CC BY
70
строительные материалы и конструкции
К вопросу о паропроницаемости ограждающих конструкций
В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин, А.Г. Хабибулина
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Известно, что под действием разности парциальных давлений водяного пара внутри (е ) и снаружи (е ) здания через ограждающие конструкции диффундирует водяной пар. Количество водяного пара (О), проходящего через ограждение в единицу времени прямо пропорционально разности (ев — ен) и обратно пропорционально сопротивлению паропроницания ограждения (Яп), которое, в свою очередь, зависит от свойств материалов и конструкции ограждения:
в = (е - е)/ Я .
в н п
(1)
Механизм увлажнения и высыхания ограждающих конструкций под действием парообразной влаги при ее конденсации описан в известной литературе [1-6]. Этот механизм положен в основу нормативных документов, действующих более сорока лет [8, 9], где основными являются два положения:
■ накопление влаги в ограждении за годовой период эксплуатации;
■ ограничения приращения влаги в ограждении — не более допустимого за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха.
Логика первого положения понятна — в летний период ограждение должно потерять всю влагу, накопленную в зимний период. В этом случае остается неясным, как повлияет на эксплуатационные
свойства ограждения парообразная влага, содержание которой возрастает в ограждении в зимний период.
Второе предположение допускает некоторое переувлажнение ограждений (его величина определена в нормах [9], но также не анализирует изменение эксплуатационных свойств ограждений в зимнее время (за период с отрицательными температурами наружного воздуха).
Конденсация влаги и теплопроводность материалов ограждений
В общепринятой практике содержание влаги в материалах выражают в процентах от массы (утеплители, органические материалы) или в процентах от объема (неорганические конструкционные материалы).
Следует обратить внимание на одно обстоятельство при конденсации парообразной влаги в ограждении, связанное с образованием плоскости или зоны конденсации. В обоих случаях за счет гидро-фильности, смачивания, всасывания влаги материалами будет увлажняться весь слой (а не только плоскость).
Масса конденсированной влаги Ок), отнесенная к массе единицы площади поверхности переувлажненного слоя (М ), даст прирост влажности М (% по массе):
Материалы Содержание влаги в воздушно-сухом состоянии, % Прирост г, на каждый % по массе или объему, % У/^% Увешчеже Увл, %
по массе по объему
Кирпич: полнотелый пустотелый Кирпич силикатный Тяжелый бетон Легкие бетоны на пористых заполнителях (керамзитобетон, перлитобетон, шлакопемзобетон) Ячеистые бетоны (газобетон, пенобетон) - 1 2 5 3 5 5 20 12,5 12 12 12 12 1,5 1,5 2,0 2,0 5 6 30 18,75 24 24 60 72
Фибролит, арболит цементный, 5 - 5 7,5 37,5
деревобетон
Минераловатные плиты и маты 5 - 2 7,5 15
Пенополистерол и
пенополиуретан 5 - 2 25 50
Примечание. Столбцы 2, 3, 4 взяты из работы Е.Шильда [4]. Столбец 5 - из табл.12 СНиП 23-02-2003, как допустимый предельный прирост влажности УУ , %. Столбец 6 получен перемножением данных столбцов 4 и 5.
Таблица 1. Процентное повышение коэффициента теплопроводности материалов (2) на каждый массовый или объемный процент прироста влажности.
строительные материалы и конструкции
УУ = (в / М ) 100%.
(2)
Объем конденсированной влаги (V), отнесенный к единице объема переувлажненного слоя (V ), даст прирост влажности УУ^ (% по объему):
Уоб = (V / V ) 100%.
(3)
С точки зрения теплозащиты, переувлажнение слоев приводит к увеличению теплопроводности материалов (X), а следовательно, к снижению общего сопротивления теплопередаче (£т) ограждающей конструкции в целом.
Прирост влажности материалов ограждений УУм и УУоб позволяет ввести коррективы в коэффициенты теплопроводности материалов:
— по массе: X = X (1+ У -г/100), %
(4)
— по объему: Хвл = X (1+ Уо6-г/100), %, (5)
где: X — коэффициент теплопроводности материалов, принятый при расчетах по нормативным документам; z — процент увеличения коэффициента теплопроводности переувлажненного слоя при увеличении его влажности на 1 процент по массе или объему.
В таблице 1 приведены количественные характеристики влажности материалов (столбцы 2 и 3) и прироста коэффициента теплопроводности материалов (ж ) (столбец 4), взятые из работы 4. В этой же таблице (столбец 5) приведены данные таблицы 12 СНиП [9] о допустимом предельном увлажнении материалов в ограждениях — АУ .
Можно видеть, что допустимое (по СНиПу) увлажнение материалов приводит к увеличению коэффициента теплопроводности на 15—72%. Подобное снижение теплозащитных свойств ограждений является существенным (и это в зимний период!), однако его учет нормативной литературой не предусмотрен.
Расчетные температуры наружного воздуха
В расчетах паропроницаемости ограждающих конструкций параметры внутреннего микроклимата (^ , фв, ев) определяются назначением помещения, принимаются в соответствии с ГОСТом [13] или СанПиНом [14] и относительно постоянны. Параметры наружного климата (^ , фн, ен) принимаются с различными обоснованиями в виде средних значений по различным периодам года.
Анализ работ по оценке паропроницаемости [1, 2, 6, 7, 9] позволил выявить ряд значений расчетных температур:
1) среднегодовую температуру;
2) среднюю температуру периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами;
3) среднюю температуру наиболее холодного месяца;
4) среднюю температуру холодного периода (обеспеченностью 0,94, столбец 6, табл.1, СНиП 23-01-99*);
5) температуру наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92).
так, например, для Москвы эти температуры выглядят так: 1) 4,1°С; 2) -6,58°С; 3) -10,2; 4) -15°С; 5) -28°С.
температуры различаются на десятки градусов, различным получается и результат расчетов: местоположение зоны и объемы возможной конденсации парообразной влаги в ограждениях.
Нам представляется, что средние значения (^ ) не моделирует и не выявляет процесс конденсации, а выбор расчетных (^ ) должен исходить из механизма конденсации влаги в ограждении.
Понятно, что в летнее время, когда внутренние и наружные температуры воздуха близки по величине, конденсация парообразной влаги в ограждениях в плоскости возможной конденсации (Е >>е) маловероятна. По мере снижения значений наружных температур (^ ) вероятность конденсации влаги возрастает (Е ), приближается к (е) в зоне возможной конденсации, а при некоторых значениях (^ ) становится стопроцентной (Е < е), т.е. при этой (^ ) назовем ее в ограждении конденсируется парообразная влага.
В реальном климате снижение температуры наружного воздуха до происходит многократно периодами различной продолжительности (Т ) при различных значениях (^ ). То есть, в реальных условиях эксплуатации действуют так называемые «волны холода» с параметрами (^ ) и (Т ), при действии которых периодически, различными порциями, в ограждении накапливается конденсированная влага.
Этот принцип не является новым для строительной теплофизики, он был положен в основу расчетной температуры наружного воздуха при оценке тепловой защиты зданий — это температура наиболее холодной пятидневки или суток (СНиП 23-0199*, столбцы 2, 3, 4, 5 табл.1).
Итак, средние значения (+н) показывают, что в ограждении нет конденсации влаги, а в реальных условиях эксплуатации с каждой новой «волной холода» с ^ ) в ограждении появляется новая порция конденсированной влаги.
Эти размышления проиллюстрируем рисунком, где представлена зависимость разности максималь-
строительные материалы и конструкции
ных (Е ) и действительных (е ) упругостей водяного пара в зоне возможной конденсации в зависимости от расчетных температур наружного воздуха (1 ). На рисунке 1 выделены две зоны: (Е > е) — нет конденсации, (Е < е) — конденсация. Расчетные точки на графике взяты из примеров расчета в СП 23101-2004 и приложение Э (•) работы Соловьева А.К. (X) для условий г. Москвы. В СП расчет приведен при 1 = —10,2°С (средняя температура наиболее холодного месяца), а у Соловьева А.К. — при 1 = —6,58°С (средняя температура периода с отрицательными среднемесячными температурами). Точки на графике при других значениях (1н) рассчитаны нами для конструкций ограждений, приведенных в цитируемых работах [6, 11].
Авторы рассматриваемых примеров делают выводы об отсутствии конденсации в ограждении и рисунок подтверждает этот вывод (температуры 2 и 3).
Вместе с тем понятно, что в Москве случаются «волны холода» с температурами — 15°С, — 18°С, —20°С и более низкими, а из рисунка видно, что при этих температурах в ограждающих конструкциях происходит конденсация парообразной влаги. Как следует из рисунка, не обнаружено большого расхождения в температурах конденсации для ограждений, сопротивление теплопередаче (Я ) которых различаются более, чем в три раза (• — Ят =3,64; х — Ят = 1,0). По-видимому, этот факт требует дополнительных исследований.
В метеорологической литературе отсутствуют систематизированные данные по «волнам холода» с различными (1н ) и (Тк ), однако, в первом приближении можно воспользоваться таблицей 3 СНиП II-А.6-72 «Повторяемость температур наружного воздуха в часах». В таблице СНиП выявлены температуры наружного воздуха по определенным градациям и продолжительность их действия в часах.
В качестве примера в таблице 2 приведен фрагмент таблицы 3 из СНиП 11-А.6-72 для г. Москвы, с некоторыми укрупнениями интервалов и количества влаги, конденсированной в ограждении для конструкций, рассмотренных в примерах из СП 23-1012004 и Соловьева А.К. [6, 11].
Представления о паропроницаемости ограждающих конструкций, изложенные в настоящей работе, и анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяют сделать ряд выводов:
1. В ограждающей конструкции при любых температурах наружного воздуха одновременно идут два процесса: увлажнения и высыхания.
и -
0 5
о =г
о га
Ё £
» й I
а) о
■ £
ш —
г §
81
га п
а. о
300
200
100
100
-100
536
■ -^ = 4,16, ^=5,4 . - 1?т = 3,64, 1?п =21,15у х - 1?т = 1,0, =6,42
9 ФФ Ф
-30 -20 -10 0 10
Расчетная температура наружного воздуха, °С
Рисунок 1. Конденсация парообразной влаги в ограждениях в зависимости от расчетных температур наружного воздуха для климатических условий г. Москвы:
(Г) (2, ...0 — расчетные температуры наружного воздуха (см. текст статьи); • — для ограждения из примера в СП [11]; х — для ограждения из примера 9 [6]; ■ — для климатических условий г. Благовещенска Амурской области.
2. Скорость диффузии водяного пара в ограждении с ростом температуры убывает в силу уменьшения разности (е — е ), а при уменьшении температуры — увеличивается.
3. В зимний период в ограждающей конструкции накапливается определенное количество конденсированной влаги, которое требует учета при оценке тепловой защиты здания.
4. Ограждающим конструкциям свойственен некоторый предел температур наружного воздуха (1 ), ниже которого происходит конденсация парообразной влаги в ограждении. Этот предел почти не зависит от сопротивления теплопередаче ограждения ( Я = 1,0, =—17°С; Я = 3,63, ^ =-16°С). Определяющим, по-видимому, является суровость климата местности (см. расчетные точки ■ на рисунке 1 для условий г. Благовещенска Амурской области).
5. Объемы конденсированной влаги в ограждении в большей степени зависят от величины сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций (Яп = 21,15 — 7352 мг/м2, Яп = 6,42 — 19527,8 мг/м2), чем от температуры наружного воздуха.
строительные материалы и конструкции
Конструкция ограждения из [6] прим. 9 Количество влаги остающееся в ограждении {О - С) Т, мг/м - 518.1 1941,6 4276,8 10575 1360,8 813.2 42,3 -464,8 -1568,7 -21331 «-V N * ГМ \ £ *
Скорость диффузии, мг/млч о 172.7 161.8 129,6 84,6 32,4 21,4 0,9 -8,3 -24,9 -83 Суммарное количество влаги, накопившееся в ограждении за время конденсации
при высыхании £5" Оч (V К ГО <П м' в.' » ^ О в
при увлажнении в 00 оотосотгячо'чти") ГО оС ГЧ~ 1Л ГО сГ 00 10 1Л ГЧГЧ*-«-0000>.0*00 ГЧГЧГЧ<"Ч1>|<"Ч<"Ч*-*-«-
Конструкция ограждения из СП [11] Количество влаги остающееся в ограждении {О - 0') Т, мг/м IV 143.1 577,8 1343,1 3575,0 760.2 566,2 291,4 95,2 -264,6 -4163,4 ГЧ ГЧ £ т \
Скорость диффузии, мг/м^-ч СО 47,7 48,15 40,7 28,6 18,1 14,9 6,2 1,7 -4,2 -16,2 Суммарное количество влаги, накопившееся в ограждении за время конденсации
при высыхании О' т "I. Ч "1 "Ч Ч чЧ'оо" О-" оГ ГО СО IV." — — <ЧГ0Г0'Ч,'Ч,1Л1Л'О
при увлажнении О ■Ч1 49 ¡^ —_ ГО «- -О IV Оч ГЧ
Продолжительность действия температур, Т, часы СП „.ГЦГО£)ГЧ001^"ОГО[^
Расчетные температуры наружного воздуха, "С принятая для расчетов гч ^"0ОГО<М»1ЧЧО1ЛГМ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
интервал - то1лоо>оо|^ч»1пгм гогогчгч — — — — — — 1111111111 тттттттттт оошоюо^сокою ГОГОГОГч*ГЧ>-*- — — — 1111111111
4 х О
5
К >.
а
а
а о
о С
Список литературы
1. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограж-
дающих частей зданий. — М.: СИ, 1973. — 278 с.
2. Ильинский В.М. Проектирование ограждающих
конструкций зданий (с учетом физико-климатических воздействий). — М.: СИ, 1964. — 295 с.
3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика,
учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982.
— 415 с.
4. Строительная физика / Е. Шильд, Х.-Ф. Кас-
сельман, Г. Даймен, Р. Поленц: пер. с нем.
— М.: СИ, 1982. — 296 с.
5. Блази В. Справочник проектировщика. Строи-
тельная физика: пер. с нем. — М.: Техносфера, 2005. — 536 с.
6. Соловьев А.К. Физика среды. Учебник: — М.:
Изд-во АСВ, 2008. — 344 с.
7. Перехоженцев А.Г. Нормирование и расчет теп-
ло- и пароизоляции многослойных ограждающих конструкций зданий. В кн. Строительная физика в XXI веке: Матер. научн.-техн. конф.
— М.:НИИСФ РААСН, 2006. — С. 139-143.
8. СНиП Строительная теплотехника, с номера 11-А.7-62 по 11-3-79* (1995 г.).
9. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
10. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.
11. СП 23-101-2004. Свод правил. Проектирование тепловой защиты зданий.
12. СНиП 11-А.6-62. Строительная климатология и геофизика.
13. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
14.СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям, 2001.
