиты и долговечности при минимально возможных энергозатратах в процессе эксплуатации. При этом повышенное внимание в решении поставленной задачи должно уделяться, наряду с вновь строящимися зданиями, большому эксплуатационному фонду существующих зданий, на которые приходится основная часть всей потребляемой в строительстве тепловой энергии.Таким образом, основным направлением в решении поставленной задачи энергоресурсосбережения в строительстве является минимизация энергозатрат и сокращение потребления тепловой энергии существующими эксплуатируемыми зданиями. Данная проблема неразрывно связана с повышением эксплуатационных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий путем улучшения их теплотехнических (теп-ло-и влагозащитных) качеств. Особенно острой и актуальной эта проблема является для эксплуатируемых зданий, имеющих помещения с влажным и мокрым режимами эксплуатации. В соответствии с п.4.3 и таблицей 1 [1] помещения зданий с мокрым и влажным режимами эксплуатации в холодный период года классифицируются в зависимости от относительной влажности(фв, %) и температуры внутреннего воздуха(/в, °С) Так, к помещениям с влажным режимом эксплуатации следует отнести помещения в которых относительная влажность внутреннего воздуха (фв, %): будет > 75,0% (при температуре внутреннего воздуха(/в, °С < 12 °С); 60,0% < фв < 75,0% (при 12 °С < ^ < 24 °С и 50,0% < фв < 60,0% (при ^ > 24 °С). К помещениям с мокрым режимом эксплуатации относятся помещения в которых относительная влажность внутреннего воздуха (фв, %): будет > 75,0% (при температуре внутреннего воздуха (12 °С < +в < 24 °С)
и > 60,0% (при +в > 24 °С). К числу таких зданий относятся предприятия деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности(цеха обработки и сушки древесины), предприятия бытового обслуживания населения (бани, прачечные, оздоровительные центры), спортивные здания (плавательные бассейны). К этой же категории зданий относятся некоторые предприятия пищевой промыш-ленности(молочные комбинаты,заводы плавленных сыров), а также отдельные сельскохозяйственные и животноводческие здания и сооружения. Распространены такие здания и среди предприятий железнодорожного транспорта(промывочно-пропарочные станции (ППС),цеха по обмывке подвижного состава, дезпромстанции и санпропускники). В процессе эксплуатации наружные ограждающие конструкции таких зданий интенсивно увлажняются технологической и конденсационной влагой. При высокой относительной влажности воздуха в помещении на поверхностях наружных стен и покрытий выпадает обильный конденсат, даже если их теплозащитные свойства отвечают нормативным требованиям. Нередко он стекает по стенам или в виде капель падает с потолка. Переувлажнение ограждений таким образом происходит в основном за счет впитывания поверхностного конденсата и конденсации проникающих внутрь ограждений водяных паров воздуха помещений. Эти явления становятся возможными потому, что парогидроизоляционная способность широко применяемых отделочных покрытий (цементно-песчаной штукатурки, облицовки глазурованной и керамической плиткой), которые часто выполняют и влагозащитные качества обычно невелика. Специальные традиционные пароизоляционные покрытия (окрасочные,мастичные,оклеечные), являющиеся основой пленочного метода парогид-роизоляции ограждений, сравнительно быстро (в течение 3—10 лет) теряют свои влагозащитные качества,т. к. являются недолговечными. Своевременное же периодическое их восстановление осложняется скрытым расположением парогидроизоляционных покрытий и неизбежным разрушением (при их замене) дорогостоящей отделки. При наличии оклеечной парогидроиозяции (из рулонных ма-
строительная теплофизика и энергосбережение
териалов) замене подлежит и прижимная конструкция — стенка в полкирпича или штукатурка по металлической сетке. Немаловажное значение имеет и скрытое расположение влагозащитного слоя, исключающее получение информации о его техническом состоянии. Таким образом, накапливаясь, по указанным выше причинам, в ограждающих конструкциях таких помещений, влага снижает их теп-лотехнические(тепло- и влагозащитные), а следовательно и эксплуатационные качества. Характерными последствиями такого увлажнения являются увеличение теплопроводности, высолы,загрязнение поверхности, изменение цвета отделочного слоя и преждевременный износ или разрушение парогидроизоляционного слоя. С целью ликвидации этих недостатков, в строительной практике стали использовать различные приемы и методы, позволяющие предотвратить или ослабить неблагоприятное воздействие на ограждающие конструкции эксплуатационной влаги помещения. Так трудности в обеспечении надежности (безотказности, долговечности, ремонтопригодности) парогидроизоляции ограждающих конструкций привели к появлению таких планировочных решений зданий, при которых помещения с влажным и мокрым режимами эксплуатации располагаются в окружении помещений с более благоприятной внутренней средой, что исключает таким образом, наличие в мокрорежимных помещениях наружных стен. Такой метод получил название метода центрической планировки зданий. Однако, данный метод вызывает серьезные возражения санитарных врачей и гигиенистов в связи с тем, что помещения с мокрым и влажным режимами эксплуатации оказываются лишенными прямого естественного освещения и проветривания, а отсутствие светопроемов неблагоприятно сказывается на психическом состоянии людей.
Отсутствие надежных способов защиты наружных ограждающих конструкций зданий, имеющих помещения с повышенной влажностью внутреннего воздуха, от увлажения эксплуатационной и конденсационной влагой, привело к появлению различных конструктивных способов защиты, сущность которых сводилась к устройству в толще ограждений таких помещений, вентилируемых каналов и продухов различной формы поперечного сечения. Появились и конструкции наружных стен с вентилируемыми каналами,-соединенными с механической системой подачи воздуха. Так О.Ф.Орефьевым было предложено обдувание внутренней поверхности стен цехов с агрессивной внутренней средой сухим подогретым воздухом общеобменной вентиляции здания, подаваемым снизу вверх через плоские щели между стеной и перекрытием над техническим этажом [2].
А.Г. Гиндоян предложил обдувать стены зданий, имеющих помещения с повышенной влажностью внутреннего воздуха, сухим подогретым воздухом, подаваемым со стороны подвесного потолка в вентилируемую воздушную прослойку, устраиваемую у внутренней поверхности стены с помощью установленного со стороны помещения специального защитного экрана [3].
К.М. Черемисов теоретически обосновал и предложил новый способ парогидроизоляции наружных стен, получивший название «воздушная паргидрои-золяция» [4]. Сущность предложенного метода заключается в том, что у внутренней поверхности наружного ограждения устанавливается экран (из влагостойких материалов) на относе от стены с образованием вентилируемой воздушной прослойки, в которую подается сухой и подогретый воздух механической системы вентиляции здания. При этом, воздух в прослойку подается с одной стороны (например, со стороны пола), а выводится с другой противоположной стороны ограждения (например, со стороны потолка) и может использоваться, как для защиты от перемещения влаги из помещения в ограждение,так и для вентиляции и воздушного отопления помещения. Применение данного способа парогидроизоляции позволяет предотвратить неизбежное во многих случаях выпадение конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений с традиционной парогидроизоляцией при повышенном температурно-влажностном режиме помещений. Таким образом будет устранен один из интенсивных источников увлажнения ограждающих конструкций — постоянное мокрое состояние их поверхностей, стекание конденсата по стенам и окап-ливание помещений с потолка.
В работе [5] приводится инженерная методика теплофизического расчета наружных ограждений зданий с внутренней вентилируемой воздушной прослойкой с учетом выбора оптимальной толщины прослойки в совокупности с расчетными параметрами воздуха, поступающего в нее(температура воздуха поступающего в прослойку — ^ol °С и парциальное давление водяного пара воздуха, поступающего в прослойку — ео, Па), что способствовало бы созданию в помещении необходимого гигро-термического комфорта. Как показал анализ температурных полей, наиболее низкая температура устанавливается на поверхностях наружного ограждения у выхода воздуха из прослойки (или у последнего по ходу движения воздуха вентиляционного отверстия). Так, для наружной стены наиболее низкая температура устанавливается на поверхностях стены под перекрытием(потолком), т.е. для про-
строительная теплофизика и энергосбережение
слойки высотой Ь, эта температура п ^ дет определяться по формуле:
К.п.Н = *о ' еХР|(-А/Д) ■ Ь\ +
+ Б/А ■ [1 - ехр\(-А/Д) ■ Ь\],
°С) бу- на формула для определения парциального давления
(1)
где коэффициенты А, Б и Д определяются по следующим соотношениям:
А = R К
ИВ ИН
- К К
ОВ он
(К + К ) + к
' ОВ он'
с (К Р + К Р )
' ИН В ИВ н'
К с Р
ОВ ОН В
(КИВ + КИН) -(2)
Б = К К (К і + К і) + К
ИВ ИН ^ ОН В ОВ н'
К с Р
ОВ ОН В
і + К
ИН В И
і) - К
К
ОВ ОН
с (К Р і + К Р і )
' ИН В В ИВ Н Н'
Д = К К К К с
■ * АС Аи и
(3)
(4)
где:
t , t — температуры воздуха помещения и наруж-
V О Л
ной среды, С;
£ов, £он — сопротивление теплопередаче, соответ-ственно,внутренней (экрана) и наружной (теплоизолирующей) частей ограждающей конструкции, м2 ■ °С/Вт;
R, &ин — сопротивление воздухопроницанию, со-ответственно,внутренней (экрана) и наружной (теплоизолирующей) частей ограждающей конструкции, м2 ■ ч ■ Па/кГ;
Рн, Р , Рвп — давление воздуха, соответственно,-наружной среды,помещения и во внутренней вентилируемой воздушной прослойке, Па; с — удельная теплоемкость воздуха, кДж/кГ °С; до — удельный расход воздуха в прослойке, отнесенный к ее ширине в 1 метр, кГ/ч ■ м.п.
В работе [5] приводится также полученная на основе решения уравнения теплового баланса формула для определения температуры воздуха (/о, °С), поступающего во внутреннюю вентилируемую прослойку при которой, во-первых, исключается выпадение конденсата на поверхностях прослойки, и, во-вторых, обеспечивается требуемый воздушно-тепловой режим помещения:
воздуха (е , Па) в произвольном сечении у:
пн + КПВ ) - Єв^пн - °Лв
1/ 25 І£пнІЇПвЦдо
(6)
где Rпв, Rпн — сопротивления паропроницанию, соответственно, внутренней (экрана) и наружной (теплоизолирующей) частей стены, м2 ■ ч ■ Па/кГ;
П — удельная влагоемкость воздуха, кГ/(кГ ■ Па).
Для случая, когда вентиляция внутренней вентилируемой воздушной прослойки будет осуществляться подогретым наружным воздухом, то ео = ен, а парциальное давление водяного пара воздуха у выхода из прослойки высотой Ь будет определяться по формуле:
= е„ +
[*пн (в - ен )] Н
1-251*пн1*пв цд0
(7)
В этом случае для предотвращения выпадения конденсата необходимо обеспечить выполнение следующих двух условий:
е < Е и е
В В В
< Е
где Ев, Е" в ь — максимально-возможное парциальное давление насыщенного водяного пара воздуха помещения и воздушной прослойки, соответствующие температурам внутренних поверхностей экрана (т ) и внешней части стены (т ,) под перекры-
вж н. в. Ь
тием(у потолка), Па.
При этом температура наружной поверхности внутренней вентилируемой воздушной прослойки (тн ь) у выхода воздуха из нее будет определяться по формуле:
*в.п.Ь (он ав.п.н - 1) + )н
*он ав.п.н
(8)
где ав п н — коэффициент теплоотдачи наружной поверхности внутренней воздушной прослойки стены, Вт/м2 °С:
о =
9асА?ов Аів - Б(1- ехр -А Д ) - АБИ - БД ехр — И Д І I Д Б + + *вИА
А АКоВ9аС еХР -Ан Д - Д Ц - ехр — И Д I
(5)
В результате решения аналогичного дифференциального уравнения влажностного баланса воздуха в элементе Ыу воздушной прослойки, расположенном на расстоянии у (по высоте прослойки) получе-
а = а
В. П. Н
+ а
(9)
в.п.н(луч) в.п.н(конв)’
Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности внутренней вентилируемой воздушной прослой-
3 2010 393
строительная теплофизика и энергосбережение
ки за счет излучения подсчитывается по известном эмпирической формуле [6]:
откуда:
а
. п. н(луч)
= Є с Ь ф.
пр О '
(10)
0,2
а,
0,94 ) ■ Мв^
ср
.П.НІКОНВ) / э \ /
( + 3 • 10-3 ів.п.ср )в.
0,5
(11)
ав
3,17 (уВшП
(*ова -1) + К.п.і
*оеае
(13)
Ен.в.Н Єо(пр)
[ео{пр) + Я„.в) - ев*„.н - ен11п,в ] И
'о(пр)
1-25Яп.НЯп.вПЯоЕн.в.Н -{евЯП.н + енЯП.в ) 1- 25Яп.нЯп.вП9о - ( + Яп.в ) Л
(15)
Для определения коэффициентов теплоотдачи конвекцией можно пользоваться формулами, полученными из критериальных уравнений М.А.Михеева [7] для вертикальных теплообменивающихся поверхностей:
При ламинарном движении воздуха в прослойке (число Re < 2,3 х 103):
Решая уравнение ( 14 )относительно до можно получить формулу для расчета минимально-требуемого удельного расхода воздуха до(тр) кГ/ч ■ м.п. в прослойке, исключающего выпадение конденсата на ее поверхностях:
[{ев£П.н + ен£П.в ) - ео(пр) ( + £п.в )] Н до(тр) - . (16)
1-25 Яп.нЯп.в ЩЕН,
:.Ь + во(пр) )
где увп — средняя скорость воздуха в вентилируемой прослойке, м/с;
A^в п ср — средний температурный перепад между температурой воздуха прослойки и температурой
V О л
ее поверхностей, С;
+в п с — средняя по длине вентилируемой прослойки температура воздуха, С.
<^жв — эквивалентный диаметр вентилируемой прослойки, м.
Для турбулентного движения воздуха в прослойке (число Re > 2,3 х 103):
Поскольку,основной задачей теплофизического расчета параметров воздушной парогидроизо-ляции является определение таких теплотехнических показателей воздуха прослойки, которые с одной стороны исключали бы выпадение конденсата на ее поверхностях, а с другой стороны обеспечивали бы требуемый воздушно-тепловой баланс помещения, в качестве целевой функции Р(у), подлежащей процессу минимизации необходимо принять разность между парциальным давлением водяного пара воздуха, поступающего во внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку (ео, Па) и его предельно-допустимым значением (^о(пр), Па), т.е.
п.н(конв) I 3 \, N02 (12)
1 + 6,52 • 10-3і )(сі Г2 ■ (12)
і і IV і в.П.ср I V ЖВ )
Р(у) = ес - ео{пр) = е0 -
- изКп.н1*п.вПд0Ен.в.н - {ев^п.н + ен*п.в) 1.251?П,Л.ВЧ90 -( + 1?п,в)
. (17)
Температура внутренней поверхности экрана вентилируемой воздушной прослойки (тв эк ь) у выхода воздуха из нее будет определяться по формуле:
где ав — коэффициент теплообмена внутренней поверхности экрана вентилируемой воздушной прослойки, обращенной в сторону помещения, Вт/м2 °С.
Предельно-допустимое значение парциального давления водяного пара ео(пр), Па с которой должен поступать воздух во внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку стены, не вызывая при этом процессов конденсатообразования, будет определяться из следующего соотношения:
1,25я я впд„
' п. н п. в • ”о
, (14)
Применение воздушной парогидроизоляции открывает возможность широкому использованию эффективных теплоизоляционных материалов для возведения стен мокрорежимных помещений. Наличие с внутренней стороны таких ограждений сухого (ео < ео(пр), Па) и подогретого до определяемой расчетом температуры (/о, °С) воздуха гарантирует их безотказное функционирование в течение всего заданного срока службы. Ограждающие конструкции с воздушной парогидроизоляцией позволяют размещать помещения с повышенной влажностью внутреннего воздуха непосредственно у наружных стен. При этом внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку целесообразно считать дополнительным элементом ограждающих конструкций для помещений с мокрым и влажным режимами эксплуатации. Это позволит возводить все соответствующие элементы здания из отднотипных изделий и только в пределах мокрорежимных помещений устраивать, например, специальные панели с каналами, расположенными у внутрен-
394 3 2010
строительная теплофизика и энергосбережение
ней их поверхности, которые специально будут использоваться для создания воздушной парогидроизо-ляции. Кроме того, экран образующий внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку, может быть выполнен из сборных тонкостенных железобетонных или влагостойких панелей или плит с герметизацией стыков между элементами. Вентиляционные распределительные короба для подачи воздуха во внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку необходимо размещать вдоль стен под полом или на полу, под перекрытием или в углах помещений. При этом площадь поперечного сечения вентиляционного короба и приточных отверстий в нем назначаются расчетом из условия обеспечения равномерного поступления воздуха в прослойку [8]. В потолочную прослойку воздух может подаваться из прослойки стены. Вентиляционные отверстия предназначенные для вывода воздуха из прослойки в помещение, необходимо устраивать в экранах для обеспечения необходимого воздухообмена в помещении и требуемого, в соответствии с расчетом, расхода воздуха. Равномерное распределение воздушного потока по объему помещения может быть достигнуто при помощи потолочного перфорированного экрана, который целесообразно применять при малых скоростях воздуха (0,1 < Увп < 0,3 м/с) и относительно небольшой кратности воздухообмена [9].
Данный способ воздушной парогидроизоляции стен зданий с влажным и мокрым режимами экспуатации защищен двумя авторскими свидетельствами на изобретения [10, 11]. Рекомендации по устройству воздушной парогидроизоляции приведены в «Инструкции по эксплуатации жилых зданий в Северной климатической зоне» [12], а также в Руководстве по защите наружных стен ж.д. зданий от увлажнения [9]. Предложенный способ парогидроизоляции успешно применен на ряде эксплуатируемых и проектируемых объектов: при реконструкции плавательного бассейна в г.Архангель-ске(проектная организация Гипрокоммунстрой), строительстве бани с бассейном по ул.Фабрициуса в г.Москве (Мосгражданпродторгпроект ГлавАПУ), при реконструкции плавательного бассейна базы отдыха «Энергетик» в г.Конаково Тверской области, а также при парогидроизоляции фрагмента наружной стены солеплавильного цеха завода плавленых сыров МПО «Молоко». Проведенные исследования показывают высокую осушающую способность воздушной парогидроизоляции, что позволяет при строительстве зданий с мокрым и влажным режимами эксплуатации, а также и с химически агрессивными средами, возводить стены из эффективных теплоизоляционных материалов. Воздушная парогидроизоляция может с успехом применяться как при строительстве новых, так и при капитальном ремонте эксплуатируемых зданий в любом климатическом районе страны.
Литература
1. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», М.,ФГУП ЦПП, 2004.
2. Орефьев О.Ф.Теплофизические свойства ограждающих конструкций промышленных зданий с влажным режимом в условиях Крайнего Севера: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.:МИСИ,1971.
3. Гиндоян А.Г. Основные задачи натурных исследований производственной среды и состояния строительных конструкций промышленных зданий/ / Сб. науч. трудов ЦНИИПромзданий «Износ и защита конструкций промышленных зданий». М.: ЦНИИПЗ, 1974, вып.6.
4. Черемисов К.М. «Вентиляционный метод парогидроизоляции ограждающих конструкций помещений с мокрым режимом» / / Межвузовский сборник «Вопросы повышения качества проектирования и эксплуатации зданий железнодорожного транспорта». М.: МИИТ, 1980, вып. 675.
5. Козлов В.А. Наружные ограждающие конструкции зданий с повышенной влажностью воздуха внутри помещений: Автореф. дис. канд.техн.наук. М.:НИИСФ,1998.
6. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. Учебник для вузов. М: Высшая школа, 1982.
7. Михеев В.А. Основы теплопередачи. М.: Госэнергоиздат,1961.
8. Черемисов К.М.,Козлов В.А. «Проектирование наружных стен железнодорожных зданий с мокрым режимом эксплуатации» / / Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. М.: МИИТ, 1983.
9. Черемисов К.М.,Козлов В.А. и др. Руководство по защите наружных стен ограждающих конструкций зданий железнодорожного транспорта от увлажнения. М.: Транспорт, 1987.
10. Авторское свидетельство СССР №1518466 «Способ осушения стен, реконструируемых зданий с мокрым режимом эксплуатации»// Черемисов К.М.,Козлов В.А.,Хомутов А.Ф.,Суров Ю.А. Б.И. №40, 1989.
11. Авторское свидетельство СССР №1730383 «Способ осушения стен зданий с влажным и мокрым режимами эксплуатации»// Козлов В.А.,Хомутов А.Ф. Б.И. №16, 1992.
12. Черемисов К.М., Козлов В.А. «Рекомендации по воздушной парогидроизоляции наружных стен» / / Инструкция по эксплуатации жилых зданий в Северной климатической зоне. М.: Стройиз-дат, 1987.
строительная теплофизика и энергосбережение
Пути повышения эксплуатационных качеств наружных ограждающих конструкций зданий, имеющих помещения с влажным и мокрым режимами эксплуатации
Представлен новый способ парогидроизоляции помещений с влажным и мокрым режимами эксплуатации — воздушная парогидроизоляция. Приведены формулы для расчета параметров воздуха, поступающего во внутреннюю вентилируемую воздушную прослойку, которые с одной стороны, исключают выпадение конденсата на поверхностях прослойки и внутренней поверхности стены, а с другой стороны, обеспечивают требуемый воздушно-тепловой режим помещения, т.е. внутренняя вентилируемая воздушная прослойка используется в качестве воздуховода системы воздушного отопления и вентиляции здания,имеющего помещения с влажным и мокрым режимами эксплуатации.
Ways of increase of operational qualities of external protecting designs of the buildings having the premises with moist and wet modes of exploitation
by V.A. Kozlov A new way waterproofing premises with moist
and wet operation modes — air waterproofing. Formulas for calculation of parameters of air arriving in an internal ventilated air layer, which on the one hand, exclude condensate loss on surfaces of a layer and on an internal surface of a wall are resulted, and on the other hand provide a necessary air-thermal mode of a premise, i.e. the internal ventilated air layer is used as an air line of system of air heating and ventilation of the building having premises with moist and wet modes of operation.
Ключевые слова: воздушная парогидроизоляция; внутренняя вентилируемая воздушная прослойка; внутренний экран; теплоизолирующая (наружная) часть стены; осушающий эффект; воздушнотепловой режим помещения; температура и давление водяного пара воздуха,поступающего в прослойку.
Key words: air waterproofing; an internal ventilated air layer; the internal screen external part of a wall; draining effect; an air-thermal mode of a premise; temperature and pressure of water steam of air arriving in a layer.
