CC BY
117
строительная теплофизика и энергосбережение
Паропроницаемость и проектирование ограждающих конструкций
В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин
В действующих нормативных документах по теплозащите зданий [1, 2] основное внимание уделяется определению сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, то есть энергосбережению. Эта задача является безусловно важной, однако опыт эксплуатации ограждений повышенной теплозащиты за последние десять лет выявил ряд негативных последствий, особенно в трехслойных конструкциях: повышенную влажность внутренних слоев, промерзание и выкрашивание наружных облицовок, особенно из кирпича, снижение долговечности, образование неконтролируемых мостиков холода и, вследствие этого, снижение приведенного сопротивления теплопередаче ограждений, конденсат и даже плесень на внутренних поверхностях ограждений. [3—5]
Одной из причин этого, по нашему мнению, является неравнозначный подход нормативных документов к различным параметрам теплозащиты зданий. Основное внимание, как было сказано, уделено обеспечению необходимого сопротивления теплопередаче и расходу тепловой энергии на отопление зданий. Эта цель для вновь разработанного ограждения, как правило, достигается, однако процессы диффузии водяного пара учитываются при разработке конструкции ограждения не достаточно полно или не учитываются совсем.
Рекомендации нормативных документов по учету паропроницаемости при проектировании ограждающих конструкций носят фрагментарный характер. Так СП 23-101-2004 (п. 8.5) записано «взаимное расположение отдельных слоев ограждающих конструкций должно способствовать высыханию конструкций и исключать возможность накопления влаги в ограждении в процессе эксплуатации». В п.8.8 СП 23-101-2004 записано о том, что с теплой стороны многослойного ограждения следует располагать слои с большим сопротивлением паропрони-цанию, чем наружные слои, но ничего не говорится о средних слоях ограждения и их паропроницае-мости. Более того, СП 23-101-2004 (п. 13.8) содержит совершенно непонятную запись: «Не зависимо от результатов расчета по формулам (16)—(20) СНиП 23-02-2003 нормируемые сопротивления па-ропроницанию и (в пределах от внут-
ренней поверхности до плоскости возможной кон-
денсации) во всех случаях должны приниматься не более 5 (м2 • ч • Па)/мг». Естественно напрашивается вопрос о целях расчета по формулам СНиП, если результат ограничен простым «не более 5».
К сожалению, этими записями без каких-либо обоснований заканчиваются все «рекомендации» СП 23-101-2004 по учету парообразной влаги при проектировании ограждающих конструкций.
В связи с изложенным, влияние паропроницае-мости материалов и отдельных слоев на конструирование ограждений требует более детального рассмотрения.
В зависимости от конструкции ограждения и используемых материалов водяные пары могут беспрепятственно проходить через ограждение или накапливаться в нем, снижая эксплуатационные характеристики. В связи с этим, в нормативной литературе по теплозащите зданий всех лет изданий, введены представления о допустимом влажностном режиме ограждающих конструкций. Эти ограничения имеют различные наименования: «нормы влаж-ностного режима наружных ограждений» (СНиП II — А.7 — 62) [6]; «сопротивление паропро-ницанию» (СНиП II — А.7 — 71, СНиП II — 3 — 79 и СНиП II — 3— 79*) [7-9]; «защита от переувлажнения ограждающих конструкций» (СНиП 23-02-2003). Однако принцип оценки воздействия парообразной влаги на ограждение сохранен во всех переизданиях СНиПов:
1) не допустить накопления влаги в ограждениях за годовой период эксплуатации, то есть влага, накопившаяся в зимний период, должна высохнуть за летний период;
2) не допустить накопления влаги в ограждении больше количества, определенного СНиПом, к концу периода влагонакопления.
Эти принципы оценки сформулированы очень ясно, однако при их реализации возникает много вопросов.
Во-первых, почему этих принципов два? В некотором смысле первый принцип противоречит второму. Вне зависимости от количества накопившейся влаги в ограждении к концу периода влагонакоп-ления, если эта влага высыхает за летний период, то ограждение удовлетворяет первому требованию. При втором принципе непонятно чем обоснованы
3 2010 385
строительная теплофизика и энергосбережение
граничные условия по допустимому количеству влаги: снижением теплозащитных качеств, коррозией материалов или снижением их долговечности или чем-либо еще. Представляется, что при различных граничных условиях допустимая величина влаги, накопившаяся к концу периода влагонакопления должна быть различной.
Во-вторых, за период влагонакопления различные нормативные документы принимают различную продолжительность. В одних случаях это продолжительность периода в сутках со среднесуточными температурами наружного воздуха ниже 0 0С [6,7], в других — период со среднемесячными температурами наружного воздуха ниже 0 0С [1,8,9].
Ранее нами было показано, что параметры наружного климата при расчетах паропроницаемости с различными обоснованиями принимаются усредненными по различным периодам: за год; за период месяцев с отрицательными среднемесячными температурами; за самый холодный месяц; за холодный период; за холодную пятидневку. Температуры различаются на десятки градусов, различными будут и результаты расчетов [10]. Расчетные климатические параметры при оценке паропрони-цаемости требуют дальнейшего обоснования и введения в нормативные документы.
Характеристикой влажностного «благополучия» ограждающих конструкций по определению нормативных документов, является величина паропро-ницаемости ограждения — Rvp (м2 • ч • Па)/мг, причем не всей конструкции, а лишь ее части, расположенной между внутренней поверхностью стены и плоскостью возможной конденсации.
Однако ясно сформулированный критерий оказывается недостаточно определенным, потому что расположение плоскости возможной конденсации в нормативных документах определено недостаточно конкретно: для однородных однослойных конструкций — на расстоянии 2/3 сечения стены от ее внутренней поверхности; для многослойных — по наружной поверхности утеплителя [1, п.9.1]. Недостаточная корректность в определении плоскости возможной конденсации парообразной влаги в ограждении порождает исследования в этой области.
Так, в работах Ильинского В.М. [11] и Фокина К.Ф. [12] вводится понятие не только плоскости, но также зоны конденсации. Перехоженцев А.Г. [13] на основе баланса сопротивлений теплопередаче и паропроница-нию выявил условия, при которых образуется либо плоскость, либо зона конденсации. Поиску расположения плоскости конденсации посвящены работы Вытчикова Ю.С. [14], основанные на использовании метода безразмерных характеристик. Всесторонне
исследовав этот вопрос Вытчиков Ю.С. [15] подтверждает для многослойных конструкций, что плоскость конденсации парообразной влаги расположена на наружной поверхности утеплителя. Расположение плоскости конденсации должно зависеть от расчетных температур, в соответствии с [10], и от уровня теплозащиты ограждения, в соответствии с [4].
Известные работы последних лет по отдельным аспектам паропроницаемости ограждений [13—15, 17] опираются, как правило, на идеи, изложенные в СНиПах всех лет издания. Объектом исследования становятся конструкции наружных стен, разработанные с позиции энергосбережения. Проектирование ограждающих конструкций с позиции паропроница-ния слоев практически не рассматривается.
Этот подход и перечень расхождений в исходных условиях расчета не дает уверенности в объективности получаемых результатов, в том, что принятый расчетный алгоритм соответствует физическим процессам паропроницаемости в ограждении.
Изучение этого вопроса показало, что наиболее продуктивное предложение внесено Роджерсом [16]. Он рекомендует учитывать не только сопротивление паропроницанию отдельного слоя Rп = 5/Ц, (м2 • ч • Па)/мг но и обратную величину — паропроницаемость слоя О = Ц/5, мг/(м2 • ч • Па). Через характеристику паропроницаемости слоя нагляднее видна работа многослойной конструкции. Роджерс сформулировал главный принцип проектирования ограждающих конструкций с позиции диффузии парообразной влаги: отдельные слои в многослойных ограждениях следует располагать в такой последовательности, чтобы паропроницае-мость каждого слоя нарастала от внутренней поверхности к наружной. При таком расположении слоев водяной пар, попавший в ограждение через внутреннюю поверхность с возрастающей легкостью, будет проходить через все слои ограждения и удаляться из ограждения с наружной поверхности. Роджерсом [16] показано, также, что ограждение будет нормально функционировать, если при соблюдении сформулированного принципа, паропроница-емость наружного слоя, как минимум, в 5 раз будет превышать паропроницаемость внутреннего слоя.
С учетом вышеизложенного можно сформулировать требования к «идеальному» многослойному ограждению с позиции не накопления в нем диффундирующей парообразной влаги:
О( < О2 < Оз< .....< Оп, причем Оп = 5О(,
где: О1,2... — паропроницаемость первого, второго и т.д. слоев, считая от внутренней поверхности;
О — паропроницаемость наружного слоя.
строительная теплофизика и энергосбережение
Таким образом, паропроницаемость отдельного слоя становится важнейшим элементом проектирования ограждающих конструкций.
В формировании величины О участвуют два показателя: 5 — толщина слоя, м и Ц — коэффициент паропроницаемости материала слоя, мг/(м- ч- Па), то есть величину паропроницаемости слоя О можно регулировать изменением 5 или Ц, подбирая па-ропроницаемость слоя в соответствии с принципом Роджерса.
Для прикидочных расчетов можно использовать данные табл.1, в которой коэффициенты паропроницаемости материалов взятые из приложения Д[2], собраны в 8 групп по мере их возрастания. Для окончательных расчетов коэффициенты паропрони-цаемости должны приниматься для каждого конкретного материала по нормативным таблицам или определяться экспериментально.
В табл. 1 материалы сгруппированы в той последовательности, в какой они должны обеспечить нарастание паропроницаемости слоев. Следует обратить внимание на группу 2, в которую объединены природные камни с плотностью 2800 кг/м3 и экструдированный пенополистирол с плотностью 45 кг/м3, которые имеют коэффициенты паропро-ницаемости одного порядка.
Использование экструдированного пенополисти-рола в качестве утеплителя в средних слоях без
специальных мер является достаточно распространенной ошибкой проектировщиков, поскольку при такой величине коэффициента паропроницаемости слой выполняет роль торможения паропроницанию, перед которым с внутренней стороны будет накапливаться парообразная влага.
Выявленные неточности, неясности и необоснованности нормативных документов по оценке увлажнения ограждающих конструкций парообразной влагой указывают на необходимость продолжения исследований по данному вопросу. Более того, требуются разработки, касающиеся методики проектирования ограждений с точки зрения последовательности расположения отдельных слоев в многослойных ограждениях и их паропроницаемости. Необходимы научно-обоснованные «Рекомендации» по проектированию ограждающих конструкций с позиции не накопления в них парообразной влаги.
На данном этапе предлагается упрощенный способ оценки паропроницаемости ограждений с использованием принципа Роджерса. На примерах из известных нормативных документов показана возможность использования принципа Роджерса для оценки «сложных» мест в многослойных ограждениях.
Пример первый. В [17] рассмотрено ограждение и показано, что оно соответствует требованиям по ненакоплению влаги. Климатические условия эксплуатации: Н = -12,2 0С, фн = 83%, В = 20 0С,
№ группы Наименование материалов Плотность кг/м Коэффициент паропроницаемости мг/(м-ч-Па)
1 Металл, стекло, пеностекло - 0
2 Пенополистирол экструдированный, Гранит, гнейс, базальт 25-45 2800 0,005-0,013 0,008
3 Напыляемые пенополиуретаны 45-70 0,014-0,04
4 Железобетон, бетон на плотных природных заполнителях 2400-2500 0,03
5 Пенополистирол, пенополиуретан 40-150 0,05
6 Бетоны на природных пористых заполнителях, полистиролбетон, растворы (цементные и известковые), кладка из кирпича керамического и силикатного 800-1800 0,08-0,12
7 Бетоны на искусственных пористых заполнителях, ячеистые бетоны, кладка стен из ячеистых бетонов Фибролит, арболит, плиты торфяные 300-1800 0,12-0,3
8 Минераловатные и стекловатные маты и плиты 100-350 0,3-0,56
Таблица 1. Коэффициенты паропроницаемости по группам материалов (для предварительных расчетов).
3 2010 387
строительная теплофизика и энергосбережение
к 0 С и Ol Z Вид материала слоя Толщина слоя 8, м Коэф. теплопроводности X Вт/(м • °С) Коэф. паропроницаемости и. 2 мг/(м • ч • Па) со № 3, 1- t \ го со С II ' с т ог • РЧ "5? со 1= \ • i Т II <N с Л О \ 1- t
1 Известково- песчаный раствор 0,02 0,7 0,12 0,0286 0,167 6
2 Керамический эффективный кирпич 0,25 0,58 0,14 0,431 1,786 0,56
3 Монолитный пенобетон 0,15 0,095 0,25 1,579 0,6 1,67
4 Керамический эффективный кирпич 0,12 0,58 0,14 0,207 0,857 1,17
Таблица 2. Характеристика слоев ограждения и теплотехнические параметры.
фе = 55%, отсюда EH = 213 Па, ен = 177 Па, Ев = 2340 Па, ед =1285,6 Па. Характеристика слоев ограждения и теплотехнические параметры приведены в табл. 2 (нумерация слоев от внутренней поверхности).
С использованием принципа Роджерса имеем G1 = 6 > G2 = 0,56 < G3 = 1,67 > G4 = 1,17, то есть, нет увеличения паропроницаемости слоев от внутренней поверхности к наружной, следовательно, в рассматриваемой конструкции ограждения есть два проблемных сечения: сечение 1 /2 — перед вторым слоем будет задерживаться 6 — 0,56 = 5,44 мг влаги в час и сечение 3/4 — перед четвертым слоем будет задерживаться 1,67 — 1, 17 = 0,5 мг влаги в час.
Сечение 1/2 находится в теплой зоне ограждения, отделенной от внутреннего воздуха помещения высо-копаропроницаемым слоем (G^ = 6 мг/(м2 • ч • Па) и в случае увеличения парциального давления в слое выше ед излишки парообразной влаги будут возвращаться в помещение. Сечение 3/4 находится в холодной зоне ограждения и накопление влаги в этом сечении может привести к конденсации.
На рисунке приведены кривые Е и е по сечению данной конструкции ограждения, построенные по «классической» методике (Власова O.E., — Фокина К.Ф.).
Данные рисунка подтверждает, что в сечении 3/4 будет выпадать конденсат. Принцип Роджерса показал на то же сечение (3/4) без сложных графоаналитических построений.
12 3 4 слои ограждения
Рисунок распределение действительных (е) и максимальных (£) упругостей водяного пара по сечению ограждения.
Область со штриховкой — зона конденсации.
строительная теплофизика и энергосбережение
Пример второй. В СП 23-101-2004 (приложение Э) [2] описан пример расчета паропроницае-мости ограждения, состоящего из следующих слоев, считая от внутренней поверхности: 1 — гипсовая штукатурка, 2 — железобетон, 3 — экструди-рованный пенопласт, 4 — кирпич, 5 — поризован-ная штукатурка. Из всего расчета приведем только сопротивлением паропроницанию:
R = 0,0455 + 3,33 + 16,67 + 1,09 + 0,0186 =
ПО ' ' ill
= 21,15 (м2 • ч • Па)/мг
и на его основе определим паропроницаемость отдельных слоев:
G, = 22 > G2 = 0,3 > G3 = 0,06 < G4 = = 0,918 < G5 = 53,75, мг/(м2 • ч • Па)
Можно видеть, что ограждающая конструкция не соответствует принципу Роджерса и имеет проблемные сечения: сечение 1/2 и сечение 2/3. Сечение 1/2, как было показано в предыдущем примере, находится в тепловой зоне ограждения и не представляет большой опасности. В сечении 2/3 (железобетон—экструдированный пенопласт) будет накапливаться влага в количестве 0,3 — 0,06 = 0,24 мг в час, возрастать действительная упругость водяного пара в этом сечении и возможна ситуация, когда е = Е с последующей конденсацией.
В соответствии со СНиП 23-02-2003 вероятная плоскость конденсации должна располагаться на наружной стороне утеплителя. Для рассматриваемой ограждающей конструкции это исключается с высокой степенью вероятности, так как в сечение 3/4 (экструдированный пенопласт — кирпич) будет приходить 0,06 мг парообразной влаги в час, а удаляться 0, 918 мг в час, то есть накопление влаги в сечении исключается.
Если в рассматриваемом примере заменить экструдированный пенопласт (ц = 0,006) на пенопо-листирол (ц = 0,05), то будем иметь почти идеальное ограждение:
G, = 22 > G2 = 0,3 < G3 = 0,5 < G4 =
= 0,918 < G5 = 53,75,
т.к. паропроницаемость слоев будет нарастать от G2 до наружной поверхности.
Рассмотренные примеры доказывают жизнеспособность упрощенного способа проектирования ограждающих конструкций с позиции паро-проницаемости материалов и отдельных слоев.
Литература
1. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий
2. Свод правил СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий.
3. Лобов О.Н., Ананьев А.И. Долговечность облицовочных слоев наружных стен многоэтажных зданий с повышенным уровнем теплоизоляции./ / Строительные материалы, 2008 №4 с.56—59.
4. Лобов О.Н., Ананьев А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий. //Жилищное строительство,2008, №8, с.48-52.
5. Лобов О.Н., Ананьев А.И., Абарыков В.П., Синютин А.Е. Физические основы проектирования фасадных систем зданий. //Технология строительство, — М.:2009, №1(63), с.28-34.
6. СНиП II — А.7 — 62 Строительная теплотехника.
7. СНиП II — А.7 — 71 Строительная теплотехника.
8. СНиП II — 3-79 Строительная теплотехника.
9. СНиП II — 3-79* Строительная теплотехника.
10. Купрянов В.Н., Сафин И.Ш., Хабибуллина А.Г. К вопросу о паронипроницаемости ограждающих конструкций. Журнал РААСН ДСДйЕМА Строительство и архитектура, —М. 2009 г. №5 с.504—507.
11. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Учебное пособие. — М.: В.Ш. 1974 г. — 320 с.
12. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. — М.: СИ., 1973 г. — 287 с.
13. Перехоженцев А.Г. Теоретические основы и методы расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий. — Волгоград: ВолгГАСУ, 2008 г.,с.212.
14. Вытчиков Ю.С., Беляков И.Г. Исследование влажностного режима строительных ограждающих конструкций с помощью метода безразмерных характеристик. Известия вузов. Строительство, 1998 г. №8, с. 76-79.
15. Вытчиков Ю.С. Определение плоскости конденсации для многослойных ограждающих конструкций. Строительные материалы 2006 г., №4, с.92-94.
16. Роджерс Т.С. Проектирование тепловой защиты зданий. Пер. с англ. — М.: СИ, 1966. — 228 с.
17. Стандарт организации (РОИС) СТО 00044807001-2006. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий, М.:РОИС, 2006 г.
Паропроницаемость и проектирование ограждающих конструкций
В статье приведен анализ нормирования и расчета паропроницаемости и сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций здания.
2010
389
3
строительная теплофизика и энергосбережение
Показаны недостатки существующих методов оценки. Предложен упрощенный метод проектирования многослойных ограждающих конструкций с учетом паропроницаемости слоев.
Vapour transfer and designing of enclosing
structures by V.N. Kuprijanov, I.Sh. Safin The article contains the existing situation of normalization and calculation of vapour transfer and resistance to the vapour transfer in enclosing structures. The defects of existing estimation methods
are shown. A simplified method of multi-layer structures designing is offered taking into account the vapour transfer of layers.
Ключевые слова: паропроницаемость, сопротивление паропроницанию, давление водяного пара, проектирование многослойных ограждающих конструкций.
Keywords: vapour transfer, resistance to vapour transfer, vapour pressure, designing of multi-layer enclosing structures.
