Таблица 4.4 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции с учётом паропроницаемости швов экрана

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	1229	1203	1223	1280	985	948	984	1021
е2	646	352	573	1220	1311	1423	1362	1002
е3	629	327	554	1218	916	898	950	862
е4	611	302	535	1216	599	528	625	729
е5	594	277	516	1214	347	268	371	604
е6	577	252	497	1213	149	84	175	487
е7	560	227	478	1211	121	71	150	461
еext	572	245	491	1212	108	53	135	459

Проверим возможность конденсации влаги без учёта паропроницаемости швов экрана (рис. 4.3,б, табл. 4.5).

Вывод

Расчёт без учёта паропроницаемости швов экрана показывает, что при отсутствии вентиляции прослойки происходит конденсация влаги на наружной поверхности утеплителя и внутренней стороне экрана в осенний, зимний и весенний период.

Таблица 4.5 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции без учёта паропроницаемости швов экрана

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	1246	1228	1242	1282	968	922	965	1020
е2	842	639	792	1240	1114	1137	1143	982
е3	830	621	779	1239	714	604	726	841
е4	818	604	765	1238	392	226	395	708
е5	806	586	752	1236	135	-41	135	582
е6	794	569	739	1235	-68	-233	-67	464
е7	783	552	726	1234	-102	-254	-98	438
еext	572	245	491	1212	108	53	135	459

4.4 Расчёт влажностного режима конструкции по годовому балансу влаги

Расчёт проводим без учёта паропроницания швов экрана.

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 м²чПа/мг (как в п. 2.4),

R_vp,ext = R_vp,5 = 1,25 м²чПа/мг

Для каждого периода года определяем количество влаги, подходящей к зоне конденсации, а также уходящей от неё. В качестве зоны конденсации будем считать воздушную прослойку.

В осенний период: Е_k,1' = Е₆ =726 Па, Е_k,1'' = Е₇ =681 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в осенний период в стену попадает в 2,3 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 293/126 = 2,33).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

.

В зимний период: Е_k,2' = Е₆ =336 Па, Е_k,2'' = Е₇ =298 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в зимний период в стену попадает в 8 раз больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 745/93 = 8,05).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

.

В весенний период: Е_k,3' = Е₆ =672 Па, Е_k,3'' = Е₇ =627 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в весенний период в стену попадает примерно в 2 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 321/157 = 2,04).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

Общее количество конденсата в стене

P_w = P_w1 + P_w2 + P_w3 = 167 + 652 + 164 = 983 г/м².

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Допустимое количество влаги, которое может поглотить 1мІ теплоизоляционного слоя: P = 450 г/м² (то же, что в п. 2.4).

Вывод:

Общее количество конденсата в стене превышает допустимый предел его увлажнения: P_w = 983 г/м² > P = 450 г/м², то есть условие ограничения накопления влаги не выполняется. Необходимо устройство дополнительного слоя пароизоляции или вентиляции прослойки наружным воздухом.

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации в летний период: Е_k,4' = Е₆ =1699 Па, Е_k,4'' = Е₇ = 1672 Па.

Движение водяного пара при высыхании будет идти в направлении уменьшения парциального давления водяного пара:

Е_k,4' > e_int = 1286 Па, Е_k,4'' > e_ext,3 = 1212 Па.

Вывод: высыхание будет происходить в обоих направлениях.

Влажностный режим конструкции в период испарения показан на рис. 4.3,в.

Количество влаги, удаляемой в сторону помещения:

.

Количество влаги, удаляемой по направлению к наружной стороне стены:

.

Количество влаги, удаляемой из стены за летний период:

.

Выводы:

Вся накопившаяся влага за летний период будет удалена из конструкции, так как P = 1867 г/м² > P_w = 1734 г/м². Условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации выполняется.

В сторону наружной испаряется почти в 2,5 раза больше влаги, чем в сторону наружной поверхности (P_ext /P _int = 1327/540 = 2,46).

4.5 Нормативный расчёт на паропроницаемость

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период: e_ext = 7,7 гПа = 770 Па (из табл. 1.1).

Парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемое по формуле

E = (E_k1z₁ + E_k2z₂ + E_k3z₃+ E_k4z₄)/12 = (7262 + 3363 + 6722 + 16995)/12 = 1025 Па.

Нормируемое сопротивление паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации:

м²чПа/мг.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации R_vp,int больше нормируемого сопротивления : R_vp,int = 2,76 м²чПа/мг > = 1,28 м²чПа/мг;

Вывод: требование СНиП [2] по недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации выполнено. Возможность высыхания влаги подтверждают и предыдущие расчёты.

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Проверку не проводим, так как предыдущие расчёты показали, что она не выполнится. Для ограничения накопления влаги в прослойке предусматриваем вентиляцию её наружным воздухом.

4.6 Определение теплового и влажностного режима вентилируемой воздушной прослойки

Расчёт проводим для условий зимнего периода.

Определение скорости движения и температуры воздуха в прослойке

Чем длиннее (выше) прослойка, тем больше скорость движения воздуха и его расход, а, следовательно, и эффективность выноса влаги. С другой стороны, чем длиннее (выше) прослойка, тем больше вероятность недопустимого влагонакопления в утеплителе и на экране.

Расстояние между входными и выходными вентиляционными отверстиями (высоту прослойки) принимаем равным Н = 12 м.

Среднюю температуру воздуха в прослойке t₀ предварительно принимаем как

t₀ = 0,8t_ext = 0,8(-8,9) = -7,12 °С.

Скорость движения воздуха в прослойке при расположении приточных и вытяжных отверстий на одной стороне здания:

м/с.

где - сумма местных аэродинамических сопротивлений течению воздуха на входе, на поворотах и на выходе из прослойки; в зависимости от конструктивного решения фасадной системы = 3…7; принимаем = 6.

Площадь сечения прослойки условной шириной b = 1 м и принятой (в табл. 4.1) толщиной = 0,05 м: F = b = 0,05 м².

Эквивалентный диаметр воздушной прослойки:

.

Плотность воздуха в прослойке

.

Количество (расход) воздуха, проходящего через прослойку:

.

Коэффициент теплоотдачи поверхности воздушной прослойки ₀ предварительно принимаем по п. 9.1.2 СП [3]: ₀ = 10,8 Вт/(м²°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи внутренней части стены:

(м²°С)/Вт,

K_int = 1/R_0,int = 1/2,85 = 0,351 Вт/(м²°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи наружной части стены:

(м²°С)/Вт,

K_ext = 1/R_0,ext = 1/0,14 = 7,198 Вт/(м²°С).

Коэффициенты

0,35120 + 7,198(-8,9) = -57,03 Вт/м²,

0,351 + 7,198 = 7,549 Вт/(м²°С).

Уточняем среднюю температуру воздуха в прослойке:

°С,

где с - удельная теплоёмкость воздуха, с = 1000 Дж/(кг°С).

Средняя температура воздуха в прослойке отличается от принятой ранее более чем на 5%, поэтому уточняем расчётные параметры.

Скорость движения воздуха в прослойке:

м/с.

Плотность воздуха в прослойке

.

Количество (расход) воздуха, проходящего через прослойку:

.

Уточняем коэффициент теплоотдачи поверхности воздушной прослойки:

Вт/(м²°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи внутренней части стены:

(м²°С)/Вт,

K_int = 1/R_0,int = 1/3,06 = 0,327 Вт/(м²°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи наружной части стены:

(м²°С)/Вт,

K_ext = 1/R_0,ext = 1/0,35 = 2,826 Вт/(м²°С).

Коэффициенты

0,32720 + 2,826(-8,9) = -18,62 Вт/м²,

0,327 + 2,826 = 3,153 Вт/(м²°С).

Уточняем среднюю температуру воздуха в прослойке:

°С

Уточняем ещё несколько раз среднюю температуру воздуха в прослойке, пока значения на соседних итерациях не будут отличаться более, чем на 5% (табл. 4.6).

Таблица 4.6 Уточнение средней температуры воздух в вентилируемой прослойке

Расчётные параметры	Итерации (приближения)
	2	3	4	5	6
0	кг/м3	1,329	1,330	1,330	1,330	1,330
v	м/с	0,49	0,44	0,46	0,45	0,45
W	кг/(мc)	0,0326	0,0294	0,0305	0,0301	0,0303
0	Вт/(м2°С)	3,25	3,18	3,21	3,20	3,20
1/0	(м2°С)/Вт	0,308	0,314	0,312	0,313	0,312
R0,int	(м2°С)/Вт	3,06	3,07	3,06	3,07	3,07
Kint	Вт/(м2°С)	0,327	0,326	0,326	0,326	0,326
R0,ext	(м2°С)/Вт	0,35	0,36	0,36	0,36	0,36
Kext	Вт/(м2°С)	2,826	2,775	2,793	2,786	2,789
A	Вт/м2	-18,62	-18,17	-18,33	-18,27	-18,29
K	Вт/(м2°С)	3,153	3,101	3,119	3,113	3,115
t0	°С	-7,68	-7,59	-7,62	-7,61	-7,61

Температура воздуха в прослойке на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия (на выходе из прослойки х = Н = 12 м):

°С.

Значения температуры воздуха в прослойке через каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, график изменения температур - на рис. 4.4.

Температура на внутренней поверхности экрана на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия (на выходе из прослойки х = Н = 12 м):

°С.

Значения температуры на внутренней стороне экрана через каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, график изменения температур - на рис. 4.4.

Вывод: по мере продвижения по прослойке воздух нагревается (t_x > t_ext) и нагревает внутреннюю поверхность экрана.

Проверка возможности конденсации влаги на внутренней стороне экрана

Коэффициенты паропроницания внутренней части стены (до плоскости возможной конденсации) и наружной части (экрана):

M_int = 1/R_vp,int = 1/ 2,76 = 0,362 мг/(м²чПа),

M_ext = 1/ R_vp,ext = 1/1,25 = 0,800 мг/(м²чПа).

Коэффициенты

0,3621286 + 0,800245 = 661,20 мг/(м²ч),

0,362 + 0,800 = 1,162 мг/(м²чПа).

Объём воздуха, проходящего через прослойку:

м³/с.

Парциальное давление (упругость) водяного пара в прослойке на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия:

, где .

На выходе из прослойки:

, Па.

Конденсации влаги на внутренней поверхности экрана не будет, если действительная упругость водяного пара в прослойке e_x будет меньше максимальной упругости водяного пара Е_х, соответствующей температуре экрана _х.

Значения e_x и Е_х через каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, графики изменения e_x и Е_х по высоте прослойки показаны на рис. 4.4.

Таблица 4.7 Распределение температуры и влажности по длине прослойки

х, м	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
tx, °С	-8,90	-8,60	-8,34	-8,10	-7,88	-7,68	-7,50	-7,35	-7,20	-7,07	-6,95	-6,85	-6,75
В	29536	29503	29473	29446	29422	29400	29381	29363	29347	29333	29320	29308	29298
ex, Па	245	245	246	246	247	247	248	249	249	250	250	251	251
x, °С	-8,9	-8,9	-8,8	-8,8	-8,8	-8,7	-8,7	-8,7	-8,7	-8,7	-8,6	-8,6	-8,6
Ех, Па	286	287	288	289	290	290	291	291	292	292	293	293	293
Ех - ex	42	42	42	43	43	43	43	43	43	43	42	42	42

Вывод:

Конденсации влаги на внутренней поверхности экрана не будет, поскольку для всех сечений e_x < Е_х .

По мере движения по прослойке упругость водяного пара в воздухе повышается (с 245 до 251 Па) за счёт … . {дополнить, за счёт чего}.

4.7 Определение затухания и запаздывания колебаний температуры на внутренней поверхности стены

Определение затухания температурных колебаний

Вычисляем коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности слоёв:

для первых трёх слоёв коэффициенты остаются теми же, что и в п. 2.7:

Y₁ = 9,56 Вт/(м²°С); Y₂ = s₂ = 10,12 Вт/(м²°С), Y₃ = s₃ = 0,71 Вт/(м²°С);

для воздушной прослойки (D₄ = 0 < 1):

Вт/(м²°С),

для экрана (D₅ = 0,07 < 1):

Вт/(м²°С).

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_ext = Y₅ = 2,44 Вт/(м²°С).

Определяем затухание колебаний в отдельных слоях:

для первых трёх слоёв затухание остаётся тем же, что и в п. 2.7:

v₁ = 1,08; v₂ = 8,85; v₃ = 24,29;

;

.

Величина затухания при переходе волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения:

,

где _ext = 17,4 Вт/(м²°С) - то же, что в п. 2.7.

Полная величина затухания расчётной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в исследуемой ограждающей конструкции:

v = v₁v₂v₃v₄v₅v_ext = 1,088,8024,321,100,941,14 = 272,05.

Определение запаздывания температурных колебаний

Положение слоя резких колебаний и коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности первого слоя Y_int остаются теми же, что и в п. 2.7.

Запаздывание температурных колебаний на внутренней поверхности исследуемой конструкции по сравнению с колебаниями наружной температуры (сдвиг фаз колебаний) в часах (здесь величины arctg берутся в градусах):

ч.

Проверка: ориентировочно = 2,7D - 0,4 = 2,75,07 - 0,4 = 13,3 ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На внутренней поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 272 раза меньше, чем у наружного воздуха. Теплоустойчивость конструкции высокая.

На наружной поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 1,14 раза меньше, чем у наружного воздуха.

Наибольшее затухание температурных колебаний происходит в слое утеплителя. Объясняется это тем, что за ним расположен несущий слой (кирпичная кладка), имеющая большой коэффициент теплоусвоения (s₂ = 10,12).

На втором месте по затуханию слой с наибольшей тепловой инерцией (кирпичная кладка).

В экране и воздушной прослойке затухание невелико, что объясняется малыми коэффициентами теплоусвоения расположенных друг за другом слоёв (Y₃ = 0,71, Y₄ = 0,65).

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на юг, в 12 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (12 + 12) - 24 = 0 часов утра.

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на запад, в 17 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (17 + 12) - 24 = = 5 часов утра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий: Учебник. - М.: Стройиздат, 2010. - 287 с.

2. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2009. - 320 с.

3. Соловьев А.К. Физика среды: Учебник. - М.: Изд-во АСВ, 2011. - 344 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочные данные

Определение значений температур по толщине ограждающей конструкции (к рис. 2.2)

По оси абсцисс в выбранном масштабе откладываем (рис. 2.2,а) последовательно термические сопротивления R_i всех слоев конструкции, а также внутреннего и наружного пограничных слоев воздуха (из табл. 2.2).

По вертикали на внешних границах воздушных слоев в принятом масштабе откладываются значения температур внутреннего t_int и наружного (из табл. 1.2) воздуха: для зимнего (t_ext,2), летнего (t_ext,4), весеннего (t_ext,3) или осеннего (t_ext,1) периодов года.

Строятся температурные графики для выбранных периодов года (в условиях стационарной теплопередачи графики - прямые линии).

Найденные значения температур в каждом сечении с рис. 2.2,а переносим на разрез конструкции, выполненный в масштабе реальных толщин (рис. 2.2,б).

Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции (к рис. 2.3)

По оси абсцисс в выбранном масштабе откладываем последовательно сопротивления паропроницанию всех слоёв конструкции R_vp,i (рис. 2.3,а); с рис. 2.2 переносим отмеченные ранее сечения с сохранением их нумерации.

По оси ординат в выбранном масштабе откладываем со стороны внутренней поверхности значение e_int, а со стороны наружной поверхности - среднее значение парциального давления водяного пара за зимний период e_ext2, и соединяем их прямой линией (пунктирная линия). Полученная прямая представляет собой график изменения парциального давления водяного пара в ограждающей конструкции без учета возможной конденсации при установившемся процессе диффузии водяного пара.

По данным табл. 2.3 для зимнего периода строим график изменения давления насыщенного водяного пара Е (тонкая линия).

Проводим анализ взаимного расположения графиков Е и e: если графики не пересекаются, то конденсация водяного пара в ограждении отсутствует; в случае пересечения или касания графиков в конструкции возможна конденсация влаги.

Если конденсация влаги отсутствует, влажностный режим ограждающей конструкции считается удовлетворительным, и далее расчёт не проводится.

В случае конденсации влаги (зимой) определяется плоскость или зона конденсации, для этого из концов прямой e_int - e_ext,2 проводятся касательные к графику Е. Область между точками касания Е_к' и Е_к" - зона конденсации. При совпадении точек касания получается плоскость конденсации. Затем проводится итоговый график изменения парциального давления с учетом конденсации водяного пара (жирная линия).

Аналогичные построения можно выполнить для остальных периодов года.

На графике Е для периода испарения влаги (рис. 2.3,б) отмечаем границы зоны (плоскость), где происходила конденсация влаги, и соединяем их прямыми с точками e_int и e_ext,4. Стрелками показываем направление движения влаги от зоны конденсации (в сторону уменьшения парциального давления водяного пара).

Определение необходимой толщины пароизоляции (к п. 2.6)

Слой пароизоляции предназначается для увеличения сопротивления паропроницанию R_vp,int так, чтобы выполнялось как условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации, так и условие ограничения накопления влаги за период конденсации. Требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции определяется по формуле:

ДR_vp R_vp,int (m - 1) ,

где m - коэффициент, показывающий во сколько раз надо увеличить сопротивление на пути движения влаги к зоне конденсации R_vp,int .

Если не выполняется условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации, то

.

Здесь суммирование проводится по всем периодам года.

Если не выполняется условие ограничения накопления влаги в конструкции за период конденсации, то

.

Здесь суммирование проводится по тем периодам, когда происходит конденсация влаги в конструкции.

Определение коэффициентов теплоусвоения (к п. 2.7)

Определение коэффициентов теплоусвоения наружной поверхности слоёв ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь Y_i начинаем от внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Для слоёв, имеющих показатель тепловой инерции D_i > 1, коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y_i принимается равным коэффициенту теплоусвоения материала s_i .

Для слоёв с тепловой инерцией D_i < 1 коэффициент теплоусвоения наружной поверхности определяется следующим образом:

для первого слоя - по формуле

;

для каждого последующего i-го слоя - по формуле

,

где R₁, R_i - термические сопротивления соответственно первого и i-го слоев ограждающей конструкции, м²°С/Вт;

s₁, s_i - расчётные коэффициенты теплоусвоения материала соответственно первого и i-го слоев, Вт/(м²°С);

Y₁, Y_i, Y_i-1 - коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности соответственно первого, i-го и (i - 1)-го слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²°С).

Определение коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения при направлении тепловой волны изнутри наружу Y_int производится в пределах слоя резких колебаний (для слоя резких колебаний тепловая инерция D = 1).

Если первый (внутренний) слой ограждающей конструкции имеет тепловую инерцию D > 1, то слой резких колебаний лежит в первом слое конструкции, а значит, Y_int = s₁.

Если для n слоёв тепловая инерция D₁ + D₂ + ... + D_n-1 < 1, но D₁ + D₂ + ... + D_n > 1, то коэффициент Y_int определяется последовательно расчётом коэффициентов теплоусвоения внутренней поверхности слоев конструкции, начиная с (п - 1) слоя:

для (n - 1) слоя - по формуле

,

для каждого последующего i-го слоя (i = n - 2, n - 3, ... , 1) - по формуле

,

и коэффициент Y_int будет равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_int = Y₁.

Если тепловая инерция всей ограждающей конструкции D < 1, то коэффициент Y_int определяется для наружного (n-го слоя) - по формуле

,

для каждого последующего i-го слоя (i = n - 2, n - 3, ... , 1) - как в предыдущем случае.

Теплотехнические характеристики некоторых фасадных систем

№	Материал экрана (фасадная система)	Плотность 0, кг/м3	Толщина слоя , м	Расчётные коэффициенты
				теплопров , Вт/(м°С)	теплоусв s, Вт/(м2°С)	паропрониц , мг/(мчПа)
1	Панель-экран цементно-волокнистая (Краспан)	1800	0,008	0,93	8,1	0,114 (0,03)*
2	Керамогранит (Гранитогресс)	2800	0,01	3,49	25,04	0,52 (0,008)*
3	Стальные кассетные панели (U-KON)	7850	0,004	58	126,5	0,108 (0,018)*

Без учёта проницаемости стыковых швов экрана

Размещено на Allbest.ru