OPTIMIZATION OF THE HEAT AND HUMIDITY MODE OF MULTI-LAYER BUILDING ENCLOSING STRUCTURES

Full Text

Согласно нормативным требованиям, представленным в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», строительные ограждающие конструкции должны обладать сопротивлением теплопередаче, обеспечивающим выполнение санитарно-гигиенических требований и условия энергосбережения. В практике современного строительства широкое применение нашли многослойные ограждающие конструкции с использованием в качестве утеплителей высокоэффективных полимерных материалов. Ю. С. Вытчиков, М. Е. Сапарёв, Д. Д. Конякина 37 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Исследованию влажностного режима многослойных ограждающих конструкций посвящены работы [1-5], базирующиеся в основном на использовании потенциала влажности. В работах [6, 7] представлены результаты экспериментальных исследований влагопереноса в материалах ограждающих конструкций зданий. При выборе конструктивных решений ограждающих конструкций необходимо обращать особое внимание на паропроницаемость наружного слоя. С точки зрения обеспечения благоприятного влажностного режима ограждений менее плотные паропроницаемые слои следует располагать согласно [8] с наружной стороны. При этом наружный слой должен обеспечивать надежную защиту конструкций от увлажнения при выпадении осадков в виде дождя или мокрого снега. Получим аналитическое решение для определения требуемого сопротивления паропроницанию наружного слоя многослойной ограждающей конструкции исходя из условия отсутствия в ней конденсации водяного пара. Схематизация процесса теплопередачи в утепленной наружной стене представлена на рисунке. Условие отсутствия конденсации водяного пара в наружной стене запишем в виде неравенства (1) где e3 значение упругости водяного пара на наружной поверхности утеплителя, Па; E3 - значение упругости насыщенного водяного пара, определяемое согласно [9] по формуле (2) Для нахождения величины e3 используем согласно [10] выражение (3) где eв - значение упругости водяного пара для внутреннего воздуха в помещении, Па; eн - значение упругости водяного пара для наружного воздуха, Па; Ri = δi/μi - сопротивление паропроницанию i-го слоя; μi - коэффициент паропроницаемости i-го слоя, мг/(м·ч·Па); δi - толщина i-го слоя, м. Подставим выражение (2) и (3) в неравенство (1). Тогда получим (4) где Температуру на наружной поверхности утеплителя определим по формуле (5) где - сопротивление теплопередаче глади наружной стены, (м2·°C)/Вт; αн - значение коэффициента теплоотдачи со стороны наружной поверхности стены, Вт/(м2·°C). После преобразований получим выражение для определения максимально допустимого сопротивления паропроницанию наружного слоя Рис. 1. Схематизация процесса теплопередачи в утепленной наружной стене: 1 - внутренняя штукатурка; 2 - несущий слой наружной стены; 3 - утеплитель; 4 - наружный слой стены (6) где tнотр, eнотр - средняя температура и парциальное давление наружного воздуха за период месяцев с отрицательными температурами. Для исключения процесса конденсации водяного пара в рассматриваемой наружной стене должно выполняться неравенство (7) Если условие не выполняется, следует определить координату плоскости возможной конденсации в утеплителе согласно [9] по формуле Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 38 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ (8) Для проверки возможности накопления влаги в наружной стене как за годовой период эксплуатации здания, так и за период месяцев с отрицательными температурами, следует использовать методику, подробно изложенную в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». По изложенной выше методике выполним расчет влажностного режима для двух вариантов исполнения утепленных наружных стен. Вариант исполнения 1 представляет собой утепленную наружную стену с применением тонкостенной штукатурки. Состав конструкции приведен в табл. 1. При выполнении расчета влажностного режима наружной стены, представленной на рисунке (исполнение 1), были приняты следующие исходные данные: 1) Район строительства - г. Самара 2) Температура наиболее холодной пятидневки tн5 = -30 °С 3) Средняя температура за отопительный период tо.п. = -4,7 °С 4) Продолжительность отопительного периода Zо.п. = 197 сут 5) Температура воздуха внутри здания tв = 20 °С 6) Относительная влажность воздуха внутри здания φв = 55 % Проверка на возможность выпадения конденсата в утеплителе производилась в следующей последовательности: 1. Сопротивление теплопередаче глади наружной стены определялось по формуле Таблица 1 Теплофизические характеристики материалов наружной стены (исполнение 1). Район строительства - г. Самара № п/п Материал Толщина слоя δi, м Теплофизические характеристики материала слоя Плотность ρi, кг/м3 Коэффициент теплопроводности λi, Вт/(м·°С) Коэффициент паропроницаемости μi, мг/(м·ч·Па) 1 Цементно-песчаный раствор 0,02 1800 0,76 0,09 2 Силикатный кирпич 0,51 1800 0,76 0,11 3 Базальтовая минвата 0,10 120 0,042 0,32 4 Фактурный слой фасадной системы 0,005 1800 0,70 0,05 2. Сопротивление паропроницанию глади наружной стены рассчитывалось по формуле 3. Парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха в помещении вычислялось с использованием зависимости 4. Среднее парциальное давление водяного пара в наружном воздухе за период месяцев с отрицательными температурами для г. Самары согласно СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» составило eнотр = 310 Па. Ю. С. Вытчиков, М. Е. Сапарёв, Д. Д. Конякина 39 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 5. По формуле (6) находим значение максимально допустимого сопротивления паропроницанию наружного слоя: 6. Сравнение величин и показало, что сопротивление паропроницанию фактурного слоя фасадной системы оказалось меньше максимально допустимого значения (0,1 < 0,264 м2·ч·Па/мг). Следовательно, выпадение конденсата в рассматриваемой наружной стене маловероятно. Избыточное влагонакопление в слоистых кладках часто приводит к образованию темных сырых пятен и плесневых грибов на внутренних поверхностях наружных стен, а также к разрушению облицовочного слоя. Поэтому актуальной задачей является рациональный выбор материала утеплителя, обеспечивающего не только высокое значение термического сопротивления, но и значительное сопротивление паропроницанию. По изложенной выше методике был выполнен расчет тепловлажностного режима наружной стены, выполненный в виде слоистой кладки (исполнение 2 и 3). Состав конструкции приведен в табл. 2. Результаты теплофизического расчета наружных стен, выполненных с применением слоистых кладок приведены в табл. 3. Анализируя данные, представленные в табл. 3, можно сделать вывод о том, что конденсация водяного пара возможна в слоистых кладках исполнения 2 и 3. Для проверки возможности накопления влаги в наружных стенах как за годовой период эксплуатации здания, так и за период месяцев с отрицательными температурами определим координату плоскости возможной конденсации по формуле (8). Наружная стена (исполнение 2): Таблица 2 Теплофизические характеристики материалов наружной стены (исполнение 2, 3) № п/п Материал Толщина слоя δi, м Теплофизические характеристики материала слоя Плотность ρi, кг/м3 Коэффициент теплопроводности λi, Вт/(м·°С) Коэффициент паропроницаемости μi, мг/(м·ч·Па) 1 Цементно-песчаный раствор 0,02 1800 0,76 0,09 2 Кладка из силикатного кирпича 0,38 1800 0,76 0,11 3 Базальтовая минвата (исполнение 2) 0,10 120 0,042 0,32 Пенополистирол (исполнение 3) 0,10 25 0,038 0,05 4 Кладка из керамического кирпича 0,12 1800 0,70 0,11 Таблица 3 Результаты теплофизического расчета слоистых кладок № исполнения стены , (м2·°C)/Вт , м2·ч·Па/мг , м2·ч·Па/мг , м2·ч·Па/мг 2 3,24 5,08 1,09 0,417 3 3,49 6,76 1,09 1,08 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 40 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Плоскость возможной конденсации совпадает с наружной поверхностью базальтовой минваты, т. е. x3 = δ3 = 0,1 м. Наружная стена (исполнение 3): Плоскость возможной конденсации совпадает с наружной поверхностью пенополистирольных плит. Проверка на накопление влаги в стене при эксплуатации здания, выполненная по известной методике, приведенной в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», показала на отсутствие накопления влаги за годовой период эксплуатации здания, а накопление влаги в холодный период не выходит за пределы сорбционного увлажнения. Выводы. 1. Получена аналитическая зависимость для определения максимально допустимого сопротивления паропроницанию наружного слоя многослойной ограждающей конструкции. Применение данной аналитической зависимости может быть рекомендовано в инженерных расчетах влажностного режима наружных ограждений. 2. Представлены результаты расчета по предложенной методике тепловлажностного режима утепленной наружной стены с применением в качестве фактурного слоя многослойной штукатурки и слоистой кладки.

About the authors

Yuri S. VYTCHIKOV

Samara State Technical University

Mikhail E. SAPAREV

Samara State Technical University

Dar’ya D. KONYaKINA

Samara State Technical University

References

Supplementary files