К вопросу о паропроницаемости ограждающих конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»
Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Куприянов В. Н., Сафин И. Ш., Хабибулина А. Г.
Текст научной работы на тему «К вопросу о паропроницаемости ограждающих конструкций»
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:
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
Минераловатные плиты и маты 5 - 2 7,5 15
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
Объем конденсированной влаги (V), отнесенный к единице объема переувлажненного слоя (V ), даст прирост влажности УУ^ (% по объему):
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), %
— 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.