4. Воздухопроницание и паропроницаемость ограждающих конструкций.

Воздухопроницание или фильтрация воздуха через ограждающие конструкции происходит под влиянием разности общих давлений на противоположных поверхностях конструкции.

Разность давлений Δp возникает:

- под влиянием теплового напора (пропорционального разности температур в здании и наружном воздухе);

- при действии ветра.

Величина теплового напора зависит от разности температур, а также высоты помещения или здания, возрастая по мере ее увеличения.

Воздухопроницаемость ограждающей конструкции зависит от наличия в материале крупных сообщающихся между собой пор, а также его влагосодержания. Если в тонких капиллярах имеется жидкая влага, удерживаемая капиллярным давлением, воздухопроницаемость (при умеренной величине Δp) уменьшается.

В материалах, состоящих из нескольких компонентов (например, бетон), воздухопроницаемость, как правило, выше, поскольку обычно внутри неоднородного материала возникают микроскопические трещины в местах контакта отдельных компонентов.

Высокую и с течением времени возрастающую воздухопроницаемость имеют, например, шлакобетоны на котельных шлаках и, особенно, беспесчаные бетоны, в которых в качестве заполнителя применен гравий с гладкой поверхностью, недостаточно сцепляющейся с цементным раствором.

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций в наибольшей мере зависит от плотности их поверхностных слоев. Наличие в материале путей для проникания воздуха прямо не связано с толщиной конструктивного элемента; воздухопроницаемость часто от нее не зависит.

Поэтому понятие о коэффициенте воздухопроницаемости материала, аналогичном коэффициенту теплопроводности, может относиться только к установившемуся потоку фильтрации в материалах с однородной структурой, не имеющей плотных поверхностных слоев, или с явно выраженными неплотностями и дефектами.

Под коэффициентом воздухопроницаемости ί, понимается количество воздуха, проходящего через слой однородного материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 за единицу времени при единичной разности давлений на противолежащих поверхностях слоя.

Значение коэффициента воздухопроницаемости изменяется в широких пределах:

для плотных гипсовых плит ί = 0,051×10^-3 кг/(м·ч·мм вод.ст.),

для топливного шлака ί = 6380×10^-3 кг/(м·ч·мм вод.ст.).

Обычно воздухопроницаемость отдельных конструктивных слоев принимается по экспериментально установленным величинам их сопротивлений воздухопроницанию.

Для сплошных слоев материала сопротивление воздухопроницанию Rи прямо пропорционально толщине слоя δ и обратно пропорционально фактическому коэффициенту воздухопроницаемости материала в слое i_e:

R_i= δ /i_{e .}

Сопротивление воздухопроницанию выражается разностью давлений воздуха, при которой через 1 м2 конструктивного слоя проникает 1 кг воздуха за единицу времени.

Количество воздуха W, фильтрующееся через ограждающую конструкцию, обратно пропорционально Ri — сопротивлению воздухопроницания ограждающей конструкции.

Нормирование общего сопротивления воздухопроницанию ограждающих конструкций необходимо, чтобы ограничить количество фильтрующегося воздуха и дополнительные потери тепла, вызванные воздухопроницанием при расчетной разности давлений.

Для предупреждения чрезмерного охлаждения ограждающей конструкции целесообразно, чтобы ее внешняя часть (до 0,25 общей толщины) имела сопротивление воздухопроницанию не менее 0,33 требуемого.

Для конструкций с воздушной прослойкой сопротивление воздухопроницанию наружного слоя ограждения (до воздушной прослойки) должно быть не менее 0,4 мм вод.ст.·м2·ч/кг.

Сопротивление воздухопроницанию 1 м стыков и сопряжений между отдельными крупными элементами стен жилых и общественных зданий должно быть не менее  двух значений теплового напора.

Воздухопроницание изменяет распределеление температур внутри конструкции и уменьшает ее сопротивление теплопередаче и увеличивает потери тепла зданием.

Для сильно воздухопроницаемых конструкций (когда W относительно велико) теплофизические качества конструкций, имеющих большое число неплотностей и щелей, определяются только свойствами воздухопроницаемости.

В холодный период года температура воздуха в отапливаемом помещении значительно выше температуры наружного воздуха.

При сравнимых значениях относительной влажности в помещении и снаружи теплый воздух всегда содержит большее количество водяного пара, чем холодный. В связи с этим парциальное давление водяного пара в воздухе помещения будет значительно больше давления водяного пара в наружном воздухе.

Разность этих давлений достигает для жилых и общественных зданий 9…10 мм рт.ст., а в зданиях с повышенной температурой и влажностью воздуха может быть значительно большей.

Под влиянием разности парциальных давлений возникает поток водяного пара, направленный от внутренней поверхности конструкции к наружной (диффузия водяного пара). Если для пористых материалов допустить аналогию между процессами диффузии и теплопроводности, то для установившегося потока водяного пара через плоскую стенку, выполненную из однородного материала, можно написать:

 P ~ FZ ,

 где P — количество диффундирующего пара; F — площадь стенки; Z — время, в течение которого происходит процесс диффузии.

Коэффициент паропроницаемости — это количество влаги в граммах, которое проходит в единицу времени через слой материала площадью 1 м² и толщиной 1 м при единичной разности парциальных давлений на противолежащих поверхностях слоя.

Из строительных материалов наименьшим коэффициентом паропроницаемости обладает рубероид [μ=0,00018 г/(м·ч·мм рт. ст.)], а наибольшим — минеральная вата [μ=0,065 г/(м·ч·мм рт. ст.)].

Величина μ смачиваемых воздушно-сухих материалов зависит от их влагосодержания.

При меньшем влагосодержании величина μ уменьшается за счет сокращения переноса пленочной слабоадсорбированной влаги. Чтобы вычислить коэффициент паропроницаемости для воздушно-сухого материала при влажности 60%, надо воспользоваться изотермой сорбции этого материала.

Например, для древесины хвойных  пород с влажностью 12%  (что соответствует по изотерме сорбции относительной влажности воздуха 60%)   коэффициент паропроницаемости в направлении поперек волокон μ₆₀=0,0167.

В пористых материалах содержатся лишь раздельные очаги пленочной влаги, незначительно уменьшающие общий объем пор, и значения μ могут несколько увеличиться за счет интенсивного переноса водяного пара.

Изменения μ в зависимости от влажности для несмачиваемых влагой материалов незначительны, поскольку их влагосодержание остается небольшим и примерно постоянным на всех стадиях сорбционного увлажнения.

При проницании водяного пара через слой материала последний оказывает сопротивление паропроницанию Rn, вычисляемому по формуле:

Rn= δ/ μ ,

где δ — толщина слоя, м.

Сопротивление паропроницанию выражает разность парциальных давлений на противолежащих поверхностях конструктивного слоя, при которой через 1 м² в единицу времени проходит поток пара, равный 1 г.

Полное сопротивление паропроницанию слоистой ограждающей конструкции вычисляется сложением сумм сопротивлений паропроницаню всех конструктивных слоев ограждения, а так же сопротивления влагообмену на противолежащих поверхностях конструкции.