CC BY
42
УДК 697.137.2
Куприянов В.Н. — доктор технических наук, профессор
E-mail: [email protected]
Сафин И.Ш. - аспирант
E-mail: [email protected]
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1
Количественные параметры конденсации парообразной влаги в наружных стенах
Аннотация
Предложены методы определения количественных параметров конденсации:
- календарной продолжительности увлажнения наружных стен конденсированной влагой на основе сопоставления годового хода температур наружного воздуха в заданном климатическом районе и температуры начала конденсации для конкретной конструкции наружной стены;
- количества конденсата, накапливающегося в ограждении за период увлажнения, на основе разности диффузионных потоков парообразной влаги до плоскости (зоны) конденсации и после плоскости (зоны) конденсации;
- изменения теплопроводности материалов в результате их увлажнения.
Ключевые слова: упругость водяного пара, диффузионные потоки, температура,
конденсация, теплопроводность.
Конденсация парообразной влаги внутри наружных стен является нежелательным эксплуатационным воздействием, поскольку при увлажнении внутренних слоев материала снижаются теплозащитные качества ограждений, возникают коррозионные процессы всех видов, ускоряется замораживание и оттаивание материалов и в итоге снижается долговечность наружных стен.
Изучению закономерностей конденсации посвящено большое количество работ, однако количественные параметры конденсации, а именно, календарная продолжительность увлажнения и количество конденсата исследованы недостаточно. Недостаточно изучено влияние количества образующегося конденсата на изменение теплозащитных характеристик наружных стен.
Изучение этих вопросов и анализ опубликованных работ [1, 2] позволили установить, что конденсация парообразной влаги зависит от конструктивного решения наружных стен. В одних конструктивных решениях конденсация начинается при температуре наружного воздуха tH=0 С, в других - не происходит до tH = -35 С.
Обобщение этих исследований позволило ввести понятие - температура начала конденсации (tmc) [1, 2]. Величина tmc численно равна температуре наружного воздуха^, при которой в слое, ближайшем к наружной поверхности, появляется конденсат и возникает плоскость конденсации. При дальнейшем понижении температуры наружного воздуха плоскость конденсации перерастает в зону конденсации, расширяясь по сечению наружной стены в сторону внутренней поверхности.
Таким образом, величина tmc является важнейшей теплофизической характеристикой наружных стен, которая определяется используемыми материалами и конструктивными решениями.
Если температура наружного воздуха в зимний период tH > tHic, то в этой конструкции стены конденсации парообразной влаги не происходит. Если tn = t| ц,-. то в конструкции наружной стены образуется плоскость конденсации; если tn < tmc, то конденсации влаги идет по нескольким сечениям ограждения, то есть образуется зона конденсации.
Используя величину tmc конкретного ограждения и сравнивая её с годовым ходом температуры наружного воздуха в каком-либо климатическом районе, можно оценить календарную продолжительность увлажнения наружных стен конденсированной влагой.
На рис. 1 представлен годовой ход среднемесячных температур наружного воздуха для Казани (кривая 1) и годовой ход 1:н, скорректированный на величину среднесуточных амплитуд наружного воздуха (кривая 2) в сравнении с 1:нк двух типов ограждающих конструкций СТО-1 и СП-1.
О
8 40
о
^ -40 ^
5" ИАСОНДЯФМАМИ
Календарная продолжительность, мес.
Рис. 1. Определение календарной продолжительности конденсации парообразной влаги ограждений по величине температуры начала конденсации (щ..-: 1 - среднемесячные температуры наружного воздуха; 2 - среднемесячные температуры, скорректированные по величине среднесуточных амплитуд наружного воздуха; С - календарная продолжительность; Л С - календарная продолжительность конденсации только в ночное время
Конструкция с условным наименованием СТО-1 представляет собой трехслойную стену: внутренняя штукатурка, керамический эффективный кирпич, монолитный пенобетон, керамический эффективный кирпич. Технические характеристики СТО-1 описаны в примере 2 приложения 6 стандарта организации (РОИС) СТО 00044807-001-2006. Конструкция с условным наименованием СП-1 представляет собой трехслойную стену: внутренняя гипсовая штукатурка, монолитный железобетон, экструдированный пенопласт 81угойэат, керамический кирпич, наружная поризованная штукатурка. Технические характеристики СП-1 описаны в приложении Э свода правил СП 23-101-2004. В целях экономии места технические характеристики СТО-1 и СП-1 в статье не приводятся.
По рис. 1 можно видеть, что конденсация парообразной влаги в конструкциях СТО-1 и СП-1 в одних и тех же климатических условиях происходит по-разному. Можно видеть, что это определяется величиной 1:нк- Календарная продолжительность конденсации в ограждении СТО-1 составляет пять месяцев (с конца октября до середины марта) — Есто-1 , по кривой 1. К этой продолжительности следует добавить 1,5 месяца (ЛСстсм), когда конденсация парообразной влаги будет наблюдаться только в ночное время (по годовому ходу, построенному с учетом средних суточных амплитуд, по кривой 2). В ограждении СП-1 при среднемесячных значениях ^ [ конденсация отсутствует, а будет наблюдаться только в ночное время с начала января до середины февраля (ЛССп-ь с учетом среднесуточных амплитуд ^ [ по кривой 2).
Возникновение конденсации парообразной влаги в ночное время (за счет суточных колебаний ^ [) подтверждено экспериментально теоретическими исследованиями [3]. Для этих целей был изготовлен и установлен в простенке эксплуатируемого здания специальный стенд. Этот стенд представляет собой конструкцию наружной стены из силикатного кирпича и утеплителя Коск\моо1 с тонким слоем наружной штукатурки из Сегга/У СТ-190 толщиной 8 мм. По сечению утеплителя расположены датчики температуры. Подробное описание экспериментального стенда приведено в [4].
Экспериментальный стенд позволяет получить данные по изменению температуры материалов по сечению стены в течение суток, что показано на рис. 2.
53 £
а; а
£ а
N "5--
- Ев 7 ч -Ев 9 ч
- Ев 11ч -Ев 12 ч -Ев 15 ч
Толщины слоев, мм.
Рис. 2. Распределение температур по толщине утеплителя КосЪ\юо1 по часам суток
Данные рис. 2 позволяют по значениям температур в слоях ограждения в разное время суток (ф;) построить аналогичную зависимость по изменению максимальной упругости водяного пара (Е,) по часам суток в тех же сечениях. Величина (Е,) по значению (ф,) определяется по справочным таблицам или по формуле:
156+8.12-1;
2.12 5+ ,1Ч
Е-= 10 и • (1)
На рис. 3 представлено распределение Е; по сечению ограждения в разное время суток в сравнении с распределением действительной упругости парообразной влаги (еО по сечению ограждения.
к
г г .3
#
- Ев 7 ч -Ев 9 ч
- Ев 11ч -Ев 12 ч -Ев 15 ч
Рис. 3. Возникновение конденсации парообразной влаги в ограждении при суточных колебаниях температуры
Распределение е; принято постоянным в течение суток по ряду причин. Во-первых, действительная упругость водяного пара в помещении (ев) будет постоянной в силу обеспечения в помещении нормальных температурно-влажностных условий (по определению). Во-вторых, действительную упругость водяного пара в наружном воздухе (ен) также можно считать постоянной, в силу малой изменчивости этой величины в зимний период. Так, величина енв климатических условиях Казани в январе составляет 280 Па, а в феврале - 290 Па. Разница составляет 10 Па или около 3 %, чем можно пренебречь.
Из рис. 3 видно, что распределение Е, в 7-00, 9-00, 11-00 и 15-00 часов лежит ниже распределения е; по сечению ограждения на расстоянии до 3 см от наружной поверхности, следовательно, в эти часы суток, на эту глубину утеплителя возникает конденсация парообразной влаги. Происходит это один раз в сутки.
Таким образом, годовой ход среднемесячных значений 1:н определяет продолжительность непрерывного увлажнения ограждающих конструкций конденсированной влагой (С по рис. 1), а суточные колебания 1:н определяют периодическое ежесуточное увлажнение продолжительностью по несколько часов в сутки на календарной продолжительности ДС, рис. 1.
Факт выпадения конденсата внутри ограждающей конструкции еще не означает наступление предельного состояния. Предельное состояние наружной стены при увлажнении ее конденсированной парообразной влагой наступает в двух случаях:
- когда влага, накопившаяся в ограждении, в зимний период не удаляется из ограждения до наступления очередного отопительного сезона и будет накапливаться в ограждении с годами, постоянно ухудшая эксплуатационные свойства конструкций;
- когда влага, накопившаяся в ограждении в зимний период, превысит некоторую величину, которая окажется критической для каких-либо эксплуатационных свойств.
Важным этапом в учете конденсации парообразной влаги в наружных стенах является определение количества конденсированной влаги, которая накапливается в ограждении в зимний период.
Для решения этих задач использованы закономерности (Е;-е;) от ^ [. полученные в табличной и графической формах, как это показано в [2, 5] для различных конструкций наружных стен и их сечений.
Использованы также известные зависимости [6], описывающие накопление конденсата в единицу времени, для конструкций с плоскостью конденсации:
О,. =(}'-(}" =е,: ~Ек - Ек ~вн , мг/(м2 ч), (2)
К; К;
и для конструкций с зоной конденсации:
0К =0,-02 = - , мг/(мЧ). (3)
П2
В этих формулах С и ^ , Я'п и Ят - соответственно плотность диффузионных потоков и сопротивление паропроницанию ограждений до плоскости или зоны конденсации:
С и С:, [ и 12- то же, после плоскости или зоны конденсации;
ев и ен - действительная упругость водяного пара при внутреннем и наружном воздухе;
Ек - максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации;
Е1 - максимальная упругость водяного пара на границе зоны конденсации со стороны внутренней поверхности ограждения;
Е2- то же, со стороны наружной поверхности ограждения.
Формулы 2 и 3 применимы для постоянной температуры наружного воздуха, тогда количество конденсата за период времени Т (часы) определится по формуле:
0к= Ок-Т, мг/м2. (4)
В реальных условиях эксплуатации температура наружного воздуха не постоянна, она изменяется по суточному и годовому ходу. Использование формул 2 и 3 становится возможным, если годовой ход температуры наружного воздуха разбить на дискретные периоды времени, в которых температуру можно принять постоянной.
Подобная информация имеется в справочной литературе, где продолжительность действия температур в часах приведена для интервалов температур в 1С [7] или 2 С [8] для ряда климатических районов.
Используя эти данные и формулы, можно оценить количество конденсата на дискретных температурных интервалах и получить суммарное количество конденсата за весь период увлажнения.
В качестве примера: в табл. 1 и 2 приводится расчет количества конденсата для двух конструкций наружных стен - СТО-1 и СП-1. Конструкция СП-1 предназначена для
условий Москвы, а СТО-1 для условий Самары, поэтому годовой ход температур в расчетах принят для указанных климатических условий.
Из табл. 1 и 2 видно, что характер увлажнения и высушивания в обеих конструкциях и разных климатических районах аналогичный. Скорость диффузии парообразной влаги от внутренней поверхности ограждения до плоскости конденсации уменьшается с возрастанием температуры наружного воздуха от минимальной для данного климатического района (столбец 8), а скорость диффузии от плоскости конденсации до наружной поверхности (высыхание конструкции) повышается с ростом ^(столбец 9).
Таблица 1
Процесс увлажнения и высушивания конструкций СП-1 в климатических условиях г. Москвы
Температура наружного воздуха Расчетные параметры Скорость диффузии, мг/ (м2-ч) Количество влаги, остающееся в ограждении или испаряющееся из него Ск- Т, мг/м2
Интервал, °С Принятая для расчета, °С Продолжительность действия Т, часы Наружного воздуха В плоскости конденсации При увлажнении При высыхании К", Количество конденсата в час СК=С'-С"
Ен, Па ен, Па tK, °С Ек, Па
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
-38- -36,1 -37 2 18 15 -33,4 27 62,8 10,9 51,9 103,8
-36- -34,1 -35 3 22 18 -31,5 34 62,4 14,5 47,9 143,7
-34- -32,1 -33 3 27 23 -29,6 39 62,2 14,5 47,7 143,1
-32- -30,1 -31 7 34 29 -37,8 47 61,8 16,4 45,4 317,8
-30- -28,1 -29 9 42 35 -25,9 57 61,3 20,0 41,3 371,7
-28- -26,1 -27 18 51 43 -24,0 69 60,7 23,6 37,1 667,8
-26- -24,1 -25 24 63 53 -22,2 83 60,0 27,3 32,7 784,8
-24- -22,1 -23 44 77 65 -20,3 100 59,1 31,8 27,3 1201,2
-22- -20,1 -21 69 93 78 -18,4 120 58,1 38,2 19,9 1373,1
-20- -18,1 -19 80 113 95 -16,5 144 56,9 44,5 12,4 992,0
-18- -16,1 -17 103 137 115 -14,7 170 55,7 50,0 5,7 556,2
-16- -14,1 -15 140 165 139 -12,8 203 54,0 58,2 -4,2 -588,0
-14- -12,1 -13 180 199 167 -10,9 240 52,2 66,4 -14,2 -2556,0
-12- -10,1 -11 230 237 199 -9,0 284 50,0 77,3 -27,3 -6279,0
-10--8Д -9 270 284 239 -7,2 332 47,6 84,5 -36,9 -9963,0
Всего за период увлажнения - 6655,2 мг/м2
Таблица 2
Процесс увлажнения и высушивания конструкций СТО-1 в климатических условиях г. Самары
Температура наружного воздуха Расчетные параметры Скорость диффузии, мг/ (м2-ч) Количество влаги, остающееся в ограждении или испаряющееся из него Ск- Т, мг/м2
Интервал °С Принятая для расчета, °С Продолжительность действия Т, часы Наружного воздуха В плоскости конденсации При увлажнении G, ел "4 При высыхании QH Ej —flj Количество конденсата в час СК=С'-С"
Ен, Па ен, Па tK, °С Ек, Па
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
-32- -30,1 -31 9 34 29 -25,7 59 481 35 446 4041
-30- -28,1 -29 26 42 35 -23,9 70 411 41 436 11336
-28- -26,1 -27 35 51 43 -22,1 84 471 48 423 14805
-26- -24,1 -25 44 63 53 -20,3 101 465 56 409 17996
Продолжение таблицы 2
-24- -22,1 -23 70 77 65 -18,5 118 458 62 396 27720
-22- -20,1 -21 96 93 78 -16,7 142 449 74 375 36000
-20- -18,1 -19 140 113 95 -14,9 166 439 82 357 49980
-18- -16,1 -17 196 137 115 -13,1 197 427 95 332 65072
-16- -14,1 -15 201 165 139 -11,4 229 414 105 309 62109
-14- -12,1 -13 273 199 167 -9,6 268 399 138 261 70992
-12- -10,1 -11 289 237 199 -7,8 315 381 135 246 71094
-10--8Д -9 289 284 239 -6,0 369 360 151 209 60401
-8- -6,1 -7 342 338 284 -4,2 429 336 169 167 57114
-6- -4,1 -5 377 402 338 -2,4 500 308 188 120 45240
-4- -2,1 -3 438 476 400 -0,6 581 276 210 66 28908
-2- -од -1 508 563 473 1,2 667 243 225 18 9144*
0- -1,9 1 578 657 552 3,0 759 207 241 -34 -19652
2- -3,9 3 342 759 638 4,8 860 167 258 -91 -31122
4- -5,9 5 324 872 682 6,6 975 122 340 -160 -70652
6- -7,9 7 333 1001 701 8,3 1095 75 458 -383 -127539
8- -9,9 9 316 1148 804 10,1 1236 20 502 -482 -152312
10- -11,9 11 386 1312 905 12,0 1403 -46 905 -625 -241250
20-21,9 21 394 2488 1542 19,1 2197 -357 762 -1119 -440886
'Всего за период увлажнения (от -32°С до 0°С) - 631952 мг/м 2
При определенной температуре, характерной для каждой конструкции наружной стены, скорости увлажнения и высушивания выравниваются, а при дальнейшем повышении температуры процесс высушивания ограждения становится преобладающим. Эти температуры являются температурой начала конденсации - для СП-1 (табл. 1) это -16 С, а для СТО-1 (табл. 2) это 0 С.
Количество конденсата, которое накопилось в ограждениях СП-1 и СТО-1, в интервале температур от минимальной до 1:нк различаются на несколько порядков. В конструкции СП-1 это 6,655 г/м2, а в СТО-1 - 631,952 г/м2. Этот факт подтверждает необходимость понижать величину ^ ц, при проектировании наружных стен.
Анализ табл. 1 и 2 показывает, что количество конденсата определяется не только величиной 1:нк, но также скоростью диффузии, парообразной влаги, которая зависит от сопротивления паропроницанию всего Яп . Сравнение столбцов 8-9 показывает, что поток парообразной влаги в ограждении СТО-1 в несколько раз превышает таковой в СП-1. Например, при 1:н=-ЗГС в конструкции СП-1 С=61,8 и С—16,4 мг/(м2 ч), а в конструкции СТО-1 С=481 и С—35 мг/(м2 ч). Сопротивления паропроницанию этих конструкций различаются в 6 раз. В СП-1 Яш =21,15 (м2 ч-Па)/мг, а в СТО-1 Я||0=3.41 (м2 ч Па)/мг).
Таким образом, количество конденсата в наружных стенах растет с увеличением температуры начала конденсации (^ и,-) и снижается с увеличением сопротивления паропроницанию (Я||0) наружных стен.
Из анализа табл. 2 следует, что конденсированная влага, накопившаяся в ограждении СТО-1 в интервале температур от -38 С до О С (631954 мг/м2), удалится из ограждения за период времени достижения температуры воздуха +11С. Эта величина среднемесячной температуры приходится на конец апреля - начало мая. К этому моменту времени из ограждений удалится 642507 мг/м2 влаги, то есть вся конденсированная влага.
Влага, накопившаяся в ограждениях в виде конденсата, увеличит влажность материала теплоизоляционного слоя, что должно повлечь увеличение коэффициента тепловодности утеплителя.
В конструкции СП-1 в качестве утеплителя использован экструдированный пенополистирол плотностью Со=28 кг/м1 при толщине слоя 0,1 м. Отсюда масса 1 м2 будет равна 28 0,1=2,8 кг.
Прирост влажности утеплителя за счет конденсации 6,655 г/м2 составит по массе: \¥м=(Ок/М)-100=(6,655/2800)-100=0,24 %. (5)
Прирост коэффициента теплопроводности (X) на каждый процент прироста влажности (z), по данным [6], составит для пенополистирола 2 %. В итоге получим прирост X от увеличения влажности материала:
Хш= X (1+WM -z/100)= X (1+0,24-2/100)= 1,0048 X (6)
Таким образом, коэффициент теплопроводности утеплителя в СП-1 увеличится менее, чем на 0,5 %, что несущественно.
В конструкции СТО-1 в качестве утеплителя использован монолитный пенобетон плотностью Со = 300 кг/м1 при толщине слоя 0,15 м. Отсюда масса 1 м2 будет равна 300-0,15=45 кг.
Прирост влажности утеплителя за счет конденсации 631,952 г/м2 составит по массе.
WM=(GK/M)-100=(0,631952/45)-100=1,4 %. (7)
Прирост коэффициента теплопроводности (л) на каждый процент прироста влажности (z) по данным [6] составит для пенобетона 12 %. В итоге получим: прирост X от увеличения влажности:
^вл= X -(1+WM -z/100)= X (1+1,4-12/100)=1,168 X. (8)
То есть, коэффициент теплопроводности утеплителя в СТО-1 увеличится почти на 17 %, что существенно увеличит теплопотери через ограждение в зимний период.
В итоге проведенных исследований установлено, что конструкция наружных стен с низкой температурой начала конденсации парообразной влаги имеет более короткую календарную продолжительность увлажнения, что оказывает положительное влияние на теплозащитные свойства наружных стен в результате уменьшения количества конденсата в конструкции.
Список библиографических ссылок
1. Куприянов В.Н., Сафин И.Ш., Хабибулина А.Г. К вопросу о паропроницаемости в ограждающих конструкциях // Журнал РААСН «ACADEMIA. Архитектура и строительство», 2009, № 5. - М., - С. 504-507.
2. Куприянов В.Н., Сафин И.Ш. Проектирование ограждающих конструкций с учетом диффузии и конденсации парообразной влаги // Известия КГАСУ, 2011, № 1 (15). -С. 93-103.
3. Куприянов В.Н., Иванцов А.Н. Конденсация парообразной влаги в наружных стенах при суточных колебаниях температуры наружного воздуха // Приволжский научный журнал, 2013, № 2. - С. 17-22.
4. Иванцов А.И., Куприянов В.Н., Сафин И.Ш. Натурные исследования эксплуатационных воздействий на фасадные системы с различными видами эффективных утеплителей // Жилищное строительство, 2013, № 7. - М. - С. 29-32.
5. Куприянов В.Н., Сафин И.Ш., Шамсутдинов М.Р. Влияние конструкции ограждения на конденсацию парообразной влаги //Жилищное строительство, 2012, № 6.-М.-С. 29-31.
6. Шильд Е., Кассельман Х.-Ф., Данен Г., Поленц Р. Строительная физика: пер. с нем. - М.: Стройиздат, 1982. - 296 с.
7. Строительная климатология и геофизика. СНиП II-A.6-72. - М.,1972.
8. Строительная климатология. Справочное пособие к СНиП 23-01-99* / под ред. Савина B.K. - М.: НИИ строительной физики РААСН, 2006. - 258 с.
Kupriyanov V.N. - doctor of technical sciences, professor E-mail: [email protected] Safin I.S. - post-graduate student E-mail: [email protected]
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1
HaBecmuq KIACY, 2013, № 4 (26)
Cmpoumenbtibie KoticmpyKijuu, sQaatia u coopyjfcetiua
Quantitative parameters of condensing vaporous moisture in the outer walls Resume
Condensation of vaporous moisture inside the fencing is undesirable operational influence as when moistening inside layers of a material heat-shielding qualities of protections decrease.
Studying of questions of condensation allowed to establish that condensation of vaporous moisture depends on the constructive solution of external walls. To temperature of external tH air at which in a layer the next to an external surface there is a condensate and there is a condensation plane, the new concept temperature of the beginning of condensation - tHK is entered. If temperature of external air during the winter period of tH>tHK, in this design of a wall the condensation of vaporous moisture doesn't occur. If tH=tHK, in a design of an external wall is formed the condensation plane if tH<tHK, condensation of moisture goes on several sections of a protection, that is the condensation zone is formed.
Using the size tHK of a concrete protection and comparing it to an annual course of temperature of external air in any climatic area it is possible to estimate the calendar duration of moistening of external walls the condensed moisture and further to count the amount of condensate during the moistening.
The moisture which has collected in protections in the form of condensate, will increase humidity of a material of a heat-insulation layer that will entail increase in coefficient of heatwater content of a heater.
Keywords: elasticity of the water vapour diffusion flows, temperature, condensation, heat conductivity.
Reference list
1. Kupriyanov V.N., Safin I.S., Khabibulina A.G. On the water vapor permeability walling / Journal RAASN ACADEMIA Construction and Architecture, 2009, № 5. - M. - P. 504-507.
2. Kupriyanov V.N., Safin I.S. Designing of enclosing structures with regard to diffusion and condensation of the vapor moisture // News of the KSUAE, 2011, № 1 (15). - P. 93-103.
3. Kupriyanov V.N., Ivantsov A.I. Condensation vaporous moisture in the outer walls of the daily fluctuations of temperature of external air // Volga scientific journal, 2013, № 2. -P. 17-22.
4. Ivantsov A.I., Kupriyanov V.N., Safin I.S. Field studies of operational impacts on the facade systems with different kinds of effective heaters // Housing construction, 2013, № 7. - M., - P. 29-32.
5. Kupriyanov V.N., Safin I.S., Shamsytdinov M.R. Influence of the construction of the fence on condensation vaporous moisture // Housing, 2012, № 6. - M. - P. 29-31.
6. Schild E., Casselman H.-F., Dahmen G., Polenz R. Building Physics: trans, with germ. -M.: Striyizdat, 1982. - 296 p.
7. Building climatology and geophysics. SNIP II-A.6-72. - M., 1972.
8. Building climatology: a reference manual to SNIP 23-01-99* / Ed. Savina V.K. - M.: NYY stroytelnoy fiziky RAACN, 2006. - 258 p.
