Паропроницаемость материалов и ограждающих конструкций

Отсутствие конденсации водяных паров на внутренней поверхности не исключает увлажнения ограждения ввиду возможности конденсации водяных паров внутри конструкции при их перемещении от внутренней поверхности ограждающей конструкции к наружной поверхности ограждения.

Процесс диффузии водяного пара через ограждение

называется паропроницанием.

Паропроницаемость ограждающей конструкции - это свойство материалов конструкции пропускать влагу под действием разности парциальных давлений водяного пара на ее наружной и внутренней поверхностях.

Законы и характеристики процесса паропроницания аналогичны законам и характеристикам теплопередачи и аналитически выражаются подобными математическими формулами и величинами (Главы 2 и 3).

Так, при стационарном процессе диффузии водяных паров количество водяного пара, проходящего через 1 м² однородного ограждения толщиной δ в единицу времени равно:

Р = μ / δ · (е_int - e_ext), (5.2)

где Р – поток водяных паров, мг/(м²·ч);

(е_int – e_ext) - разность парциальных давлений водяного пара внутреннего и наружного воздуха, Па;

δ – толщина стены, м;

μ – коэффициент паропроницаемости материала, мг/(м·ч·Па).

Коэффициент паропроницаемости материала – это величина, равная плотности стационарного потока водяного пара, проходящего через слой материала толщиной в один метр в единицу времени при разности парциального давления на границах слоя в один Паскаль.

Коэффициенты паропроницаемости для материалов рыхлых и с открытыми крупными порами имеют большие значения (например, для пенобетона плотностью r₀ =300 кг/м³ - μ = 0,26 мг/(м·ч·Па)), а для плотных материалов – малые (например, для железобетона плотностью r₀ =2500 кг/м³ - μ = 0,03 мг/(м·ч·Па)). Значения коэффициентов паропроницаемости материалов приведены в приложении Б.

При диффузии водяного пара через слой материала ограждения последний оказывает потоку пара сопротивление, которое называют сопротивлением паропроницанию.

При стационарном потоке водяных паров, диффундирующих через ограждение, сопротивление паропроницанию R_vp одного конструктивного слоя определяется по формуле:

R_vp = d / m, (5.3)

где d — толщина слоя ограждающей конструкции, м;

Единицы измерения сопротивления паропроницанию – м²·ч·Па/мг.

Сопротивление паропроницанию многослойного ограждения равно сумме сопротивлений паропроницанию отдельных слоев:

R_vp = R_vp1 + R_vp2 + … + R_vpn, (5.4)

где R_vp1, R_vp2, R_vpn - сопротивления паропроницанию отдельных слоев.

С учетом (5.3) поток водяных паров, определяемый по формуле (5.2), может быть представлен в виде:

Р = (е_int – e_ext) / R_vp (5.5)

При стационарной диффузии пара через ограждающую конструкцию парциальное давление водяного пара понижается от величины е_int до величины e_ext за счет общего сопротивления ограждения паропроницанию. В случае однородного ограждения изменение парциального давления происходит по линейному закону.

Величина е_х в произвольном сечении х ограждающей конструкции (например, на границах конструктивных слоев) определяется по формуле:

e_х = е_int – (е_int – e_ext) / R_vp · ∑ R_{vp x}, (5.6)

где е_int и e_ext - парциальные давления водяного пара внутреннего и наружного воздуха;

R_vpx – сумма сопротивлений паропроницанию слоев конструкции, расположенных между внутренней поверхностью и рассматриваемым сечением.

Характер распределения парциального давления водяного пара по сечению многослойной стены можно определить графическим способом. Для этого следует многослойное ограждение привести к виду однородного, изобразив его в масштабе сопротивлений паропроницанию. Отложив на внутренней и наружной поверхностях стены значения парциальных давлений е_int и e_ext и соединив эти точки прямой линией, получаем график распределения давления водяного пара по сечению многослойной стены (рис.5.1).

где е_int и e_ext - парциальные давления водяного пара внутреннего и наружного воздуха;

R_vpx – сумма сопротивлений паропроницанию слоев конструкции, расположенных между внутренней поверхностью и рассматриваемым сечением.

Характер распределения парциального давления водяного пара по сечению многослойной стены можно определить графическим способом. Для этого следует многослойное ограждение привести к виду однородного, изобразив его в масштабе сопротивлений паропроницанию. Отложив на внутренней и наружной поверхностях стены значения парциальных давлений е_int и e_ext и соединив эти точки прямой линией, получаем график распределения давления водяного пара по сечению многослойной стены (рис.5.1).

Возможность образования конденсации влаги внутри ограждающей конструкции проверим графическим методом, заключающимся в следующем:

1. На разрезе ограждения, изображенного в масштабе сопротивлений паропроницанию, строится график изменения фактического парциального давления водяного пара е в толще ограждающей конструкции (прямая линия).

2. На том же чертеже строится график давления насыщенного водяного пара Е, соответствующий распределению температур в толще конструкции. Если линии е и Е не пересекаются (рис.5.3а), конденсация водяного пара в толще ограждающей конструкции отсутствует, т.к. в любой плоскости внутри ограждения давление водяного пара ниже насыщенного, при котором возникает конденсация.

В случае пересечения или касания графиков е и Е (рис.5.3 б,в) в ограждении возможна конденсация влаги.

Возможность образования конденсации влаги внутри ограждающей конструкции проверим графическим методом, заключающимся в следующем:

1. На разрезе ограждения, изображенного в масштабе сопротивлений паропроницанию, строится график изменения фактического парциального давления водяного пара е в толще ограждающей конструкции (прямая линия).

2. На том же чертеже строится график давления насыщенного водяного пара Е, соответствующий распределению температур в толще конструкции. Если линии е и Е не пересекаются (рис.5.3а), конденсация водяного пара в толще ограждающей конструкции отсутствует, т.к. в любой плоскости внутри ограждения давление водяного пара ниже насыщенного, при котором возникает конденсация.

В случае пересечения или касания графиков е и Е (рис.5.3б,в) в ограждении возможна конденсация влаги.

3. Для графического определения границ возможной зоны конденсации из концов прямой е_int e_ext проводятся

касательные к графику Е. Точки касания определяют возможную зону или плоскость конденсации.

Плоскость конденсации получается при совпадении точек касания в точке Е_к' (рис.5.3б).

Зона конденсации получается при совпадении точек касания в точках Е_к' и Е_к'' (рис.5.3в).

Внутри ограждающей конструкции легко установить плоскость или зону, в которой конденсация влаги наиболее вероятна и происходит раньше, чем в других сечениях. В слоистых конструкциях отапливаемых зданий таким опасным сечением будет плоскость примыкания пористых материалов к более плотным слоям, расположенным в наружной части конструкции. В однородных ограждениях плоскость вероятной конденсации располагается примерно на расстоянии

2/3 толщины от внутренней поверхности конструкции. Расположение плоскости вероятной конденсации влаги в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий показано на рис. 5.4 а,б,в,г.

В слоистых ограждающих конструкциях порядок расположения слоев из пористых и плотных материалов очень важен для предупреждения конденсации влаги внутри конструкции. Если внутренняя часть ограждающей конструкции выполнена из пористого материала, а наружная – из плотного, то на границе раздела этих материалов может возникнуть конденсация влаги (рис.5.5б).

Сорбционное увлажнение материалов .

Влага, поглощаемая пористым материалом из окружающего его воздуха, называется сорбционной.

Если высушенный образец пористого материала поместить в воздушную среду с определенной температурой и относительной влажностью, то с течением времени образец поглотит некоторое количество влаги. При дальнейшем пребывании материала в воздухе с постоянной температурой и влажностью количество поглощаемой влаги останется неизменным. Если изменить температуру или влажность окружающего воздуха, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащиеся в материале.

Процесс поглощения влаги из окружающего воздуха называется сорбцией. Сорбционное увлажнение происходит за счет сил молекулярного взаимодействия между поверхностью материала и молекулами водяных паров, которые обволакивают поверхность его пор и капилляров.

Влагосодержание материала определяется величиной относительной массовой влажности и выражается в процентах.

Относительная массовая влажность материала w - есть процентное отношение массы влаги, содержащегося в образце материала, к массе того же образца в сухом состоянии:

w = Ƥ ∕ Ƥ_с · 100% (5.7)

Особенности поглощения сорбционной влаги материалами выражается графически в виде так называемых изотерм сорбции, которые показывают зависимость массовой влажности материала от относительной влажности воздуха при постоянной температуре.Форма кривой изотермы сорбции зависит от природы и структуры материала.

. Выпуклая часть изотермы указывает на появление внутри материала адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров силами молекулярного притяжения (мономолекулярная адсорбция). Средняя часть изотермы, близкая к прямой линии, соответствует появлению пленки адсорбированной влаги, состоящей из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция). При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и

заполняют тонкие капилляры. Этот этап сорбционного увлажнения называется капиллярной конденсацией и соответствует вогнутой части изотермы в области высокой относительной влажности воздуха.

Процесс капиллярной конденсации имеет место в хорошо смачиваемых материалах, внутри которых имеются мелкие поры и тонкие капилляры с радиусом, равным или меньшим

10^{-5 см. При этом, чем тоньше капилляры и чем большей смачиваемостью обладает их поверхность, тем меньше относительная влажность воздуха, при которой возникает капиллярная конденсация. Так, для мелкопористого гипса капиллярная конденсация начинается при 70–75% относительной влажности воздуха, а для хорошо обожженного кирпича – при 80 – 85%.}

Полное сорбционное насыщение материала при неизменной температуре достигается при максимальной относительной влажности воздуха; ему соответствует предельное значениемассовой влажности материала w₁₀₀. Для таких пористо-капиллярных материалов, как древесина, фибролит предельное значение массовой влажности w₁₀₀ равно 30 – 35%.

Для крупнопористых материалов, плохо смачиваемых влагой, (битумы, минераловатные плиты и др.) характерны изотермы с прямолинейными, близкими к горизонтальным участкам - изотерма 3. Процесс капиллярной конденсации в таких материалах практически отсутствует. Верхний предел сорбционного увлажнения соответствует предельной массовой влажности w₁₀₀ = 0,2 – 2,0%. Промежуточное положение занимают ограниченно смачиваемые материалы (обожженный кирпич, пеностекло.Такой же характер изотерм свойственен очень плотным, хотя и более смачиваемым материалам (известняки, силикатный кирпич и др.). Верхний предел сорбционного насыщения для таких материалов составляет примерно от 0,5 до 5,0%.

ЛЕКЦИЯ 6. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций

Опыт эксплуатации зданий показывает, что в холодное время года большое влияние на эксплуатационные качества помещений оказывает фильтрация воздуха через ограждающие конструкции. Воздухопроницаемость обусловлена неплотностями в элементах наружных ограждений (прежде всего в межпанельных стыках, в стыках окон с панелями, неплотностями в притворах окон и дверей), пористостью материалов, наличием трещин и отверстий в строительных конструкциях.

Воздухопроницаемость или фильтрация воздуха через ограждающие конструкции имеет свои положительные и отрицательные стороны. Небольшую воздухопроницаемость ограждений с санитарно-гигиенической точки зрения принято рассматривать как положительный фактор, создающий в помещениях естественный воздухообмен и регулирующий влажностный режим ограждающих конструкций. Однако чрезмерная воздухопроницаемость ограждения крайне нежелательна, так как в зимнее время приток холодного воздуха вызывает дополнительные теплопотери, ухудшает микроклимат, снижает теплозащитные качества ограждающих конструкций, охлаждает помещения. Мероприятия по увеличению толщины конструкции или повышению температуры воздуха во избежание ухудшения теплового режима помещения приводят, в первом случае, к увеличению капитальных затрат на конструкции, а во втором – к тепловым потерям и прибавлению энергии на отопление. Вытяжка теплого воздуха через конструкцию во внешнюю среду ухудшает влажностный режим конструкции и может быть причиной повышенной конденсации водяных паров в ее толще, что вызывает множество проблем – от переувлажнения и бактериального заражения до разрушения ограждающей конструкции. Кроме того, воздухопроницаемость способствует переносу дыма, запахов, пыли и других загрязнений как извне, так и между помещениями в здании.

Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции происходит под влиянием разности давлений воздуха на противоположных поверхностях конструкции. Разность общих давлений воздуха по обе стороны ограждения может возникнуть как под воздействием теплового напора, обусловленного разностью температур внутреннего и наружного воздуха, так и под влиянием ветрового напора.

Величина теплового напора зависит от разности температур, а также от высоты помещения или здания.

В нижней зоне здания или помещения через любые неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях происходит приток тяжелого холодного наружного воздуха внутрь помещения (инфильтрация), а в верхней зоне или в верхних этажах – удаление легкого теплого воздуха наружу (эксфильтрация). Эти явления, вызывающие естественный воздухообмен в помещении или здании, в особенности заметны при сильных морозах, когда разность температур наружного и внутреннего воздуха отапливаемых помещений особенно велика. В связи с этим сильнее всего подвержены охлаждению в холодное время комнаты первых этажей, где наблюдается наиболее активная инфильтрация.

Можно представить, что между нижней и верхней частями помещения на некоторой высоте располагается нейтральная зона – условная горизонтальная плоскость, для которой внутреннее давление в рассматриваемый момент времени соответствует внешнему, в связи с чем на уровне этой поверхности фильтрации не происходит

Удельный вес холодного наружного воздуха , больше удельного веса теплого внутреннего воздуха , и величина разности давлений, возникающая под влиянием теплового напора , может быть определена по формуле:

, (6.1)

где – вертикальное расстояние рассматриваемого участка ограждающей конструкции от нейтральной поверхности, м.

Значения вычисляются и вычисляются по формулам:

; (6.2)

, (6.3)

где – расчетная температура наружного воздуха, , принимаемая равной средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92;

– расчетная температура внутреннего воздуха, ;

– удельный вес воздуха при температуре , .

Кроме теплового напора на интенсивность воздухопроницаемости влияет ветровой напор, который обусловливается действием на здание ветра. Разность давлений воздуха, вызываемая ветровым напором, зависит от его скорости и от аэродинамических характеристик здания. В случае бесконечно высокого препятствия, расположенного перпендикулярно направлению ветра, разность давлений воздуха по обе его стороны определяется только скоростью ветра

, (6.5)

где – удельный вес наружного воздуха, ;

– скорость ветра, ;

– ускорение свободного падения, .

В случае конечных размеров здания ветровой поток, огибая здание, создает повышенное давление с наветренной стороны здания и пониженное давление (так называемую «ветровую тень») с подветренной стороны (рис. 6.2). Перепад давления в этом случае определяется аэродинамическими коэффициентами и (для наветренного и подветренного фасадов), зависящими от формы здания и направления ветра. Аэродинамический коэффициент с наветренной стороны всегда имеет положительное значение, превышающее аэродинамический коэффициент с подветренной стороны, значение которого чаще бывает отрицательным, достигая -0,7– 0,85, следовательно, и давление на наветренную ограждающую поверхность будет больше, чем на подветренную. Для вертикальных плоских ограждений при направлении ветра перпендикулярно к их поверхности значения аэродинамических коэффициентов приближенно равны: для наветренной стороны , для подветренной . Тогда величина избыточного давления за счет ветрового напора

. (6.6)

При расчетах ветрового напора скорость ветра принимается по данным СНиП 23-01-99, равной максимальной из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более. Для типовых проектов скорость ветра принимается равной 5 .

При совместном воздействии ветра и теплового напора разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции определяется как сумма соответствующих разностей давлений по формуле

(6.7)

Можно провести математическую аналогию между процессами теплопроводности (теплопереноса) и фильтрации воздуха (массопереноса). Воздушный поток или воздухопроницаемость G – количество воздуха в кг, проходящего через 1 м² однородной ограждающей конструкции за 1 ч.

В случае стационарного процесса воздухопроницаемости воздушный поток определяется по формуле

, (6.8)

где G – воздушный поток (воздухопроницаемость), ;

– разность давлений воздуха у наружной и внутренней поверхности, Па;

– толщина слоя, м;

i – коэффициент воздухопроницаемости.

Под коэффициентом воздухопроницаемости понимается количество воздуха в кг, проходящего через слой однородного материала толщиной 1 м и площадью 1 м² за 1 ч при разности давлений на противоположных поверхностях слоя в 1 Па.

Единицы измерения коэффициента воздухопроницаемости – .

Значения коэффициента воздухопроницаемости изменяются в широких пределах. Причиной воздухопроницаемости материалов является наличие пор, дефектов, каналов для проникновения воздуха. Воздухопроницаемость зависит от структуры материала и его влажности. Влажные материалы содержат в порах капиллярную влагу и поэтому имеют меньшую воздухопроницаемость. Некоторые плотные материалы с очень мелкими порами, однородной структурой и без трещин практически не пропускают молекул воздуха. Поэтому для таких предельно плотных материалов, как стекло, листовой алюминий, плотная керамика, многослойные рулонные кровли и др., коэффициент воздухопроницаемости практически равен нулю. В то же время, если в плотном материале имеются тончайшие трещины, иногда не различимые глазом, его воздухопроницаемость резко возрастает. Поэтому коэффициент воздухопроницаемости является гораздо менее строгим понятием, чем коэффициент теплопроводности.При прохождении воздушного потока через слой однородного материала последний оказывает воздушному потоку сопротивление, называемое сопротивлением воздухопроницанию .

Для сплошных слоев материала сопротивление воздухопроницанию определяется по формуле

(6.9)

где и i – то же, что и формуле (6.8).

Сопротивление воздухопроницанию численно равно разности давлений воздуха на противоположных поверхностях конструктивного слоя, при которой через 1 м² слоя за 1 ч проникает 1 кг воздуха.

Единицы измерения сопротивления воздухопроницанию - .

С учетом (6.9) воздушный поток G, определяемый по формуле (6.8), равен

. (6.10)

Сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции определяется как сумма сопротивлений воздухопроницанию отдельных конструктивных слоев ограждения

, (6.11)

где – сопротивления воздухопроницанию слоев ограждающей конструкции.

Воздухопроницаемость ограждений обусловливается воздухопроницаемостью материала и проникновением воздуха через швы конструкции, трещины, щели и т.п. Она, как правило, отличается по величине от воздухопроницаемости материалов конструкции. Воздухопроницание сопряжений между отдельными элементами ограждающей конструкции часто во много раз больше воздухопроницания материалов, из которых выполнены эти элементы. Так, для каменной или кирпичной кладки более воздухопроницаемыми оказываются швы кладки, недостаточно плотно заполненные раствором. В связи с этим при расчетах воздухопроницаемости надежнее пользоваться не величинами толщины и коэффициента воздухопроницаемости материала i, а экспериментально установленными сопротивлениями воздухопроницанию отдельных конструктивных слоев. В табл.Д.1 Приложения Д приведены расчетные величины сопротивлений воздухопроницанию наиболее распространенных материалов и конструктивных элементов.

В целях устранения недопустимого охлаждения ограждающей конструкции при воздухопроницании нормами ограничивается воздушный поток, проникающий через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Нормируемая воздухопроницаемость для различных ограждающих конструкций приведена в табл. Д.2 Приложения Д.

Расчетное сопротивление воздухопроницанию ограждающих конструкций , за исключением заполнений световых проемов, должно быть не менее требуемого сопротивления воздухопроницанию (), определяемого из формулы (6.10):

. (6.12)