Влажностный режим ограждающих конструкций (стр. 3 )

Оконные проемы.

Температурное поле наружной стены вблизи оконных и дверных проемов изменяется. При этом температура внутренней поверхности стены несколько повышается по мере приближения к проему, а на откосах проема резко понижается.

Низкие температуры на поверхностях откосов вызывают дополнительные теплопотери окнами, возрастающие с увеличением толщины стены. Они составляют порядка 10% от теплопотерь окна, однако расчет их является трудоемкой работой и зачастую игнорируется при расчетах отопительных систем.

Полный коэффициент теплопередачи окна (Дж/м2К), где k – коэффициент теплопередачи оконного заполнения без учета теплопотерь через откосы проема, Δk - коэффициент теплопередачи через откосы проема, зависящий кроме расчетных параметров еще и от площади и периметра оконного проема и ширины оконного откоса. Кроме этого, учитывается, что коэффициент тепловосприятия у поверхности оконного откоса в 1,5 раза меньше, чем у внутренней поверхности стены.

Необходимо отметить, что у окон со спаренными деревянными переплетами величина Δk получается значительно большей, чем у окон с двумя переплетами. А вот расположение оконной коробки в проеме окна (то есть перемещение коробки к внутренней поверхности стены) практически не влияет на величины теплопотерь. Кроме того, величина kокна возрастает с увеличением отношения периметра оконного проема к его площади, то есть для окон малого размера коэффициент теплопередачи окна при той же толщине стены будет выше.

В деревянных стенах, а также в стенах крупнопанельных с эффективным утеплителем, толщина которых незначительно превосходит ширины оконной коробки, дополнительные теплопотери через откосы отсутствуют, и величина коэффициента теплопередачи таких окон не зависит от размеров оконного проема.

Конденсация влаги из воздуха может происходить не только на поверхностях ограждающих конструкциях, но и в толще самого ограждения. Если водяной пар диффундирует через слои конструкции и в каком-то месте его температура опускается ниже точки росы, этот водяной пар превращается в воду и тем самым может увлажнять материалы ограждения.

Сам пар может проходить через ограждение, когда с двух сторон ограждения оказывается различной упругость (то есть парциальное давление) водяного пара. Это может случиться, если температура с одной стороны будет значительно выше температуры с другой, а относительные влажности воздуха не будут значительно разниться. Таким образом, в зимнее время наружное ограждение отапливаемых зданий разделяет две воздушные среды с одинаковым атмосферным давлением, но разными парциальными давлениями водяного пара, что и вызывает поток пара через ограждение от внутренней его стороны к наружной.

Известно, что между процессами диффузии газов и процессами теплопроводности имеется полная аналогия. Следовательно, все положения, на которых построена теория теплопроводности, вполне применимы и к явлениям диффузии водяного пара (паропроницаемости).

Для количества водяного пара, который будет проходить через плоскую стенку из однородного материала, можно записать уравнение аналогичное уравнению Фурье:

, мг, где

μ – коэффициент паропроницаемости;

Δе – разность упругостей водяного пара с внутренней и наружной сторон стенки (разность потенциалов при переносе водяного пара), Па;

δ - толщина стенки, м;

S – площадь поперечного сечения стенки, м2;

θ – время теплопередачи, ч.

Также это уравнение можно записать в виде

, мг/м2ч.

Коэффициент паропроницаемости материала зависит от физических свойств данного материала и отражает его способность проводить диффундирующий через него водяной пар. Его физический смысл можно зафиксировать следующим образом: μ – это количество водяного пара, проходящее через 1 м2 сечения материала толщиной 1 метр за 1 час при разности упругостей водяного пара на его краях, равной 1 Па. То есть, чем больше μ материала, тем он лучше пропускает водяной пар через свою массу. Единица измерения коэффициента паропроницаемости – мг/Па·м·ч.

Для одного и того же материала коэффициенты паропроницаемости μ могут различаться в зависимости от: объемного веса – чем он больше, тем меньше μ; температуры – с повышением температуры увеличивается и μ; влажности – с понижением влажности μ уменьшается. Коэффициенты паропроницаемости дерева зависят также и от направления диффузии пара по отношению к волокнам древесины – для сплошной древесины при направлении пара поперек волокон μ в 5 раз меньше, чем при направлении вдоль волокон. Паропроницаемость древесины могут также увеличивать щели в деревянных обшивках и трещины.

Значения коэффициентов паропроницаемости строительных материалов для расчетов можно принимать из [4, приложение Е]. Наименьшие коэффициенты имеют полиэтиленовая пленка и рубероид, наибольшие – минеральная и стеклянная вата. Оконное стекло и металлы являются паронепроницаемыми, воздух практически не сопротивляется проникновению пара сквозь свою толщу.

Для диффузии водяного пара через ограждение при нестационарном потоке водяного пара можно записать уравнение, аналогичное уравнению теплопроводности:

– для одномерного поля упругостей водяного пара;

– для трехмерного поля упругостей водяного пара.

Здесь – удельная пароемкость материала, мг/кг∙Па, показывающая, какая масса водяного пара проходит через 1 кг вещества при разности упругостей на его границах в 1 Па. Она в значительной степени зависит от изменения температуры и влажности материала, что затрудняет решение данного уравнения аналитическими методами.

Если же рассматривать стационарный режим паропроницания (то есть не учитывать изменения влажности материалов в ограждении во времени, а также влияние начальной влажности материалов на влажностный режим ограждения), то получается, что при , и значит, распределение упругости водяного пара по толщине конструкции однородного материала является линейным, а уравнение этого распределения имеет следующий вид (являясь аналогичным уравнению распределения температур по толщине):

.

При диффузии водяного пара через слой материала последний оказывает сопротивление потоку пара, аналогичное сопротивлению тепловому потоку. Это сопротивление называется сопротивлением паропроницанию слоя Rп. Оно определяется по формуле или и измеряется в Па·м2·ч/мг. Сопротивление паропроницанию показывает, какую разность упругостей водяного пара необходимо создать на границах материала, чтобы через 1 м2 его поверхности за 1 час диффундировал 1 мг пара.

Кроме твердых материалов ограждения, сопротивление паропроницанию оказывает и воздух, прилегающий к внутренней и наружной поверхностям ограждения (так называемые сопротивления влагообмену – аналогичные сопротивлениям тепловосприятию и теплоотдаче), однако ввиду их малости, они в расчетах обычно не учитываются. Также принимается равным нулю и сопротивление паропроницанию воздушных прослоек.

Тогда полное сопротивление Rпо, которое оказывает ограждение потоку водяного пара, будет равно сумме сопротивлений отдельных слоев, их которых это ограждение состоит: Rпо=ΣRпi. А упругость водяного пара в любой точке конструкции можно найти по сопротивлениям паропроницания:

.

Необходимо также отметить, что приведенные формулы справедливы только при отсутствии конденсации пара внутри ограждения (или для тех слоев, где конденсации нет).

Для расчетов влажностного режима наружных ограждений на увлажнение их парообразной влаги необходимо знать температуры и влажности внутреннего и наружного воздуха. Температура наружного воздуха берется более высокой по сравнению с расчетной температурой для теплотехнических расчетов, так как процессы диффузии протекают значительно медленнее процессов теплопередачи. При расчетах влажностного режима по стационарным условиям в качестве расчетной принимается средняя месячная температура наиболее холодного месяца (обычно таким месяцем является январь, в редких случаях февраль). Относительная влажность наружного воздуха берется также равной средней влажности наиболее холодного месяца.

Диффундирующий через ограждение водяной пар будет внутри него понижать свою упругость и, кроме того, встречать на своем пути более холодные слои ограждения. В некоторых случаях падение упругости пара и падение температуры в ограждении будут идти в такой последовательности, что конденсации влаги в толще ограждения не будет. В других случаях, когда падение температуры в ограждении будет более интенсивным, чем падение упругости пара, могут создаться условия, вызывающие конденсацию водяного пара в толще ограждения. Этим условиям соответствует равенство фактической упругости водяного пара е и максимальной упругости пара Е (при стопроцентной относительной влажности воздуха φ=е/Е=100%).

Расчет на конденсацию влаги в ограждении удобно делать графически. Для этого нужно построить линии падения упругостей е и Е и сопоставить их друг другом. Если они не пересекаются (то есть линия е всегда ниже, чем линия Е), то конденсация отсутствует, если же линия е пересекает линию Е, то конденсация водяного пара в ограждении возможна.