Переменное значение паропроницаемости материалов в условиях эксплуатации и его влияние на прогнозирование влажностного состояния ограждающих конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Петров Артем Сергеевич, Куприянов Валерий Николаевич

Теплофизические качества и долговечность ограждающих конструкций связаны с их температурно-влажностным режимом эксплуатации и влажностью используемых материалов. Парообразная влага, проходящая через ограждение, может увлажнять её материальные слои за счёт процессов сорбции и конденсации. Инженерные методы для расчёта 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. Проведённое исследование доказывает необходимость учёта переменного значения коэффициента паропроницаемости на этапе конструирования наружных ограждающих конструкций . Показано, что: общая паропроницаемость конструкции зависит от теплопроводности её материальных слоев, так как теплопроводность способна изменить в них эксплуатационную относительную влажность, учёт переменного значения паропроницаемости существенно влияет на количественную оценку влажностного состояния конструкции, а именно расчётное количество проходящей через конструкцию влаги.

Variability of Vapor Permeability of Materials in Operating Conditions and its Impact on Walling Moisture Conditions

Thermal quality and durability of building envelopes are largely dependent on their temperature and humidity conditions. Water vapor passing through the exterior wall can moisturize its material layers by the processes of sorption and condensation. Engineering methods for calculating the accumulation of moisture uses a constant coefficient of water vapor permeability , however numerous studies have shown its significant dependence on the moisture content of materials. Considering the existence of the moisture gradient in the wall, it can be assumed that the water vapor permeability of its materials are not constant. The study shows the need to consider variability of water vapor permeability at the design stage of the external walling. A steady-state calculation method to determine the water vapor permeability coefficient on the boundary conditions of temperature and humidity using experimentally detected water vapor permeability equations depending on the relative humidity is proposed. Showed that: the total water vapor transmission rate of the wall depends on material thermal conductivity , because the change of thermal conductivity will also change the relative humidity in materiallayers of the wall, consideration of water vapor transmission rate variability may significantly affect the quantitative assessment of moisture condition, namely the estimated amount of moisture passing through the structure.

Текст научной работы на тему «Переменное значение паропроницаемости материалов в условиях эксплуатации и его влияние на прогнозирование влажностного состояния ограждающих конструкций»

Переменное значение паропроницаемости материалов в условиях эксплуатации и его влияние на прогнозирование влажностного состояния ограждающих конструкций

Проведённое исследование доказывает необходимость учёта переменного значения коэффициента паропроницаемости на этапе конструирования наружных ограждающих конструкций.

- общая паропроницаемость конструкции зависит от теплопроводности её материальных слоев, так как теплопроводность способна изменить в них эксплуатационную относительную влажность,

- учёт переменного значения паропроницаемости существенно влияет на количественную оценку влажностного состояния конструкции, а именно расчётное количество проходящей через конструкцию влаги.

Ключевые слова: паропроницаемость, ограждающие конструкции, увлажнение, теплопроводность, сорбционная влажность, минеральная вата, ячеистый бетон, кирпичная кладка.

Variability of Vapor Permeability of Materials in

Operating Conditions and its Impact on Walling Moisture

Conditions. By A.S.Petrov, V.N.Kupriyanov

it can be assumed that the water vapor permeability of its materials are not constant.

The study shows the need to consider variability of water vapor permeability at the design stage of the external walling.

A steady-state calculation method to determine the water vapor permeability coefficient on the boundary conditions of temperature and humidity using experimentally detected water vapor permeability equations depending on the relative humidity is proposed.

- the total water vapor transmission rate of the wall depends on material thermal conductivity, because the change of thermal conductivity will also change the relative humidity in materiallayers of the wall,

- consideration of water vapor transmission rate variability may significantly affect the quantitative assessment of moisture condition, namely the estimated amount of moisture passing through the structure.

Key words: vapor permeability, building envelope, moisture, thermal conductivity, moisture sorption, mineral wool, cellular concrete, brickwork.

Теплофизические качества и долговечность ограждающих конструкций во многом зависят от их температурно-влажност-ного режима эксплуатации. Известно, что парообразная влага, проходящая через ограждение, может увлажнять её материальные слои за счёт процессов сорбции и конденсации. Такими учеными, как В.Д. Мачинский, А.У. Франчук, А.С. Эпштейн, К.Ф. Фокин, В.А. Лыков и другими, были разработаны расчётные и экспериментальные методы определения влажностного состояния конструкций, учитывающие закономерности переноса в них парообразной и жидкой влаги. Данные методы требуют экспериментального определения соответствующих характеристик материалов, таких как коэффициент паропроницаемости д, влагопроводности р и др. То есть данные методы разграничивают поток влаги на различные механизмы ее переноса. Принципиально отличающимся является метод с использованием потенциала влажности, разработанный в пятидесятых годах В.Н. Богословским [1]. Отличие заключается в том, что метод не предполагает разграничения потока влаги на составляющие. Результат экспериментального исследования материала (согласно методу разрезной колонки) позволяет выполнить расчет влажностного состояния ограждения с одновременным учётом различных механизмов влагопереноса.

Таким образом, можно видеть, что существующие методы расчёта влажностного состояния ограждений условно можно разделить на методы:

- с разделением потока влаги на различные механизмы (паропроницаемость, влагопроводность и т.д.);

- без разделения потока влаги на различные механизмы (потенциал влажности).

Анализ метода с использованием потенциала влажности и его модификаций согласно [3] показывает его трудоёмкость, сопоставимую с методами, не основанными на потенциале влажности, что не позволило внедрить его в инженерные методы расчёта, доступные для широкого круга специалистов. Инженерный метод расчёта влажностного состояния (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий») основан на первой группе методов, где точность расчёта очевидно обеспечена учетом каждого механизма влагопереноса и правильным подбором значений характеристик материалов. Так, на этапе проектирования защиты ограждения от переувлажнения одной из определяющих величин является коэффициент паропроницаемости р, который подразумевает перенос влаги только в газовой фазе.

Анализ инженерного метода [2] показывает, что коэффициент паропроницаемости р всегда принимается постоянным (значения р в справочной литературе приведены для одной относительной влажности воздуха -

75% [ГОСТ 25898-83]). Однако по многочисленным исследованиям паропроницаемость материалов сильно зависит от их влажности. Такие ученые, как В. Вайцекаускас, Иогансон, Эденхольм, А.С. Эп-штейн, В. Плонский, А.М. Хелемский, Э.Э. Монствилас и другие, экспериментально выявили изменение паропроницаемости

материалов при увеличении относительной влажности воздуха. Некоторые результаты экспериментальных данных исследователей отражены на рисунке 1. Можно видеть, что значения паропроницаемости изменяются в большом интервале. Принимая во внимание, что в ограждающих конструкциях существует градиент относительной влажности воздуха, можно предположить, что значения паропроницаемости материальных слоев не будут постоянны. Указывал на данный факт в своих работах В.М. Ильинский [4]. Опираясь на данные Иоган-сона и Эденхольма, он связал изменение паропроницаемости материалов с изменением их сорбционной влажности [4; 5]. Данную зависимость авторы выразил следующим уравнением:

где цх - коэффициент паропроницаемости при средней равновесной влажности материала юх; р80 - коэффициент паропроницаемости при средней равновесной влажности материала ю80, то есть влажности, которая по изотерме сорбции соответствует относительной влажности воздуха ф = 80%.

Многие исследователи объяснили увеличение паропроницаемости материалов с ростом сорбционной влажности взаимным влиянием различных механизмов переноса влаги [4; 5; 6].

Лыков А.В. также отмечал, что диффузионный перенос пара может быть осложнён переносом жидкости [7]. В.С. Вайцекаускас в своих исследованиях [8] попытался разделить диффузионный перенос пара и капиллярный перенос влаги при определении коэффициента паропроницаемости. Авторы данной статьи предложили экспериментально установить общий коэффициент паропроницаемости материала (р) и

Рис. 1. Экспериментальные зависимости коэффициента паропроницаемости материалов ц от относительной влажности воздуха в образце ф, %, по различным источникам:

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 бетонр = 500 кг/м3

коэффициент паропроницаемости материала в газовой фазе (цг) с дальнейшим вычислением коэффициента паропроницаемости в жидкой фазе (цж). Предложенная им формула выглядит следующим образом:

Э.Э. Монствилас [9], продолжая работу В.С. Вайцекаускаса, смог экспериментально установить процентные соотношения переноса влаги в газовой и жидкой фазе для ячеистых бетонов. Он установил, что для газобетона при ф«60% перенос влаги в газовой фазе составляет 12-13%, а в жидкой - 87-88% от общего влагопереноса. При ф=100% эти переносы составляют соответственно 3-4 % и 96-97 % от общего потока влаги.

А.Г. Перехоженцев при рассмотрении паропроницаемости описывает процесс снижения паропроницаемости в газовой фазе с повышением влагосодержания материала за счёт «закупоривания» пор материала жидкой влагой [10]. Уравнение расчёта паропроницаемости выглядит следующим образом:

где коэффициент паропроницаемости пористого материала при объёмном влагосодержании юх; ц0 - коэффициент паропроницаемости абсолютно сухого материала; юн - величина объёмного влагосодержания материала при полном водонасыщении.

Таким образом, ученые сходятся во мнении, что изменение паропроницаемости материалов при увеличении влажности происходит за счёт изменения механизма переноса влаги уже в сорбционной зоне влажности материала.

Однако несмотря на многочисленные исследования авторов, экспериментальные исследования строительных материалов по определению зависимости паропроницаемости от влажности не носят систематичного характера, что до сих пор не позволило теоретически обосновать данное явление и создать метод определения паропроницаемости ограждающих конструкций для различных температурно-влажностных условий. Таким образом, установление зависимости паропроницаемости от различной влажности материала и создание метода определения паропроницаемости для различных температурно-влажностных условий до сих пор является актуальной задачей.

Таблица 1. Температурно

В данной работе описаны результаты экспериментального исследования зависимости паропроницаемости пяти наиболее используемых строительных материалов от их различной сорбционной влажности. На основе установленной зависимости создан метод определения коэффициентов паропроницаемости материальных слоёв ограждающих конструкций для различных температурно-влажностных условий эксплуатации.

Описание метода испытания паропроницаемости

материалов при различной сорбционной влажности

В качестве основного метода испытания материалов на па-ропроницаемость использовался ГОСТ 25898-83 с той разницей, что образец материала помещался в различные влажностные условия (табл. 1). Для создания необходимой относительной влажности воздуха под и над образцом использовался раствор серной кислоты определённой концентрации. Для создания нулевой влажности воздуха под образцом использовался адсорбент - хлорид кальция. Таким образом, материалы ис-пытывались в четырёх различных влажностных условиях, а именно при средней относительной влажности воздуха в образце 20%, 35%, 50% и 80% при температуре 20 °С.

Чашка с образцом взвешивалась каждые семь дней до установления стационарной десорбции влаги (по методу мокрой чашки) и адсорбции влаги (по методу сухой чашки).

С целью выявления зависимости паропроницаемости материалов от их сорбционной влажности были проведены испытания материалов на определение их сорбционной влажности по ГОСТ 24816-81. Образцы материалов испытывались в эксикаторах при значениях относительной влажности воздуха 20%, 40%, 60%, 80%, 90% и 97%. Испытания проводились в течение двух месяцев до установления стационарной массы образцов. Для образцов пенополистирола выявить изотермы сорбции не удалось вследствие малой чувствительности весов для материала столь низкой плотности (р=10 кг/м3).

Результаты испытания паропроницаемости материалов

при различной сорбционной влажности

Результаты экспериментального исследования паропроницаемости материалов при различной относительной влажности воздуха отражены в таблице 2. Видно, что паро-

-влажностные условия испытуемых образцов материалов

Метод сухой чашки

Схемы установок (влажности под и над образцом)

Средняя относительная влажность воздуха в образце

Метод мокрой чашки

Таблица 2. Значения коэффициента паропроницаемости и мг/м«ч»Па при средней относительной влажности воздуха в образце

ячеистый бетон (р=500 кг/м3) 0,137 0,170 0,186 0,199

керамический кирпич 0,014 0,016 0,022 0,036

силикатный кирпич 0,016 0,020 0,019 0,031

минвата (р=90 кг/м3) 0,264 0,339 0,414 0,514

пенопласт (р=10 кг/м3) 0,044 0,051 0,067 0,069

проницаемость каждого материала в исследуемом диапазоне относительной влажности воздуха возрастает. Наиболее существенное изменение паропроницаемости в зависимости от относительной влажности воздуха можно наблюдать в керамическом кирпиче (в 2,4 раза), в минеральной вате (в 1,94 раза) и силикатном кирпиче (в 1,92 раза).

По полученным данным были построены графики зависимости паропроницаемости материалов от средней относительной влажности воздуха в образце (рис. 2). Видно, что зависимость паропроницаемости от относительной влажности воздуха практически линейна, что подтверждается рисунком 2.

Можно видеть, что у силикатного и керамического кирпича зависимость паропроницаемости от сорбционной влажности не линейна. Объясняется это тем, что в диапазоне от 20% до 60% относительной влажности воздуха у данных материалов сорбционная влажность изменяется весьма незначительно

Рис. 2. Зависимость коэффициента паропроницаемости ц, мг/м'Ч'Па материала от средней относительной влажности воздуха в образце ф% и его сорбционной влажности Ш, %: ♦ - минеральная вата, х - силикатный кирпич, о - пенополисти-рол, А - керамический кирпич, ◊ - ячеистый бетон

по сравнению с изменением паропроницаемости в этом диапазоне (рис. 3). Таким образом, опираясь на данные экспериментов, можно сказать, что паропроницаемость не всех материалов линейно зависит от их сорбционной влажности; гораздо ближе к линейной зависимость паропроницаемости от относительной влажности воздуха в материале. Поэтому с целью упрощения математического описания данной закономерности может быть выгодно использовать линейные зависимости паропроницаемости материала от относительной влажности воздуха в образце.

На основе экспериментально выявленной закономерности создан метод определения коэффициента паропроницаемости исследуемых материалов в ограждающих конструкциях при различных температурно-влажностных условиях эксплуатации.

Описание метода определения коэффициента паропроницаемости строительных материалов для различных температурно-влажностных условий эксплуатации ограждающих конструкций

Принципиальный метод расчета отображён на блок-схеме (рис. 4). Для использования данного метода необходимы

экспериментальные зависимости паропроницаемости материалов от относительной влажности воздуха. По этим данным необходимо описать линейное уравнение этой зависимости для каждого материала.

На первом этапе расчёта ограждающая конструкция разбивается на условные сечения, в каждом из которых по существующему стационарному методу влагопереноса определяется относительная влажность воздуха. На втором этапе по выраженной зависимости паропроницаемости от относительной влажности воздуха производят расчёт коэффициента паропроницаемости для каждого условного слоя конструкции. Далее находят первое приближение относительной влажности воздуха для каждого сечения конструкции. Третий этап заключается в итерации действий второго и третьего этапов до достижения заданной погрешности.

Анализ разработанного метода определения коэффициента паропроницаемости строительных материалов

Вследствие большого числа циклов расчета итерационного метода проще воспользоваться средствами программирования. Авторами была разработана программа в среде Visual

Таблица 3. Значения сорбционной влажности материалов W, кг/кг при температуре 20 °С

20% 40% 60% 80% 90% 97%

ячеистый бетон (р=500 кг/м3) 1,056 1,698 2,231 3,044 4,017 11,796

керамический кирпич 0,045 0,028 0,110 0,670 0,825 0,979

силикатный кирпич 0,551 0,618 1,331 1,725 2,574 4,699

минвата (р=90 кг/м3) 0 0,097 0,192 0,282 0,292 0,301

Рис. 3. Изотермы сорбции материалов при температуре 20 ческий кирпич, ◊ - ячеистый бетон

С: ♦ - минеральная вата, х - силикатный кирпич, А - керами-

Basic (Microsoft Excel), позволяющая определять коэффициент паропроницаемости материальных слоёв конструкции по заданным значениям наружной и внутренней температуры и относительной влажности воздуха.

ввод исходных данных:

относительная влажность и температура наружного и внутреннего воздуха фн, 1,„ фв, ^

теплофизические характеристики используемых материалов на основе справочных таблиц

толщины материальных слоев ограждающей конструкции, количество условных сечений конструкции 6, п

расчет наружного и внутреннего парциального давления воздуха е„, е„

расчет сопротивлении теплопередаче всей конструкции и для каждого условного сечения, при толщине условного слоя 8' = 8/п

расчет значении температуры для каждого условного сечения, при толщине условного слоя 6' = 5/п

расчет сопротивлении паропроницаемости всей конструкции и для каждого условного сечения, при толщине условного слоя 5' = 6/п

расчет парциального давления воздуха в каждом условном сечении конструкции, при толщине условного слоя 6' = 5/п

расчет относительной влажности воздуха в каждом условном сечении конструкции, при толщине условного слоя 5' = б/п

ввод уравнении зависимости паропроницаемости от относительной влажности воздуха_

расчет значений коэффициентов паропроницаемости для каждого условного слоя конструкции, то есть при ф'ср = (ф1 - ф ) 2

расчет приближения значения относительной влажности воздуха в каждом условном сечении конструкции (аналогично шагам 5-7)

проверка выполнения условия заданной погрешности е

Рис. 4. Блок схема метода расчёта коэффициента паропроницаемости материалов ограждающей конструкции

С целью анализа разработанной методики было исследовано влажностное состояние материальных слоев реальной ограждающей конструкции. В течение нескольких лет экспериментально определялись значения относительной влажности воздуха и температуры в сечениях конструкции [11; 12]. Экспериментальные значения были сопоставлены с результатами расчёта по разработанной методике, а также с результатами расчёта при постоянных значениях коэффициента паропроницаемости. В первой конструкции в качестве теплоизоляционного материала применялся ячеистый бетон плотностью 400 кг/м3, во второй - минеральная вата плотностью 90 кг/м3. Конструкционный слой был выполнен из силикатного кирпича. Толщина теплоизоляционного материала в обоих случаях равна 150 мм, а конструкционного - 640 мм. В различных сечениях данной конструкции с ноября по август снимались показания температуры и относительной влажности воздуха в порах материала с помощью датчиков ДТГ-2.0, данные среднемесячных значений относительной влажности воздуха по сечению теплоизоляционного материала представлены на рисунке 5.

По наружным и внутренним условиям температуры и влажности воздуха, зафиксированным с ноября по август, были построены расчётные графики относительной влажности воздуха по сечениям теплоизоляционных слоев конструкции (рис. 6). Можно видеть, что для периода с февраля по апрель результаты расчета имеют расхождение с экспериментальными данными, представленными на рисунке 5: экспериментальные значения среднемесячной относительной влажности в этот период имеют более низкие значения. Однако в остальные месяцы наблюдается хорошая сходимость значений, как и сходимость общей динамики изменения относительной влажности воздуха по сечениям конструкции за годовой период. Также из рисунка 6 можно видеть, что результаты расчёта по предложенной методике практически совпадают с результатами классического метода расчёта при постоянном коэффициенте паропроницаемости.

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

—0 мм 25 мм —50 мм —*— 150 мм от наружной поверхности

Рис. 5. Экспериментальные значения относительной влажности воздуха в сечениях теплоизоляционного материала ограждения с ноября по август

То есть использование переменного коэффициента паропроницаемости не влияет на расчётные значения относительной влажности воздуха в конструкции, что соответствует общепринятому представлению о стационарном распределении влажности по сечению конструкции.

Однако существенные отличия можно наблюдать при количественной оценке влажностного состояния, а именно - при оценке значений сопротивления паропроницаемости конструкции и количества влаги, проходящей через неё.

Ниже приведены результаты расчёта общего сопротивления паропроницаемости исследуемых конструкций без учёта переменного коэффициента паропроницаемости и с его учётом.

Расчёт общего сопротивления паропроницаемости и количества влаги, проходящей через конструкции, с учётом переменного и постоянного значения м

Расчёт выполнен в программе по описанной выше методике. В качестве примера приведены результаты для среднемесячных значений температуры и влажности воздуха, зафиксированных в ноябре.

Граничные температурно-влажностные условия: гя = 3,33 °С, 1в = 23,35 °С, фн = 80,21%, фв = 33,1% Характеристики материальных слоев: 1 - силикатный кирпич: X = 0,76 Вт/м^°С, 8 = 0,64 м, ц = 0,031 мг/м^Па;

2 - ячеистый бетон: X = 0,2 Вт/м^°С, 8 = 0,15 м, ц = 0,2 мг/м^ч^Па;

3 - минеральная вата: X = 0,05 Вт/м^°С, 8 = 0,15 м, ц = 0,51 мг/м^Па;

4 - облицовочный слой из цементно-песчаного раствора: X = 0,76 Вт/м^°С, 8 = 0,01 м, ц = 0,11 мг/м^Па.

Значение общего сопротивления паропроницаемости Rоп есть сумма сопротивлений паропроницаемости каждого материального слоя конструкции R.:

Количество проходящей через конструкцию влаги есть разница парциальных давлений воздуха, отнесённая к общему сопротивлению паропроницаемости конструкции:

где ев и ен - среднемесячные внутреннее и наружное парциальные давления воздуха соответственно, Яоп - общее сопротивление паропроницаемости конструкции.

Результаты расчёта занесены в таблицу 4. Можно видеть, что значения общего сопротивления паропроницаемости, рассчитанные с использованием постоянных значений коэффициента паропроницаемости (табличные значения из приложения «С» к СП 50.13330.2012), значительно меньше значений общего сопротивления паропроницаемости с

Таблица 4. Результаты расчёта общего сопротивления паропроницаемости и количества влаги, проходящей через конструкции с учётом переменности значения м и без учёта

Материал конструкции при постоянных значениях ц при переменных значениях ц

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Петров Артем Сергеевич, Куприянов Валерий Николаевич

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Петров Артем Сергеевич, Куприянов Валерий Николаевич

Variability of Vapor Permeability of Materials in Operating Conditions and its Impact on Walling Moisture Conditions