CC BY
110
ВЛИЯНИЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ НА ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ЯЧЕИСТОГО БЕТОНА
MOISTURE CONTENT INFLUENCE ON HEAT-REFLECTING
PROPERTIES OF A BUILDING ENVELOPE FROM POROUS
CONCRETE
Д.В. Крайнев P.A. Садыков
D.V. Krajnov R.A. Sadykov
КазГАСУ
Проанализированы результаты расчетов [14, 13]. Найдены дополнительные потоки теплоты, вызванные неравномерным распределением влажности по толщине стены, и температурные поля. Определено снижение теплозащитных свойств ограждения.
Results of calculations [14, 13] are analysed. Additional heat flows caused by nonuniform distribution moisture through-the-thickness of the wall and temperature fields are determined. Decrease of heat-reflecting properties of an enclosure is defined.
Введение
Известно, что строительные материалы ограждающих конструкций (ОК) зданий и сооружений подвержены постоянному воздействию тепла, влаги и ветра. Воздействие этих факторов приводит к изменению структурно-механических и теплофизических свойств материалов и, как правило, уменьшению долговечности. Известны различные причины появления влаги в наружных ограждениях [12]. Одни из них являются природными, другие зависят от деятельности человека. Некоторые действуют кратковременно, другие - на протяжении длительного времени. Ряд причин увлажнения можно предотвратить, другие - уменьшить. В любом случае, при проектировании наружных ОК необходимо учитывать их влажностный режим. Особую актуальность этот вопрос приобретает в связи с уменьшением термического сопротивления наружных стен с ростом влагосодержания (w).
Процессы увлажнения и сушки материалов ограждающих конструкций зданий, находящихся в переменных климатических условиях, сложны и разнообразны по характеру происходящих явлений. Описание механизмов переноса влаги в капиллярно-пористых телах дано в работах А.В. Лыкова [7], Б.В. Дерягина и И.В. Чураева [4], согласно которым, влага в капиллярно-пористых телах перемещается в виде пара, пленок и жидкости под действием градиентов различных потенциалов переноса. Наиболее известные механизмы влагопереноса:
• nnAAv^nn ПЯПЯ R кяпииияпях пячпичних пя^меппи'
3/2011_МГСу ТНИК
• термодиффузия водяного пара в макрокапиллярах;
• течение смачивающих пленок;
• течение жидкости в тонких порах;
• фильтрация жидкой влаги;
• капиллярный осмос;
• термокапиллярное течение;
• термоосмос;
• термокристаллизационное течение тонких незамерзающих пленок.
При этом расчеты влажностного режима наружных ограждений зданий, заложенные в нормативных документах [10, 11], основаны только на одном из перечисленных выше механизмов: диффузии водяных паров. Сам процесс сквозной диффузии паров влаги через ограждения не несет вреда, но особую опасность представляет конденсация водяных паров внутри ограждения, происходящая при определенных условиях и приводящая к накапливанию влажности отдельных слоев. Поэтому нормативные расчеты не дают реальной картины увлажнения наружных стен.
Существуют различные теории и методы расчета влажности ограждающих частей зданий:
• метод последовательного увлажнения (К.Ф. Фокин, O.E. Власов, Ф.В. Ушков);
• теория потенциала влажности (В.Н. Богословский, A.B. Лыков);
• приближенный метод расчета увлажнения ограждений парообразной и жидкой влагой [14];
• многофакторный метод расчета и усовершенствованный метод последовательного увлажнения [8];
• теория состояния и переноса влаги в строительных материалах [1];
• метод инженерной оценки влажностного состояния современных ограждающих конструкций [6];
• и другие.
Многие из перечисленных методик дают возможность учесть различные механизмы переноса массы и получить в результате расчета распределение влагосодержа-ния по толщине стены за определенный промежуток времени, а так же с учетом изменяющихся во времени климатических условий.
В данной статье рассматривается влияние влагораспределения по толщине наружной ограждающей конструкции на ее теплозащитные свойства, для чего воспользуемся результатами расчета влажностного режима стены из ячеистого бетона, выполненного по приближенному методу расчета увлажнения [14].
Описание примера
В используемом примере рассматривается метод увлажнения OK парообразной и жидкой влагой на основании аналитической теории влагопроводности [13], которая учитывает увлажнение материалов под воздействием сорбционных и диффузионных процессов, а также увлажнение капельно-жидкой влагой с момента наступления термической конденсации водяных паров. Данный метод дает возможность последовательного определения влажности в момент времени zk+1=zk+Az по значению упругости паров и влажности в предшествующий момент времени для однослойных и многослойных ограждений. «В результате воздействия на ограждение окружающего воздуха, содержащего неодинаковое количество влаги, влага в материале будет неравномерно распределяться по толщине ограждения. В одних слоях материал может иметь ni^r^i D nn^iTUY — пляг^/ ™ пппаипй пяп» [131
В качестве объекта в примере [14] выбрана однослойная наружная стена из пенобетона плотности 750 кг/м3 и толщиной 140 мм. Для расчета стена разбивается на пять равных частей по 28 мм каждый. В ходе расчета определяется влажность в каждом из рассматриваемых сечений.
Для конкретных свойств пенобетона (плотность, коэффициент диффузии, коэффициент влагопроводности) определяются максимальные интервалы времени двух последовательных отсчетов, Д2, при парообразном увлажнении и увлажнении стены жидкой влагой. Для данного примера при расчете увлажнения до наступления конденсации водяных паров интервал времени составляет 5 суток, а при расчете после конденсации - 2 суток.
Граничные условия приняты следующие:
1. температуры на внутренней и наружной поверхностях стены: тв= 16°С, тн=-8,1°С;
2. сорбционная влажность на внутренней поверхности стены: '№в=7,28%, что соответствует по изотерме сорбции для пенобетона фв= 82%; на наружной поверхности стены 9,3% при фн= 95%.
Также приводятся начальные влажности на границах слоев (рисунок 1).
При этом необходимо отметить, что расчет по данному методу выполняется при стационарных условиях теплопередачи и диффузии водяных паров за определенный промежуток времени (в данном примере этот промежуток не указан, он находится ниже, в результате анализа результатов расчета).
Расчет выполняется, ориентируясь на значения сорбционной влажности материала. Конденсация водяного пара наступает при максимальной сорбционной влажности (при относительной влажности водяных паров ф=100%). Для пенобетона она составляет "^макс.сорбц.=10%о (при этом имеется в виду весовая влажность).
Расчет выполняется последовательно через определенные интервалы времени. Для периода до начала конденсации количество подходов берется столько, пока в каком-либо слое влажность не превысит максимально сорбционную. Для данного примера количество таких подходов было 7. Для послеконденсационного периода расчет выполняется при учете продолжающегося увлажнения парообразной влагой и начавшегося увлажнения жидкой влагой. Количество подходов для данного периода в примере равнялось 27.
Результаты расчетов [14] приведены на рисунке 1.
Анализ примера
Подсчитаем продолжительность двух периодов увлажнения стены:
• продолжительность периода увлажнения парообразной влагой: 5-7+2-27=89 суток;
• продолжительность периода увлажнения жидкой влагой (после начала процесса конденсации): 2-27=54 суток.
Получаем, что период увлажнения стены в рассматриваемом примере составляет примерно 3 месяца, что практически совпадает с периодом влагонакопления по СНиП [10] - периодом с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха.
Согласно [11, п.5.3.1], при проектировании теплозащиты используют расчетный коэффициент теплопроводности строительных материалов X, Вт/(м-°С), для условий эксплуатации ограждающих конструкций А или Б. Данный коэффициент определяется экспериментально при определенной сорбционной влажности материалов. По данным
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
влажности воздуха равной 75% для условий эксплуатации А, а для условий эксплуатации Б - при 97%. При этом, она не должна превышать значения для пенобетона плотности 750 кг/м3 для условий эксплуатации А: 9,5%; для условий эксплуатации Б: 13,5% (значения найдены интерполяцией по данным [2, табл.2]).
Проведем проверку этих условий. По кривой сорбции, построенной по данным
75 82 95 100
w, % 4 7,28 9,3 10
определим весовые влажности пенобетона при относительной влажности воздуха Ф=75% и ф=97%. Они равны соответственно и '№б=9,58%. Оба эти значения не
превышают указанных в [2, табл.2].
Стоит отметить, что согласно примечанию к [3, п.3.15], «равновесную весовую влажность в наружных стенах из ячеистых бетонов зданий с сухим режимом эксплуатации в сухой и нормальной климатических зонах влажности и зданий с нормальным режимом эксплуатации в сухой климатической зоне принимают равной 4 %. В остальных наружных стенах из ячеистых бетонов равновесную влажность принимают равной 5 %». Т.е. по данным [3], -№А=4% и -№Б=5%.
Результаты анализа примера [14] представлены на рисунке 1.
Из анализа видно, что влажность материала, определенная по приближенному методу расчета увлажнения [14] превышает влажность, при которой определяются расчетные значения коэффициентов теплопроводности.
w.% 14
12 10 1 € 4 2
& 4 г~ 10,95 11.17
Г""- цичияяа
liu^4-— - \
\l
V - - -
9,3
о
0.112
O.lfl
X, м
Рисунок 1. Распределение влажности по толщине стены по результатам расчета
[14]
1 - начальное распределение влаги; 2 - распределение влажности на момент начала конденсации; 3 - распределение влажности в конце расчета; 4 - максимальная сорбционная влажность пенобетона (wMaKC COp6„=10%); 5 - кривая, аппроксимирующая
влагораспределение по толщине стены, уравнение которой w(x)=39704x5-27318x4+58157x3-5532x2+246,1x+7,28 получено с помощью ПО Microsoft Office Excel; 6, 7 - расчетные влажности пенобетона при условиях эксплуатации А и Б соответственно (wA=4% и wB=9,58%) по данным [2].
Выполнение расчетов
Увеличение влажности пенобетона приведет к увеличению его коэффициента теплопроводности. На следующем этапе определяется, насколько увеличение влажности
Для этого находим среднее увеличение весовой влажности Aw каждого слоя стены и при определенных условиях эксплуатации (таблица 1). В расчете примем значения расчетных влажностей для пенобетона по [2, табл.2] и WБ=9,58%). После перевода весовой влажности в объемную и использования величины среднего прироста коэффициента теплопроводности на 1% объемной влажности, т, по данным [5], определим изменение коэффициента теплопроводности АХ в процентном отношении. Величина т для пенобетона плотности 750 кг/м3 найдена интерполяцией по [5, табл.4] и равна т=13,1%.
Изменение коэффициента теплопроводности определим по формуле:
АЛ = Ам?о ■ т (1)
Увеличение коэффициента теплопроводности приведет к уменьшению термического сопротивления стены на величину ДЯ, м2 оС/Вт, которое можно рассчитать по формуле:
3 3
АЯ = л - =!" г (2)
I + 100,
или
дл = я. АЯ . . (3)
(100 + АХ)
Коэффициенты теплопроводности для пенобетона при условиях эксплуатации А и Б приняты интерполяцией по [9, прил.3] и равны соответственно: ХА=0,303 Вт/м °С, Хб=0,343 Вт/м °С.
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Слой ^ред. СЛОЯ, % Условия эксплуатации А При WA=4% Услов] п 1я эксплуатации Б ри WБ=9,58%
Дw, % АХ слоя, % ДЯ слоя, м2°С/Вт ДЯ/Я, % Я„, м2-°С/Вт Дw, % АХ слоя, % ДЯ слоя, м2°С/Вт АЯ/Я, % Я»л, м2-°С/Вт
1 9,115 5,115 50,42 0,031 33,5 0,061 -0,465 -4,58 -0,004 -4,8 0,086
2 11,205 7,205 71,02 0,038 41,5 0,054 1,625 16,02 0,011 13,8 0,070
3 11,455 7,455 73,48 0,039 42,4 0,053 1,875 18,48 0,013 15,6 0,069
4 11,31 7,31 72,05 0,039 41,9 0,054 1,73 17,05 0,012 14,6 0,070
5 10,235 6,235 61,45 0,035 38,1 0,057 0,655 6,46 0,005 6,1 0,077
После определения величин изменения термического сопротивления ДЯ слоев стены, просчитаны тепловые потоки и температурные поля.
Результаты расчетов дополнительных потоков теплоты, вызванных завышенным влагосодержанием, при различных условиях эксплуатации представлены в таблице 2.
Таблица 2
Условия эксплуатации А Условия эксплуатации Б
Я, Вт/м2 52,16 59,05
Чвлаж, Вт/М2 86,17 64,92
Дя, Вт/м2 34,01 5,87
3/2011_МГСу ТНИК
Расчеты показали, что изменения полей температур с увеличением влажности оказались незначительным, как при условии эксплуатации А, так и Б (рисунок 2).
а - при условиях эксплуатации А б - при условиях эксплуатации Б
Рисунок 2. Температурные поля по толщине стены при расчете на различные условия эксплуатации: 1 - при расчетной влажности материала; 2 - при влажности материала, определенной по
примеру [14]
Выводы:
• рассмотренный пример, основанный на приближенном методе расчета увлажнения ограждений парообразной влагой, позволяет определить распределение влажности по толщине стены к концу заданного периода;
• в данном примере увлажнение стены к концу рассматриваемого периода превысило максимально сорбционную влажность и влажность материала, при которой определяется расчетный коэффициент теплопроводности по нормативам;
• увеличение влажности привело к увеличению коэффициента теплопроводности пенобетона более чем на 50% (при расчете условий эксплуатации А) и на 6=18% (при расчете условий эксплуатации Б);
• увеличение влагосодержания материала снизило теплозащитные свойства ограждения на 34=42% (при условиях эксплуатации А) и на 6=16% (при условиях эксплуатации Б);
• тепловой поток увеличился на 34 Вт/м2 и 6 Вт/м2 соответственно, что составляет 65% и 10% от величины теплового потока, найденного по расчетным коэффициентам;
• температурное поле по толщине ограждения с увеличением влажности ОК искажается несущественно.
Литература
1. Гагарин В. Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий: диссертация доктора технических наук. М., 2000
2. ГОСТ 25485-89. Бетоны ячеистые. Технические условия. М., Госстрой России, 1990
3. ГОСТ 31359-2007. Бетоны ячеистые автоклавного твердения. Технические условия. М., Госстрой России, 2007
4. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. М., Наука, 1985
5. Кауфман Б.Н. Теплопроводность строительных материалов. М., ГОСИЗДАТ, 1955
6. Козлов В. В. Метод инженерной оценки влажностного состояния современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты при учете паропроницаемости, вла-гопроводности и фильтрации воздуха: диссертация кандидата технических наук. М., 2004
7. Лыков А. В. Тепломассообмен: (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. М., Энергия, 1978
8. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий / НИИСФ. М., Стройиздат, 1984
9. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника. М., ЦИТП Госстроя России, 1995
10. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М., ЦИТП Госстроя России, 2003
11. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М., ЦИТП Госстроя России, 2004
12. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий: Изд. 4-е, переработ. и доп. М., Стройиздат, 1973
13. Франчук А.У. Вопросы теории и расчета влажности ограждающих частей зданий. М., НИИСФ, 1957
14. Франчук А.У. Приближенный метод расчета увлажнения ограждений парообразной влагой // Сб.статей «Исследования по строительной теплофизике» под ред. Васильева Б.Ф. 1959. с. 89-103
References
1. Gagarin V. G. Condition and moisture transfer in building materials theory and heat-reflecting properties of building envelopes: Doctor of Engineering Science dissertation. M., 2000
2. GOST 25485-89. Porous concrete. Technical conditions. M., Gosstroj of Russia, 1990
3. GOST 31359-2007. Porous concrete of autoclave curing. Technical conditions. M., Gosstroj of Russia, 2007
4. Derjagin B. V., Churaev N. V., Muller V. M. Surface forces. M., Nauka, 1985
5. Kaufman B.N. Thermal conductivity of constructional materials. M., GOSIZDAT, 1955
6. Kozlov V. V. Method of engineering evaluation moisture condition of modern building envelopes with higher level of heat-reflecting with an allowance for vapor permeability, hydraulic conductivity and air leakage: Candidate of Science dissertation. M., 2004
7. Lykov A. V. Heat-mass-exchange: (Reference book). M., Jenergija, 1978
8. Manual of building envelopes moisture condition calculation / NIISF. M., Strojizdat, 1984
9. SNiP II-3-79*. Building heat engineering. M., CITP Gosstroj of Russia, 1995
10. SNiP 23-02-2003. Thermal protection of buildings. M., CITP Gosstroj of Russia, 2003
11. SP 23-101-2004. Designing of thermal protection of buildings. M., CITP Gosstroj of Russia, 2004
12. Fokin K. F. Building heat engineering of building envelopes. M., Strojizdat, 1973
13. Franchuk A.U. Questions of theory and calculation of building envelopes moisture. M., NIISF,
1957.
14. Franchuk A.U. The approximate method of calculation of enclosure wetting a vaporous moisture // Col. articles « Research of building heat engineering» under the editorship of Vasil'ev B.F. 1959. p. 89-103
Ключевые слова: ограждающая конструкция, ячеистый бетон, влагосодержание, теплопроводность, термическое сопротивление, тепловой поток, влагораспределение, температурное поле. Key words: building envelope, porous concrete, moisture content, thermal conductivity, thermal resistance, heat flow, moisture distribution, temperature field.
e-mail: dimaself@mail.ru, sadvkov_r_a@mail.ru
Рецензент: Гумеров Фарид Мухамедович, д.т.н., профессор, зав. каф. «Теоретические основы
теплотехники» КГТУ
