автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка теплозащитных свойств наружных стен с учетом конденсации парообразной влаги

На правах рукописи

САФИН ИЛЬ ДАР ШАВКАТОВИЧ

ОЦЕНКА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ НАРУЖНЫХ СТЕН С УЧЕТОМ КОНДЕНСАЦИИ ПАРООБРАЗНОЙ ВЛАГИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Казань-2013 005542573

005542573

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Куприянов Валерий Николаевич

Гагарин Владимир Геннадьевич

доктор технических наук, профессор НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук, заведующий лабораторией строительной теплофизики

Енюшин Владимир Николаевич

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО Казанский государственный архитектур но-строительный университет, доцент каф;дры «Теплоэнергетика»

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится « 23 » декабря 2013 года в 1300 час на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан « 22 » ноября 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета ЧЛ" Абдрахманова Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При проектировании теплозащиты наружных стен руководствуются действующими нормативными документами, основное внимание в которых уделено энергосбережению, то есть, снижению энергии на отопление зданий на стадии проектных решений.

Изменению теплозащиты наружных стен в процессе эксплуатации зданий, особенно снижению теплозащиты ограждающих конструкций в результате их увлажнения конденсированной влагой действующие нормы уделяют недостаточно внимания. Раздел «Защита от переувлажнения ограждающих конструкций» упомянутых нормативных документов выполняет лишь контрольную функцию «соответствия» или «не соответствия» требованиям норм. Раздел не содержит рекомендаций о правилах конструирования ограждающих конструкций с целью ограничения конденсации в них парообразной влаги.

Известно, что с увеличением влажности материалов снижается теплозащита наружных стен, усиливаются все виды коррозионных процессов, снижается их долговечность. Наиболее остро это проявилось в современных многослойных стенах, в силу чего закономерности увлажнения наружных стен конденсированной влагой приобретают особую актуальность.

Закономерности теплопередачи и диффузии парообразной влаги через наружные стены определяются аналогичными физическими процессами, однако, их учет для обеспечения теплозащиты или невыпадения конденсата имеет принципиальные различия. Так, сопротивление теплопередаче стены не зависит от взаимного расположения материальных слоев ограждения, в то время как конденсация парообразной влаги в ограждении в значительной степени определяется взаимным расположением материальных слоев и свойствами этих слоев. Однако влияние конструктивных параметров наружных стен на процессы конденсации парообразной влаги изучено недостаточно.

В связи с выше изложенным сформулированы цель и задачи работы.

Цель работы: установление закономерностей конденсации парообразной влаги в основных конструктивных типах наружных стен и разработка на этой основе методов определения количества конденсата и изменения теплозащитных свойств ограждающих конструкций.

Задачи работы, которые необходимо решить для достижения цели:

1. Установить зависимость конденсации парообразной влага в основных конструктивных типах наружных стен от температуры наружного воздуха Он).

2. Установить зависимость конденсации парообразной влаги от конструктивных параметров наружных стен;

3. Разработать методику определения количества конденсата, образующегося в наружных стенах за период увлажнения.

4. Разработать методику оценки изменения теплозащитных свойств наружных стен в зависимости от количества конденсата.

5. Разработать рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Введено новое понятие, ранее не использованное в строительной теплофизике: температура начала конденсации парообразной влаги в ограждающих конструкциях (1НК). Установлено, что величина ^к численно равна максимальной температуре наружного воздуха (^1), при которой в сечении, ближайшем к наружной поверхности стены, как правило, на стыке утеплителя и наружного облицовочного слоя, образуется плоскость конденсации;

2. Установлены закономерности образования конденсата в произвольном сечении наружной стены и показано, что величина 1цк определяется по зависимости разности между максимальной (Е;) и действительной (е;) упру-гостями водяного пара (Е;-е;) от 1« для заданного сечения стены при пересечении с величиной разности (Е,-е])= 0. Эти закономерности положены в основу разработанной методики по определению Ъис;

3. Выявлено, что для каждого конструктивного решения наружной стены существует свое значение температуры начала конденсации парообразной влаги Онк);

4. Введено новое понятие - обобщенный конструктивный параметр наружных стен, который представляет собой отношение сопротивлений паропроницанию к теплопередаче в относительных единицах для плоскости конденсации, и получена зависимость ^к от величины обобщенного конструктивного параметра, с ростом которого, снижается величина температуры начала конденсации.

Практическое значение работы:

1. Разработанные «Рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги» позволят проектным организациям конструировать наружные стены заданного уровня теплозащиты с одновременным ограничением накопления влаги, а для некоторых климатических районов и полного исключения ее конденсации в ограждении, что повысит эксплуатационные качества и долговечность ограждений.

2. Результаты исследований включены в методические указания «Разработка конструктивного решения наружных стен и обеспечение основных параметров теплозащиты», предназначенные для широкого использования в подготовке студентов всех строительных специальностей.

Объект исследования: наружные стены жилых зданий массовой застройки.

Предмет исследования: конденсация парообразной влаги в основных конструктивных типах наружных стен.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций обеспечена воспроизводимостью экспериментальных результатов, сходимостью расчетных и экспериментальных значений, использованием расчетных программ и сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Апробация работы.

Основные результаты исследований доложены на ежегодных научно-технических конференциях Казанского ГАСУ в Казани в 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 годах; на Академических чтениях РААСН по актуальным вопросам

строительной физики в Москве в 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 годах; на Академических чтениях РААСН по актуальным проблемам строительного материаловедения в Казани в 2010 году; на Втором международном Конгрессе «ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ. XXI ВЕК» Ш-ей научно-технической конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий» в Санкт-Петербурге в 2010 году; на XI-XIII Международных Симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» в Казани в 2010-2012 годах; на Шестой Всероссийской НТСК «Интенсификация тепло-массообменных процессов в химической технологии», посвященной 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова, в Казани в 2010 году.

Работа выполнялась по плану фундаментальных НИР «Волжское региональное отделение РААСН» №7.3.16 на 2013-2014 годы.

Публикации. Основное содержание исследований опубликовано в 14 печатных работах, в том числе, в 7 печатных работах в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы. Текст изложен на 133 страницах, содержит 59 рисунков, 23 таблицы. Список литературы — 130 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой глапе представлен обзор и анализ научных работ и норма- ■ тивной литературы, посвященных исследованию теплозащиты ограждающих конструкций, их влгжностному состоянию, процессам паропроницания и конденсации парообразной влаги. Это работы С.В. Александровского, В.Н. Богословского, В. Блази, P.E. Брилинга, Б.Ф. Васильева, O.E. Власова, В.Г. Гагарина, В.М. Ильинского, В.В. Козлова, A.B. Лыкова, В.К. Савина, Ю.А. Матросова, А.Г. Перехоженцева, Т.С. Роджерса, О.Д. Самарина, А.К. Соловьева, Ф.В. Уш-кова, К.Ф. Фокина, А.У. Франчука, Е. Шильда, К. Шпайделя и других.

Анализ литературы позволил принять в качестве теоретической основы в настоящей работе графоаналитический метод Фокина-Власова, связанный с определением плоскости (или зоны) конденсации. Метод позволяет получить распределения температуры ть максимальной Е; и действительной е; упруго-стей водяного пара по сечению стены при одном значении tH. Пересечение распределений Е, с ej укажет на плоскость (или зону) конденсации.

Однако метод Фокина-Власова оказался непригодным для изучения закономерностей конденсации в интервале эксплуатационных температур, а также зависимости конденсации от конструктивных параметров наружных стен и их теплофизических свойств. Указанные закономерности до сего дня остаются не изученными.

Анализ научных работ и нормативной литературы позволили сформулировать цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе описаны методы экспериментального определения теплофизических показателей ограждающих конструкций, используемые приборы и оборудование:

- разработанная и смонтированная с участием автора климатическая камера размером 3600x2700x2300 мм с «теплым» и «холодным» (до -45°С) отсеками. Окно между «теплым» и «холодным» отсеками позволяет размещать фрагменты ограждений размером 1500x1350 мм;

- для регистрации тепловых потоков через испытываемый фрагмент, а также температур и относительной влажности воздуха на поверхностях и внутри фрагмента использовались измерительные комплексы ИТП МГ 4.03-10 «Поток» и «Терем-3.2»; для размещения датчиков комплекса (ДТГ-1.0) внутри фрагмента, в ней высверливались отверстия по диаметру датчиков (8 мм) на разную глубину. Отверстия засыпались тонкомолотым кварцевым песком с последующей герметизацией входных отверстий. Отверстия высверливались на удалении 15 см друг от друга для исключения их взаимного влияния.

Измерительные комплексы имели связь с компьютером, что позволяло выводить итоговые таблицы и строить графики.

В третьей главе установлено влияние температуры наружного воздуха на процессы конденсации парообразной влаги в основных типах ограждающих конструкций: однослойной, простой двухслойной (без облицовочного слоя снаружи), двухслойной с тонким слоем наружной штукатурки, двух многослойных конструкций с разной величиной сопротивления паропроницанию (11по).

В настоящей работе предложено развитие метода Фокина-Власова путем построения зависимостей (Е|-е;) от по расчетным сечениям ограждения в широком диапазоне эксплуатационных температур. В качестве расчетных сечений приняты стыки, материальных слоев и условные сечения, когда «толстые» материальные слои разделяются на дополнительные сечения.

Положительная разность (Е;-е;) > 0 указывает на отсутствие конденсации в каком-либо сечении, отрицательное значение (Е;-е;) < 0 - на конденсацию в этом сечении. Пересечение зависимости (Е^) от 1н для какого-либо сечения с величиной (Е(-е|)=0 указывает на величину 1ц, при которой начинается конденсация парообразной влаги в данном сечении.

Для величины 1Н, при которой начинается конденсация в сечении ближайшем к наружной поверхности ограждения, введено новое понятие -температура начала конденсации парообразной влаги- Iнк■

Однослойная конструкция представляет собой кладку из керамического кирпича по ГОСТ 530-2007 толщиной 0,77м (три кирпича). Конструкция условно разделена на пять слоев по 0,154 м каждый, по границам которых и определялись зависимости (Е] - е^ от 1н.

При исследованиях температура внутреннего воздуха принималась постоянной (1в=+20°С), а наружного воздуха изменялась в диапазоне от -10°С до -20°С. Результаты исследований представлены в табл. 1 и на рис. 1. Из табл. 1 видно, что при -12°С в ближайшем к наружной поверхности сечении (4/5) возникает плоскость конденсации, а при дальнейшем понижении конденсация возникает и в других сечениях (3/4) и (2/3), то есть образуется плоскость конденсации. Графическое представление результатов позволяет уточнить величину 1нк (-11,5°С).

Таблица 1

Зависимость разности (Б|—е|) от по сечениям однослойного ограждения

Температура наружного воздуха, °С (Ед-е;) по сечениям огращенш, Па

На внутренней поверхности 1/2 2/3 3/4 4/5 На наружной поверхности

-10,0 683 376 123 26 13 56

-11,0 672 316 110 18 3 52

-12,0 661 290 85 0 -13 46

-13,0 649 277 66 -17 -24 41

-15,0 627 230 21 -51 -50 35

-20,0 572 116 -79 -151 -103 23

Условные сечения (1) (2) (3) (4) (5) 0,154 м 0,154 м 0,154 м 0,154 м 0,154 м

Конструкция Кирпичная кладка 0,77 м

По полученным результатам можно оценить эксплуатационные качества исследованной конструкции при использовании её в том или ином климатическом районе. Так, в климате Москвы (средняя температура января конденсация парообразной влаги будет отсутствовать - по всем сечениям (Е;-е;) > 0.

В климате Казани, при среднемесячной температуре- января 1н=-13,5°С, в двух сечениях конструкции (3/4 и 4/5) будет выпадать конденсат.

Экспериментальные исследования фрагмента однослойного ограждения из силикатного кирпича толщиной 250 мм при 1н = -30 °С и 1в= +18 °С с использованием измерительного комплекса «Терем-3.2» в климатической камере

подтверждают эти выводы.

Датчики ДТГ-1.0 размещались внутри конструкции

по различным сечениям. Результаты измерения относительной влажности воздуха по сечениям конструкции представлены на рис. 2 (кривая <р2)-Расчетное распределение относительной влажности воздуха по тем же сечениям получено по известной формуле ср = (е / Е)-100 % (кривая 91). Значения е; и Е|, приведенные на рис. 2, получены расчетным путем по методу Фокина-Власова.

На рис. 2 видна хорошая сходимость расчетных и экспериментальных значений (р. Расхождения между ф! и ср2 на поверхностях можно объяснить

-22 -21 -20 -19 -18 -17 -16-15 -14 -13 -12-11 -1С

Температура наружного воздуха ¡н, "С

Рис. 1. Зависимость (Е; - е;) от ^ по сечениям

однослойного ограждения:-----плоскость

конденсации; ///////- зона конденсации

различными условиями испарения парообразной влаги в открытой атмосфере и в климатической камере. Таким образом, в однослойной конструкции при определенной температуре наружного воздуха в сечении, ближайшем к наружной поверхности, образуется плоскость конденсации, а при дальнейшем понижении 1Н- зона конденсации.

| | 100

» I £ § 80

5 4 3 2

Условные слои

Рис. 2. Относительная влажность воздуха по условным сечениям однослойной конструкции стены (расчет фь эксперимент <р2)

Простая двухслойная конструкция (без наружного облицовочного слоя) состоит из силикатного кирпича (ро=1800 кг/м3, 5=250 мм, Х=0,87 Вт/(м-°с), (1=0,11 мг/ (м-ч-Па)), теплоизоляционного материала из минерального волокна Яосклуоо! (ро=140 кг/м*, 5=100 мм, Х=0,041 Вт/(м-°с), ц=0,3 мг/(м-ч-Па)) и внутренней штукатурки 5=15мм.

Простая двухслойная конструкция, состоящая из конструкционного и теплоизоляционного слоев, является основной частью многих конструктивных решений наружных стен. Так, если со стороны утеплителя через воздушную прослойку расположить облицовочный слой, получим конструкцию вентилируемого фасада, а если нанести тонкий штукатурный слой по сетке, закрепленной на утеплителе, получим, так называемый, «мокрый» фасад. В связи с этим, исследование закономерностей конденсации в простой двухслойной конструкции приобретает особую важность.

Результаты исследований этой конструкции представлены в табл. 2, откуда видно, что конденсация влаги не наступает до 1н= -40 °С. Разность (Е; -е;) > 0 по всем сечениям.

Таблица 2

Зависимость разности (Е|-в|) от <:н по сечениям простой двухслойной конструкции

Температура наружного воздуха, („°С Е|-е|) по сечениям огражзения, Па

На внутренней поверхности 1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 На наружной поверхности

-5 914 954 1136 1229 1323 1419 531 95

-10 888 931 1130 1231 1335 1441 477 49

-20 835 880 1078 1182 1290 1401 344 18

-30 784 826 1001 1097 1198 1365 194 9

-40 734 771 916 1000 1093 1192 89 6

Конструкция Штукатурка, 15мм | Силикатный кирпич, 250мм | Иоск\тоо1, 100мм

Экспериментальные исследования этой конструкции в климатической камере в диапазоне температур от -10°С до -30°С подтвердили отсутствие конденсации в слое утеплителя. В слоях 5/6, 6/7 и на наружной поверхности относительная влажность воздуха ф<100% (рис. 3).

Эксперимент показал, что распределение ф по утеплителю практически не зависит от температуры в «холодном» отсеке, в то время как в силикатном кирпиче величина ф растет с понижением температуры в холодном отсеке от 60 % при гц=-11 °С; 80 °/о при 1н=-20 °С; до 100% при гн=-30 °С. Причиной этого является различие в параметрах Е|.

При расчете Е; принимается по справочным таблицам (над плоской поверхностью), а в условиях эксперимента величина Е; «формируется автоматически» в зависимости от размеров капилляров и температуры, то есть, происходит снижение Е| над вогнутым мениском, что и фиксируют датчики измерительного комплекса «Терем-3.2» в виде 100%-ной влажности.

Двухслойная конструкция с тонким слоем наружной штукатурки представляет собой простую двухслойную конструкцию, описанную выше, у которой по утеплителю нанесен наружный штукатурный слой из материала Сегеэк СТ-190 толщиной 4,4 мм; сопротивление паропроницанию слоя штукатурки Ял = 0,225 (м2-ч-Па)/мг. Закономерности конденсации парообразной влаги в этой конструкции представлены в табл. 3.

Таблица 3

Зависимость разности (Е;-еО от по сечениям двухслойной конструкции с тонким слоем наружной штукатурки_

Температура наружного воздуха,<ц°С (Е,-^) по сечениям ограждения, Па

На внутренней поверхности 1/2 2/3 3/4 4/5 5/6 6/7 7/8 На наружной поверхности

-6 909 946 1109 1192 1277 1303 456 8 78

-7 904 941 1107 1192 1279 1368 444 -3 70

-10 888 927 1099 1188 1279 1372 404 -29 49

-20 836 875 1044 1134 1227 1324 262 -70 18

-35 760 794 924 999 1080 1168 48 -87 7

Конструкция Штукатурка, 15 мм | Силикатный кирпич, 250 мм | Яоск\уоо1,100 мм |Сеге5к, 4,4 мм

■-н°с

О 5

7 6 5 4 3 2 1 . Нчмспа сечений ограждения

Рис. 3. Распределение температуры и относительной влажности воздуха в порах материала (<р,%) по сечению двухслойной конструкции: --------эксперимент;-----расчет

Из табл. 3 видно, что появление тонкого слоя наружной штукатурки резко изменяет условия конденсации парообразной влаги. Она начинается при температуре tH=-7°C (на стыке слоев утеплителя и наружной штукатурки, сечение 7/8) из-за торможения водяного пара и его накопления перед штукатурным слоем.

Многослойные ограждающие конструкции отличаются большим разнообразием конструктивных решений и используемых материалов, поэтому для анализа выбраны две конструкции наружных стен, описанные в известных нормативных документах: в приложении Э свода правил СП 23-101-2004 (назовем её СП-1) и в примере 2 приложения 6 Стандарта организации (РОИС) СТО 00044807-001-2006 (СТО-1), рис. 4. Закономерности конденсации приведены в табл. 4 и 5.

Анализ табл. 4 и 5 показывает, что процесс конденсации в СП-1 и СТО-1 аналогичен — образуется только плоскость конденсации в сечении 3/4, т.е., на наружной поверхности утеплителя. Однако, температуры начала конденсации различаются значительно: в СП-1 tHK=-16°C, а в СТО-1 tHK=0°C.

Таблица 4

Зависимость разности (Erej) от tH по сечениям многослойного ограждения СП-1

Температура наружного воздуха, tH°C (E|-ei) по сечениям ограждения, Па

На внутренней поверхности 1/2 2/3 3/4 4/5 На наружной поверхности

-10,2 911 913 1016 28 53 47

-15,0 896 889 1001 4 38 33

-16,0 896 872 988 -3 35 32

-20,0 870 861 970 -20 25 21

-40,0 791 767 854 -56 2 2

Конструкция (1) гипсовая (2) монолитный 3) 5гугоК)ат, (4) кирпичная (5) перлитовая штукатурка, 15 мм железобетон, 100 мм 100 мм кладка, 120мм штукатурка, 8 мм

Таблица 5

Зависимость разности (Еге|) от tH по сечениям многослойного ограждения СТО-1

Температура наружного воздуха, tH0C

На внутренней поверхности

(Erej) по сечениям ограждения, Па

1/2

2/3

3/4

На наружной поверхности

1

925

930

898

19

121

0

918

924

893

-1

113

-5

886

893

867

-65

98

-20

792

790

677

-242

20

-40

672

649

371

-304

Конструкция:

(1) цементно-песчаная штукатурка, 20 мм

(2) кирпичная кладка, 120 мм

(3) монолитный пенобетон, 150 мм

(4) кирпичная кладка, 120 мм

Различие в величинах 1Мк этих конструкций можно объяснить различием в величинах их сопротивления паропроницанию (Япо): в СП-1 - 21,15, а в СТО-1 - 3,41 (м2-ч-Па)/мг, то есть, более, чем в 6 раз, рис. 4. Чем больше величина Япо, тем меньше парообразной влаги проходит через конструкцию и тем ниже величина ^к-

йто=3,64 (м1-Х)!Вт УтрЗ,4) (М"ОД|Щ »

©

©

Р

Ф<

>$х

XX ¥

RщmjlMi

йго=2,4(ыг'°С)/Вп)

Р1по=21,15(м!-ч-Па1/ыг

О

стш 3/4

©

.1

/

х^ X

'А X

ЙМ86

М,41 (м2 ч-Па11ш

О

сештЗМ

(иЧЛа|/щ

а) б)

Рис. 4. Конструктивные схемы многослойных наружных стен: а - СП-1; б - СТОЛ

Исследования, проведенные в этой главе, явились основой для разработки методики определения Ъж и показали, что каждое конструктивное решение наружных стен имеет собственную температуру начала конденсации парообразной влаги - ^к-

В четвертой главе установлено влияние конструкций наружных стен на закономерности конденсации в них парообразной влаги. Изучено влияние следующих трех конструктивных параметров: взаимного расположения материальных слоев; соотношения между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию (Яш) слоев по сечению ограждения; сопротивления паропроницанию наружного облицовочного слоя.

Взаимное расположение материальных слоев рассматривается через величину паропроницаемости этих слоев. Величина паропроницаемости слоя (ОО является величиной, обратной сопротивлению паропроницанию слоя (Я,,;) и представляет собой, так называемую, пропускную способность слоя:

1 /К.п;= 1 /5;/(Х;=

Расположение материальных слоев ограждения в порядке возрастания их паропроницаемости от внутренней поверхности к наружной создает условия для беспрепятственного прохождения парообразной влаги через ограждение (без торможения между слоями), в результате чего уменьшается вероятность конденсации парообразной влаги.

Соотношение между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию слоев является важным проектным параметром наружных стен, который влияет на процесс конденсации и определяет температуру начала конденсации парообразной влаги в ограждениях.

Известно, что каждый материальный слой ограждения характеризуется двумя теплофизическими параметрами: сопротивлением теплопередаче (К-т]) и сопротивлением паропроницанию (Яп[), однако, влияние соотношений между Ят[ и по сечениям наружной стены на закономерности конденсации парообразной влаги изучены недостаточно. От величины зависит

распределение температуры (т,) по сечению стены, которая, в свою очередь, определяет величину максимальной упругости водяного пара в этих сечениях (Е;), а от величины зависит распределение е; в тех же сечениях. Таким образом, изменяя соотношения между Я,; и И™, можно регулировать

распределение Е; и е] по сечению ограждения, то есть регулировать как закономерности конденсации, так и температуру начала конденсации.

Для сопоставления различных конструктивных схем ограждений, исследованных в работе, параметры Кх| и 11ш представлены в относительных единицах, когда общее сопротивление теплопередаче (Л-го) и паропроницанию (Япо) всего ограждения принимаются за единицу, а сопротивление теплопередаче и паропроницанию материальных слоев в относительных единицах отсчитывается по нарастающей от внутренней поверхности ограждения: Жх/11т0 и ХКП/Е1Ш. В итоге соотношение между Жх;/Кт0 и ЕКП/КП0 конкретной конструкции стены представляет собой некоторую траекторию на графике, где одна ось представляет сопротивление теплопередаче, а другая - сопротивление паропроницанию (в относительных единицах), рис. 5.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Сопротивление паропроницаемости ЕЯл/Кло, отн.едн.

а)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

Сопротивление паропроницаемости ЕЯл/Кло, отн.едн.

б)

Рис. 5. Графики соотношений траекторий между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию: а - в однослойной кирпичной стене; б - в многослойном ограждении СТО-1

В однослойных конструкциях (например, в стенах из кирпичной кладки) при одинаковой структуре материала по всему сечению стены, нарастание сопротивлений теплопередаче и паропроницанию будет пропорциональным, а траектория соотношений будет представлять собой диагональ, идущую от внутренней поверхности к наружной от точки 0 к точке А (рис. 5, а).

В многослойных конструкциях материальные слои имеют разную структуру, поэтому траектория соотношении ХК.т/Кхо и Жп/Япо имеет вид ломаной линии. Излом линии происходит на стыках материальных слоев (рис. 5, б).

Из рис. 5, б видно, что у внутренней поверхности многослойной конструкции (на стыке кирпичной кладки и утеплителя) сопротивление паропроницанию нарастает быстрее, чем сопротивление теплопередаче (точка Б, 1Л1т/К.по=0, 573; 2ЯТ]Л1Т0 =0,237). У наружной поверхности (на стыке утеплителя и облицовочного слоя из кирпича) доля сопротивления теплопередаче оказалась выше, чем доля сопротивления паропроницанию (точка В, 2КТ]Л1Т0 = 0,897; Шп|/Кп0= 0, 749). Следует обратить внимание на то, что точка В оказалась выше диагонали 0-А, а 1ИК=0°С (см. рис. 6).

0,8 0,6 0,4 0,2

Представление на одном графике основных теплофизических характеристик материальных слоев наружных стен наглядно показывает вклад каждого слоя или в сопротивление теплопередаче стены, если смотреть по стрелке Т (рис. 5), или в сопротивление паропроницанию этой же стены, если смотреть по стрелке П (рис. 5).

На рис. 6 представлены траектории соотношений между ХКт/11хо и ХК.П/К|10 для некоторых исследованных в работе ограждающих конструкций. Из рисунка 6 можно видеть, что если траектория соотношений расположена на диагонали или ниже её, то ^к будет ниже -12 С. Если траектория соотноше-

1 0,8

N § * 0,6

15

| 0,4

-----7у\ : -/СП-1(-16°С) 1 |

1 0,2 _ . / / . / I 0,2

6- / / / й-

о II <->

0,0 —---- - 0,0

0.0 0,2 0,4 0.6 0,8 1.0 0,0 0,2 0.4 0,6 0,8 1,С

Сопротивление паропроницанию Сопротивление паропрони (анию

ШпМпо, опт. едн. ЕЯт/Япо, отн. едн.

а) б)

Рис. 6. Соотношения траекторий сопротивлений теплопередаче и паропронит анию слоев (араждения в относительных единицах (в скобках температуры начала кс нденсации в каждой конструкции): а-СП-1 и СП-2; б - СТО-1, СГО-2, СТО-3

ний пересекает диагональ в области опережающего нарастания сопротивлений теплопередаче, особенно у наружных поверхностей, то 1цк смещается вверх по температурной шкале, что увеличивает продолжительность периода конденсации и количество конденсата.

Если в конструкции стены обеспечено опережающее нарастание сопротивления паропроницанию по отношению к нарастанию сопротивления теплопередаче, то величина смещается в область температур ниже -12°С (СТО-3 - 111К=-15°С; СП-1 - 1Нк=-16°С), что уменьшает продолжительность периода конденсации и количество конденсата.

Для подтверждения полученных выводов проведен анализ трех модельных ограждений со специально заданными траекториями (рис. 7).

0.1 0.2 0,3 0,4 0.5 0.6 0,7 0.8 0.9 1,0

Сопротивление паропроницанию ограждения ХИп/Ят, отн.едн.

Рис. 7. Варианты соотношений (траектории) относительных сопротивлений теплопередаче (£Кт/Ято) и паропроницанию (ЕЯл/Япо) слоев

по толщине модельного ограждения: 1 - опережающее нарастание — Кц по отношению к £ЯШ; 2 - пропорциональное нарастание ЕЯ ц и ЕЯпь 3 - опережающее нарастание ХЯш по отношению к ЕЯц

Жп/Кто

Исследования проведены в диапазоне ^ от +20°С до -40°С. Результаты представлены на рис. 8.

Данные рис. 8 подтвердили ранее сделанный вывод о том, что если в конструкции наружной стены заложить опережающее нарастание сопротивления паропроницанюо, то можно обеспечить невыпадение конденсата до гн=-20--300С.

Это значит, что в некоторых климатических районах конденсация парообразной влаги в наружных стенах будет исключена.

Влияние сопротивления паропроницанию наружного облицовочного слоя на закономерности конденсации парообразной влаги исследовано на двух однотипных конструкциях, отличающихся параметрами ЯТо и Кп0 (рис. 9 и 10).

Конструкции стен состоят из внутренней штукатурки, кладки из силикатного кирпича, утеплителя Яоскутоо! и наружных облицовочных слое! из тонкой штукатурки

10,4 мм) и эффективного

||000-

800-

(а ■с 600-

'2 с л § 4(К) -

Л ? 200.

5

л з; ^ а- -200.

С -400.

^

£ ьс

т—г-п—|-

•40 -3(1 -20 -К) О 11) Температура наружного воздуха, °С

Рис. 8. Зависимость (Е,-е,) от ^ по сечениям, ближайшим к наружной поверхности в модельных ограждениях. (1), (2) и (3) —для кривых по рис. 7

СегеБк СТ-190 разной толщины (2,0; 4,4 и керамического кирпича толщиной 120 и 250 мм. Облицовочные слои различаются величиной сопротивления паропроницанию: от 0,082 (м2-ч-Па)/мг при толщине слоя из СТ-190 равном 2,0 мм и до 1,786 (м2-ч-Па)/мг для кирпича толщиной 250 мм.

©

20

640

2,0:4,4; 50502525 10-4

-;—г-

//' /

/ А А Ш / /

/

' /

/ //

А

Кто=4,5Нмг-°С)/Вт Кио=6.54(м3-Ч'Па)/мг

¡456

120 и 250

© ©

365

5050 50 100. ЗО.50|

12 3 4 5 6 7 Ято=2.81(мг<-С)/Вт|

т 11110=2,82(м2-ч-Па>'мг

4,4 и 120 и 10.4 250

©

а)

б)

Рис. 9. Конструктивная схема наружной стены «С»: а - основная конструкция б - варианты облицовочных слоев

а) б)

Рис. 10. Конструктивная схема наружной стены «Л»: а - основная конструкция б - варианты облицовочных слоев

1 Л-0,ООО

ы/

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

Температура наружного воздуха (н, °С

Л-0,225

6/7

7/8

0 5 - 1 - 0 ]

Температура наружного воздуха /н,°С

-Л- 0,51'

6/7

7/8

о 5 - - 5 о - 5 - 0 /

Г 8

4

> М

£ I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Сопротивление паропроницаемости ^ЯлИЧло, отн.едн.

д -'съ^пяпо.1* мЬ

4 _1 _1 ГТГТГТ-Т I _| _| _ ¡_ I

- е 1 Об! 11'Г'_'С

(.ь^о з-е I I т I

1 -у-\-\-'Г г т —Г —1 -1-Г- Г- г т ' 1 -\y-\-\- (-

I

ДЛИ

Температура наружного воздуха fн,°С

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Сопротивление паропроницаемости ^ЯпУЯло, <

Л-0,857

6/7

" !

7/8

-<о -: 0 5 - 0 - Я - 0

Температура наружного воздуха 1н,°С

Рис. 11. Закономерности конденсации парообразной влаги в ограждении «Л» (без наружного облицовочного слоя Л-0,0 и с облицовочными слоями из Сегезй СТ-190 толщиной 4,4 мм Л-0,225, толщиной 10,4 мм Л-0,517) и кирпича Л-0,857

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0,5 0.6 0.7 0.« 0.9 1.С

Сопропивление паропроницаемости £Ял»Кло, отн.едн.

■4.-.Ц

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Сопротивление паропроницаемости £Ял/Яло, отн.едн.

Величина сопротивления паропроницанию облицовочного слоя нашла отражение в маркировке вариантов исследованных конструкций, типа «С» и типа «Л», например, С-0,082, Л-1,786. Конструкция с маркировкой С-0,0 или Л-0,0 не содержат облицовочного слоя. Некоторые результаты исследований представлены на рис. 11, а обобщенные результаты исследований всех разновидностей конструкций «С» и «Л» приведены в табл. 6.

Таблица 6

Влияние сопротивления паропроницанию облицовочных слоев на температуру начала конденсации парообразной влаги в ограждениях

Облицовочный слой Ограждение «Л» Ограждение «С»

Материал Толщина, мм 1»п (м2*ч-Па)/мг °С Нпо (м2-ч-Па)/мг Кто (м2-°С)/Вт °С Кпо (м2-ч-Па)/мг Кто (м20С)/Вт

Нет 0,0 0,0 -35,0 2,822 2,810 -40,0 6,542 4,512

Сегел/ СТ-190 2,0 0,45 С-0,082 Л-0,016 -31,0* 2,838 2,820 -22,0 6,624 4,529

4,4 0,225 -7,0 3,049 2,847 -13,0 6,767 4,549

10,4 0,517 0,5 3,339 2,897 -7,0 7,059 4,599

Кирпич 120 0,857 1,0 3,679 3,019 -6,5 7,399 4,722

250 1,786 2,5 4,610 3,230 -2,0 8,328 4,932

* Для ограждения «Л» с облицовочным слоем из ветровлагозапцпной мембраны Изоспан-А с КпО=0,016 (м2-ч-Па)/мг

Проведенные исследования показали, что с увеличением сопротивления паропроницанию облицовочных слоев повышается температура начала конденсации как в конструкции «Л», так и в конструкции «С». Установлено, что в конструкции с малым значением Ило конденсация парообразной влаги может начинаться даже при положительных температурах (ограждения Л-0,517, Л-0,857 и Л-1,786 - 1нк=0,5°С, 1°С и 2,5°С соответственно (см. табл. 6). Следовательно гНк зависит от сопротивления паропроницаемости как облицовочного слоя, так и ограждения в целом.

Исследования, проведенные в этой главе, позволили установить обобщенный конструктивный параметр для плоскости конденсации

/Л

——, используя который, можно прогнозировать величину ^к на стадии X /Ят

проектирования наружных стен.

В пятой главе разработаны методы определения количества конденсата в наружных стенах за период увлажнения и изменения их теплозащитных свойств.

Методика расчета календарной продолжительности увлажнения основана на совместном анализе годового хода температур наружного воздуха в заданном климатическом районе и температуры начала конденсации (^ж) для конкретной конструкции наружной стены.

На рис. 12 приведен годовой ход среднемесячных температур (кривая 1) и годовой ход, скорректированный на величину среднесуточных амплитуд температуры наружного воздуха для Казани (кривая 2).

Календарная продолжительность, нес Рис. 12. Определение календарной продолжительности конденсации парообразной влаги в ограждении по величине температуры начала конденсации 1нк: { - календарная продолжительность конденсации; - календарная продолжительность конденсации только в ночное время

На рис. 12 отмечены величины 1нк для ограждений СП-1 и СТО-1 и определяется величиной 1нк этого ограждения. Так, в СТО-1 календарная продолжительность увлажнения составит пять месяцев (с конца октября до начала апреля - €ст-1)• В ограждении СП-1 при среднемесячных значениях ^ конденсация отсутствует, а будет проявляться в ночное время (А€Сп-1) и при температурных волнах ниже среднемесячных. Таким образом, следует, что с понижением 1Нк ограждения снижается календарная продолжительность увлажнения и, как будет показано далее, количество конденсата.

В основу методики расчета количества конденсата положен анализ разности скоростей паропроницания (мг/ м2-ч) в двух участках наружной стены: от внутренней поверхности до плоскости конденсации (С, мг/ м2-ч) и от плоскости конденсации до наружной поверхности стены (С, мг/ м2-ч) для дискретных интервалов эксплуатационных температур (д^,) и продолжительности их действия в часах (дТ). При ^ < 1Нк б' > С и происходит накопление влаги в плоскости конденсации. Следовательно, при ^^нк С=С наступает количественное равновесие между увлажнением и высушиванием. При ^ > ^к С < в" начинают преобладать процессы высыхания ограждения.

Как пример в работе приведен расчет количества конденсата, образующегося в ограждениях СП-1 и СТО-1 за период увлажнения. Расчет показал, что в ограждении СП-1 за период увлажнения накопится 6655,2 мг/м2, а в ограждении СТО-1 - 631952 мг/м2. Эта влага увеличит теплопроводность утеплителя в ограждении СП-1 на 0,5%, а в ограждении СТО-1 - на 17%, что следует считать значимым изменением.

В шестой главе диссертационной работы обобщены результаты исследований, на основе которых разработаны «Рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги». Предложен следующий алгоритм конструирования наружных стен:

1. Выбирается тип конструкции наружной стены и материалы функциональных слоев.

2. Предварительно определяется сопротивление теплопередаче, которое должно превышать требуемое сопротивление теплопередаче. При этом по возможности, обеспечивается нарастание паропроницаемости материальных слоев от внутренней поверхности стены до наружной поверхности стены.

3. На графике с координатами £КТ;/КТ0 и ХЯп/Я,,,, выстраивается траектория соотношений между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию для разработанной конструкции стены. При необходимости проводится коррекция траекторий соотношений изменением вида материала или толщины слоя. Цель коррекции - не допустить расположение траектории соотношений выше диагонали графика, что обеспечит величину ^к не выше -12°С.

4 Определяется температура начала конденсации (1ИК) разработанной конструкции.

5 Определяется календарная продолжительность увлгжнения слоев конструкции наружной стены.

6. Определяется количество конденсата за период увлажнения и процент потерь теплозащитных свойств материалов, составляющих конструкцию стены.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика определения температуры начала конденсации парообразной влаги (111К), основанная на построении зависимости (Е;-е|) от ^ по характерным сечениям ограждения. Величина 1:ик определяется пересечением зависимости (Е;-е;) от с величиной (Е;-е;) = 0.

2. Показано, что каждой конструкции наружной стены соответствует своя температура начала конденсации парообразной влаги. Используя конструкции с определенной величиной 1))к в климатических районах, где температура наружного воздуха равна или выше 1[1К, можно ограничить или полностью исключить конденсацию парообразной влаги в наружных стенах.

3. Показано, что в простых двухслойных конструкциях, являющихся частью

вентилируемых фасадных систем, когда утеплитель граничит с воздушной

о

прослойкой, конденсация парообразной влаги не происходит до гн=-40 С, что указывает на перспективность подобных конструкций.

4. Установлена зависимость 1 от обобщенного конструктивного параметра, которая позволяет прогнозировать величину 1|]К по конструктивным параметрам

наружных стен и показано, что с ростом обобщенного конструктивного параметра снижается tHK и, следовательно, снижается объем конденсата и негативного воздействия влаги.

5. Разработана методика определения количества конденсата, накапливающегося в ограждении за период увлажнения. Методика основана на анализе разности количества парообразной влага, проходящего от внутренней поверхности до плоскости конденсации (G') и от плоскости конденсации до наружной поверхности ограждения (G") для дискретных интервалов эксплуатационных температур (At,,) и продолжительности их действия (ДТ).

6. Разработана методика оценки снижения теплозащитных свойств наружных стен по количеству конденсата, накопившегося в стене за период увлажнения. Методика основана на оценке прироста коэффициента теплопроводности утеплителя при увеличении его влажности.

7. Разработаны «Рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги».

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Куприянов, В.Н. К вопросу о паропроницаемости в ограждающих конструкциях / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин, А.Г. Хабибулина // Журнал PAACH «ACADEMIA. Архитектура и строительство» - 2009. - №5. - С. 504-507.

; 2. Куприянов, В.Н. Паропроницаемость и проектирование ограждающих конструкций / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сзфин // Журнал PAACH «ACADEMIA. Архитектура и строительство» - 2010. - №3. -С. 385-390.

3. Крайнее, Д.В. Расчет дополнительных теплопотерь через теплопроводные включения ограждающих конструкций (на примере узла оконного откоса) / Д.В. Крайнов, И.Ш. Сафин, А. С. Любимцев // «Инженерно-строительный журнал» — 2010. — №6 (16). — С. 17-22.

4. Куприянов, В.Н. Проектирование ограждающих конструкций с учетом диффузии и конденсации парообразной влаги / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин // «Известия КГАСУ» - 2011. - №1 (15). - С. 93-103.

5. Сафин, И.Ш. Экспериментальное исследование увлажнения парообразной влагой фрагментов ограждений в климатической камере / И.Ш. Сафин, В.Н. Куприянов // «Вестник МГСУ» - 2011. -№3. - С. 166-171.

6. Куприянов, В.Н. Влияние конструкции ограждения на конденсацию парообразной влаги / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин, М.Р. Шамсутдинова // «Жилищное строительство» - 2012. - №6. — С. 29-31.

7. Иванцов, А.И. Натурные исследования эксплуатационных воздействий на фасадные системы с различными видами эффективных утеплителей / А.И. Иванцов, В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин II «Жилищное строительство» — 2013. — №7. — С.29-32.

8. Куприянов, В.Н. Разработка конструктивного решения наружных стен и обеспечение основных параметров теплозащиты: Методические указания для выполнения самостоятельной работы / В.Н. Куприянов, И.Ш. Сафин, А.И. Иванцов. Казань: Печ. множ. отдел КГАСУ. - 2012. - 40 с.

Подписано в печать: 20.11.13 Формат 60x84/16

Бумага офсетная №1 Заказ №521 Усл.-печл. 1,0

Печать ризографическая Тираж 100 экз Уч.-издл. 1,0

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГАСУ. 420043, г. Казань, Зеленая, 1

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

ОЦЕНКА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ НАРУЖНЫХ СТЕН С УЧЕТОМ КОНДЕНСАЦИИ ПАРООБРАЗНОЙ ВЛАГИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Куприянов Валерий Николаевич

Казань — 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение ................................................................................. 4

Глава Паропроницаемость ограждающих

конструкций и ее учет при проектировании

наружных стен (обзор и анализ литературы) .................. 8

1.1. Влияние переувлажнения материалов

на эксплуатационные свойства ограждений ................... 8

1.2. Анализ нормативных документов по оценке паропроницания и переувлажнения ограждающих конструкций ........................ 14

1.3. Основные типы конструкций наружных стен ................. 20

1.4. Основные закономерности диффузии

водяного пара через ограждения .......................... 24

1.4.1. Влажный воздух и его

основные характеристики ................................. 24

1.4.2. Диффузия водяного пара

через ограждающие конструкции........................ 26

1.5. Конденсация парообразной влаги

в ограждающих конструкциях .............................. 30

1.5.1. Основные закономерности конденсации .............. 30

1.5.2. Увлажнение и высушивание ограждающих конструкций конденсированной влагой

при эксплуатационных воздействиях .......... 34

1.5.2.1. Однослойные конструкции ..................... 34

1.5.2.2. Многослойные конструкции .................. 37

1.6. Анализ процессов паропроницаемости ограждающих конструкций.

Формирование цели и задач работы .......................... 39

Глава 2. Оборудование, приборы и методы экспериментальных исследований

теплофизических параметров .............................. 41

2.1. Климатическая камера для

теплофизических исследований ............................................ 41

2.2. Измерительные комплексы

теплофизических параметров ..................................... 45

2.3. Размещение теплофизических датчиков

на испытываемых фрагментах ограждений .................... 48

Глава 3. Влияние температуры наружного воздуха на процессы

конденсации парообразной влаги в наружных стенах ...... 50

3.1. Однослойная ограждающая конструкция ..................... 51

3.2. Двухслойная ограждающая конструкция ..................... 56

3.2.1. Простая двухслойная стена ................................. 56

3.2.2. Двухслойная стена с тонким слоем штукатурки ....... 62

3.3. Многослойная ограждающая конструкция .................... 63

3.4. Основные выводы и результаты по главе 3 .................... 67

Глава 4. Влияние конструкции наружных стен на

процессы конденсации в них парообразной влаги ........... 69

4.1. Влияние взаимного расположения

материальных слоев на процесс конденсации .................. 70

4.2. Влияние соотношений между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию

слоев ограждения на процесс конденсации ............ 78

4.3. Влияние наружных облицовочных слоев на

процессы конденсации парообразной влаги ................... 87

4.4. Обобщение исследования по влиянию конструкции наружных стен на температуру начала конденсации в них парообразной влаги.

Результаты и выводы по главе 4 ................ 97

Глава 5. Разработка методов оценки снижения теплозащитных свойств наружных стен по количеству конденсата, накопившегося в стене за период увлажнения ........ 101

5.1. Определение календарной продолжительности увлажнения наружной стены конденсированной влагой ..... 101

5.2. Определение количества конденсата

накопившегося в стене за период увлажнения ................. 107

5.3 Расчет увеличения влажности

утеплителя по количеству конденсата ........................ 112

5.4 Расчет снижения теплозащитных свойств

утеплителя по количеству конденсата ...................... 113

Глава 6. Разработка «Рекомендаций по конструированию наружных стен с ограничением

конденсации в них парообразной влаги» ........................................114

Основные выводы по работе ..................................................................................119

Библиографический список ....................................................................................121

Приложения ..............................................................................................................................134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Известно, что в ограждающих конструкциях зданий протекают два основных физических процесса: теплопередача и диффузия парообразной влаги.

Теплопотери зданий и их энергетическая эффективность определяются закономерностями теплопередачи, в связи с чем, современные нормативные документы (СНиП 23-02-2003 [96] и СП 23-101-2004 [98]) предписывают проектирование наружных стен только с позиции энергосбережения. Нормы не учитывают изменение параметров теплозащиты при эксплуатационных воздействиях.

Диффузия парообразной влаги через ограждение в наружный воздух, или паропроницаемость, определяет влажностный режим стены, особенно в случае конденсации парообразной влаги в ограждении. При этом ослабляется теплозащита наружных стен, усиливаются коррозионные процессы, снижается долговечность ограждающих конструкций.

Сопротивление теплопередаче наружных стен определяется суммой сопротивлений теплопередаче отдельных слоев, поэтому их теплозащитные качества не зависят от взаимного расположения отдельных слоев.

Закономерность конденсации парообразной влаги в ограждающих конструкциях зависит как от теплофизических свойств отдельных слоев, так и от их взаимного расположения. Однако в научной литературе эти вопросы отражены схематично, а в нормативной литературе отсутствуют полностью.

Таким образом, важнейшие процессы, от которых зависят снижение теплозащиты наружных стен в процессе эксплуатации и их долговечность, не регламентированы в действующей нормативной литературе.

Гипотеза: целенаправленным конструированием наружных стен можно обеспечить снижение количества конденсата за период увлажнения и снизить, тем самым, негативное воздействие влаги.

Цель работы: установление закономерностей конденсации парообразной влаги в основных конструктивных типах наружных стен и разработка на этой основе методов определения количества конденсата и изменения теплозащитных свойств.

Задачи работы, которые необходимо решить для достижения цели:

1. Установить зависимость конденсации парообразной влаги в основных конструктивных типах наружных стен от температуры наружного воздуха (^ц).

2. Установить зависимость конденсации парообразной влаги от конструктивных параметров наружных стен: взаимного расположения слоев, соотношения между сопротивлениями теплопередаче и паропроницанию слоев по сечению ограждения, сопротивления паропроницанию наружных облицовочных слоев.

3. Разработать методику определения количества конденсата, образующегося в наружных стенах за период увлажнения.

4. Разработать методику оценки изменения теплозащитных свойств наружных стен в зависимости от количества конденсата.

5. Разработать рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Введено новое понятие, ранее не использованное в строительной теплофизике: температура начала конденсации парообразной влаги в ограждающих конструкциях (1цк)- Установлено, что величина 1цк численно равна максимальной температуре наружного воздуха (1н) при которой в сечении ближайшем к наружной поверхности стены, как правило, на стыке утеплителя и наружного облицовочного слоя, образуется плоскость конденсации.

2. Установлены закономерности образования конденсата в произвольном сечении наружной стены и показано, что величина ^к определяется по зависимости разности между максимальной (Е^ и действительной (е;) упру-гостями водяного пара (Е|-е;) от ^ для заданного сечения стены при (Е^е^О.

Эти закономерности положены в основу разработанной методики по определению ^к-

3. Выявлено, что для каждого конструктивного решения наружной стены существует свое значение температуры начала конденсации парообразной влаги (Ънс).

4. Впервые показано, что при понижении температуры наружного воздуха ниже температуры начала конденсации в конструкциях наружных стен с соотношением КПо/Ято>2, плоскость конденсации сохраняется; в конструкциях же с соотношением Япо/Ято^ плоскость конденсации перерастает в зону конденсации, распространяясь по толщине ограждения в сторону внутренней поверхности.

5. Введено новое понятие - обобщенный конструктивный параметр наружных стен, который представляет собой отношение сопротивлений паропроницанию к теплопередаче в относительных единицах для плоскости конденсации и получена зависимость ^к от величины обобщенного конструктивного параметра. Установлено, что с ростом величины обобщенного конструктивного параметра снижается величина (»к-

Практическое значение работы:

1. Разработанные «Рекомендации по конструированию наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги» позволят проектным организациям конструировать наружные стены заданного уровня теплозащиты с одновременным ограничением накопления влаги, а для некоторых климатических районов и полного исключения ее конденсации в ограждении, что повысит эксплуатационные качества и долговечность ограждений.

2. Результаты исследований включены в методические указания «Разработка конструктивного решения наружных стен и обеспечение основных параметров теплозащиты», предназначенные для широкого использования в подготовке студентов всех строительных специальностей.

Объект исследования: наружные стены жилых зданий массовой застройки.

Предмет исследования: конденсация парообразной влаги в основных конструктивных типах наружных стен.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций обеспечиваются воспроизводимостью экспериментальных результатов, сходимостью расчетных и экспериментальных значений, использованием расчетных программ и сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены:

- на ежегодных научно-технических конференциях КГ АСУ в Казани в 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 годах;

- на Академических чтениях РААСН по актуальным вопросам строительной физики в Москве в 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 годах;

- на Академических чтениях РААСН по актуальным проблемам строительного материаловедения в Казани в 2010 году;

- на Втором международном Конгрессе «ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ. XXI ВЕК» Ш-ей научно-технической конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий» в Санкт-Петербурге в 2010 году;

- на XI Международном Симпозиуме «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» в Казани в 2010, 2012 годах;

на Шестой Всероссийской НТСК «Интенсификация тепло-массообменных процессов в химической технологии», посвященной 90-летию со дня рождения А.Г. Усманова, в Казани в 2010 году.

Работа выполнялась по плану фундаментальных НИР «Волжского регионального отделения РААСН» №7.3.16 на 2013-2014 годы.

Основное содержание исследований опубликовано в 14 печатных работах, в том числе, в 7 печатных работах в изданиях из перечня ВАК.

ГЛАВА 1. ПАРОПРОНИЦАЕМОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ЕЕ УЧЕТ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НАРУЖНЫХ СТЕН (ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Влияние переувлажнения материалов

на эксплуатационные свойства ограждений

В данной главе представлен обзор и анализ научных работ отечественных ученых и специалистов, посвященных исследованию теплозащиты ограждающих конструкций, их влажностному состоянию и процессам диффузии парообразной влаги через ограждение. Это работы C.B. Александровского [1], М.А. Берлинера [3, 4], В.Н. Богословского [6-8, 15], P.E. Брилинга [9], Б.Ф. Васильева [10, 11, 43], O.E. Власова [13, 14], Ю.С. Вытчикова [16-18], В.Г. Гагарина [19-28, 85], Ц.Д. Дамдинова [37], В.М. Ильинского [39-41], В.В. Козлова [47, 48], В.Н. Куприянова [55-60, 88-90], A.B. Лыкова [65, 66], Ю.А. Матросова [69], В.Д. Мачинского [70-73], А.Г. Перехоженцева [76-81], В.К. Савина [105], А.К. Соловьева [100], Ф.В. Ушкова [109, 110], К.Ф. Фокина [111116], А.У. Франчука [117-119], A.M. Шкловера [121] и другие.

В отечественной нормативной литературе отведено значительное место тепло- и влагозащите ограждающих конструкций [29-35, 86, 91-99, 101-103].

Также вопросами паропроницания ограждающих конструкций занимались зарубежные специалисты, такие как В. Блази [2, 125], Р. Кадьерг [44], Н.М. Kunzel [127], 3. Майнерт [67], Т.С. Роджерс [84], Hugo Hens [126], J.F. Straube [130], E. Шильд [120, 128], К. Шпайдель [122, 129] и другие.

Установлено, что с повышением влажности материалов снижается их прочность, повышается теплопроводность, усиливаются коррозионные процессы всех видов, при отрицательных температурах снижается долговечность материалов в силу многократного замораживания-оттаивания.

За редким исключением упомянутые работы «не привязаны» к конкретным эксплуатационным воздействиям. Изучение этих вопросов позволило выявить три типа увлажнения материалов в ограждающих конструкциях.

Первый тип: конструктивная влага, - это когда материалы ограждений увлажняются дождями, тающим снегом, грунтовой влагой. Этот тип увлажнения можно устранить конструктивными мероприятиями.

Второй тип: технологическая влага, - это когда материалы ограждений увлажняются в процессе производства работ в силу нарушений технологических регламентов. Увлажнение этого типа, то есть влага, занесенная в ограждение в процессе производства работ, может оказывать негативное воздействие в течение нескольких лет эксплуатации. Исключить увлажнение этого типа можно только строгим выполнением технологических регламентов.

Последствия увлажнения материалов ограждений по первому и второму типу могут быть значительными, но они носят не систематический, а случайный, эпизодический характер.

Третий тип: эксплуатационная влага. Этот тип увлажнения связан с сорбционным увлажнением материалов, диффузией парообразной влаги через ограждение и ее конденсацией в ограждении при определенных условиях. Он определяется физическими процессами, проходящими в ограждениях зданий, и действует постоянно, в течение всего срока эксплуатации здания.

В известной специальной литературе [2, 8, 40, 46, 65, 87] информация об увлажнении материалов ограждений по третьему типу носит эпизодический характер. Практически отсутствуют данные о количестве параметров увлажнения и тем более о влиянии количества поглощенной влаги на изменение эксплуатационных свойств ограждающей конструкции.

Зависимость коэффициента теплопроводности материалов от количества поглощенной влаги наиболее полно описано у Е. Шильда [120]. В его работе принято допущение о том, что если влага конденсируется в каком-либо сечении материального слоя, то в силу гидрофильности, или капиллярного перемещения, увлажняется весь слой.

Масса конденсированной влаги (вн;), отнесенная к массе единицы площади поверхности переувлажнения (М), даст прирост влажности \Ук (% по массе):

\Ум=(Ск/М)-100% (1.1)

Объём конденсированной влаги (Ук), отнесённый к единице объёма переувлажнённого слоя (V), даст прирост влажности (% по объёму):

^^об =( Ук / V) ■ 100% (1.2)

Переувлажнение слоёв приводит к увеличению теплопроводности

материалов (к), а следовательно, к снижению общего сопротивления теплопередаче (Ято) ограждающей конструкции в целом.

Прирост влажности материалов ограждений и >Уоб позволит ввести коррективы в коэффициенты теплопроводности материалов:

-по массе: • ъ! 100), % (1.3)

- по массе: • г / 100), % (1.4)

где: X - коэффициент теплопроводности материалов, принятый при расчетах по нормативным документам; ъ - процент увеличения коэффициента теплопроводности переувлажнённого слоя при увеличении его влажности на 1% по массе или объёму (см. таблицу 1.1).

Количественные характеристики влажности материалов (столбцы 2 и 3) и прироста коэффициента теплопроводности материалов (г) (столбец 4), взяты из работы Е.Шильда [120]. Столбец 5 представляет собой выписку из табл. 12 СНиПа 23-02-2003 [96] - предельно-допустимое приращение влажности материалов в ограждающих конструкциях Д\Уср,%.

При перемножении столбцов 4 и 5 в столбце 6 получаем «разрешенное СНиПом» увеличение теплопроводности материалов (Х,%) за счет допустимого приращения их влажности. Таким образом, можно видеть, что СНиП допускает увеличение теплопроводности материалов на 15-72%.

Такое снижение теплозащитных свойств материалов в ограждениях является существенным, в силу чего нормирование сопротивления паро-проницанию по (СНиП 23-02-2003, п. 9.1, б) [93] «из условия ограничения влаги...» является недостаточно обоснованным.

Переувлажнение материальных слоёв ограждающих конструкций конденсированной влагой приводит к целому ряду негативных последствий, что отражается на эксплуатационных свойствах ограждений.

Известно, что при увеличении влажности ограждений:

- снижаются теплозащитные качества ограждающих конструкций и возрастают теплопотери зданий;

- изменяется распределение температур по сечению ограждения и, как следствие, распределение упругостей водяного пара по сечению ограждения и

Та