Влажностный режим ограждающих конструкций

Виды влаги, влияющие на влажностный режим ограждающих конструкций и помещений, следующие:

• осадки (дождь, снег, лсд, град);

• грунтовая влага (вода не под давлением, проникающая сбоку через стену подвала и поднимающаяся по капиллярам, а также вода под давлением, проникающая сбоку и снизу через пол подвала);

• водяной пар (конденсация водяного пара на поверхности ограждающих конструкций и внутри ограждающих конструкций);

• "построечная влага", т.е. влага, содержащаяся, например, в бетоне при его укладке.

Повышение влагосодержания материала ограждений снижает теплозащитные качества ограждающих конструкций и их долговечность из-за замерзания и оттаивания влаги в порах материала при изменениях температуры.

Влага может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Их последовательность соответствует последовательности перехода из одного состояния в другое и не может быть изменена.

Твердое тело плавится при нагревании. Растворы имеют более низкую температуру замерзания и более высокую температуру кипения, чем вода. На рис. 15.8 приведена диаграмма энергетического баланса при изменении агрегатного состояния воды.

Рис. 15.8. Диаграмма энергетического баланса при изменении агрегатных состояний воды

Защита от увлажнения конструкций за счет осадков осуществляется ограждающими конструкциями кровли и стен. При этом большое значение имеет правильное и качественное решение водостоков с крыши.

Защита от грунтовой влаги осуществляется правильной и качественной гидроизоляцией фундаментов и стен подвала.

От "построечной влаги" защищаются с помощью правильного выбора технологии производства работ. Все эти виды защиты являются конструктивными и технологическими мероприятиями, рассматриваемыми в соответствующем разделе курса "Физика среды" и в курсе "Технология строительного производства".

В воздухе всегда содержится некоторое количество влаги. Она образуется за счет дыхания людей, приготовления пищи, использования душа, ванны, сушки белья, а также за счет комнатных растений. Испарение тем больше, чем выше температура воздуха и воды (молекулы более подвижны, теплый воздух их легче воспринимает и держит), чем сильнее ветер (сильный ветер отрывает молекулы с поверхности и уносит, освобождая место для отрыва новых молекул), чем больше поверхность испарения, чем меньше атмосферное давление. В зависимости от температуры воздух может накапливать большее или меньшее количество молекул воды. На рис. 15.9 приведен график максимального содержания влаги в воздухе (в г/м3) в зависимости от температуры. Это абсолютная влажность воздуха Р. При расчетах влажностного режима ограждений абсолютную влажность выражают величиной парциального давления (давление водяного пара, или его упругость е, мм рт.ст., или Н/м2, или Па). Это часть общего давления паровоздушной смеси, вызываемая наличием пара в воздухе.

Рис. 15.9. График максимального содержания влаги в воздухе в зависимости от температуры

При постоянной температуре воздуха t и постоянном барометрическом давлении давление водяного пара е может расти до определенного предела Е. Чем больше t, тем больше Е. Степень насыщения воздуха влагой определяется его относительной влажностью:

При относительной влажности, стремящейся к 100%, парциальное давление е стремится к максимальному значению Е. То же происходит при понижении температуры воздуха, т.е. ф стремится к 100%. Когда е = Е и ф = 100%, то температура, при которой имеет место такая влажность, называется точкой росы (τρ). Если охлаждать воздух ниже τ„, то из него будет выделяться влага (конденсат).

В табл. 15.5 и 15.6 приведены значения упругости насыщенного водяного пара (максимально возможные ее значения) при данной температуре воздуха.

Таблица 15.5

Упругость насыщенного водяного пара Е, Па, для температур от 0 до 30°С с шагом 0,1°С (над водой)

°С	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9
0	611	615	620	624	629	633	639	643	648	652
1	657	661	667	671	676	681	687	691	696	701
2	705	711	716	721	727	732	737	743	748	753
3	759	764	769	775	780	785	791	796	803	808
4	813	819	825	831	836	843	848	855	860	867
5	872	879	885	891	897	904	909	916	923	929
6	93	941	948	956	961	968	975	981	988	995
7	1001	1009	1016	1023	1029	1037	1044	1051	1059	1065
8	1072	1080	1088	1095	1103	1109	1117	1125	1132	1140
9	1148	1156	1164	1172	1180	1188	1196	1204	1212	1220
10	1228	1236	1244	1253	1261	1369	1279	1287	1285	1304
11	1312	1321	1331	1339	1348	1355	1365	1375	1384	1323
12	1403	1412	1421	1431	1440	1449	1459	1468	1479	1488
13	1497	1508	1517	1527	1537	1547	1557	1568	1577	1588
14	1599	1609	1619	1629	1640	1651	1661	1672	1683	1695
15	1703	1716	1727	1739	1749	1761	1772	1784	1795	1807
16	1817	1829	1841	1853	1865	1877	1889	1901	1913	1925
17	1937	1949	1962	1974	1986	2000	2012	2025	2037	2050
18	2064	2077	2089	2102	2115	2129	2142	2156	2169	2182
19	2197	2210	2225	2238	2252	2266	2281	2294	2309	2324
20	2338	2352	2366	2381	2396	2412	2426	2441	2456	2471
21	2488	2502	2517	2533	2542	2564	2580	2596	2612	2628
22	2644	2660	2676	2691	2709	2725	2742	2758	2776	2792
23	2809	2826	2842	2860	2877	2894	2913	2930	2948	2965
24	2984	3001	3020	3038	3056	3074	3093	3112	3130	3149
25	3168	3186	3205	3224	3244	3262	3282	3301	3321	3341
26	3363	3381	3401	3421	3441	3461	3481	3502	3523	3544
27	3367	3586	3608	2628	3649	3672	3692	3714	3796	3758
.28	3782	3801	3824	3846	3869	3890	3913	3937	3960	3982
29	4005	4029	4052	4076	4100	4122	4146	4170	4194	4218
30	4246	4268	4292	4317	4341	4366	4390	4416	4441	4468

Таблица 15.6

Упругость насыщенного водяного пара Е, Па, для температур от 0 до -41 °С с шагом 0,1°С (над льдом)

7	7,5	8	8,5	9	9,5	10	10,5	11	11,5	-41
12	12,1	12,2	12,3	12,4	12,5	12,6	12,7	12,8	12,9	-40
13	13,3	13,6	13,9	14,2	14,5	14,8	15,1	15,4	15,7	-39
16	16,1	16,2	16,3	16,4	16,5	16,6	16,7	16,8	16,9	-38
17	17,3	17,6	17,9	18,2	18,5	18,8	19,1	19,4	19,7	-37
20	20,1	20,2	20,3	20,4	20,5	20,6	20,7	20,8	20,9	-36
21	21,3	21,6	21,9	22,2	22,5	22,8	23,1	23,4	23,7	-35
24	24,3	24,6	24,9	25,2	25,5	25,8	26,1	26,4	26,7	-34
27	27,2	27,4	27,6	27,8	28	28,2	28,4	28,6	28,8	-33
29	29,4	29,8	30,2	30,6	31	31,4	31,8	32,2	32,6	-32
33	33,4	33,8	34,2	34,6	35	35,4	35,8	36,2	36,6	-31
37	37,4	37,8	38,2	38,6	39	39,4	39,8	40,2	40,6	-30
41	41,4	41,8	42,2	42,6	43	43,4	43,8	44,2	44,6	-29
45	45,6	46,2	46,8	47,4	48	48,6	49,2	49,8	50,4	-28
51	51,5	52	52,5	53	53,5	54	54,5	55	55,5	-27
56	56,7	57,4	58,1	58,8	59,5	60.2	60,9	61,6	62,3	-26
63	63,6	64,2	64,8	65,4	66	66,6	67,2	67,8	68,4	-25
69	69,8	70,6	71,4	72,2	73	73,8	74,6	75,4	76,2	-24
77	77,8	78,6	79,4	80,2	81	81,8	82,6	83,4	84,2	-23
85	85,8	86,6	87,4	88,2	89	89,8	90,6	91,4	92,2	-22
93	94	95	96	97	98	99	100	101	102	-21
103	104	105	106	107	108	109	ПО	111	112	-20
113	114,2	115,4	116,6	117,8	119	120,2	121,4	122,6	123,8	-19
125	126,2	127,4	128,6	129,8	131	132,2	133,4	135,6	136,6	-18
137	138,4	139,8	141,2	142,6	144	145,4	146,8	148,2	149,6	-17
151	152,4	154,8	156,2	157,6	159	160,4	161,8	163,2	164,6	-16
165	166,6	168,2	169,8	171,4	173	174,6	176,2	177,8	179,4	-15
181	182,8	184,6	186,4	188,2	190	191,8	193,6	195,4	197,2	-14
199	200,8	202,6	204,4	206,2	208	209,8	211,6	213,4	215,2	-13
217	219	221	223	225	227	229	231	233	235	-12
237	239,3	241,6	243,9	246,2	248,5	250,8	253,1	255,4	257,7	-11
260	262,4	264,8	267,2	269,6	272	274,4	276,8	279,2	281,6	-10
284	286,5	289	291,5	294	296,5	299	301,5	304	306,5	-9
309	310,2	311,4	312,6	313,8	315	316,2	317,4	318,6	319,8	-8
321	322,6	324,2	325,8	327,4	329	330,6	332,2	333,8	335,4	-7
337	343,4	349,8	356,2	362,6	369	375,4	381,8	388,2	394,6	-6
401	406	411	416	421	426	431	436	441	446	-5
451	453,5	456	458,5	461	463,5	466	468,5	471	473,5	-4
476	480,1	484,2	488,3	492,4	496,5	500,6	504,7	508,8	512,9	-3
517	521,6	526,2	530,8	535,4	540	544,6	549,2	553,8	558,4	-2
563	567,8	572,6	577,4	582,2	587	591,8	596,6	601,4	606,2	-1
0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0	°С

Основным условием для ограждающих конструкций является то, чтобы температура на их внутренней поверхности τΒ была бы выше точки росы τρ:

(15.5)

Для определения возможности конденсации водяного пара на внутренней поверхности стены необходимы следующие исходные данные:

• характеристики внутреннего и наружного климата (температура воздуха внутри помещения tΒ, относительная влажность внутри помещения φв, наружная температура воздуха tH, обычно она принимается равной средней температуре самых холодных суток);

• коэффициенты теплопроводности λi; слоев конструкции и их толщины δi.

Порядок расчета следующий.

1. Определяем фактическое общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R0 так, как это мы делали при определении фактического сопротивления теплопередаче конструкции.

2. Определяем τΒ по формуле

3. По табл. 5.5 и 5.6 определяем значение Ев, соответствующее tB.

4. Определяем фактическое давление водяного пара в воздухе внутри помещения по формуле

Температура, для которой ев = Е, будет точкой росы τρ.

5. Находим τр по той же таблице для значения ев = Е.

6. Проверяем условие (15.5).

Давление пара в воздухе в жилом помещении при нормируемой относительной влажности φ = 55% и tΒ = +20°С составляет е = 1286 Па. Зимой при обычной относительной влажности наружного воздуха для Москвы φΗ = 80% и tH = –10°С е = 225,3 Па, т.е. примерно в шесть раз меньше. Поэтому пар устремляется изнутри наружу и проходит (диффундирует) через поры материала ограждения. При этом там, где температура внутри ограждения становится ниже точки росы (при том парциальном давлении, которое имеет место в данном сечении конструкции), пар начинает сгущаться и конденсируется. При этом материал увлажняется, теряет свои теплозащитные качества.

В рационально спроектированных ограждающих конструкциях наблюдается так называемое установившееся ОГЛАВЛЕНИЕ влаги, которое приближается к воздушно-сухому состоянию материалов и незначительно меняется в разные сезоны года. Изменение влажностного состояния ограждения в эксплуатируемых зданиях происходит вследствие смещения равновесия между испарением влаги, способствующем сушке, и сорбционным и конденсационным увлажнением материалов в ограждении. Сорбционное увлажнение происходит за счет поглощения материалом водяного пара из воздуха, которое различно для смачиваемых, несмачиваемых материалов и материалов с промежуточными свойствами. Наибольшее сорбционное увлажнение характеризуется влагоОГЛАВЛЕНИЕм материала:

(15.6)

Оно составляет у древесины 30–35%, у ячеистых бетонов 10–15%, у легких бетонов 5–6%, у хорошо обожженного кирпича 0,5–5%, у асфальта, битумов 0,2–2%.

Конденсационное увлажнение может происходить на поверхности и в толще ограждения за счет диффузии водяного пара.

Диффузия водяного пара – проникание водяного пара через материал ограждения из помещения наружу, т.е. из среды с бо́льшим парциальным давлением в среду с меньшим. Она зависит от давления и от коэффициентов паропроницания материалов слоев μ. Коэффициент паропроницания материала – это количество пара в миллиграммах, диффундирующего через 1 м2 плоского слоя толщиной 1 м при разности парциальных давлений 1 Па. Эти коэффициенты приводятся в СНиПе П-3.79* и в действующем Своде правил СП 23-101-2000 "Проектирование тепловой защиты зданий". Коэффициент паропроницания измеряется в мгДПа • м2 • ч). По аналогии с сопротивлением теплопередаче сопротивление конструкции паропроницанию определяется по формуле

Общее сопротивление паронроницапию

(15.7)

Здесь Rвп и Rнп – сопротивления влагообмену на внутренней и наружной поверхностях конструкции. Эти значения можно определить по общей приближенной формуле

где К = 0,134 при размерности (Па • м2 • ч)/мг; φκ и φΜ – относительная влажность воздуха внутри помещения и снаружи, %. Из формулы (15.6) следует, что поток водяного пара встречает меньшее сопротивление, проходя через увлажненные поверхности.

По аналогии с прохождением теплового потока через конструкцию площадью 1 м2 в течение 1 ч количество пара, проходящего через такую конструкцию, определяется по формуле

(15.8)

где ев, ен и ех – давление водяного пара во внутреннем, наружном воздухе и на границе какого-либо сечения или слоя конструкции, считая от ее внутренней поверхности; Roп и Rпx – сопротивления паропроницанию, общее и в сечении х, считая от внутренней поверхности конструкции.

Из формулы (15.8) следует

(15.9)

Аналогично, температура в каком либо сечении х ограждающей конструкции равна

(15.10)

Оценку влажностного состояния ограждающей конструкции при установившемся потоке диффузии водяного пара удобно проводить графически по методу О. Е. Власова и К. Ф. Фокина (рис. 15.10).

1. На схематическом разрезе ограждающей конструкции строится линия распределения температур в ее слоях. Температура наружного воздуха зависит от задачи, которая ставится в расчете. Например, для определения положения плоскости конденсации водяного пара при расчете количества влаги, скоденсировавшейся в толще конструкции за период влагонакопления, это может быть средняя наружная температура за этот период. Для Москвы – это ноябрь – март. Значения температур в толще конструкции могут быть рассчитаны по формуле (15.10) или определены графически.

Рис. 15.10. Распределение величин фактической и максимальной упругости водяного пара в толще конструкции при средних значениях температуры и влажности за период влагонакопления в г. Москве (tH = -6,5°; φн = 82%):

1 – внутренняя цементно-песчаная (ц/п) штукатурка (λ = 0,93; 0,09); 2 – кирпич глиняный обыкновенный (λ = 0,81; 0,11); 3 – минеральная вата (λ = 0,07; 0,56); 4 – кирпич облицовочный (λ = 0,81; 0,1)

2. В соответствии со значениями вычисленных температур строится линия величин парциального давления насыщенного водяного пара Е, которые определяются по табл. 5.5, 5.6.

3. По формуле (15.9) вычисляются значения парциальных давлений е в характерных сечениях конструкции (па границах слоев), и строится линия, показывающая фактическое падение парциального давления в толще конструкции.

Если внутри конструкции не происходит пересечения линий Е и е, то это означает, что при данных условиях температуры и влажности внутри и снаружи помещения конденсация влаги не происходит, т.е. фактические значения давления водяного пара не превышают максимальных значений. При пересечении линий Е и е внутри ограждающей конструкции возможна конденсация влаги при данных условиях. Через точку пересечения линий Е и е проходит плоскость конденсации, отделяющая зону сухого материала от зоны увлажненного материала. При установившемся потоке диффузии водяного пара можно рассчитать его количество, которое превратится в воду за период конденсации. По формуле (15.7) при продолжительности периода конденсации zκ масса сконденсировавшейся за этот период влаги (GK) равна

где ев – парциальное давление внутри помещения, Па; ек – давление водяного пара в плоскости конденсации, Па; Rпк – сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции от внутренней поверхности до плоскости конденсации, включая Rвп; zκ – продолжительность периода конденсации, ч, берется за ноябрь – март.

За летний период (период высыхания) количество испарившейся вовнутрь помещения и наружу влаги из конструкции (Gи) может быть определено по формуле

Здесь Е – давление насыщенного водяного пара при средней температуре периода высыхания, определятся по табл. 5.5, 5.6; ев – расчетная влажность в помещении, Па, при φ = 55% и tB = tcp периода высыхания; ен – то же снаружи, Па, при средней температуре за период высыхания и tн, равной tcp периода высыхания. tcp периода высыхания берется за май – сентябрь.

Если за летний период из конструкции будет испаряться столько же или больше влаги, чем будет конденсироваться за зимний период, то конструкция будет постепенно высыхать или находиться в состоянии равновесной влажности, т.е. не будет разрушаться и терять свои теплозащитные качества. Основное условие этого – Gк < Gи.

Такое определение количества сконденсировавшейся и испарившейся влаги является приближенным, так как основано на допущении стационарности температурно-влажностного режима. Имеются и другие допущения. Однако данное может служить основанием для анализа влажностного состояния ограждающих конструкций.

Для проверки следует пользоваться методикой сравнения сопротивления паропроницанию ограждающих конструкций (в пределах от внутренней поверхности до плоскости конденсации). Оно должно быть не менее наибольшего из двух требуемых значений из условий недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период и ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными наружными температурами. Эти величины определяются по методике, подробно изложенной в СНиП и СП.

Внутри однородных ограждающих конструкций обычно не бывает конденсации водяного пара. Конденсация в конструкциях этого вида возможна лишь при повышенной влажности воздуха в помещении и при очень плотном наружном отделочном слое, препятствующем диффузии пара из ограждения в атмосферу. В сложных конструкциях большое значение имеет расположение слоев.

На рис. 15.11 показано влияние расположения слоев конструкции на положение плоскости конденсации. Так, в случае (а) утеплитель расположен с внешней стороны конструкции. Плотный внутренний слой имеет большое сопротивление паропроницанию. Поэтому при диффузии пара через плотный слой давление пара падает. В то же время температура плотного слоя, защищенного снаружи утеплителем, будет еще достаточно высокая и не упадет ниже точки росы. Более пористый материал утеплителя, расположенный снаружи, имеет малое сопротивление паропроницанию. Следовательно, конденсация в конструкции либо не происходит, либо происходит вблизи его наружной границы. Если наружный слой паропроницаем, то пар, не успевая конденсироваться, будет выдавливаться из конструкции следующими порциями пара, поступающими из помещения. Конструкция остается сухой в течение годового цикла. Если наружный штукатурный слой будет паронепроницаемым, то давление водяного пара оторвет штукатурку. Поэтому наружная штукатурка должна быть пористой. Для предотвращения проникновения косых дождей штукатурку окрашивают специальными фасадными водоотталкивающими красками.

Рис. 15.11. Распределение величин фактической и максимальной упругости водяного пара в толще конструкции при средних значениях температуры и влажности за период влагонакопления в г. Москве (tΗ = -6,5°; <φср = 82%):

а – утеплитель ближе к наружной грани конструкции (состав стены согласно рис. 5.10); б – утеплитель ближе к внутренней грани конструкции; 1 – два гипсокартонных листа (ГКЛ) (δ = 0,04; λ=0,21 μ=0,075); 2 – минеральная вата (δ = 0,15; λ=0,07 μ=0,56); 3 – кирпич глиняный обыкновенный (δ = 0,64; λ=0,81 μ=0,11); 4 – штукатурка (δ = 0,04; λ=0,81 μ=0,12)

В случае (б) утеплитель расположен с внутренней стороны. Он обладает малым сопротивлением паропроницанию, поэтому парциальное давление на границе между утеплителем и плотным слоем ограждения будет высоким, а температура в этом сечении будет значительно ниже точки росы. Плоскость конденсации располагается в утеплителе, который будет намокать и терять свои теплозащитные качества. Для того чтобы пар не проникал в утеплитель, под отделочным слоем необходимо располагать пароизоляцию.

Полностью не пропускают водяной пар только металлическая фольга и полиэтиленовая пленка. Битумные кровельные рулонные материалы в один-два слоя хотя и уменьшают парциальное давление внутри конструкции, но полностью не препятствуют попаданию водяного пара в утеплитель. Поэтому применять, например, рубероид в качестве пароизоляции в совмещенных невентилируемых покрытиях категорически не рекомендуется. В противном случае утеплитель через несколько лет наполнится сконденсировавшейся влагой и на потолке появятся протечки. Вода будет замерзать и разрушит кровлю. Ни о каких теплозащитных качествах такого покрытия говорить не приходится.

Таким образом, расположение плотных массивных слоев с наружной стороны конструкции приводит к ее намоканию и разрушению. Устройство пароизоляции с внутренней стороны утеплителя может сохранить конструкцию сухой, но не ликвидирует других ее недостатков (понижения тепловой инерции и мостиков холода).