Влажностное состояние ограждающих конструкций с учетом переменного значения паропроницаемости материалов

УДК 692.232

В.Н. КУПРИЯНОВ, д-р техн. наук, член-корр. РААСН

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Влажностное состояние ограждающих конструкций с учетом переменного значения паропроницаемости материалов

Теплофизические качества и долговечность ограждающих конструкций взаимосвязаны с их температурно-влажностным режимом эксплуатации и влажностью используемых материалов. Парообразная влага, проходящая через ограждение, может увлажнять ее материальные слои за счет процессов сорбции и конденсации. Инженерные методы для расчета влажностного состояния ограждения используют постоянный коэффициент паропроницаемости, однако многочисленные исследования показали его существенную зависимость от влажности материалов. Принимая во внимание, что в сечении ограждающей конструкции существует градиент относительной влажности воздуха, можно предположить, что значения паропроницаемости материальных слоев не будут постоянны и их следует учитывать при прогнозировании влажностного состояния. Проведенное исследование доказывает необходимость учета переменного значения коэффициента паропроницаемости на этапе конструирования наружных ограждающих конструкций. Показано, что учет переменного значения паропроницаемости существенно влияет на количественную оценку влажностного состояния конструкции, а именно на период влагонакопления и расчетное количество проходящей через конструкцию влаги.

Ключевые слова: паропроницаемость, ограждающие конструкции, увлажнение, сорбционная влажность.

V.N. KUPRIYANOV, Doctor of Sciences

Kazan State University of Architecture and Engineering

Moisture Condition of Enclosing Structures with Due Regard for Variable Value of Vapor Permeability of Materials

Thermal-physical properties and durability of enveloping structures are interconnected with their temperature-moisture conditions of operation and the humidity of materials used. The vaporous moisture passing through the enclosing structure can humidify its material layers due to the processes of sorption and condensation. Engineering methods for calculation of the humidity conditions use the constant coefficient of vapor permeability, but numerous studies show its significant dependence on the humidity of materials. Taking into consideration that in the cross-section of the enclosing structure, a gradient of relative air humidity exists, it is possible to assume that the values of vapor permeability of material layers will not be permanent and they must be taken into account when forecasting the moisture condition. The conducted study proves the need for accounting of variable values of the vapor permeability coefficient at the stage of designing external enveloping structures. It is shown that the accounting of the variable value of vapor permeability significantly influences on the quantitative assessment of the humidity condition of the structure, for the period of moisture accumulation and calculated quantity of moisture passing through the structure particularly.

Keywords: vapor permeability, enclosing structures, humidification, sorption humidity.

Оптимальное влажностное состояние ограждающих конструкций должно обеспечиваться предотвращением накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации. Инструментами регулирования влажностного состояния наружных стен на этапе проектирования являются: выбор типа конструкции и подбор материалов с необходимыми теплофизическими характеристиками. Определяющей характеристикой материалов при обеспечении оптимального влажностного состояния ограждающей конструкции является коэффициент их паропроницаемости. Исследования ученых [1—5] и других показывают, что паропроницаемость материалов зависит от конкретных температурно-влажностных условий. В качестве примера на рис. 1 приведены экспериментальные зависимости коэффициентов паропроницаемо-сти от относительной влажности воздуха в материале. Можно видеть, что паропроницаемость материалов возрастает с увеличением их влажности в сорбционной зоне увлажнения.

Однако отсутствие систематичных исследований, посвященных характеристикам паропроницаемости ограждающих конструкций при эксплуатационных условиях, не позволили теоретически обосновать данную закономерность и учитывать ее в инженерных методах расчета влажностного состояния ограждений.

В существующих инженерных методах расчета влажностного состояния ограждающих конструкций коэффициент паропроницаемости является констан-

той вне зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации. Таким образом, возникает необходимость в создании экспериментального метода определения паропроницаемости материалов при различных эксплуатационных воздействиях и расчетного метода для определения влажностного состояния ограждающих конструкций при эксплуатационных воздействиях.

Для экспериментальных исследований паропроницаемости материалов при различных эксплуатационных воздействиях была создана лабораторная установка, которая обеспечивает поддержание градиента температуры по сечению образца, различной относительной влажности воздуха и скорости воздушных потоков у поверхности образца [6].

Исследование паропроницаемости материалов при различных значениях относительной влажности воздуха проводилось согласно ГОСТ 25898—83 с той разницей, что образец материала находился в различных влаж-ностных условиях. Каждый образец помещался между средами с различной относительной влажностью воздуха (20; 35; 50 и 80% при температуре 20оС) до достижения стационарного состояния. Измерения проводились весовым методом с последующим расчетом коэффициента паропроницаемости ц (рис. 2). Можно видеть, что паропроницаемость материалов в исследуемом диапазоне относительной влажности воздуха возрастает практически линейно.

40

научно-технический и производственный журнал

июнь 2016

Ш^улг&иш

40 50 60 70 80 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

90

40 50 60 70 80 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

90

- 7 /

--—

9

0

30 40 50 60 70 80 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

-

- / 9

и

8 4 н

' ' 1 , , 1

90

30 40 50 60 70 80 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

90

Рис. 1. Экспериментальные зависимости коэффициента паропроницаемости материалов ц от относительной влажности воздуха в образце ф, %, по различным источникам: а - по данным Иогансона и Эденхольма; б - по данным Э.Э. Монствиласа; в - по данным Chi Feng; г - по данным McLean R.C и Galbraith G.H; 1 - известковый раствор; 2 - цементный раствор; 3 - плотный бетон; 4 - минеральная вата; 5 - керамзито-перлитобе-тон р = 900 кг/м3; 6 - керамзитобетон р = 1200 кг/м3; 7 - ячеистый бетон р = 490 кг/м3; 8 - ДСП; 9 - кирпичная кладка

Метод определения паропроницаемости основывается на математическом методе простых итераций и заключается в последовательном пересчете значений паропрони-цаемости по значениям относительной влажности воздуха в сечении ограждающей конструкции до обнаружения сходимости с заданной погрешностью. Метод можно разбить на три этапа:

— расчет относительной влажности воздуха в слоях многослойной конструкции по приближенным значениям паропроницае-мости;

— определение паропроницаемости материалов по найденным относительным влажностям с использованием экспериментально выявленной закономерности;

— перерасчет относительной влажности и паропроницаемости до обнаружения сходимости с заданной погрешностью.

На примере Казани по разработанной методике был выполнен расчет влажностного состояния основных типов конструкций с учетом переменного значения коэффициента паропроницаемости и при постоянном значении однослойных, двуслойных с наружным теплоизоляционным слоем, двуслойных с внутренним теплоизоляционным слоем, трехслойных с теплоизоляционным слоем посередине. Используемые материалы: кладка из силикатного кирпича; ячеистый бетон (р=500 кг/м3); цементно-песчаный раствор; минеральная вата; пенополистирол.

Определены:

— температура начала конденсации ?нк в конструкциях, соответствующая температуре наружного воздуха, при которой в данных конструкциях возникает плоскость конденсации согласно методу [8];

— период влагонакопления Т, сут;

— количество конденсирующейся влаги за единицу времени по зависимости:

GK- G-G2=

_eB-El Е2-

^ мг/

Аналогичные исследования паропроницаемости в неизотермических условиях позволили установить незначительное влияние температуры на паропроницае-мость материалов, что позволило обосновать допущение о неучете температуры при определении характеристик паропроницаемости материалов [7].

На основе экспериментально выявленной закономерности паропроницаемости от относительной влажности воздуха в материале создан метод определения паропроницаемости многослойных ограждающих конструкций при различных температурно-влажностных условиях эксплуатации.

где G1 и G2, Rm и Яп2

плотность диффузионных потоков и сопротивление паропроницаемости части конструкции до и после зоны конденсации соответственно; ев и ен — среднемесячные внутреннее и наружное парциальные давления воздуха; Е1 — максимальное парциальное давление на границе зоны конденсации со стороны внутренней поверхности ограждения; Е2 — то же со стороны наружной поверхности ограждения;

— количество конденсата за период влагонакопле-ния по формуле:

£=СК-Г мг/м2.

8

6

4

2

0

Тип конструкции Температура начала конденсации /нк, оС Период влагонакопления T, сут GK, мг/(м2ч) g, кг/м2

ц* ц ц* ц ц* ц ц* ц

1 Ячеистый бетон (540 мм) + минеральная вата (100 мм) + штукатурка (20 мм) -2,2 -0,7 80 90 57,62 90,17 0,11 0,19

2 Ячеистый бетон(540 мм) + пенополистирол (100 мм) + штукатурка (20 мм) -4,8 -4 75 75 64,57 67,77 0,116 0,122

3 Кладка (380 мм) + минеральная вата (100 мм) + кладка (120 мм) -4,19 1,76 75 135 9,05 56,9 0,016 0,18

4 Кладка (380 мм) + пенополистирол (100 мм) + кладка (120 мм) -5,7 0,06 60 105 11,25 22,57 0,016 0,06

fj научно-технический и производственный журнал

июнь 2016

1

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

1

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

10 20 30 40 50 60 70 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

10 20 30 40 50 60 70 Относительная влажность воздуха в образце ф, %

Рис. 2. Зависимость коэффициента паропроницаемости материала от средней относительной влажности воздуха в образце ф, %: ♦ - минеральная вата; о - пенополистирол; О - ячеистый бетон; X - силикатный кирпич; А - керамический кирпич

60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30

60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30

60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30

" T= 75 сут

^ 1 1 ™— „ЛГ tHK °С

-—

1 1 1 1 t * op LHK ^ 1 1 1 1

Рис. 3. Ход среднемесячных значений температуры и относительной влажности наружного воздуха для г. Казани: 1 - среднемесячное значение относительной влажности наружного воздуха, %; 2 - среднемесячное значение температуры наружного воздуха, оС

' # # / f * # & # /

60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30

T= 135 сут _А_

T= 75 сут

_|_I_I_I_I_I_I_L-

I

е

o° 60

50 40 30 20 10 0 -10

Р 60 I 50

3 40 § 30

0 20

! 10 CL £ 0

1 -10

а -20

- / / # # / / ✓

Рис. 4. Календарная продолжительность увлажнения различных типов конструкции: а - ячеистый бетон

В качестве климатических условий использовались значения температуры и относительной влажности наружного воздуха, фиксируемых в ходе натурных испытаний влажностного состояния реального ограждения [9, 10]. Ход температуры наружного воздуха отображен на рис. 3.

Совмещение графика среднемесячных значений температуры наружного воздуха со значениями температуры начала конденсации каждого типа конструкций позволило выявить календарную продолжительность их увлажнения (рис. 4). Установлено, что продолжительность увлажнения конструкций значительно отличается и может варьироваться в диапазоне от 40 до 155 сут.

Также в некоторых типах конструкций можно видеть влияние переменного значения паропроницаемости на температуру начала конденсации и продолжительность увлажнения соответственно.

Так, в конструкциях в, д и е температура начала конденсации с учетом переменного значения коэффициента паропроницаемости (?нк*) расположена ниже температуры начала конденсации при постоянных значениях коэффициента паропроницаемости ^ (?нк). Наиболее существенное влияние переменного значения паропроницаемости на влажностное состояние конструкций выявлено в двух типах конструкций — двуслойных с наружным теплоизоляционным слоем и трехслойных с теплоизоляционным слоем посередине. Характеристики влажностного состояния некоторых многослойных ограждений с учетом переменного значения паропроница-емости и при постоянном ^ в условиях эксплуатации г. Казани приведены в таблице.

Можно видеть, что учет переменного значения паропроницаемости существенно влияет как на количественную оценку влагонакопления в конструкции (значения GK и g), так и на ее условия эксплуатации, т. е. температуры начала конденсации и календарного периода влагонакопления. Анализ этих типов конструкций позволил выявить ярко выраженные низкие значения относительной влажности воздуха внутреннего слоя по сравнению с остальными типами конструкций. Расчетная средняя относительная влажность воздуха внутреннего слоя трехслойной конструкции в период влагонакопления не превышает 45% (рис. 5, а) и 55% — в случае двуслойной конструкции (рис. 5, б).

Согласно экспериментальным данным зависимости паропроницаемости от относительной влажности воздуха в материале, низкие значения влажности соответствуют низким значениям паропроницаемости (рис. 2). Следовательно, пониженные значения влажности воздуха в данных типах конструкций приводят к существенному снижению их общей паропроницаемости, что и приводит к снижению температуры начала конденсации, периода влагонакопления и количества конденсирующейся влаги.

научно-технический и производственный журнал

42 июнь 2016 № '

а

Расстояние от внутренней поверхности,м

б

Расстояние от внутренней поверхности,м

Рис. 5. Распределение относительной влажности воздуха по сечению конструкции: а - трехслойная конструкция; б - двуслойная конструкция; 1 - кирпичная кладка; 2 - минеральная вата; 3 - ячеистый бетон; 4 - штукатурка

Следует отметить, что неучет переменного значения паропроницаемости может привести к противоположным результатам прогнозирования количества конденсирующейся влаги в ограждении. Так, без учета переменного значения паропроницаемости замена минеральной ваты в трехслойной конструкции на пенополистирол (см. п. 3 и 4 таблицы, значения GK) приведет к существенному снижению количества конденсата с 56,9 до 22,57 мг/(м2-ч). С учетом переменного значения паропроницаемости данная замена приведет не к уменьшению, а увеличению количества конденсируемой влаги с 9,05 до 11,25 мг/(м2-ч). Аналогичная закономерность прослеживается и в случае двуслойных конструкций (п. 1 и 2 таблицы).

Таким образом, проведенное исследование доказывает необходимость учета переменного значения коэффициента паропроницаемости на этапе конструирования ограждающих конструкций.

Список литературы

1. Chi Feng, Qinglin Meng, Ya Feng, Hans Janssen. Influence of pre-conditioning methods on the cup test results // 6th International Building Physics Conference. 2015. Vol. 78, pp. 1383-1388.

2. Galbraith G.H., McLean R.C., Guo J.S. Moisture permeability data presented as a mathematical function applicable to heat and moisture transport models // BS'97. 1997. Vol. 1.

3. Эпштейн А.С. Механизм движения влаги в некоторых строительных материалах при перепаде темпе-

ратур. Киев: Издат. Академии архитектуры Украинской ССР, 1953. 16 с.

4. Вайцекаускас В.С. Исследование влагопроницаемо-сти сорбционно-влажных капиллярно-пористых строительных материалов. Дис... канд. техн. наук. Каунас, 1975.

5. Монствилас Э.Э. Усовершенствование расчета влажностного состояния ограждения при нестационарных условиях влагопереноса. Дис. канд. техн. наук. Москва, 1982. 232 с.

6. Патент РФ на полезную модель 128718. Устройство для измерения паропроницаемости строительных материалов / Куприянов В.Н., Петров А.С. Заявл. 2012155972/28, 21.12.2012. Опубл. 27.05.2013.

7. Петров А.С., Куприянов В.Н. Влияние температур-но-влажностных условий эксплуатации строительных материалов на их паропроницаемость // Известия КГАСУ. 2015. № 1 (31). С. 92-98.

8. Куприянов В.Н., Сафин И.Ш. Количественные параметры конденсации парообразной влаги в наружных стенах // Известия КГАСУ. 2013. № 4 (26). С. 121-128.

9. Куприянов В.Н., Иванцов А.И. Конденсация парообразной влаги в наружных стенах при суточных колебаниях температуры наружного воздуха // Приволжский научный журнал. 2013. № 2. С. 17-22.

10. Иванцов А.И., Куприянов В.Н. Режим эксплуатации многослойных стеновых ограждающих конструкций как основа прогнозирования их срока службы // Известия КГАСУ 2014. № 3 (29). С. 32-40.

References

1. Chi Feng, Qinglin Meng, Ya Feng, Hans Janssen. Influence of pre-conditioning methods on the cup test results. 6th International Building Physics Conference. 2015. Vol. 78, pp. 1383-1388.

2. Galbraith G.H., McLean R.C., Guo J.S. Moisture permeability data presented as a mathematical function applicable to heat and moisture transport models. BS'97. 1997. Vol. 1.

3. Jepshtejn A.S. Mekhanizm dvizheniya vlagi v nekotorykh stroitel'nykh materialakh pri perepade temperatur [The mechanism of moisture movement in some building materials at difference of temperatures]. Kiev: Izdat. Akademii arhitektury Ukrainskoj SSR, 1953. 16 p.

4. Vajcekauskas V.S. Waterpermeability of sorption-moist capillary-porous building materials research. Cand. Diss. (Engineering). Kaunas. 1975. (In Russian).

5. Monstvilas Je.Je. Improving calculating of fence moisture condition at unsteady conditions of moisture transfer. Cand. Diss. (Engineering). Moscow. 1982. 232 p. (In Russian).

6. Patent RF useful model patent 128718. Ustroistvo dlya izmereniya paropronitsaemosti stroitel'nykh materialov [Water vapor transmission rate test system]. Kupriyanov V.N., Petrov A.S. Declared 2012155972/28, 21.12.2012. Published 27.05.2013. (In Russian).

7. Petrov A.S., Kupriyanov V.N. Influence of temperature and humidity conditions for the operation of construction materials on their vapor permeability. Izvestiya KGASU. 2015. No. 1 (31), pp. 92-98. (In Russian).

8. Kupriyanov V.N., Safin I.Sh. Quantitative parameters of vapor condensation in exterior walls. Izvestiya KGASU. 2013. No. 4 (26), pp. 121-128. (In Russian).

9. Kupriyanov V.N., Ivantsov A.I. Condensation of water vapor in the external walls with daily fluctuations of the outside temperature. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal. 2013. No. 2, pp. 17-22. (In Russian).

10. Ivantsov A.I., Kupriyanov V.N. Operating mode of multilayer wall enclosing structures as a basis for predicting their life. Izvestiya KGASU. 2014. No. 3 (29), pp. 32-40. (In Russian).

fj научно-технический и производственный журнал

M   июнь 2016