Паропроницаемость материалов и ограждающих конструкций

Отсутствие конденсации водяных паров на внутренней поверхности не исключает увлажнения ограждения ввиду возможности конденсации водяных паров внутри конструкции при их перемещении от внутренней поверхности ограждающей конструкции к наружной поверхности ограждения.

Процесс диффузии водяного пара через ограждение

называется паропроницанием.

Паропроницаемость ограждающей конструкции - это свойство материалов конструкции пропускать влагу под действием разности парциальных давлений водяного пара на ее наружной и внутренней поверхностях.

Законы и характеристики процесса паропроницания аналогичны законам и характеристикам теплопередачи и аналитически выражаются подобными математическими формулами и величинами (Главы 2 и 3).

Так, при стационарном процессе диффузии водяных паров количество водяного пара, проходящего через 1 м² однородного ограждения толщиной δ в единицу времени равно:

Р = μ / δ · (е_int - e_ext), (5.2)

где Р – поток водяных паров, мг/(м²·ч);

(е_int – e_ext) - разность парциальных давлений водяного пара внутреннего и наружного воздуха, Па;

δ – толщина стены, м;

μ – коэффициент паропроницаемости материала, мг/(м·ч·Па).

Коэффициент паропроницаемости материала – это величина, равная плотности стационарного потока водяного пара, проходящего через слой материала толщиной в один метр в единицу времени при разности парциального давления на границах слоя в один Паскаль.

Коэффициенты паропроницаемости для материалов рыхлых и с открытыми крупными порами имеют большие значения (например, для пенобетона плотностью r₀ =300 кг/м³ - μ = 0,26 мг/(м·ч·Па)), а для плотных материалов – малые (например, для железобетона плотностью r₀ =2500 кг/м³ - μ = 0,03 мг/(м·ч·Па)). Значения коэффициентов паропроницаемости материалов приведены в приложении Б.

При диффузии водяного пара через слой материала ограждения последний оказывает потоку пара сопротивление, которое называют сопротивлением паропроницанию.

При стационарном потоке водяных паров, диффундирующих через ограждение, сопротивление паропроницанию R_vp одного конструктивного слоя определяется по формуле:

R_vp = d / m, (5.3)

где d — толщина слоя ограждающей конструкции, м;

Единицы измерения сопротивления паропроницанию – м²·ч·Па/мг.

Сопротивление паропроницанию многослойного ограждения равно сумме сопротивлений паропроницанию отдельных слоев:

R_vp = R_vp1 + R_vp2 + … + R_vpn, (5.4)

где R_vp1, R_vp2, R_vpn - сопротивления паропроницанию отдельных слоев.

С учетом (5.3) поток водяных паров, определяемый по формуле (5.2), может быть представлен в виде:

Р = (е_int – e_ext) / R_vp (5.5)

При стационарной диффузии пара через ограждающую конструкцию парциальное давление водяного пара понижается от величины е_int до величины e_ext за счет общего сопротивления ограждения паропроницанию. В случае однородного ограждения изменение парциального давления происходит по линейному закону.

Величина е_х в произвольном сечении х ограждающей конструкции (например, на границах конструктивных слоев) определяется по формуле:

e_х = е_int – (е_int – e_ext) / R_vp · ∑ R_{vp x}, (5.6)

где е_int и e_ext - парциальные давления водяного пара внутреннего и наружного воздуха;

R_vpx – сумма сопротивлений паропроницанию слоев конструкции, расположенных между внутренней поверхностью и рассматриваемым сечением.

Характер распределения парциального давления водяного пара по сечению многослойной стены можно определить графическим способом. Для этого следует многослойное ограждение привести к виду однородного, изобразив его в масштабе сопротивлений паропроницанию. Отложив на внутренней и наружной поверхностях стены значения парциальных давлений е_int и e_ext и соединив эти точки прямой линией, получаем график распределения давления водяного пара по сечению многослойной стены (рис.5.1).

Определение значений парциальных давлений водяных паров на границах слоев в ограждающей конструкции приведено в примере 5.2.

Пример 5.2

Определить значения парциальных давлений водяных паров на границах слоев в ограждающей конструкции, приведенном в примере 5.1.

Исходные данные:

Температуры внутреннего и наружного воздуха -

t_int = + 20°С и t_ext = - 20°С. Относительная влажность внутреннего и наружного воздуха - φ_int = φ _ext = 55%.

Коэффициенты паропроницаемости пенобетона и цементно-песчаного раствора соответственно равны:

m = 0,11 мг/(м·ч·Па); m = 0,09 мг/(м·ч·Па) – (приложение Б).

Решение:

1. Определим сопротивления паропроницанию слоев ограждения по формуле (4.3):

R_vp1 = 0,015/0,09 = 0,17 м²·ч·Па/мг;

R_vp2 = 0,3/0,11 = 2,73 м²·ч·Па/мг;

R_vp3 =0,015/0,09= 0,17 м²·ч·Па/мг.

2. При t_int = +20°С - E_int =2338 Па по таблице Г.1 приложения Г.

При t_ext = -20° С - Е_ext = 103 Па по таблице Г.2 приложения Г.

Определим парциальные давления водяного пара внутреннего и наружного воздуха по формуле (5.1):

e_int = (55/100) · 2338 = 1286 Па;

e_ext = (55/100) · 103 = 57 Па.

3. Определим значения парциальных давлений водяных паров на границах слоев:

а) Графический метод

Построим график распределения давлений водяного пара по сечению данного ограждения (рис.5.2).

Численные значения парциальных давлений водяных паров на границах слоев определим по шкале парциальных давлений:

e₁ = 1218 Па; e₂ = 125 Па.

б) Аналитический метод

Определим значения парциальных давлений водяных паров на границах слоев по формуле (5.6):

e₁ = 1286 – (1286 – 57) / 3,07 · 0,17 = 1218 Па

e₂ = 1286 – (1286 – 57) / 3,07 · 2,9 = 125 Па

Вывод: Результаты графического и аналитического методов расчета распределения парциальных давлений водяных паров в ограждающей конструкции идентичны.

Возможность образования конденсации влаги внутри ограждающей конструкции проверим графическим методом, заключающимся в следующем:

1. На разрезе ограждения, изображенного в масштабе сопротивлений паропроницанию, строится график изменения фактического парциального давления водяного пара е в толще ограждающей конструкции (прямая линия).

2. На том же чертеже строится график давления насыщенного водяного пара Е, соответствующий распределению температур в толще конструкции. Если линии е и Е не пересекаются (рис.5.3а), конденсация водяного пара в толще ограждающей конструкции отсутствует, т.к. в любой плоскости внутри ограждения давление водяного пара ниже насыщенного, при котором возникает конденсация.

В случае пересечения или касания графиков е и Е (рис.5.3б,в) в ограждении возможна конденсация влаги.

3. Для графического определения границ возможной зоны конденсации из концов прямой е_int e_ext проводятся

касательные к графику Е. Точки касания определяют возможную зону или плоскость конденсации.

Плоскость конденсации получается при совпадении точек касания в точке Е_к' (рис.5.3б).

Зона конденсации получается при совпадении точек касания в точках Е_к' и Е_к'' (рис.5.3в).

Внутри ограждающей конструкции легко установить плоскость или зону, в которой конденсация влаги наиболее вероятна и происходит раньше, чем в других сечениях. В слоистых конструкциях отапливаемых зданий таким опасным сечением будет плоскость примыкания пористых материалов к более плотным слоям, расположенным в наружной части конструкции. В однородных ограждениях плоскость вероятной конденсации располагается примерно на расстоянии

2/3 толщины от внутренней поверхности конструкции. Расположение плоскости вероятной конденсации влаги в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий показано на рис. 5.4 а,б,в,г.

В слоистых ограждающих конструкциях порядок расположения слоев из пористых и плотных материалов очень важен для предупреждения конденсации влаги внутри конструкции. Если внутренняя часть ограждающей конструкции выполнена из пористого материала, а наружная – из плотного, то на границе раздела этих материалов может возникнуть конденсация влаги (рис.5.5б). Использование же для внутренней части конструкции плотных малопроницаемых материалов, а

для наружной – более пористых предохраняет ограждающую конструкцию от возможного увлажнения (5.5а). Подтвердим это примером 5.3.

Пример 5.3

Определить возможность конденсации влаги в стене в зависимости от расположения конструктивных слоев:

а) стена из керамзитобетона с внутренним железобетонным конструктивным слоем и наружной фактурой из цементно-песчаного раствора;

б) стена из керамзитобетона с внутренней фактурой и наружным железобетонным слоем.

Исходные данные:

Температура внутреннего и наружного воздуха равна +20°С и -7°С соответственно.

Относительная влажность внутреннего и наружного воздуха - 55% и 85%.

Толщины слоев: железобетон – 0,05 м; керамзитобетон – 0,2 м; цементно-песчаный раствор - 0,02 м.

Коэффициенты паропроницаемости: железобетон плотностью r₀ = 2500 кг/м³ – m = 0,03 мг/(м·ч·Па); керамзитобетон плотностью r₀ = 800 кг/м³ – m=0,19 мг/(м·ч·Па); цементно-песчаный раствор плотностью r₀ = 1800 кг/м³ -

m = 0,09 мг/(м·ч·Па).

Коэффициенты теплопроводности:

железобетон – l_А=1,92 Вт/(м·°С);

керамзитобетон - l_А=0,24 Вт/(м·°С);

цементно-песчаный раствор - l_А=0,76 Вт/(м·°С).

Решение:

1.Определим общее сопротивление теплопередаче ограждения по формуле (3.6):

R_o = 1/8,7+ 0,05/1,92+0,2/0,24+0,02/0,76+1/23=1,04(м²·°С)/Вт

2. Определим сопротивление паропроницанию ограждения по формуле (5.4):

R_vp = 0,05/0,03+0,2/0,19+0,02/0,09 = 2,94 м²·ч·Па/мг.

3. Определим парциальное давление водяного пара внутреннего и наружного воздуха по формуле (5.1):

e_int = (55 / 100) ·2338 = 1286 Па;

e_ext = (85/ 100) · 338 = 287 Па.

4. Определим по формуле (3.11) температуры на внутренней и наружной поверхностях ограждения также в сечениях 1 и 2 на границах конструктивных слоев t₁ и t₂:

t _{s i} = 20 - (20 + 7) (0,115) / 1,04 = 17 °С;

t _se = 20 - (20 + 7) (1,00) / 1,04 = - 6 °С;

t ₁ = 20 - (20 + 7) (0,141) / 1,04 = 16,3 °С;

t ₂ =20 - (20 + 7) (0,974) / 1,04 = -5,3 °С.

5. Определим по приложению Г значения парциальных давлений насыщенного водяного пара для данных температур:

Е_i = 1937 Па; Е_e = 369 Па;

Е₁ = 1853 Па; Е₂ = 392 Па.

6. Полученные результаты используем для построения графиков фактического парциального давления водяного пара e_int - e_ext (график - прямая линия) и давления насыщенного водяного пара Е в толще ограждающей конструкции при различном расположении конструктивных слоев (рис.5.6а,б).

Вывод: При плотном наружном конструктивном слое (рис. 5.6 б) графики е и Е пересекаются. Проведенные из точек e_int и e_ext касательные к графику Е фиксируют плоскость конденсации на границе керамзитобетон-железобетон.

При расположении слоя железобетона с внутренней стороны (рис. 5.6а) влага не конденсируется. Такое расположение слоев, кроме того, повышает теплоустойчивость ограждающей конструкции в летнее время (глава 4).

Дата добавления: 2015-05-26