Строительные статьи

Выбор расположения слоев ограждающей конструкции с учетом предотвращения внутренней конденсации

В современном строительстве ограждающие конст­рукции могут включать не только слои сплошной изо­ляции, но и содержать один или несколько слоев отра­жающей изоляции. Это материалы типа пенофол (ар - мофол), представляющие собой алюминиевую фольгу, армированную пластиковой или стекловолокон но и сеткой или наклеенную на слой вспененного полиэти­лена (полиуретана) [П - Применение их возможно при улеплении стен в частном и малоэтажном сборном до­мостроении, возведении складских помещений, строи­тельстве бань и саун, улеплении веранд или лоджий. От­ражающая изоляция применяется совместно с замкну­той воздушной прослойкой и выполняет одновременно функцию тепло - и пароизоляции.

Термическое сопротивление и возможность влаго - конденсации внутри многослойной отражающей кон­струкции зависят как от характеристик, так и от взаим­ного расположения слоев. Это расположение надо вы­брать таким образом, чтобы при заданном термическом сопротиалснии профили температуры и алажности по сечению обеспечивали отсутствие внутренней конден­сации влаги. Если ограждающая конструкция состоит из нескольких слоев сплошной изоляции, то ее терми­ческое сопротиаление не зависит от расположения сло­ев, их порядок алияет на профили температуры, упруго - стей насыщенных водяных паров и текущих упрутостей водяных паров. При наличии одного или нескольких слоев отражающей изоляции изменение их порядка ме­няет не только профиль температур, но и термическое сопротивление ограждающей конструкции. Кроме то­го, отражающая изоляция, как правило, имеет малый коэффициент паропроницаемости, что позволяет упро­стить расчеты.

Многослойная сплошная изоляция

Рассмотрим многослойную ограждающую конст­рукцию. состоящую из слоев только сплошной изоля­ции. Уравнения теплопроводности и влагопроницаемо - сти имеют вид |3|: упругости водяного пара на внутренней и наружной по­верхностях конструкции. Па; Q~ удельный тепловой по­ток, Вт/м2; G — удельный поток влаги, мг/(м2 ч).

Из уравнения (I) при заданных т0 и тп вытекает сис­тема уравнений

(3)

К,

Где удельный тепловои поток Q равен (4)

.=1

Система (3) для каждого расположения слоев опреде­ляет промежуточные значения температур {т,} (рис. 1а).

Поданным температурам Tq и тп рассчитывают упру­гости водяного пара на внутренней и наружной? п по­верхностях ограждающей конструкции:

О)

(6)

Где <р0 и <рп — заданные относительные ыажности на вну­тренней и наружной поверхностях ограждающей конст­рукции, % Е{Т) — зависимость упругости насыщенного водяного пара от температуры |5]. Для того чтобы найти упругости водяного пара {с,} (рис. 16) для промежуточных значении /, нужно решить систему уравнении

(7)

G'Fi^-E.).

Здесь и ниже приняты следующие обозначения: т, - температура на границе 1-го слоя; т0 и т„ - температуры на внутренней и наружной поверхностях конструкции, "С;

- коэффициент теплопроводности /-го материала, Вт/(м"С); Mi - коэффициент паропрошшаемости /-го материала, мг/(м ч Па); 5; - толщина /-го слоя, м; е, - уп­ругость водяного пара на границе /-го слоя. Па; ё0 и е„ - Где удельный поток влаги нравен

(8)

Профиль улругостей насыщенного водяного пара {£(т,)1 (рис. 16) зависит только от профиля температур (Т[) и строится с помощью соответствующей таблицы [5].

Конденсация влаги внутри ограждения отсутствует, если выполнено неравенство где удельный поток влаги G рассчитывается по формуле (8). Используя (13), (14), выразим условие (10) через ха­рактеристики материалов и толщины слоев:

/' = о,...,//. (9)

Значения Хо и Хп известны и они удовлетворяют неравенству (9), если на внутренней и наружной поверхностях отсутствует конденсация влаги. Выяс­ним, при каком условии это неравенство будет вы­полнено и для промежуточных значений х,- На рис. 2 Показаны зависимости для случаев, когда конденсация влаги отсутствует (кривая I) и наблюдается выпадение влаги (кривая 2). Конденсации заведомо не происходит, если зависимость х, монотонна: значения х> умень­шаются, если Хо^Хт и увеличиваются в противном случае. В первом случае слои конструкции следует расположить таким образом, чтобы выполнялось нера­венство

Xi - Xi-i - сю>

А во втором — чтобы выполнялось неравенство

Xi - Xi-I' (11)

Найдем показатель, с помощью которого можно найти последовательность слоев в ограждающей конст­рукции, для которой отсутствует внутренняя конденса - ция влаги. Формула, аппроксимирующая зависимость упругости насыщенного водяного пара от температуры Дт) из таблицы, приведенной в [5|, выглядит следую­щим образом:

£(т) = 605,161 + 46,398т+1,307т2 + 0,021т3 + + 8,458 • J О-4 т4 +1,377 - J 0~6 т5 -6,567-10"7 т6 f + 3,376• 10"8т7 - 5,468 i 0"'1 т8. (12)

Если выразить т; из (!), то разложение зависимости Е(х) в ряд Тейлора примет вид:

Где удельный тепловой поток Q рассчитывается по фор­муле (4). Знаменатель в (9), пользуясь формулой (2), за­пишем в виде:

Е,=е,-i-g—. (14) М,

К ' UJ,.,УФ-,)

(15)

М,

После упрощения, дочножая обе части полученного неравенства на

1

■ш.

07)

Обозначим через А = Q/G коэффициент, не завися­щий от расположения слоев, через FXy_X)={DE}DТ)Т ( — Производную по температуре функции упругости насы­щенного водяного пара в точке т, ч, и воспользуемся формулой (9). Неравенство (17) перепишется в виде:

0«)

Таким образом, величина

Может быть использована как показатель монотонности зависимости Xi - Справедливо следующее правило для выбора расположения слоев сплошной изоляции ог­раждающей конструкции: для того чтобы при х«>хп кон­денсации влаги внутри ограждения не происходило, нужно так расположить слои изоляции, чтобы левые ча­сти в неравенстве (18) возрастали в направлении от вну­тренней поверхности к внешней и убывали при х^Хп-

При изменении расположения слоев ограждающей конструкции меняются профили температур и упругое - тей водяного пара, но толщины и коэффициенты теп­лопроводности слоев не меняются. Следовательно, тер­мическое сопротивление конструкции Як, (м2-"С)/Вт, рассчитываемое по формуле (3J

<19>

.-I i-i Л1

Где /?, - термическое сопротивление /-го слоя, (м2 ">С)/Вт, также не меняется.

Отражающая изоляция

Рассмотрим ограждающую конструкцию, содержа­щую один или несколько паронепроницаемых слоев от­ражающей изоляции с имкнутой воздушной прослой­кой. Пусть слои с номером J — атагонепроницаемый слой отражающей изоляции, который состоит из фольги и замкнутой воздушной прослойки. Для него уравнение теплопроводности (I) выглядит следующим образом |5J:

(20)

100

4 = (23)

J

- /

Где удельный тепловой поток Q рассчитывают по формуле (4); — термическое сопротивление слоя от­ражающей изоляции, (м2-°С)/Вт:

R. =—-- 5----- ;- • (24)

С

10"

Где С — коэффициент, зависящий от отражательных свойств стенок воздушного промежутка, Вт/(м2°С); вп —условный коэффициент, называемый коэффици­ентом передачи тепла конвекцией, Вт/(м2-°С).

Коэффициент С рассчитывается по формуле 111:

I

(21)

'/Ch + i/Cj-I/Q'

Где Cs = 5,7 Вт/(м2-°С) — коэффициент излучения абсо­лютно черного тела, Cj. j и С, — коэффициенты излуче­ния стенок воздушного промежутка, которые в свою очередь равны j Cs Ч tjCs соответственно. Степени черноты Јj.|, Ej — величины табличные и безразмерные.

Коэффициент кв„ зависит от разницы температур Лт = Tj_|-Tj и толщины воздушной прослойки 6,. Значе­ния этого коэффициента приведены в |5). Аппроксими­рующая эти значения формула выглядит следующим образом:

Л„„ =0.02+ 6.1 10 4Лт+ 7.27 КТ'б.^ + 2.69 10 Чт 6„„. <22)

Таким образом, чтобы найти профиль температур {т,} (рис. За), нужно при заданных т(„ тп решить относительно разнос гей температур т, (/'= I я-1) систему уравнений:

Поскольку в „ зависит от Ах и 6j, то расчет необхо­димо вести по итерационной схеме, то есть, задаваясь, „, определять {т,}, потом находить уточненное Хв „ из таблицы (5) или по формуле (22) до тех пор, пока не бу­дет достигнута заданная точность в определении „ .

Профиль упру гостей насыщенного водяного пара {£(т,)} (рис. 36, Зв) находят так же. как и в предыдущем случае: по табличным данным, приведенным в |5|, или по формуле (12).

Коэффициент паропроницания фольги очень мал. поэтому при отсутствии конденсации влаги на поверх­ности фольги вследствие диффузии слева от нее упруго­сти водяного пара выравниваются с е(). а правее — с еп. Которые в свою очередь рассчитываются по формулам (5), (6) при заданных значениях <p, h <рп.

Рассмотрим случай влагообразования в зимнее вре­мя года (рис. 36), когда е{) > еп. Так как <рп > 1003% то есть по формуле (6) £п > еп. и с ростом температуры упру­гость насыщенного водяного пара £(т) растет, то справа от влагонепроницаемого слоя конденсации влаги про­исходить не может. Если конденсация влаги имеет мес­то. то она происходит либо на поверхности фольги, ли­бо левее ее в слоях сплошной изоляции.

В летнее время года (рис. Зв), когда е0 < темпера­тура внутренней поверхности ограждающей конструк­ции То меньше температуры наружной поверхности ог­раждающей конструкции тп, и упругости насыщенных водяных паров Е(х) убывают по направлению от внут­ренней поверхности к внешней. В то же время ср0 > 100%, то есть по формуле (5) £0 > е0. Следовательно, слева от паронепроницаемого слоя конденсации влаги происхо­дить не может. Если конденсация влаги имеет место, то она происходит либо на поверхности фольги, либо пра­вее ее в слоях сплошной изоляции.

Таким образом, правило для выбора расположения слоев ограждающей конструкции, содержащей один слой паронепронииаемой отражающей изоляции, состоит в том, что для предотвращения конденсации влаги внутри ограждения на слое фольги нужно передвинуть слой от­ражающей изоляции в зону более высоких температур.

Из формулы (24) видно, что термическое сопротив­ление воздушной прослойки tfj зависит от температур на ее границах. Следовательно, при изменении рас­положения слоев термическое сопротивление конст­рукции Як, рассчитываемое по формуле (19), уменьша­ется при переносе слоя отражающей изоляции в зону более высоких температур.

Если же в конструкции присутствует несколько паро­непроницаемых слоев отражающей изоляции, то те из них, которые расположены между двумя крайними слоя­ми отражающей изоляции, из рассмотрения выпадают вследствие того, что движение водяного пара там происхо­дить не может и, следовательно, влагоконденсация тоже.

Если же влагоконденсация происходит в слоях сплош­ной изоляции, то для слоев, расположенных до пароне­проницаемого слоя. действует правило, описанное в п. 2.

Применение отражающей изоляции в ограждающих конструкциях позволяет без значительного дополни­тельного наращивания теплоизоляции увеличить тер­мическое сопротивление стен и предотвратить выпаде­ние конденсата в толше конструкции. Очень важно применять отражающую изоляцию вместе с замкнутой воздушной прослойкой, иначе эффект прироста терми­ческого сопротивления исчезает.

Полученные правила для выбора расположения сло­ев ограждающей конструкции позволяют предотвра­тить внутреннюю конденсацию влаги. Причем, если конструкция состоит из слоев только сплошной изоля­ции, то изменение порядка расположения слоев не вли­яет на величину термического сопротивления конст­рукции, а если же в конструкции имеется хотя бы один слой отражаю шей изоляции, то термическое сопротив­ление уменьшается с переносом слоя отражающей изо­ляции в зону более высоких температур, хотя это умень­шение обычно незначительно.

Список литературы

1. Шилов И. Д. Новые экономические условия диктуют выпуск нового ассортимента продукции // Строит, материалы. 1998. № 11. С. 6.

2. Арнольд Л. В., Михайловский Г. А., Селиверстов В. М. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1979.

3. Богословский ВН. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат. 1979.

4. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждаю­щих частей зданий. М., 1973.

5. Шильд Е., Кассельман Х-Ф., Домен Г., Полепи, Р. Строительная физика. М.: Стройиздат, 1982.

В. И. МИХАЙЛОВ, канд. техн. наук (НИИ строительных материалов и изделий. Киев), Е. В. КРАСОВСКИЙ, аспирант (Киевский национальный торгово-экономический университет)