Humidity regime of building envelope structures of the drying compartment tula brewery

Full Text

Согласно [1] полученный при проращивании семян солод используется при приготовлении пива, имеет высокую влажность (42 – 45 %) и не годится для хранения. Для получения качественного продукта свежий солод сушат до достижения влажности, равной 2-3 %. В процессе сушки происходит значительное повышение температуры воздуха до 100 °С.

Из изложенного выше следует, что в верхней зоне сушильного отделения образуется агрессивная по отношению к ограждающим конструкциям смесь горячего воздуха и водяного пара. Влияние диффузии влаги через ограждающие конструкции на их долговечность описано в работах [2, 3]. Стоит отметить отличие влажностного режима ограждающих конструкций сушильного отделения пивоваренного завода от влажностного режима ограждающих конструкций жилых и общественных зданий и сооружений, описанного в работах [4–6]. Методам расчёта влажностного режима ограждающих конструкций посвящены работы [7–9].

Заказчиком данного исследования являлось ООО «Импульс» г. Самары. Для анализа влажностного режима строительных ограждающих конструкций сушильного отделения Тульского пивзавода им были представлены фотоснимки поврежденных участков наружных и внутренних стен, а также чердачного перекрытия, входящих в состав здания замачивания, проращивания и солодосушилки.

Для решения поставленных задач выполнены теплофизические расчеты строительных конструкций сушильного отделения.

Исполненные сотрудниками ЦЭС СамГТУ теплофизические расчеты включали в себя теплотехнический расчет наружных и внутренних стен, покрытий, а также оценку их влагонакопления в процессе эксплуатации здания.

План-схема здания сушильного отделения на отметке 0.000 представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. План-схема здания на отм. 0.000

Fig. 1. Plan diagram of the building at elev. 0.000

 

Теплотехнический расчет наружной стены сушильного отделения выполнялся по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита здания» и авторскому аналитическому методу определения положения плоскости возможной конденсации, изложенному в работе [9].

На рис. 2 представлен фотоснимок элементов подвесного чердачного перекрытия, на рис. 3 – стропильных конструкций покрытия над помещением сушильной камеры, на рис. 4 – сквозной коррозии профилированного настила перекрытия над помещением сушильной камеры.

 

Рис. 2. Коррозия несущих элементов подвесного чердачного перекрытия над помещением сушильной камеры на участках их сопряжения между собой при помощи сварных швов

Fig. 2. Corrosion of bearing elements of the suspended attic floor by placing the drying chamber in the areas of their interfacing with each other by means of welds

 

Рис. 3. Поверхностная коррозия элементов стропильных конструкций покрытия

Fig. 3. Surface corrosion of elements of roof rafters

 

Рис. 4. Сквозная коррозия локальными участками профилированного настила покрытия над помещением сушильной камеры

Fig. 4. Through corrosion with local sections of the profiled coating flooring above the drying chamber

 

Сухие следы увлажнения поверхностей стен помещения встроенной лестницы показаны на рис. 5, следы процесса выщелачивания с разрушением защитного слоя балок плиты покрытия – на рис. 6.

 

Рис. 5. Сухие следы увлажнения поверхностей стен помещения встроенной лестницы вследствие нарушения его температурно-влажностного режима в холодный период года

Fig. 5. Dry traces of humidification of the walls of the built-in staircase due to violation of its temperature and humidity regime during the cold season

 

Рис. 6. Следы процесса выщелачивания с разрушением защитного слоя и оголением поперечного армирования по нижней грани балок плиты покрытия на втором этаже в зоне сопряжения блоков здания (температурный деформационный шов)

Fig. 6. Traces of the leaching process with destruction of the protective layer and exposure of transverse reinforcement along the lower edge of the beams of the coating plate on the second floor in the interface area of the building blocks (temperature deformation joint)

 

Перед сотрудниками Центра энергосбережения в строительстве была поставлена задача в разработке технических решений по паро- и гидроизоляции наружных стен, чердачного перекрытия и покрытия сушильного отделения, а также блока производственных помещений.

Согласно исходным данным, представленным заказчиком, температура воздуха t_в в сушильном отделении принималась равной 98 °С на отметке 0.000 и 85 °С – на отметке 5.250, относительная влажность – 98 % на указанных выше отметках.

Нормируемая плотность теплового потока q_н принималась равной 41 Вт/м² на отметке 0.000 и 36,8 Вт/м² согласно СП 50.13330.2012.

Значения среднемесячной температуры и парциального давления водяного пара в наружном воздухе определялись для г. Тулы по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология» и [10].

Расчетная схема наружной стены сушильного отделения представлена на рис. 7, ее состав – в таблице.

 

Рис. 7. Расчетная схема наружной стены сушильного отделения

Fig. 7. Design diagram of the outside wall of the drying compartment

 

 

Состав конструкции стены сушильного отделения

Composition of the drying compartment wall structure

Материал	Толщина δi, м	Плотность ρi, кг/м3	Расчетные коэффициенты в условиях эксплуатации Б
			ωi, %	λi, Вт/м·°С	μi, мг/м∙ч∙Па
Монолитный железобетон	0,5	2500	3	2,04	0,03
Базальтовая минвата типа Rockwool “Лайт-БАТТС”	0,1	100	5	0,05	0,32
Полиэтиленовая пленка	0,0002	50	0	0,2	0,000022
Вентилируемая воздушная прослойка	0,043 0,110
Облицовка из профилированного стального листа	0,0007	7800		50	0

 

Теплотехнический расчет наружной стены выполнялся в следующей последовательности:

1. Определялось сопротивление теплопередаче наружной стены сушильного отделения согласно СП 50.13330.2012 по формуле

$R_0=\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\sum _{i=1}^3\frac{{\delta }_i}{{\lambda }_i}+\frac{1}{{\alpha }_{н}}$, м²°С/Вт. (1)

$R_0^{}=\frac{1}{11}+\frac{\mathrm{0,5}}{\mathrm{2,04}}+\frac{\mathrm{0,1}}{\mathrm{0,05}}+\frac{\mathrm{0,0002}}{\mathrm{0,2}}+\frac{1}{12}=\mathrm{2,42}$ м^2·°С/Вт. 

2. Рассчитывалась величина удельного теплового потока, проходящего через наружную стену:

а) на отметке 0.000

$q_1=\frac{t_{{в}_1}-t_{н}}{R_0^{}}=\frac{98-\mathrm{5,6}}{\mathrm{2,42}}=\mathrm{38,2}$ Вт/м²;

б) на отметке 5.250

$q_1=\frac{t_{{в}_2}-t_{н}}{R_0^{}}=\frac{85-\mathrm{5,6}}{\mathrm{2,42}}=\mathrm{32,8}$ Вт/м².

Расчет показал на соответствие наружной стены отделения сушки солода нормативным требованиям по теплозащите:

а) на отметке 0.000

^{$q_1<q^{год}$};  Вт/м²;

б) на отметке 5.250

$q_2<q^{год}$; 36,2 < 36,8 Вт/м².

Расчет влажностного режима наружной стены сушильного отделения выполнялся с целью проверки возможности накопления влаги в ней как за годовой период эксплуатации здания, так и за период месяцев с отрицательными температурами. Для достижения поставленной цели необходимо согласно СП 50.13330.2012 определить положение плоскости возможной конденсации, т. е. наиболее опасное сечение в стене с точки зрения процесса влагонакопления.

Для нахождения положения плоскости возможной конденсации разработчиками указанного выше свода правил предлагается решить трансцендентное уравнение относительно температуры ограждающей конструкции с помощью введения вспомогательной функции, значения которой представлены в табличной форме.

Авторами данной статьи было получено в работе [9] аналитическое решение задачи по определению положения плоскости возможной конденсации в виде следующей формулы:

$x_i={\lambda }_i\left\{\frac{\left[t_{в}-\mathrm{55,9}\left(\frac{{е}_{в}-{е}_{н.отр}}{t_{в}-t_{н.отр}}·\frac{R_0^{усл}}{R_{По}}·\frac{{\lambda }_i}{{\mu }_i}\right)+100\right]R_0^{усл}}{t_{в}-t_{н.отр}}-\frac{1}{{\alpha }_{в}}-\underset{i=1}{\overset{i-1}{}}{R}_i\right\},$ (2)

где ${\lambda }_i-$ коэффициент теплопроводности i-го слоя, Вт/м^·°С; µ_i – коэффициент паропроницаемости i-го слоя, мг/м∙ч∙Па; е_в – парциальное давление внутреннего воздуха, Па; ${е}_{н.отр},$ $t_{нотр}-$ среднее парциальное давление, Па, температура, °С наружного воздуха за период месяцев с отрицательными температурами соответственно $R_i=\frac{{\delta }_i}{{\lambda }_i}-$ термическое сопротивление i-го слоя, м^2·°С/Вт.

Если величина x_i ≥ δ_i, то за плоскость возможной конденсации принимается наружная поверхность i-го слоя.

После определения координаты плоскости возможной конденсации по формуле (2) выполнялся расчет влагонакопления по стандартной методике, изложенной в СП 50.13330.2012.

Расчет влажностного режима наружной стены отделения сушки солода производился в следующей последовательности:

1. Определялось сопротивление паропроницанию наружной стены согласно СП 50.13330.2012:

$R_{n_0}=\sum _{i=1}^3\frac{{\delta }_i}{{\mu }_i}$, м²·ч·Па/мг;  (3)

$R_{n_0}=\frac{{\delta }_1}{{\mu }_1}+\frac{{\delta }_2}{{\mu }_2}+\frac{{\delta }_3}{{\mu }_3}=\frac{\mathrm{0,5}}{\mathrm{0,03}}+\frac{\mathrm{0,1}}{\mathrm{0,32}}+\frac{\mathrm{0,0002}}{\mathrm{0,000022}}=\mathrm{26,1}$ м²·ч·Па/мг. 

2. Значение упругости влажного воздуха в сушильном отделении рассчитывалось по формуле

$e_{в}=E_{в}\frac{{\phi }_{в}}{100}$, Па,  (4) 

где E_в – парциальное давление насыщенного водяного пара, Па, определяемое согласно [3]:

$E_{в}=\mathrm{288,58}{\left(\mathrm{1,098}+\frac{t_{в}}{100}\right)}^{\mathrm{8,02}}=\mathrm{288,58}{\left(\mathrm{1,098}+\frac{98}{100}\right)}^{\mathrm{8,02}}=101808\text{ Па=1,02 бар;}$

$e_{в}=101808\frac{98}{100}=99772\text{ Па.}$

3. Рассчитывалось значение температуры на наружной поверхности каждого слоя:

${\tau }_i=t_{в}-\frac{t_{в}-t_{н.отр}}{R_0}\left(\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\sum _{i=1}^i{R}_i\right)$,

где $t_{н.отр}$ – средняя температура наружного воздуха для Тулы:

$t_{н.отр}=\frac{t_{{н}_{\text{I}}}+t_{{н}_{\text{II}}}+t_{{н}_{\text{III}}}+t_{{н}_{\text{XI}}}+t_{{н}_{\text{XII}}}}{5}=\frac{-\mathrm{8,0}-\mathrm{7,5}-\mathrm{2,1}-\mathrm{1,0}-\mathrm{5,6}}{5}=-\mathrm{4,84}$°С.

${\tau }_{в}=t_{в}-\frac{t_{в}-t_{н.отр}}{R_0}\cdot \frac{1}{{\alpha }_{в}}=98-\frac{98+\mathrm{4,84}}{\mathrm{2,42}}\cdot \frac{1}{11}=\mathrm{94,1}$°С;

${\tau }_1=t_{в}-\frac{t_{в}-t_{н.отр}}{R_0}\left(\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\frac{{\delta }_1}{{\lambda }_1}\right)=98-\frac{98+\mathrm{4,84}}{\mathrm{2,42}}\left(\frac{1}{11}+\frac{\mathrm{0,5}}{\mathrm{2,04}}\right)=\mathrm{83,5}$°С;

${\tau }_2=t_{в}-\frac{t_{в}-t_{н.отр}}{R_0}\left(\frac{1}{{\alpha }_{в}}+\frac{{\delta }_1}{{\lambda }_1}+\frac{{\delta }_2}{{\lambda }_2}\right)=98-\frac{98+\mathrm{4,84}}{\mathrm{2,42}}\left(\frac{1}{11}+\frac{\mathrm{0,5}}{\mathrm{2,04}}+\frac{\mathrm{0,1}}{\mathrm{0,05}}\right)=-\mathrm{2,92}$°С;

${\tau }_3=-\mathrm{2,92}$°С.

4. Определялись значения парциального давления водяного пара на стыках слоев наружной стены:

$e_i=e_{в}-\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр}}{R_{{п}_{о}}}\right)\cdot \underset{i=1}{\overset{i}{}}{R}_{n_i},Па;$

е_в=99772 Па;

$e_1=e_{в}-\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр}}{R_{{п}_{о}}}\right)R_{n_1}=99772-\frac{99772-394}{\mathrm{26,1}}\mathrm{16,7}=36919$Па;

$e_2=e_{в}-\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр}}{R_{{п}_{о}}}\right)\left(R_{n_1}+R_{n_2}\right)=99772-\frac{99772-394}{\mathrm{26,1}}\left(\mathrm{16,7}+\mathrm{0,31}\right)=35707$Па;

$e_3=e_{в}-\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр}}{R_{{п}_{о}}}\right)\left(R_{n_1}+R_{n_2}+R_{n_3}\right)=99772-\frac{99772-394}{\mathrm{26,1}}\left(\mathrm{16,7}+\mathrm{0,31}+\mathrm{9,69}\right)=394$Па.

5. Далее по значениям температур на стыках слоев определялись значения парциального давления насыщенного водяного пара по формулам, приведенным в работе [3]:

$E_i=288{\left(\mathrm{1,098}+\frac{t_i}{100}\right)}^{\mathrm{8,02}};{\tau }_i\ge 0$;

$E_i=\mathrm{4,688}{\left(\mathrm{1,486}+\frac{t_i}{100}\right)}^{\mathrm{12,3}};{\tau }_i\le 0$; 

$E_{в}=288{\left(\mathrm{1,098}+\frac{\mathrm{94,1}}{100}\right)}^{\mathrm{8,02}}=87281$Па;

$E_1=288{\left(\mathrm{1,098}+\frac{\mathrm{83,5}}{100}\right)}^{\mathrm{8,02}}=56882$Па;

$E_2=\mathrm{4,688}{\left(\mathrm{1,486}-\frac{\mathrm{2,92}}{100}\right)}^{\mathrm{12,3}}=480$Па;

$E_2=E_3=480$Па.

6. Осуществлялась проверка на возможность выпадения конденсата в наружной стене:

e_в > E_в; 99772 > 87281 Па;

e₁ < E₁; 36919 < 56882 Па;

e₂ > E₂; 35707 > 480 Па;

e₃ < E₃; 394 < 480 Па.

Расчет показал на наличие конденсации водяного пара на внутренней поверхности наружной стены и в слое базальтовой минваты.

7. Положение плоскости возможной конденсации определялось по формуле (2) согласно [2]:

$x_2={\lambda }_2\cdot \left\{\frac{\left[t_{в}-\mathrm{55,9}{\left(\frac{e_{в}-e_{н.отр}}{t_{в}-t_{н.отр}}\cdot \frac{R_0^{}}{R_{{п}_{о}}^{}}\cdot \frac{{\lambda }_2}{{\mu }_2}\right)}^{\mathrm{0,1515}}+100\right]\cdot R_0^{}}{t_{в}-t_{н.отр}}-\frac{1}{{\alpha }_{в}}-R_1\right\}$м;

$x_2=\mathrm{0,05}\left\{\frac{\left[98-\mathrm{55,9}{\left(\frac{99772-394}{98+\mathrm{4,84}}\cdot \frac{\mathrm{2,42}}{\mathrm{26,1}}\cdot \frac{\mathrm{0,05}}{\mathrm{0,32}}\right)}^{\mathrm{0,1515}}+100\right]\cdot \mathrm{2,42}}{98+\mathrm{4,84}}-\frac{1}{11}-\frac{\mathrm{0,5}}{\mathrm{2,04}}\right\}=\mathrm{0,117}$м.

0,117 м > δ₂ = 0,1м.

Следовательно, плоскость возможной конденсации совпадает с наружной поверхностью базальтовой минваты.

Проверка на возможность накопления влаги за годовой период эксплуатации здания, выполненная по методике, изложенной в СП 50.13330.2012, показала на чрезмерное увлажнение базальтовой минваты.

Применение полиэтиленовой пленки в качестве ветрозащиты, обладающей значительным сопротивлением диффузии водяных паров, привело к накоплению влаги в наружной стене.

По изложенной выше методике сотрудниками центра «Энергосбережение в строительстве» СамГТУ были выполнены также расчеты наружных стен пункта сбора конденсата и помещения вентустановок, внутренних стен электрощитовой, чердачного перекрытия и покрытия над технологическим помещением, а также покрытия над помещениями вентустановок.

На основе выполненного теплофизического расчета строительных конструкций сушильного отделения и примыкающего к нему блока производственных помещений, входящих в состав здания замачивания, проращивания и солодосушилки, можно заключить следующее:

▪ уровень теплозащиты наружных стен сушильного отделения, пункта сбора конденсата и помещения вентустановок соответствует нормативным требованиям;

▪ накопление влаги, как показали результаты расчета влажностного режима наружных стен, возможно во всех указанных выше помещениях. Оно связано с тем, что в качестве ветрозащиты применена полиэтиленовая пленка ПВХ толщиной 0,2 мм, обладающая значительным сопротивлением паропроницанию. Для устранения накопления влаги следовало применить пароизоляционную пленку типа «Изоспан-А», обладающую низким сопротивлением паропроницанию. В качестве утеплителя следует применить плиты из базальтового волокна марки «Венти-Батс» или аналоги;

▪ уровень теплозащиты внутренней стены пункта сбора конденсата, примыкающей к помещению вентустановок, а также электрощитовой, примыкающей к верхнему помещению сушки солода, не соответствует нормативным требованиям по величине удельного теплового потока. Необходимо увеличить толщину теплоизоляционного материала;

▪ расчет влажностного режима внутренней стены пункта сбора конденсата, примыкающей к помещению вентустановок, показал на возможное в ней накопление влаги из-за установленной пароизоляции со стороны наружной поверхности утеплителя и облицовки листовым алюминием без воздушной прослойки;

▪ расчет влажностного режима внутренней стены электрощитовой, примыкающей к верхнему помещению сушилки солода, показал на наличие конденсата на внутренней поверхности железобетона. Необходимо выполнить мероприятия по гидроизоляции конструкций стены из монолитного железобетона;

▪ отсутствие пароизоляции со стороны внутренней поверхности утеплителя в чердачном перекрытии над технологическими помещениями, а также ветрозащиты со стороны чердака может привести к обильному замачиванию базальтовой минваты.

Для устранения выпадения конденсата на ограждающих строительных конструкциях чердачного помещения необходимо организовать естественную приточно-вытяжную вентиляцию.

В конструкции покрытия над помещениями вентустановок, как показали результаты расчета влажностного режима, возможно накопление влаги за годовой период эксплуатации здания. Для нейтрализации данного дефекта необходимо применить более эффективный пароизоляционный материал.

Наружная стена электрощитовой, выполненная из монолитного железобетона толщиной 250 мм, не утеплена, что противоречит нормативным требованиям по теплозащите производственных зданий и может привести к обильному выпадению конденсата на ее внутренней поверхности.

Выводы.

1. В конструкции наружных стен, внутренних перегородок, покрытий и перекрытий выявлено накопление влаги, в результате чего происходит замачивание утеплителя, разрушение монолитного железобетона и коррозирование стальных несущих конструкций.

2. Представлены рекомендации конструктивных решений наружных и внутренних стен, покрытий и перекрытий, защищённых от увлажнения с помощью пароизоляционных и гидроизоляционных материалов, позволяющих повысить уровень теплозащиты здания, а также защитить конструкции от переувлажнения.

3. Рекомендуется стены из монолитного железобетона, а также стальные конструкции со стороны агрессивной среды с высокой температурой и влажностью воздуха обработать термостойким гидроизоляционным покрытием марки Master Protect 1825.

4. Для борьбы с тепло- и влагоизбытком в электрощитовых и чердачных помещениях рекомендуется организовать приточно-вытяжную вентиляцию.

5. После устранения выявленных дефектов и организации приточно-вытяжной вентиляции в помещениях необходимо постоянно вести контроль за состоянием строительных конструкций.

About the authors

Yuri S. Vytchikov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: git.2008@mail.ru

PhD in Engineering Sciences, Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244, 443100

Mikhail E. Saparev

Samara State Technical University

Email: msx072007@yandex.ru

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor of the Heat and Gas Supply and Ventilation Chair

Russian Federation, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244, 443100

Aleksandr A. Chulkov

Samara State Technical University

Email: ch_aleks01@mail.ru

Engineer of the Center Energy Saving in Construction

Russian Federation, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244, 443100

Dar’ya D. Konyakina

Samara State Technical University

Email: d.konyakina@yandex.ru

Postgraduate student of the Heat and Gas supply and ventilation Chair

Russian Federation, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244, 443100

References

Supplementary files