Архитектурно-строительня акустика и теплотехника

над поверхностью льда при температуре  от - 60 ^оС до 0 ^оС

 

, (2.38)

 

над поверхностью чистой воды при температуре от 0 ^оС до 83 ^оС

 

, (2.39)

 

Нормальным для пребывания человека гигиенистами считается диапазон относительной  влажности от 30% до 60%. При относительной  влажности воздуха выше 60% испарение  влаги с кожи человека затруднено и его самочувствие ухудшается. При более низкой относительной влажности воздуха, чем 30% испарение с поверхности кожи и слизистых оболочек человека усиливается, что вызывает сухость кожи, першение в горле, способствующие простудным заболеваниям.

При повышении температуры воздуха заданной абсолютной влажности его относительная влажность понижается, так как в соответствии с формулой (2.36) величина парциального давления водяного пара останется без изменения, а давление насыщения возрастет из-за увеличения температуры. Наоборот, при охлаждении воздуха относительная влажность возрастет вследствие снижения величины давления насыщения Е. По мере остывания воздуха при некоторой его температуре, когда е_п станет равно Е, относительная влажность воздуха станет равной 100%, то есть воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Температура t_р, ^оС, при которой воздух с определенной абсолютной влажностью находится в состоянии полного насыщения, называется точкой росы. Если воздух будет охлаждаться ниже точки росы, то, часть влаги начнет конденсироваться из воздуха. Воздух при этом будет оставаться насыщенным водяным паром, а давление насыщения воздуха Е соответственно достигнутой температуре будет снижаться. Причем температура воздуха в каждый момент времени будет точкой росы для сформировавшейся абсолютной влажности воздуха.

При соприкосновении влажного воздуха  с внутренней поверхностью наружного  ограждения, имеющей температуру  τ_в ниже точки росы воздуха t_р, на этой поверхности будет конденсироваться водяной пар. Таким образом, условиями отсутствия выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения и в его толще является поддержание температуры выше точки росы, а это означает, что парциальное давление водяных паров в каждой точке сечения ограждения должно быть меньше давления насыщения.

_{Влажность материала}

В капиллярно-пористых материалах в  естественной воздушной среде всегда находится некоторое количество химически несвязанной влаги. Если образец материала, находящегося в  естественных условиях, подвергнуть  сушке, то его масса уменьшится. Весовая влажность материала ω_в,%, определяется отношением массы влаги, содержащейся в образце, к массе образца в сухом состоянии:

 

, (2.40)

 

где М₁ - масса влажного образца, кг,

М₂ - масса сухого образца, кг.

Объемная влажность ω_о,%, определяется отношением объема влаги, содержащейся в образце, к объему образца:

 

, (2.41)

 

где V₁ - объем влаги в образце, м^3,V₂ - объем самого образца, м³.

Между весовой ω_в и объемной влажностью ω_о материала существует соотношение:

 

, (2.42)

 

где ρ - плотность материала в сухом состоянии, кг/м³.

В расчетах чаще используется весовая  влажность.

_{Сорбция и десорбция}

При длительном нахождении образца  материала во влажном воздухе  с постоянными температурой и относительной влажностью, масса влаги, содержащейся в образце станет неизменной - равновесной. При повышении относительной влажности воздуха масса влаги в материале увеличивается, а при увеличении температуры - уменьшается. Это равновесное влагосодержание материала, соответствующее тепловлажностному состоянию воздушной среды, в зависимости от химического состава, пористости и некоторых других свойств материала может быть больше или меньше. Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в среду влажного воздуха, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания избыточно влажного материала в среде влажного воздуха - десорбцией.

Закономерность изменения равновесного влагосодержания материала в  воздушной среде с постоянной температурой и возрастающей относительной влажностью выражается изотермой сорбции.

Для подавляющего числа строительных материалов изотермы сорбции и десорбции  не совпадают. Разность весовых влажностей строительного материала при  одной и той же относительной  влажности воздуха φ называется сорбционным гистерезисом. На рис.8 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара для пеносиликата. по [38]. Из рис.8 видно, что, например, для φ = 40% при сорбции пеносиликат имеет весовую влажность ω_в=1,75%, а при десорбции ω_в=4%, следовательно, сорбционный гистерезис равен 4-1,75=3,25%.

Рис.8. Весовая влажность пеносиликата при сорбции (1) и десорбции (2)

 

Значения сорбционных влажностей строительных материалов приведены  в различных литературных источниках, например, в [9].

_{Паропроницаемость ограждений}

Исключение конденсации водяных  паров на внутренней поверхности  ограждения не может гарантировать  отсутствия конденсации влаги в  толще ограждения.

Влага в строительном материале  может находиться в трех различных фазах: твердой, жидкой и парообразной. Каждая фаза распространяется по своему закону. В климатических условиях России наиболее актуальна задача движения водяного пара в зимний период. Из экспериментальных исследований известно, что потенциалом переноса пара - его движущей силой - служит парциальное давление водяных паров в воздухе е, Па. Внутри строительных материалов ограждения влажный воздух находится в порах материала. Пар перемещается от большего парциального давления к меньшему.

В холодный период года в помещении температура воздуха значительно выше, чем на улице. Более высокой температуре соответствует более высокое давление насыщения водяным паром Е. Не смотря на то, что относительная влажность внутреннего воздуха меньше относительной влажности наружного, парциальное давление водяных паров во внутреннем воздухе е_в значительно превышает парциальное давление водяных паров в наружном воздухе е_н. Поэтому поток пара направлен из помещения наружу. Процесс проникновения пара через ограждение относится к процессам диффузии. Иначе говоря, водяной пар диффундирует сквозь ограждение. Диффузия есть чисто молекулярное явление, представляющее собой замену молекул одного газа молекулами другого, в данном случае замену молекул сухого воздуха в порах строительных материалов молекулами водяного пара. А процесс диффузии водяного пара через ограждения носит название паропроницания.

Во избежание путаницы в терминологии сразу оговорим, что паропроницаемость - это свойство материалов и конструкции, выполненной из них, пропускать сквозь себя водяной пар, а паропроницание - это процесс проникания пара через материал или ограждение.

Паропроницаемость μ зависит от физических свойств материала и  отражает его способность пропускать диффундирующий через себя водяной  пар. Паропроницаемость материала μ количественно равна диффузионному потоку водяного пара, мг/ч, проходящего через м² площади, перпендикулярной потоку, при градиенте парциального давления водяного пара вдоль потока, равному 1 Па/м.

Расчетные значения μ приведены  в справочных таблицах [32]. Причем для изотропных материалов μ не зависит от направления потока влаги, а для анизотропных (древесины, других материалов, имеющих волокнистую структуру или прессованных) значения μ приводятся в зависимости от соотношения направлений потока пара и волокон.

Паропроницаемость для теплоизоляционных  материалов, как правило, рыхлых и  с открытыми порами имеет большие  значения, например, для минераловатных плит на синтетическом связующем  при плотности ρ=50 кг/м³ коэффициент паропроницаемости равен μ=0,60 мг/ (ч^. м^. Па). Материалам большей плотности соответствует меньшее значение коэффициента паропроницаемости, например, тяжелый бетон на плотных заполнителях имеет μ=0,03 мг/ (ч^. м^. Па). Вместе с тем бывают исключения. Экструдированный пенополистирол, утеплитель с закрытыми порами, при плотности ρ=25 - 45 кг/м³ имеет μ=0,003 - 0,018 мг/ (ч^. м^. Па) и практически не пропускает через себя пар.

Материалы с минимальной паропроницаемостью используются в качестве пароизоляционных слоев. Для листовых материалов и тонких слоев пароизоляции ввиду очень малого значения μ в справочных таблицах [32] приводятся сопротивления паропроницанию и толщины этих слоев.

Паропроницаемость воздуха равна  μ=0,0062 м^2. ч^. Па /мг при отсутствии конвекции и μ=0,01 м^2. ч^. Па/мг при конвекции [38]. Поэтому в расчетах сопротивления паропроницанию следует иметь в виду, что пароизоляционные слои ограждения, не обеспечивающие сплошности (имеющие щели) (пароизоляционная пленка, нарушенная внутренними связями ограждения, листовые пароизоляционные слои, проложенные даже внахлест, но без промазки швов пароизоляционной мастикой), будут иметь бόльшую паропроницаемость, чем без учета этого обстоятельства.

Из физики известно, что имеется  полная аналогия между процессами паропроницания и теплопроводности. Более того, соблюдается аналогоя в процессах теплоотдачи и влагоотдачи на поверхностях ограждения. Поэтому можно рассматривать аналогию между сложными процессами теплопередачи и влагопередачи через ограждение. В табл.2 представлены прямые аналоги в этих процессах.

 

Таблица 2

Аналогия между процессами теплопередачи  и влагопередачи при диффузии пара

Тепловое поле	Влажностное поле
Температура внутреннего воздуха tв, оС; внутренней поверхности τв, оС; на стыках слоев ti, оС; наружной поверхности τн, оС; наружного воздуха tн, оС.	Парциальное давление водяных паров: во внутреннем воздухе ев, Па; на внутренней поверхности евп, Па; на стыках слоев еi, Па; наружной поверхности енп, Па; в наружном воздухе ен, Па.
Теплопроводность материала λ, Вт/ (м. оС)	Паропроницаемость материала μ, мг/ (ч. м. Па)
Термическое сопротивление слоя толщиной δ, м, RТ=δ/ λ, м2. оС/Вт	Сопротивление паропроницанию слоя толщиной δ, м, Rп=δ/ μ, м2. ч. Па /мг (2.43)
Коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности αв, Вт/ (м2. оС); на наружной поверхности αн, Вт/ (м2. оС).	Коэффициенты влагоотдачи на внутренней поверхности βв, мг/ (ч. м2. Па); на наружной поверхности βн, мг/ (ч. м2. Па).
Сопротивление теплоотдаче на поверхностях ограждения на внутренней Rв=1/αв, м2. оС/Вт; на наружной Rн=1/αн, м2. оС/Вт;	Сопротивление влагоотдаче  на поверхностях ограждения на внутренней Rп. в=1/βв, м2. ч. Па/мг; (2.44) на наружной Rп. н=1/βн, м2. ч. Па/мг. (2.45)
Общее сопротивление теплопередаче  ограждения Ro=Rв+Σδ/ λ+Rн, м2. оС/Вт	Общее сопротивление паропроницанию ограждения Rо. п=Rп. в+Σδ/ λ+Rп. н, м2. ч. Па/мг (2.46)
Плотность теплового потока через  ограждение q= (tв-tн) /Ro, Вт/м2	Плотность диффузионного  потока влаги через ограждение g= (eв-ен) /Rо. п, мг/ (ч. м2) (2.47)

 

По своему физическому смыслу сопротивление паропроницанию слоя ограждения - это разность упругостей водяного пара, которую нужно создать на поверхностях слоя, чтобы через 1 м² его площади диффундировал поток пара, равный 1 мг/ч.

Общее сопротивление  паропроницанию ограждающей конструкции (при диффузии пара) складывается из сопротивлений паропроницанию всех его слоев и сопротивлений влагообмену на его поверхностях, как это следует из выражения (2.43).

Коэффициент влагоотдачи, как правило, в инженерных расчетах общего сопротивления паропроницанию не применяется, в расчетах используют непосредственно сопротивления влагоотдаче на поверхностях, принимая их значения равными R_{п. в}= 0,0267 м^2. ч^. Па/мг, R_{п. н},= 0,0052 м^2. ч^. Па/мг [4].

Упругость водяного пара, диффундирующего через ограждение, по мере прохождения через его толщу будет изменяться между значениями е_в и е_н. Для нахождения парциального давления водяного пара е_х в любом сечении ограждения (рис.9) пользуются формулой, аналогичной формуле (2.30) для определения распределения температуры по сечению ограждения:

 

, (2.48)

 

где R_{п. в-х}, R_{п. н-х} - сопротивления паропроницанию, от точки х до соотвенственно внутреннего и наружного воздуха, м^2. ч^. Па/мг.

 

Рис.9. Распределение парциального давления и давления насыщения водяных паров по сечению ограждения

 

Воздухопроницаемость  наружных ограждений

_{Основные положения}

Воздухопроницаемостью называется свойство строительных материалов и ограждающизх конструкций пропускать сквозь себя поток воздуха, воздухопроницаемостью считают также расход воздуха в кг, который проходит через 1м² ограждения за час G, кг/ (м^2. ч).

Воздухопроницанием через ограждения называют процесс проникновения воздуха сквозь их неплотности. Проникновение воздуха снаружи внутрь помещений называется инфильтрацией, а из помещения наружу - эксфильтрацией.

Различают два типа неплотностей, через которые осуществляется фильтрация воздуха: поры строительных материалов и сквозные щели. Щели образуют стыки стеновых панелей, щели в переплетах окон и в местах прилегания окна к оконной коробке и т.д. Кроме сквозной поперечной фильтрации, при которой воздух проходит через ограждение насквозь в направлении. перпендикулярном поверхности ограждения, существует, по терминологии Р.Е. Брилинга [5], еще два вида фильтрации - продольная и внутренняя.

Вообще говоря, воздухопроницаемостью  обладают все наружные ограждения, но в расчете теплопотерь обычно учитывается только инфильтрация через  окна, балконные двери и витражи. Нормы плотности остальных ограждений исключают возможность сквозной воздухопроницаемости, ощутимо влияющей на тепловой баланс помещения.