Исследование температурно - влажностного состояния ограждающих конструкций здания

 

• Термические сопротивления, тепловая инерция и сопротивление  паропроницанию слоёв (предварительно – без утеплителя) приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Теплотехнические  характеристики слоёв конструкции

№ слоя	Слои, материалы (поз. в табл. СП [3])	Термическое сопротивление Ri = di/li, м2×°С/Вт	Тепловая  инерция Di = Risi	Сопротивление паропроницанию Rvp,i = di/mi, м2×ч×Па/мг
-	Внутренний пограничный слой	1/8,7 = 0,11	-	-
1	Внутренняя штукатурка из цем.-песч. раствора (227)	0,02	0,24	0,22
2	Кладка из кирпича глиняного  обыкновенного (206)	0,31	3,12	2,27
3	Плиты минераловатные (48)	2,31	1,64	0,27
4	Кладка из кирпича глиняного  обыкновенного (206)	0,15	1,50	1,09
-	Наружный пограничный слой	1/23 = 0,04	-	-
	Итого (S)	2,94	6,50	3,85

 

• Требуемая толщина слоя теплоизоляции определяется из условия

,

где d_i и l_i  – толщины и коэффициенты теплопроводности слоёв;

r – коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции, учитывающий наличие теплопроводных включений; в зависимости от конструктивного решения r = 0,65…0,95. Принимаем r = 0,95, тогда R_req/r = 2,68/0,95 = 2,82 м²×°С/Вт и требуемая толщина утеплителя

= 0,065×(2,82 – 0,11 – 0,02 – 0,31 – 0,15 – 0,04) = 0,142 м.

• Принимаем толщину утеплителя d₃ = 0,15 м = 150 мм (кратно 30 мм), и добавляем в табл. 2.1.

Выводы:

• По сопротивлению теплопередаче конструкция соответствует нормам, так как приведённое сопротивление теплопередаче R₀r  выше требуемого значения R_req:

R₀r = 2,94×0,95 = 2,80 > R_req = 2,68   м²×°С/Вт.

2.2. Определение значений температур и давления насыщенного пара по толщине конструкции

• При стационарном режиме теплопередачи  график распределения температур по толщине конструкции, вычерченной  в масштабе термических сопротивлений, является прямой линией (рис. 2.2,а). Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтали выражает величину плотности теплового потока q через конструкцию.
• Температура в рассматриваемом сечении (например, на границе слоёв) определяется из условия равенства теплового потока в сечениях:

,

где R_i – термические сопротивления слоёв, расположенных между рассматриваемым сечением и внутренней поверхностью конструкции.

• Определяем значения температур на поверхности конструкции, на границах слоёв и дополнительно в трёх сечениях по толщине утеплителя для четырёх периодов года (осеннего, зимнего, весеннего и летнего); полученные данные вносим в табл. 2.3. Например, для зимнего периода:

• Графики распределения температур по толщине конструкции показаны на рис. 2.2,б.
• По найденным значениям температур в рассматриваемых сечениях t_i определяем давления насыщенного водяного пара Е_i, используя приведённые в п. 1.2 эмпирические формулы. Вычисленные значения вносим в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Распределение температуры и максимальной упругости водяного пара по сечению конструкции

Обозначения		ti, °С по периодам года				Ei, Па по периодам года
		осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
tint		20	20	20	20	2337	2337	2337	2337
tint	Еint	19,3	18,9	19,2	19,8	2233	2179	2227	2307
t1	Е1	19,1	18,7	19,1	19,7	2214	2151	2207	2301
t2	Е2	17,2	15,6	17,0	19,2	1957	1776	1936	2222
t3	Е3	13,5	10,0	13,1	18,1	1545	1226	1506	2080
t4	Е4	9,8	4,3	9,2	17,1	1212	832	1162	1946
t5	Е5	6,1	-1,4	5,3	16,0	943	547	889	1820
t6	Е6	2,4	-7,0	1,3	15,0	728	338	674	1700
text	Еext	1,5	-8,5	0,3	14,7	680	297	626	1671
text		1,2	-8,9	0,05	14,6	666	286	613	1662

2.3. Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции

• Как и в стационарном процессе теплопередачи, при стационарном режиме диффузии водяного пара график распределения упругости водяного пара по толщине конструкции, вычерченной в масштабе сопротивлений паропроницанию, при отсутствии конденсации является прямой линией (пунктир на рис. 2.3,а). Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтали выражает величину плотности диффузионного потока водяного пара р через конструкцию.
• Упругость водяного пара в рассматриваемом сечении (например, на границе слоёв) определяется из условия равенства диффузионного потока в сечениях:

,

где R_vp,i – сопротивления паропроницанию слоёв, расположенных между рассматриваемым сечением и внутренней поверхностью конструкции.

• В отличие от процесса теплопередачи, сопротивления паропроницанию пограничных слоёв (наружного и внутреннего) конструкции малы и в расчёте не учитываются.
• Определяем значения упругости водяного пара на границах слоёв и в трёх сечениях по толщине утеплителя для четырёх периодов года (осеннего, зимнего, весеннего и летнего); полученные данные вносим в табл. 2.4. Например, для зимнего периода:

• График распределения  упругости водяного пара по толщине конструкции (в предположении отсутствия конденсации) для зимнего периода показан на рис. 2.3,а.
• Найденные значения упругости водяного пара e_i в рассматриваемых сечениях сравниваем с давлением насыщенного водяного пара Е_i (табл. 2.4); если для какого-либо сечения получается E_i £ е_i, то в данном сечении происходит конденсация влаги. В этом случае график распределения упругости водяного пара по толщине конструкции (см. рис. 2.3,а), вычерченной в масштабе сопротивлений паропроницанию, состоит из трёх участков. Два линейных участка образованы касательными, проведёнными из точек e_int и e_ext к графику Е, средний участок – нелинейный. Область между точками касания – зона конденсации. При совпадении точек касания получается плоскость конденсации. Тангенс угла наклона касательных к горизонтали выражает количество (плотность потока) проходящего водяного пара; касательные выражают равенство количеств пара, притекающего к границе зоны конденсации, и отдаваемого ей.

Таблица 2.4

Оценка  возможности конденсации влаги  внутри конструкции

Обозначение упругости в.п.	еi, Па по периодам года				Ei – еi, Па по периодам года
	осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
еint	1286	1286	1286	1286	947	893	941	1021
е1	1245	1226	1240	1282	970	925	967	1020
е2	824	612	771	1238	1133	1164	1164	984
е3	811	594	758	1237	734	633	748	843
е4	799	576	744	1236	413	256	418	710
е5	787	558	730	1234	156	-11	159	585
е6	774	539	716	1233	-46	-202	-43	467
еext	572	245	491	1212	108	53	135	459

 

Выводы

• Расчёт показывает, что конденсация влаги возможна в осенний, зимний и весенний период.
• Плоскость конденсации находится на наружной грани утеплителя.
• Зона конденсации расположена во внешней части утеплителя и в облицовочном слое кирпича.
• В зимний период температуры t₅ и t₆ < 0, поэтому там будет образовываться слой наледи.

2.4. Расчёт влажностного режима конструкции по годовому балансу влаги

• Для каждого периода года определяем количество влаги, подходящей к зоне конденсации, а также уходящей от неё по формулам:

,        

где R_vp,int – суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от внутренней поверхности до начала зоны конденсации;

R_vp,ext – суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от конца зоны конденсации до наружной поверхности;

z – продолжительность периода в месяцах (из табл. 1.2);

множитель 722 – среднее количество часов в месяце; множитель 1000 – обеспечивает перевод из мг в г;

значения Е_к' и Е_к'' определяются по графикам; в случае плоскости конденсации Е_к' = Е_к'' = Е_к.

• Для упрощения будем считать (в запас), что конденсация происходит только в плоскости конденсации, то есть на наружной грани утеплителя.
• Определяем сопротивления паропроницанию для случая расположения плоскости конденсации на наружной поверхности утеплителя:

R_vp,int = R_vp,1 + R_vp,2 + R_vp,3 = 0,22 + 2,27 + 0,27 = 2,76 м²×ч×Па/мг,

R_vp,ext = R_vp,4 = 1,09  м²×ч×Па/мг

В осенний период:  Е_k,1 = Е₆ =728 Па.

• Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

• Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

• Вывод: в осенний период в стену попадает в 1,4 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 292/206 = 1,42).
• Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

.

В зимний период: Е_k,2 = Е₆ =338 Па.

• Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

• Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

• Вывод: в зимний период в стену попадает в 4 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 744/184 = 4,03).
• Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

.

В весенний период:  Е_k,3 = Е₆ = 674 Па.

• Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

• Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

• Вывод: в весенний период в стену попадает в 1,3 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 320/241 = 1,33).
• Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

• Общее количество конденсата в стене

P_w = P_w1 + P_w2 + P_w3 = 86 + 559 + 79 = 724  г/м².

Проверка условия  непревышения допустимой массовой влажности материала

• Допустимое количество влаги, которое может поглотить 1м² теплоизоляционного слоя:

,

где Dw_av – предельно допустимое приращение расчётного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя (утеплителя) за период влагонакопления; для минераловатных плит Dw_av = 3% (по табл. 12 СНиП [2]);

r – плотность теплоизоляционного слоя; r = 100 кг/м³ (из табл. 2.1);

d –  толщина теплоизоляционного слоя; d = 0,15 м.

Вывод:

• Общее количество конденсата в стене превышает допустимый предел его увлажнения: P_w = 724 г/м² > DP = 450 г/м², то есть условие ограничения накопления влаги не выполняется. Необходимо предусмотреть дополнительный слой пароизоляции.

Проверка условия  недопустимости накопления влаги в  конструкции за годовой период эксплуатации

• Зона (плоскость) конденсации влаги, образовавшаяся в период влагонакопления, переносится на график, соответствующий периоду без конденсации влаги в ограждении (рис. 2.3,б). В этот период происходит испарение накопившейся влаги. Стрелками показываем направление движения влаги (к зоне или от зоны конденсации – в сторону уменьшения парциального давления водяного пара).
• В запас будем считать, что конденсация происходила только в плоскости конденсации. Максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации в летний период: Е_k,3 = Е₆ = 1700 Па.
• Движение водяного пара при высыхании будет идти в направлении уменьшения парциального давления водяного пара: