CC BY
54
DOI 10.22337/2077-9038-2018-3-130-134
Нормирование и расчет паропроницаемости многослойных ограждающих конструкций зданий (Рекомендации по совершенствованию СП 50.13330.2012 «Теплозащита зданий»)
А.Г.Перехоженцев, ВолгГТУ, Волгоград
В данной работе рассмотрена актуальная проблема тепло-влажностного состояния многослойных ограждающих конструкций зданий. Очень важно запроектировать многослойную конструкцию таким образом, чтобы исключить конденсацию и накопление влаги в конструкции в холодный период года. Ниже приводится оригинальная методика расчёта характеристик отдельных слоёв многослойной конструкции, в которой допускается лишь плоскость конденсации, то есть конструкция работает на пределе, но накопление влаги не происходит, так как требуемое (нормируемое) сопротивление паропроницанию определено из условия, что количество пара, которое входит в плоскость конденсации, равно количеству пара, которое выходит из него. Приводится простая и надёжная методика определения температуры в плоскости возможной конденсации, затем определяется положение этой плоскости в конструкции и требуемое сопротивление паропроницанию всей конструкции. Решение данной задачи сводится к решению системы двух линейных уравнений, состоящих из суммы термических сопротивлений слоёв и сопротивлений паропроницанию этих слоёв, приравненных к соответствующим нормативным значениям теплопередаче и паропроницанию. В многослойной конструкции выделяются два слоя, один из которых определяет теплозащитные свойства ограждения, а другой регулирует диффузию пара через конструкцию. Решая систему двух уравнений с двумя неизвестными определяем соответствующие характеристики этих слоев, которые обеспечивают требуемые теплозащитные свойства и не допускают накопления конденсационной влаги в конструкции в холодный период года. Преимущество данной методики заключается в том, что слои в многослойной конструкции подбираются не интуитивно, а путем расчёта на соответствие нормативным требованиям.
Ключевые слова: многослойные ограждающие конструкции зданий, определение плоскости возможной конденсации, нормирование сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций, ненакопление влаги в конструкции в холодный период года.
Norming and Calculation of Vapor Permeability of MultiLayer Building Enclosing Structures (Recommendations for Improving SP 50.13330.2012 "Thermal Protection of Buildings")
A.G.Perehozhentsev, VSTU, Volgograd The article considers the actual problem of the heat and moisture state of multi-layer enclosing structures of buildings.
Therefore, it is very important to design a multilayer structure in such a way as to prevent condensation and moisture accumulation in the structure during the cold season. The article presents an original method for calculating the characteristics of individuallayers of a multilayer structure, in which only the condensation plane is allowed, so the structure works at thelimit, but moisture accumulation does not occur, since the required (normalized) resistance to vapor permeation is determined from the condition that the amount of vapor that enters the condensation plane is equal to the amount of vapor that comes out of it. A simple and reliable method for determining the temperature in the plane of possible condensation is given, then the position of this plane in the structure and the required resistance to vapor permeability of the entire structure are determined. The solution of this problem is reduced to solving a system of twolinear equations consisting of the sum of the thermal resistances of the layers and the resistances of the vapor permeation of these layers, equal to the corresponding standard values of heat transfer and vapor permeability. Twolayers are distinguished in the multilayer structure, one of which determines the heat-shielding properties of the enclosure, and the other regulates the diffusion of vapor through the structure. Solving the system of two equations with two unknowns, we determine the corresponding characteristics of theselayers, which provide the required heat-shielding properties and do not allow the accumulation of condensation moisture in the structure during the cold period of the year. The advantage of this method consists in the fact thatlayers in a multilayer structure are selected not intuitively, but by calculation for compliance with regulatory requirements.
Keywords: multi-layer protecting structures of buildings, determination of possible condensation plane, normalization of resistance to vapor permeability of enclosing structures, rationing of enclosing constructions, non-accumulation of moisture in the structure during the cold period of the year.
Паропроницаемость ограждающих конструкций - это не самоцель. Совершенно не важно, какое количество пара проходит через конструкцию, важно - какое количество пара сконденсируется в виде жидкой фазы влаги в результате термической конденсации. Накопление жидкой фазы влаги в зоне резких колебаний температуры в холодный период года приводит не только к ухудшению теплозащитных свойств
130
3 2018
конструкции, но и к её разрушению за счёт попеременного замерзания и оттаивания. Поэтому необходимо проектировать многослойные ограждающие конструкции зданий таким образом, чтобы не допустить накопления жидкой фазы влаги в конструкции в холодный период года. Ниже представлена такая методика нормирования и расчёта характеристик наружных ограждений зданий.
Нормирование паропрницаемости многослойных
наружных ограждений зданий
Для инженерного метода расчёта принимаем стационарные условия тепло- и влагопередачи, то есть удельный поток тепла q = АМЯо и удельный поток пара q = Ае/Яоп приняты постоянными. В этом случае сопротивление теплопередаче Ко = q ■ At и сопротивление паропроницанию Яоп = р ■ Ае линейно зависят от соответствующих градиентов.
Необходимым условием нормирования сопротивления паропроницанию должно быть условие ненакопления влаги в конструкции в холодный период года, так как именно в этот период года происходит накопление влаги в конструкции за счёт термической конденсации. Поэтому необходимым условием ненакопления влаги должно быть условие равенства потоков пара входящего в конструкцию и выходящего из него - Р., = Р.„,:
е., - Е_ Е„ - е„
вх вых
к н
(1)
D D _ О
па по т
где ев и ек - соответственно парциальные давления водяных паров внутри помещения и снаружи; Ек - максимальное значение парциального давления водяного пара в плоскости конденсации; R и R = R - R - сопротивление паропро-
пв пн no пв 1 11
ницанию слоёв до плоскости конденсации и после неё; Rno - сопротивление паропроницанию всей конструкции.
Для решения уравнения (1) необходимо определить значение максимального парциального давления водяного пара в плоскости возможной конденсации для конкретных условий эксплуатации ограждающей конструкции. Вопросами определения зоны конденсации паров воды в ограждающих конструкциях и решением практических задач на этой основе занимались многие учёные как у нас в стране [1-5], так и за рубежом [6-8]. Недостатком методики СП [1] является то, что обе формулы (8.1 и 8.2) для определения требуемого сопротивления паропроницанию основаны на определении зоны максимального увлажнения по комплексуf(t), который некорректно определяет эту зону, так как в формуле (8.7) СП комплексf(t) вычисляется для каждого слоя многослойной конструкции по общим потокам тепла и пара и не учитывает влияние характеристик предыдущих слоёв.
Предлагается метод решения задачи для многослойной конструкции, в которой один из слоёв выполняет функцию теплозащиты, другой регулирует диффузию пара в ограждении, то есть выполняет функцию пароизоляции, а остальные слои определены конструктивными или технологическими требованиями.
Для решения задачи используем метод параллельного переноса линии ев - ен (рис. 1) до положения касательной к кривой максимальной упругости водяного пара [9]. Координаты точки касания указывают на положение плоскости конденсации в конструкции при данных параметрах (ев, ен , tB, tH) эксплуатации ограждения. Предельный градиент упругости водяных паров определим по соотношению (ев - ен) / (^ - tj = АЕпр. Построив касательную к кривой E = f(t), параллельную линии ев - ен, значение максимальной упругости E(tk) в плоскости конденсации и температуру tk в этой плоскости можно определить графически, как показано на рисунке 1 по соответствующим шкалам температуры и упругости водяного пара либо более точно следующим образом.
Идея нахождения точки касания линии распределения действительных парциальных давлений пара ев - ен к кривой распределения давлений насыщенных водяных паров E = f(t) заключается в решении первой производной к данной функции, которая определяет наклон касательной к данной функции. В расчётном диапазоне температур, (от +20 до -30 оС) функция E = f(t) не зависит от условий эксплуатации конструкции, а является постоянной функцией температуры, которую с достаточной для инженерных расчётов точностью можно описать следующим полиномом третьей степени:
Е = 0,0l9t3 + l,52t2 + 48t + 611. (2)
При заданных параметрах эксплуатации ограждающей конструкции (ев, ен , t^ tj предельный градиент АЕ = (ев - ен)/ (^ - tH) равен первой производной уравнения (2), который имеет следующий вид
АЕ = 0,05712 + 3,04 t +48. (3)
Рис. 1. К определению плоскости возможной конденсации
Решая уравнение (3) относительно температуры, получим значение температуры в точке касания, при которой действительная упругость водяного пара равна максимальному значению е=Е, то есть температуру в плоскости конденсации:
По температуре гк из уравнения (2) определяют значение максимального парциального давления Е(гк) = Ек в плоскости конденсации. Положение плоскости конденсации (е = Ек) зависит от конструктивного решения наружного ограждения и определяется по соответствующему распределению температуры в конструкции. Зная эти параметры, несложно вычислить сопротивление паропроницанию конструкции от внутренней поверхности до плоскости конденсации Я'п.
Требуемое сопротивление паропроницанию, определяемое из условия равенства потоков пара (1), который вошёл в плоскость конденсации и вышел из неё в холодный период года, соответственно будет равно
=
(5)
ее~Ек
При расчёте влажностного режима весьма существенную роль играет выбор расчётной температуры, так как при достижении температуры равной точке росы конденсат выпадает практически мгновенно. Поэтому результаты расчёта будут зависеть от выбора расчётной температуры холодного периода. В СП принята расчётная температура равная средней температуре наружного воздуха периода с отрицательными среднемесячными температурами. Эта температура не соответствуют реальным условиям эксплуатации конструкций. Так, для Москвы она равна г = -4,6 0С, а в соответствии с п.6 СП 131.13330.2012 «Строитель-
н.отр г
ная климатология» температура наиболее холодного периода с вероятностью 0,94 для Москвы равна -13 0С. Мы рекомендуем для расчётов влажностного режима выбирать именно эту температуру как наиболее отвечающую реальным условиям эксплуатации.
Ниже представлена методика, в которой слои многослойной конструкции рассчитываются в соответствии с нормативными требованиями в отличие от существующих методик, когда толщины слоёв вначале выбираются интуитивно, а затем проверяются на соответствие норм.
Комплексный расчёт параметров тепло- и пароизоля-
ции многослойных ограждающих конструкций зданий
Для выполнения требований норм по энергосбережению наружные ограждающие конструкции, как правило, должны представлять собой многослойные системы, в которых всегда можно выделить два слоя: один из них выполняет функцию теплозащиты, а другой регулирует диффузию пара в ограждении [9]. При этом для обеспечения надёжных эксплуатационных свойств многослойная конструкция должна отвечать следующим требованиям:
(6)
где Я , Я,Я , Я - соответственно сопротивления тепло- и
в н вп пн 1
влагообмену внутренней и наружной поверхностей ограждения; 2Я1к, 2Яп1к, - суммы термических сопротивлений и сопротивлений паропроницанию конструктивно заданных
е ут с пи Ут
слоёв ограждения; = —, Я"" = —, Кут = — ,
тут п пи и цУт
^пи
Я"" =—— -термические сопротивления и сопротивления И
паропроницанию утепляющего и пароизоляционного слоёв; Яотр - требуемое сопротивление теплопередаче, определяемое по формуле [10].
Кп,р = Я-С. -О к / у ,10 4 (7)
О /, \ ЭИ \ в оп / оп ч/
<Х -тр)-ав
Зная требуемые сопротивления теплопередаче и паропро-ницанию, подставляя соответствующие значения в систему (6), можно определить либо толщины слоёв утеплителя и пароизоляции 8/т и 8™, либо их сопротивления.
Рассмотрим методику комплексного расчёта на примере. Пример. Требуется определить толщину утеплителя и допустимую толщину наружного слоя в трёхслойной стеновой панели из керамзитобетона, представляющего собой в данном случае пароизоляцию, если толщина внутреннего слоя из керамзитобетона задана конструктивными требованиями и равна 150 мм. Исходные данные:
Жилой дом в Волгограде. Условия эксплуатации «А»: г = 20 0С; г = - 22 0С; г = -12 0С; г = -2,3 0С; г = 176 сут.
в хп нх оп оп
Фв = 60%; фн = 85%; фр = 12 оС (при гв = 20 оС и фв = 60%); Характеристики материалов:
керамзитобетон, уо = 1600 кг/м3; Ад = 0,67 Вт/(м оС); ^ = 0,09 мг/(м.ч. Па);
минераловатные плиты, уо = 100 кг/м3; Ад = 0,042 Вт/ (м оС); ц = 0,32 мг/(м .ч. Па);
коэффициент теплотехнической однородности г = 0,7. Е = 2338 Па; е = Е . ф / 100 = 1403Па;
в в в ' в '
Е = 217Па; е = Ен. ф / 100 = 184Па.
н н ' н'
ГСОП = [20 - ( -2,3)] 176 = 3925 оС-сут.
Ятр =(гв - гн)/(гв - гр) ■ «в + к ■ госп ■ 10-4 = (20 + 22)/
(20-12)- 8,7+ 3,5-0,3 925 = 1,98 м2 оС/Вт.
С учётом теплотехнической неоднородности Ятр = 1,98 / 0,7 = 2,83 м2 оС/Вт.
Ат = (г - г )(1 - 0,158/ Я )= 30,2оС
в нх тр
Ае = ев - ен = 1403 -184 = 1219Па; Ае/Аt = 1219 / 30,2 = 40,4 Па/°С;
/к = -26,7+ 7,5 х 40,4 -131 = -26,7 + 24,0 = -2,7°С. По таблицам определим соответствующее температуре - 2,7оС максимальное парциальное давление насыщенных водяных паров в плоскости конденсации Ек = 488 Па.
Определим сопротивление теплопередаче до плоскости конденсации:
Як = (гв - гк ) ■ Кр /(гв - гно) = (20+2,7) ■ 2, 83/(20 + 12) =
2,01 м2 оС/Вт.
132 3 2018
По величине сопротивления теплопередаче Як определим слой, в котором распложена плоскость конденсации.
Яв = 0,115 м2 оС/Вт; Я, = 0,15 / 0,67= 0,22 м2 оС/Вт;
Я^ = 2,09 - 0,115 - 0,22 = 1,665 м2 оС/Вт.
Плоскость конденсации расположена в утеплителе на расстоянии от внутренней поверхности слоя равном
8 = Я • Аут = 1,665 • 0,042 = 0,07 м.
кут
Сопротивление паропроницанию слоёв конструкции от внутренней поверхности до зоны конденсации будет равно
Яп/ = (0,15/ 0,09) + (0,07 / 0,32) = 1,67 + 0,22 = 1,89м2 • ч • Па/мг.
Требуемое сопротивление паропроницанию определим по формуле:
е.-Е. 1403 -488
) = 2,52 м1 ■ ч ■ Па / мг
Подставляя значения Ятр и Ятрп в систему уравнений (1-2),
получим:
Решая систему двух уравнений с двумя неизвестными, получим:
; 0,049 м;
: 0,30 м.
Проверяем равенство потоков пара:
„ е.-Ег 1403-488 ло/1 р _ Ек-еи 488-184 - -484; ги —
8 = 0, 1 м и 8
ут пк
8 = 0,15 + 0,10 + 0,05 :
-=482.
К. 1-89 " К-К, 0,63
Как видим, поток пара, который входит в плоскость конденсации, практически равен потоку пара, который выходит из неё, то есть накопления конденсационной влаги в конструкции в наиболее холодный период не будет.
Таким образом, представленная методика инженерного расчёта позволяет запроектировать многослойную конструкцию наружного ограждения здания, которая будет обладать не только надёжными теплозащитными свойствами, обеспечивающими тепловой комфорт в помещении, но и исключит конденсацию влаги в конструкции в холодный период года.
Литература
1. СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» / Минре-гионразвития России. - М., 2012.
2. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин; под ред. Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.
3. Куприянов,В.Н. Количественные параметры конденсации парообразной влаги в наружных стенах / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин // Известия КГАСУ. - 2013. - № 4 (26). - С. 121-128.
4. Гагарин, В.Г. Анализ расположения зоны наибольшего увлажнения в ограждающих конструкциях с различной тол-
щиной теплоизоляционного слоя / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов // Жилищное строительство. - 2016. - № 6. - С. 8-12.
5. Перехоженцев, А.Г. Исследование диффузии влаги в пористых строительных материалах / А.Г. Перехоженцев, И.Ю. Груздо / Вестник ВолгГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». - 2014. - Вып. 35 (54). - С. 116-120.
6. Glaser. Graphisches Verfahren zur Untersuchung von Diffusionsvorgangen. Kaltentechnik // Heft. - 1959. - 10.
7. Klopfer H. Wassertransport durch Diffusion in Festsoffen / H. Klopfer. - Bauvertag Wiesbaden, 1974.
8. Шпайдель К. Диффузия и конденсация водяного пара в ограждающих конструкциях / К. Шпайдель; перевод В.Г. Бердичевского. - М.: Стройиздат, 1985.
9. Перехоженцев, А.Г. Теоретические основы и методы расчёта температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий / А.Г. Перехоженцев. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. - С. 104-112.
10. Перехоженцев, А.Г. Комплексный расчёт тепло- и па-роизоляции многослойных ограждающих конструкций зданий / А.Г. Перехоженцев // Материалы 2-ой Международной научно-техн. конф. «Теоретические основы теплоснабжения и вентиляции». - М.: МГСУ, 2007.
Literatura
1. SP 50.13330.2012 «Teplovaya zashhita zdanij» / Minregionrazvitiya Rossii. - M., 2012.
2. Fokin K.F. Stroitel'naya teplotehnika ograzhdayushhih chastej zdanij / K.F. Fokin; pod red. Yu.A. Tabunshhikova, V.G. Gagarina. - M.: AVOK-PRESS, 2006. - 256 s.
3. Kupriyanov V.N. Kolichestvennye parametry kondensatsii paroobraznoj vlagi v naruzhnyh stenah / V.N. Kupriyanov, I.SH. Safin // Izvestiya KGASU. - 2013. - № 4 (26). - S. 121-128.
4. Gagarin V.G. Analiz raspolozheniya zony naibol'shego uvlazhneniya v ograzhdayushhih konstruktsiyah s razlichnoj tolshhinoj teploizolyatsionnogo sloya / V.G. Gagarin, V.V. Kozlov // Zhilishhnoe stroitel'stvo. - 2016. - № 6. - S. 8-12.
5. PerehozhentsevA.G. Issledovanie diffuzii vlagi v poristyh stroitel'nyh materialah / A.G. Perehozhentsev, I.Yu. Gruzdo / Vestnik VolgGASU. Seriya «Stroitel'stvo i arhitektura». - 2014. - Vyp. 35 (54). - S. 116-120.
8. Shpajdel' K. Diffuziya i kondensatsiya vodyanogo para v ograzhdayushhih konstruktsiyah / K. Shpajdel'; perevod V.G. Berdichevskogo. - M.: Strojizdat, 1985.
9. Perehozhentsev A.G. Teoreticheskie osnovy i metody rascheta temperaturno-vlazhnostnogo rezhima ograzhdayushhih konstruktsij zdanij / A.G. Perehozhentsev. -Volgograd: VolgGASU, 2008. - S. 104-112.
10. Perehozhentsev A.G. Kompleksnyj raschet teplo- i paroizolyatsii mnogoslojnyh ograzhdayushhih konstruktsij zdanij / A.G. Perehozhentsev // Materialy 2-oj Mezhdunarodnoj nauchno-tehn. konf. «Teoreticheskie osnovy teplosnabzheniya i ventilyatsii». - M.: MGSU, 2007.
Перехоженцев Анатолий Георгиевич, 1941 г.р. (Волгоград). Доктор технических наук, профессор. Профессор кафедры «Архитектура зданий и сооружений» Института архитектуры и строительства ФГБУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (400005, Волгоград, пр. им. Ленина, 28. ВолгГТУ). Сфера научных интересов: проектирование и расчёт температурно-влажностного режима наружных ограждающих конструкций зданий. Автор более 100 научных публикаций, в том числе 2 монографий. Тел. +7 (906) 409-03-95. E-mail: [email protected].
Perekhozhentsev Anatoly Georgievich, born in 1941. (Volgograd). Doctor of Technical Sciences, Professor. Professor of the Department of Architecture of Buildings and Structures of the Institute of Architecture and Construction of the Volgograd State Technical University (28 Lenin Avenue, Volgograd, 400005. VSTU). Sphere of scientific interests: design and calculation of the temperature-humidity regime of external enclosing structures of buildings. The author of more than 100 scientific publications, including 2 monographs. Tel. +7 (906) 409-03-95. E-mail: [email protected].
134
3 2018
