книги из ГПНТБ / Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) учеб. пособие

-85%; при этом, в первом случае сопротивление влагообмену дости­ гает сопротивления проницанию плотной сплошной штукатурки.

““ Если принять, что при средних условиях холодного периода года понижение температуры на поверхности ограждений в сухих поме­ щениях (при R0TP=^MUH) будет составлять величину до 5°, а в более влажных (при ROTP=M Ü K C . ) величину порядка 2—3°, то для прибли­ женного вычисления сопротивлений влагообмену (влаговосприя-

щ.') тию), допустив линейную интерпретацию нелинейной зависимости, можно использовать следующую формулу:

где ер — относительная влажность воздуха помещения, %. Паропроницаемость материалов оценивается коэффициентом

паропроницаемости р, в г/мм рт. ст.-м-ч, выражающим количество пара в граммах, диффундирующего за 1 ч через 1 м2 плоского слоя материала толщиной в 1 м при разности парциальных давлений водяного пара на поверхностях слоя, равной 1 мм рт. ст.

При установившемся потоке водяного пара, диффундирующего через конструкцию, сопротивление паропроницанию какого-либо конструктивного слоя толщиной б в м, определяется по формуле:

Общее сопротивление паропроницанию многослойной ограждаю­ щей конструкции приближенно может быть определено как:

где п — число слоев.

Коэффициенты паропроницаемости для материалов рыхлых и с открытыми крупными порами имеют большие значения (например, минераловатный войлок— р = 0,065), а для плотных материалов—■ т» малые (например, конструктивный бетон — р = 0,004)^Значения ко­ эффициентов паропроницаемости строительных материалов указа­

ны в приложении.

Эти значения р установлены лабораторными исследованиями в изотермических условиях* по схеме, указанной на рис. VI.10.

Испытываемый образец материала площадью F и толщиной б вкладывается в верхнее латунное кольцо прибора и герметизирует-

^ся по контуру непроницаемой мастикой. В закрытом пространстве под образцом, вследствие испарения воды, относительная влаж­ ность воздуха ф равна 1 0 0 % и парциальное давление е-^Е — насы­ щающему при имеющейся температуре. Над верхней поверхностью

*Исследование коэффициентов паропроницаемости минеральной пробки и пенопластов в неизотермических условиях при градиентах температуры, харак­ терных для теплоизолирующих конструкций холодильников показало, что значе­ ния этих коэффициентов в изотермических и неизотермических условиях отлича­ ются друг от друга не более, чем на 4% [71].

240

образца ф ~ 60% и е6о- Среднее равновесное влагосодержание об­ разца со соответствует ^ 80% по изотерме сорбции. Иссле­

дуемая система периодически взвешивается на точных аналитиче­

качестве гигростатирующего вещества — обычной воды проводятся

при довольно высоком равно­ весном влагосодержании об­ разца, соответствующем при­ мерно 80%’ по изотерме сорб­ ции. Перемещения влаги в гид­ рофильном капиллярно-порис­ том материале при таком его влагосодержании могут проис­ ходить не только в парообраз­ ной фазе, но и в виде пленок влаги, слабо связанных с по­ верхностью пор и капилляров. В связи с этим, строго говоря, термин паропроницаемость не

чезнет.

Его значения

(ѴІ.24)

“ 80

могут быть определены из обычных термодинамических закономер­ ностей.

Работа W, совершаемая диффундирующим водяным паром в изотермических условиях, равна:

W = RT In — G,

ех

где G— количество парообразной влаги, перемещающейся путем диффузии, г; Е и ех — давления водяного пара при полном насыще­ нии и рассматриваемое.

Пусть имеются два одинаковых образца материала, но с раз­ личной влажностью. В одном из образцов средняя величина пар­ циального давления водяного пара равна ех, а в другом esoПред­ положив, что разности внешних парциальных давлений одинаковы

241

в обоих случаях и приравняв их друг к другу, получим выражение для работы, совершаемой диффузией водяного пара в этих образ­ цах:

RT ln — QX = RT ln — (?80.

При разности внешних парциальных давлений Ле=1, RTGx=\ix, a RTGво = \nso и з условий эксперимента и определения понятия ко­ эффициента паропроницаемости; тогда получим;

Лс In— =р.8 0 1п —

е.іг е80

или

Нм-1п<р*= —1*80 ln?«,.

Но величина In ф является основным характеристическим пара­ метром уравнения изотермы сорбции гидрофильных материалов, следовательно, соотношение между р* и р8о зависит от сорбционных

“ 8 0

Р Прямая связь величин коэффициентов паропроницаемости с сорбционными свойствами материалов позволяет считать, что из­ менения р в зависимости от равновесной влажности будут различ­ ными для отдельных групп материалов, характеризуемых изотер­ мами сорбции различного вида. Для смачиваемых материалов с высокой сорбционной способностью эти изменения будут наиболее существенными, тогда как для материалов, несмачиваемых влагой, т. е. гидрофобных (например, минеральный войлок, минераловат­ ные плиты и т. д.), они практически не будут ощутимы.

Для этих последних материалов большее значение может иметь изменение коэффициентов паропроницаемости в зависимости от температуры-j Такие изменения констатированы при проведении экспериментов по определению паропроницаемости гидрофобных материалов [71], но закономерности этих изменений недостаточно изучены.

пара, а еі, ег — парциальные давления.

242

Представляет интерес сравнение величин коэффициентов паро­ проницаемости, вычисленных по формуле (ѴІ.24), с имеющимися экспериментальными данными.

К сожалению, сколько-нибудь систематических отечественных данных по экспериментальному определению коэффициентов паронроницаемостн гидрофильных материалов при различном их равно­ весном влагосодержапии почти не имеется, и наибольший интерес с этой точки зрения представляют измерения Иогансона и ЭденхольМа (Швеция), результаты которых известны, в частности, из немецкой периодической литературы [64].

Указанными экспериментальными работами установлено, что значения коэффициентов паропроницаемостн (в подлиннике «ко­ эффициентов влагопроницания, г/м-ч-мм рт. ст.») при 45% относи­ тельной влажности уменьшаются против значений при 80%, для органических материалов в 1,5—2,0 раза, а для неорганических в 2—3 раза* (рис. ѴІ.11). Для минеральной шерсти (ваты) не отме­ чено никаких изменений паропроницаемости от влажности. Это вполне согласуется с характером изотермы сорбции для этого ма­ териала, свидетельствующей о том, что его весовая влажность в пределах от 45 до 80% почти не изменяется; направление изотермы

Ниже приводится табл. VI.2 сравнительных величин коэффи­ циентов паропроницаемости, полученных Иогансоном и Эденхольмом и вычисленных по формуле (ѴІ.24).

Т а б л и ц а ѴІ.2

Сопоставление экспериментальных и вычисленных значений коэффициентов паропроницаемости

детельствует лишь о том, что в немецкой и, по-видимому, скандинавской литера­ туре не употребляется наименование иаропроницаемость. Однако идентичность измеренных величин коэффициентам паропроницаемости видна из их физиче­ ской размерности. При влажности материала менее 80% по изотерме сорбции перемещения влаги в жидкой фазе не могут иметь места.

243

Необходимые для такого сравнения данные о сорбционной спо­ собности соответствующих материалов установлены применительно

ктаблице приложения.

Впоследней графе таблицы указаны значения коэффициентов паропроницаемости, приведенные в строительных нормах и прави­ лах (Нормы строительной теплотехники). Эти сравнительно высо­ кие значения для смачиваемых материалов примерно соответствуют

водяного пара протекают медленно. Если постоянный поток тепла в таких ограждающих конструкциях устанавливается в течение не­ скольких суток или даже часов после того, как температуры внут­ реннего и наружного воздуха стабилизировались, то постоянный поток водяного пара в облегченных конструкциях может устано­ виться только в течение нескольких недель, а в более массивных конструкциях, выполненных из плотных материалов, — нескольких месяцев после стабилизации величин парциального давления водя­ ного пара во внутреннем и наружном воздухе. Так как в реальных условиях за этот период времени значения давлений водяного пара существенно изменяются, диффузия в сравнительно массивных ограждениях отапливаемых зданий так и не приобретает устано­

244

вившегося характера. Поэтому расчеты диффузии и конденсации водяного пара внутри массивных однородных ограждений, прово­ димые методами, справедливыми для установившегося потока во­ дяного пара, обычно носят условный характер, выясняющий мак­ симально возможное, влажностное состояние материалов конст­ рукции.

В многослойных конструкциях подобными сравнительными рас­ четами легко установить наиболее целесообразное (с точки зрения предупреждения конденсации влаги) расположение конструктив­ ных слоев с различной степенью проницаемости.

Рис. V I .12. Схемы влажностного состояния слоистых стен с различным расположением слоев при установившемся потоке диффузии водяного пара:

случаи, когда расчеты по установившемуся потоку диффундирую­ щей влаги приобретают достаточную достоверность.

Таковы, например, расчеты наружных ограждений холодильни­ ков в южном климате: непрерывность теплого периода года при­ ближает протекающий снаружи внутрь процесс диффузионного увлажнения этих конструкций к стационарному и расчеты, справед­ ливые для этих условий, обеспечивают результаты, близкие к дей­ ствительности.

Наибольшее распространение получил графо-аналитическцц ме­ тод расчета при установившемся потоке водяного пара, предложен­ ный в СССР О. Е. Власовым и К. Ф. Фокиным. Этот метод заклю­ чается в следующем:

1. На разрезе ограждающей конструкции (например, железобе­ тонной панели, утепленной пенобетоном, рис. VI.12) строится ли­ ния распределения температур внутри конструкции; при этом тем-

245

пература наружного воздуха (в том случае, если определяется зим­ нее накопление конденсирующейся внутри конструкции влаги) принимается равной средней температуре наиболее холодного ме­ сяца. Для построения линии распределения температур пользуются соответствующей формулой для стационарной теплопередачи (1.24).

2.На том же чертеже строится линия насыщающих парциаль­ ных давлений водяного пара Е, соответствующая построенному распределению температур в толще конструкции. Величины этих давлений водяного пара для температур в конкретных сечениях конструкции принимаются по таблице приложения.

3.Строится линия падения действительных величин парциаль­ ных давлений водяного пара е в толще ограждающей конструкции.

Если линия е лежит ниже линии .насыщающих парциальных дав­ лений Е, то конденсация диффундирующего водяного пара в толще конструкции происходить не может; пересечение же этих линий бу­ дет указывать на возможность такой конденсации.

Наклон линии падения действительных давлений водяного пара зависит от величины сопротивления паропроницанию отдельных конструктивных слоев^Значения парциальных давлений на грани­ цах между отдельными слоями вычисляются по формуле:

245

(0 , 4 5 — сопротивление влагообмену на внутренней поверхности кон­ струкции; 0,05; 0,19 и 0,045 — толщины железобетонного слоя, пено­ бетона и фактуры; 0,004; 0,027 и 0,013 —коэффициенты паропрони­ цаемости этих материалов; £ 'п_і/?П— сопротивления влагообмену на поверхности и паропроницанию железобетонного слоя, равное 12,5 мм рт. ст.-м2-ч/кг).

При столь значительном падении парциального давления водя­ ного пара в конструктивном слое ограждающей конструкции, грани­ чащим с отапливаемым помещением, величины е во всех сечениях конструкции оказываются меньше значений Е, а потому конденса­ ции водяного пара в толще стены происходить не может. Наоборот, падение парциального давления пара во внутренних слоях конст­ рукции будет небольшим, если эти слои выполнены из пористых паропрошщаемых материалов.

В этом случае значения парциальных давлений водяного пара внутри ограждающей конструкции достигают величины максималь­ но возможного насыщения воздуха в порах материала. В связи с этим возможна конденсация влаги внутри конструкции в зоне, где ^величина е^вычисленная по формуле (ѴІ.25),уэавна или даже пре­ вышает значение Е.

Например, в стене из пенобетона с внутренней фактурой и на­

изучения общих закономерностей распределения влагосодержания в однородных ограждающих конструкциях для тех случаев, когда та­ кое влагосодержание ниже предела сорбционного насыщения мате­ риала.

По значениям величин е й Е внутри конструкции, например, шлакобетонной стены (рис. VI. 13), можно построить линию изме­ нений относительных парциальных давлений (относительной влаж­

конструкции относительная влажность может достигать значений, близких к полному насыщению, тогда как к теплой и холодной по­ верхностям конструкции значения ср — понижаются. В соответствии с изменениями относительной влажности внутри конструкции будет изменяться и влагосодержание материала.

По изотерме сорбции (рис. VI. 13, б) и значениям ф легко уста­ новить соответствующее равновесное влагосодержание материала. Например, из данных рисунка VI. 13 видно, что наибольшее влаго­

247

содержание шлакобетона внутри стены повышается до 3,5% по ве­ су, а у внешних поверхностей конструкции уменьшается до 2 , 1 — 2,5%.

~ Описанный метод расчета определяет только конечные термодп- намически-возможные состояния, характерные для завершающих стадий процесса увлажнения, но не рассматривает течение этого процесса во времени. Поэтому в конструкциях, выполненных из плотных материалов, конденсации, ожидаемой в соответствии с рас­ четом, может и не наступить, поскольку для стабилизации процесса увлажнения (при которой оказываются справедливыми описанные выше графические построения) продолжительность холодного пе­ риода года окажется недостаточной. іВ связи с этим термодішами-

тона (ѵ=1400 кг/м*)

ческая трактовка процесса увлажнения должна быть дополнена мо­ лекулярно-кинетическими представлениями о быстроте этого про­ цесса. Для расчета влажностного состояния слоистых ограждающих конструкций и предупреждения образования конденсата в их тол­ ще может быть применен метод инженерного расчета, по предельно­ допустимому состоянию увлажнения.

§ 6. РАСЧЕТ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОМУ СОСТОЯНИЮ УВЛАЖНЕНИЯ

Внутри любой ограждающей конструкции, выполненной из по­ ристых воздушно-сухих материалов, легко установить зону или точнее плоскость, в которой возникновение конденсации диффунди­ рующего водяного пара наиболее вероятно и должно произойти ра­ нее, чем в других сечениях. В слоистых конструкциях отапливае­ мых зданий таким опасным сечением будет плоскость примыкания сравнительно проницаемых материалов (рыхлых, пористых и т. д.),

248

к более плотным слоям, расположенным в наружной (т. е. более холодной) части конструкции (рис. VI.14).

В конструкциях стен, утепленных изнутри, это будет плоскость примыкания утеплителя к основной более плотной части; при утеп­ лении стен снаружи — опасное сечение находится под наружным фактурным слоем; в покрытиях с многослойной рулонной кровлей опасной зоной является подкровельный слой. В конструкциях одно­ родных стен помещений с влажностью не выше нормальной, зона наибольшего увлажнения расположена примерно на расстоянии

Рис. V I .14. Расположение плоскости вероятной конденсации в ограж­ дающих конструкциях, увлажняемых диффузией водяного пара:

2/з толщины от внутренней поверхности, поскольку равновесное влагосодержание материала в этой зоне наибольшее.

При разработке методов инженерного расчета кинетических процессов, к которым, в частности, относится диффузионное увлаж­ нение конструкций, часто возникает необходимость рассмотрения предельно допустимых состояний этого процесса, существенным об­ разом влияющих на эксплуатационные качества конструкции. Во многих кинетических процессах (например, постепенного разруше­ ния, охлаждения, проницания, увлажнения и т. д.) такие предельно­ допустимые состояния конструкции определяют основные этапы и даже методы соответствующих технических расчетов.

В зависимости от стойкости увлажняемых материалов (т. е., прежде всего, от степени постоянства их структурно-механических свойств при многократных изменениях влагосодержания и колеба­ ниях температуры) и их сорбционной активности, допустимое со­ стояние увлажнения может быть различным:

249