Паропроницаемость ограждений
Исключение конденсации водяных паров на внутренней поверхности ограждения не может гарантировать отсутствия конденсации влаги в толще ограждения.
Влага в строительном материале может находиться в трех различных фазах: твердой, жидкой и парообразной. Каждая фаза распространяется по своему закону. В климатических условиях России наиболее актуальна задача движения водяного пара в зимний период. Из экспериментальных исследований известно, что потенциалом переноса пара - его движущей силой - служит парциальное давление водяных паров в воздухе е, Па. Внутри строительных материалов ограждения влажный воздух находится в порах материала. Пар перемещается от большего парциального давления к меньшему.
В холодный период года в помещении температура воздуха значительно выше, чем на улице. Более высокой температуре соответствует более высокое давление насыщения водяным паром Е. Не смотря на то, что относительная влажность внутреннего воздуха меньше относительной влажности наружного, парциальное давление водяных паров во внутреннем воздухе ев значительно превышает парциальное давление водяных паров в наружном воздухе ен. Поэтому поток пара направлен из помещения наружу. Процесс проникновения пара через ограждение относится к процессам диффузии. Иначе говоря, водяной пар диффундирует сквозь ограждение. Диффузия есть чисто молекулярное явление, представляющее собой замену молекул одного газа молекулами другого, в данном случае замену молекул сухого воздуха в порах строительных материалов молекулами водяного пара. А процесс диффузии водяного пара через ограждения носит название паропроницания.
Во избежание путаницы в терминологии сразу оговорим, что паропроницаемость - это свойство материалов и конструкции, выполненной из них, пропускать сквозь себя водяной пар, а паропроницание - это процесс проникания пара через материал или ограждение.
Паропроницаемость μ зависит от физических свойств материала и отражает его способность пропускать диффундирующий через себя водяной пар. Паропроницаемость материала μ количественно равна диффузионному потоку водяного пара, мг/ч, проходящего через м2 площади, перпендикулярной потоку, при градиенте парциального давления водяного пара вдоль потока, равному 1 Па/м.
Расчетные значения μ приведены в справочных таблицах [32]. Причем для изотропных материалов μ не зависит от направления потока влаги, а для анизотропных (древесины, других материалов, имеющих волокнистую структуру или прессованных) значения μ приводятся в зависимости от соотношения направлений потока пара и волокон.
Паропроницаемость для теплоизоляционных материалов, как правило, рыхлых и с открытыми порами имеет большие значения, например, для минераловатных плит на синтетическом связующем при плотности ρ=50 кг/м3 коэффициент паропроницаемости равен μ=0,60 мг/ (ч. м. Па). Материалам большей плотности соответствует меньшее значение коэффициента паропроницаемости, например, тяжелый бетон на плотных заполнителях имеет μ=0,03 мг/ (ч. м. Па). Вместе с тем бывают исключения. Экструдированный пенополистирол, утеплитель с закрытыми порами, при плотности ρ=25 - 45 кг/м3 имеет μ=0,003 - 0,018 мг/ (ч. м. Па) и практически не пропускает через себя пар.
Материалы с минимальной паропроницаемостью используются в качестве пароизоляционных слоев. Для листовых материалов и тонких слоев пароизоляции ввиду очень малого значения μ в справочных таблицах [32] приводятся сопротивления паропроницанию и толщины этих слоев.
Паропроницаемость воздуха равна μ=0,0062 м2. ч. Па /мг при отсутствии конвекции и μ=0,01 м2. ч. Па/мг при конвекции [38]. Поэтому в расчетах сопротивления паропроницанию следует иметь в виду, что пароизоляционные слои ограждения, не обеспечивающие сплошности (имеющие щели) (пароизоляционная пленка, нарушенная внутренними связями ограждения, листовые пароизоляционные слои, проложенные даже внахлест, но без промазки швов пароизоляционной мастикой), будут иметь бόльшую паропроницаемость, чем без учета этого обстоятельства.
Из физики известно, что имеется полная аналогия между процессами паропроницания и теплопроводности. Более того, соблюдается аналогоя в процессах теплоотдачи и влагоотдачи на поверхностях ограждения. Поэтому можно рассматривать аналогию между сложными процессами теплопередачи и влагопередачи через ограждение. В табл.2 представлены прямые аналоги в этих процессах.
Таблица 2
Аналогия между процессами теплопередачи и влагопередачи при диффузии пара
| Тепловое поле | Влажностное поле |
| Температура внутреннего воздуха tв, оС; внутренней поверхности τв, оС; на стыках слоев ti, оС; наружной поверхности τн, оС; наружного воздуха tн, оС. | Парциальное давление водяных паров: во внутреннем воздухе ев, Па; на внутренней поверхности евп, Па; на стыках слоев еi, Па; наружной поверхности енп, Па; в наружном воздухе ен, Па. |
| Теплопроводность материала λ, Вт/ (м. оС) | Паропроницаемость материала μ, мг/ (ч. м. Па) |
| Термическое сопротивление слоя толщиной δ, м, RТ=δ/ λ, м2. оС/Вт | Сопротивление паропроницанию слоя толщиной δ, м, Rп=δ/ μ, м2. ч. Па /мг (2.43) |
| Коэффициенты теплоотдачи на внутренней поверхности αв, Вт/ (м2. оС); на наружной поверхности αн, Вт/ (м2. оС). | Коэффициенты влагоотдачи на внутренней поверхности βв, мг/ (ч. м2. Па); на наружной поверхности βн, мг/ (ч. м2. Па). |
| Сопротивление теплоотдаче на поверхностях ограждения на внутренней Rв=1/αв, м2. оС/Вт; на наружной Rн=1/αн, м2. оС/Вт; | Сопротивление влагоотдаче на поверхностях ограждения на внутренней Rп. в=1/βв, м2. ч. Па/мг; (2.44) на наружной Rп. н=1/βн, м2. ч. Па/мг. (2.45) |
| Общее сопротивление теплопередаче ограждения Ro=Rв+Σδ/ λ+Rн, м2. оС/Вт | Общее сопротивление паропроницанию ограждения Rо. п=Rп. в+Σδ/ λ+Rп. н, м2. ч. Па/мг (2.46) |
| Плотность теплового потока через ограждение q= (tв-tн) /Ro, Вт/м2 | Плотность диффузионного потока влаги через ограждение g= (eв-ен) /Rо. п, мг/ (ч. м2) (2.47) |
По своему физическому смыслу сопротивление паропроницанию слоя ограждения - это разность упругостей водяного пара, которую нужно создать на поверхностях слоя, чтобы через 1 м2 его площади диффундировал поток пара, равный 1 мг/ч.
Общее сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции (при диффузии пара) складывается из сопротивлений паропроницанию всех его слоев и сопротивлений влагообмену на его поверхностях, как это следует из выражения (2.43).
Коэффициент влагоотдачи, как правило, в инженерных расчетах общего сопротивления паропроницанию не применяется, в расчетах используют непосредственно сопротивления влагоотдаче на поверхностях, принимая их значения равными Rп. в= 0,0267 м2. ч. Па/мг, Rп. н,= 0,0052 м2. ч. Па/мг [4].
Упругость водяного пара, диффундирующего через ограждение, по мере прохождения через его толщу будет изменяться между значениями ев и ен. Для нахождения парциального давления водяного пара ех в любом сечении ограждения (рис.9) пользуются формулой, аналогичной формуле (2.30) для определения распределения температуры по сечению ограждения:
, (2.48)
где Rп. в-х, Rп. н-х - сопротивления паропроницанию, от точки х до соотвенственно внутреннего и наружного воздуха, м2. ч. Па/мг.
Рис.9. Распределение парциального давления и давления насыщения водяных паров по сечению ограждения
Вопросы для самоконтроля.
1. Причины выпадения влаги на поверхности или в толще ограждения.
2. Отрицательные последствия выпадения влаги на поверхности или в толще ограждения.
3. Чем отличаются гидрофильные строительные материалы от гидрофобных?
4. Какова структура большинства строительных материалов?
5. Какие три формы видов связи влаги со строительным материалом по природе энергии связывания и величине энергетическиого уровня Вы знаете?
6. Что такое влажный воздух?
7. Что такое парциальное давление водяных паров во влажном воздухе?
8. Из чего складывается барометрическое давление влажного воздуха?
9. Что такое относительная влажность воздуха?
10. Какой воздух называется насыщенным водяным паром?
11. Какая температура носит название точки росы?
12. Каковы условия отсутствия конденсата в какой-либо точке сечения ограждающей конструкции?
13. Как определяется весовая влажность материала?
14. Как определяется объемная влажность материала?
15. Что такое равновесная влажность материала?
16. Что такое сорбция и десорбция? *
17. В чем проявляется сорбционный гистерезис?
18. Что является потенциалом переноса водяного пара в ограждающих конструкциях?
19. В чем состоит диффузия пара сквозь ограждение?
20. Что такое паропроницание?
21. Что такое паропроницаемость?
22. Чему количественно равна паропроницаемость материала μ?
23. Что такое пароизоляция?
24. Физический смысл сопротивления паропроницанию слоя?
25. Что такое общее сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции?
26. Напишите формулу общего сопротивления паропроницанию ограждения.
27. Как определить парциальное давление водяных паров в воздухе при известных его температуре tв и относительной влажности φв?
28. Чем определяется давление насыщенных водяных паров?
29. Начертите качественную картинку распределения парциального давления водяных паров в двухслойной стенке при известных давлениях в окружающих средах eв и eн, если μ1> μ 2.
30. Начертите качественную картинку распределения парциального давления водяных паров в двухслойной стенке при известных давлениях в окружающих средах eв и eн, если μ1< μ 2.
31. Напишите формулу для определения парциального давления водяных паров на внутренней поверхности двухслойной стенки eвн. пов при известных давлениях в средах eв и eн, толщинах слоев δ1 и δ2, паропроницаниемостях μ1 и μ 2.
32. Напишите формулу для определения парциального давления водяных паров на наружной поверхности двухслойной стенки eн. пов при известных давлениях в средах eв и eн, толщинах слоев δ1 и δ2, паропроницаниемостях μ1 и μ2.
33. Напишите формулу для определения парциального давления водяных паров между слоями двухслойной стенки e при известных давлениях в средах eв и eн, толщинах слоев δ1 и δ2, паропроницаниемостях μ1 и μ2.
34. Напишите формулу для определения парциального давления водяных паров ex в любом сечении многослойной стенки при известных давлениях в средах eв и eн, толщинах слоев δi, паропроницаниемостях μi.