Исследование температурно-влажностного состояния ограждающих конструкций здания

Вид работы:

Курсовая работа (т)
Предмет:

Строительство
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

93,7 Кб
Опубликовано:

2014-08-16

Скачать курсовую работу Читать текст online Заказать курсовую
*Помощь в написании! Посмотреть все курсовые работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Исследование температурно-влажностного состояния ограждающих конструкций здания

ВВЕДЕНИЕ

здание температурный влажностный конструкция

В данной работе предлагается провести численное исследование температурно-влажностного состояния трёх вариантов ограждающих конструкций здания и сделать выводы о конструктивных решениях, характеризующихся наиболее благоприятным температурно-влажностным режимом.

Рассматривается три варианта конструктивных решений: наружная стена, утеплённая с внешней стороны; стена, утеплённая с внутренней стороны и стена с воздушной прослойкой. Для каждого варианта определяется необходимая толщина утеплителя, проводятся расчёты на паропроницание и теплоустойчивость. Табличные вычисления проводятся в MS Excel. Каждая часть работы заканчивается выводами. Графическая часть работы включает изображения расчётных схем, графиков изменения температуры и влажности по сечению конструкций.

Работа выполняется по индивидуальному заданию. После выполнения работы проводится её защита в виде ответов на вопросы. Оценка за курсовую работу ставится с учётом уровня знаний, самостоятельности и своевременности её выполнения, а также качества оформления.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМЫХ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

1.1 Температурно-влажностные параметры внутреннего воздуха

Температура внутреннего воздуха t_int = 20°С (для всех вариантов).

Относительная влажность внутреннего воздуха j_int = 55% (по заданию).

Максимальная упругость водяного пара внутреннего воздуха при t_int = 20°С: Е_int = 2338 Па (по табл. С.3 СП [3]).

Действительная упругость водяного пара внутреннего воздуха при j_int = 55%:

Температура точки росы внутреннего воздуха при t_int = 20°С и j_int = 55%: t_d = 10,69°С (по прил. Р СП [3]).

1.2 Температурно-влажностные параметры наружного воздуха

Пункт (район) строительства - г. Москва (по заданию).

Для данного пункта строительства в табл. 1.1 приведены данные из СНиП [1]:

t_ext - средняя месячная температура воздуха, °С; (по табл. 3* СНиП [1]);

e_ext - среднее месячное парциальное давление водяного пара, гПа (по табл. 5а СНиП [1]).

Таблица 1.1Расчётные параметры наружного воздуха

Месяцы	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
t_ext, ºС	-10,2	-9,2	-4,3	4,4	11,9	16,0	18,1	16,3	10,7	4,3	-1,9	-7,3
e_ext, гПа	2,8	2,9	3,9	6,2	9,1	12,4	14,7	14,0	10,4	7,0	5,0	3,6
E_ext, Па	255	279	427	837	1394	1818	2077	1854	1288	831	522	329
j= е/Е	1,10	1,04	0,91	0,74	0,65	0,68	0,71	0,76	0,81	0,84	0,96	1,09
коррект.j_ext	0,85	0,85	0,85	0,74	0,65	0,68	0,71	0,76	0,81	0,84	0,85	0,85
e_ext, Па	217	237	363	620	910	1240	1470	1400	1040	700	444	280

Находим максимальную упругость водяного пара Е_ext, соответствующую средней температуре наружного воздуха каждого месяца t_ext, используя табл. С.3 СП [3] или следующие эмпирические формулы (здесь Е получается в Па):

при t ³ 0;

при t < 0.

Определяем относительную влажность наружного воздуха для каждого месяца j = е/Е; вычисленные значения вносим в табл. 1.1. Если относительная влажность получается более 100%, ограничиваем её значение условной величиной 85% и вновь вычисляем e_ext.

Годовой цикл изменения температур делим на четыре периода: зимний (период влагонакопления), летний (период испарения влаги) и переходные (осенний, весенний); для каждого периода определяем средние значения температуры и влажности наружного воздуха (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Анализ расчётных параметров наружного воздуха

Расчётный период	Месяцы	Расчётные параметры наружного воздуха, по месяцам		Продолжительность периода, мес.	Расчётные параметры наружного воздуха, средние за период
		t_ext, ºС	e_ext, Па		t_ext, ºС	e_ext, Па
осенний - 5 ºС ≤ t_ext ≤ +5 ºС	X	4,3	700	2	1,2	572
	XI	-1,9	444
зимний t_ext < - 5 ºС	XII	-7,3	280	3	-8,9	245
	I	-10,2	217
	II	-9,2	237
весенний - 5 ºС ≤ t_ext ≤ +5 ºС	III	-4,3	363	2	0,05	491
	IV	4,4	620
летний t_ext > +5 ºС	V	11,9	910	5	14,6	1212
	VI	16	1240
	VII	18,1	1470
	VIII	16,3	1400
	IX	10,7	1040

1.3 Определение условий эксплуатации ограждающих конструкций

Зона влажности района строительства - нормальная (по карте прил. В СНиП [2]).

Влажностный режим помещения в холодный период года при t_int = 20°С и j_int = 55%: нормальный (по табл. 1 СНиП [2]).

Условия эксплуатации ограждающих конструкций в зависимости от влажностного режима помещений и зоны влажности: Б (по табл. 2 СНиП [2]).

1.4 Определение требуемого сопротивления теплопередаче

Продолжительность и средняя температура воздуха отопительного периода (периода со средней суточной температурой воздуха t_ext £ 8°С): z_ht = 214 сут., t_ht = -3,1 °С (по табл. 1* СНиП [1]).

Величина градусо-суток отопительного периода (ГСОП):

D_d = (t_int - t_ht)×z_ht = (20 - (-3,1))×214 = 4943,4 °С×сут.

Исследуемая ограждающая конструкция - наружная стена (по заданию), группа зданий - 2 - общественные (по заданию)

Требуемое (нормируемое) сопротивление теплопередаче исследуемой ограждающей конструкции:

R_req = a × D_d + b = 0,003×4943,4 + 1,2 = 2,68 м²×°С/Вт,

где а = 0,003, b = 1,2 (по табл. 4 СНиП [2]).

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА СТЕНЫ, УТЕПЛЁННОЙ СНАРУЖИ

2.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

Расчётная схема стены показана на рис. 2.1, состав конструкции и теплотехнические характеристики слоёв приведены в табл. 2.1.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции (стены): a_int = 8,7 Вт/(м²×°С) - (по табл. 7 СНиП [2]).

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции (стены) для холодного периода: a_ext = 23 Вт/(м²×°С) - (по табл. 8 СП [3]).

Таблица 2.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

№ слоя	Материал (поз. в табл. СП [3])	Плотность r₀, кг/м³	Толщина слояd, м	Расчётные коэффициенты при условиях эксплуатации Б (по прил. Д.1 СП [3])
				Теплопров l, Вт/(м×°С)	теплоусв s, Вт/(м²×°С)	Паропрониц m, мг/(м×ч×Па)
1	внутренняя штукатурка из цем.-песч. раствора (227)	1800	0,02	0,93	11,09	0,09
2	кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	1800	0,25	0,81	10,12	0,11
3	плиты минераловат (48)	100	х	0,065	0,71	0,56
4	кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	1800	0,12	0,81	10,12	0,11

Термические сопротивления, тепловая инерция и сопротивление паропроницанию слоёв (предварительно - без утеплителя) приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Теплотехнические характеристики слоёв конструкции

№ слоя	Слои, материалы (поз. в табл. СП [3])	Термическое сопротивление R_i = d_i/l_i, м²×°С/Вт	Тепловая инерция D_i = R_is_i	Сопротивление паропроницанию R_vp_,_i = d_i/m_i, м²×ч×Па/мг
-	Внутренний пограничный слой	1/8,7 = 0,11	-	-
1	Внутренняя штукатурка из цем.-песч. раствора (227)	0,02	0,24	0,22
2	Кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	0,31	3,12	2,27
3	Плиты минераловатные (48)	2,31	1,64	0,27
4	Кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	0,15	1,50	1,09
-	Наружный пограничный слой	1/23 = 0,04	-	-
	Итого (S)	2,94	6,50	3,85

Требуемая толщина слоя теплоизоляции определяется из условия

где d_i и l_i - толщины и коэффициенты теплопроводности слоёв;

r - коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции, учитывающий наличие теплопроводных включений; в зависимости от конструктивного решения r = 0,65…0,95. Принимаем r = 0,95, тогда R_req/r = 2,68/0,95 = 2,82 м²×°С/Вт и требуемая толщина утеплителя

= 0,065×(2,82 - 0,11 - 0,02 - 0,31 - 0,15 - 0,04) = 0,142 м.

Принимаем толщину утеплителя d₃ = 0,15 м = 150 мм (кратно 30 мм), и добавляем в табл. 2.1.

Выводы:

По сопротивлению теплопередаче конструкция соответствует нормам, так как приведённое сопротивление теплопередаче R₀r выше требуемого значения R_req:

R₀r = 2,94×0,95 = 2,80 > R_req = 2,68 м²×°С/Вт.

2.2 Определение значений температур и давления насыщенного пара по толщине конструкции

При стационарном режиме теплопередачи график распределения температур по толщине конструкции, вычерченной в масштабе термических сопротивлений, является прямой линией (рис. 2.2,а). Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтали выражает величину плотности теплового потока q через конструкцию.

Температура в рассматриваемом сечении (например, на границе слоёв) определяется из условия равенства теплового потока в сечениях:

где R_i - термические сопротивления слоёв, расположенных между рассматриваемым сечением и внутренней поверхностью конструкции.

Определяем значения температур на поверхности конструкции, на границах слоёв и дополнительно в трёх сечениях по толщине утеплителя для четырёх периодов года (осеннего, зимнего, весеннего и летнего); полученные данные вносим в табл. 2.3. Например, для зимнего периода:

Графики распределения температур по толщине конструкции показаны на рис. 2.2,б.

По найденным значениям температур в рассматриваемых сечениях t_i определяем давления насыщенного водяного пара Е_i, используя приведённые в п. 1.2 эмпирические формулы. Вычисленные значения вносим в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Распределение температуры и максимальной упругости водяного пара по сечению конструкции

Обозначения		t_i, °С по периодам года				E_i, Па по периодам года
		осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
t_i_nt		20	20	20	20	2337	2337	2337	2337
t_i_nt	Е_i_nt	19,3	18,9	19,2	19,8	2233	2179	2227	2307
t₁	Е₁	19,1	18,7	19,1	19,7	2214	2151	2207	2301
t₂	Е₂	17,2	15,6	17,0	19,2	1957	1776	1936	2222
t₃	Е₃	13,5	10,0	13,1	18,1	1545	1226	1506	2080
t₄	9,8	4,3	9,2	17,1	1212	832	1162	1946
t₅	Е₅	6,1	-1,4	5,3	16,0	943	547	889	1820
t₆	Е₆	2,4	-7,0	1,3	15,0	728	338	674	1700
t_ext	Е_ext	1,5	-8,5	0,3	14,7	680	297	626	1671
t_ext		1,2	-8,9	0,05	14,6	666	286	613	1662

2.3 Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции

Как и в стационарном процессе теплопередачи, при стационарном режиме диффузии водяного пара график распределения упругости водяного пара по толщине конструкции, вычерченной в масштабе сопротивлений паропроницанию, при отсутствии конденсации является прямой линией (пунктир на рис. 2.3,а). Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтали выражает величину плотности диффузионного потока водяного пара р через конструкцию.

Упругость водяного пара в рассматриваемом сечении (например, на границе слоёв) определяется из условия равенства диффузионного потока в сечениях:

где R_vp_,i - сопротивления паропроницанию слоёв, расположенных между рассматриваемым сечением и внутренней поверхностью конструкции.

В отличие от процесса теплопередачи, сопротивления паропроницанию пограничных слоёв (наружного и внутреннего) конструкции малы и в расчёте не учитываются.

Определяем значения упругости водяного пара на границах слоёв и в трёх сечениях по толщине утеплителя для четырёх периодов года (осеннего, зимнего, весеннего и летнего); полученные данные вносим в табл. 2.4. Например, для зимнего периода:

График распределения упругости водяного пара по толщине конструкции (в предположении отсутствия конденсации) для зимнего периода показан на рис. 2.3,а.

Найденные значения упругости водяного пара e_i в рассматриваемых сечениях сравниваем с давлением насыщенного водяного пара Е_i (табл. 2.4); если для какого-либо сечения получается E_i £ е_i, то в данном сечении происходит конденсация влаги. В этом случае график распределения упругости водяного пара по толщине конструкции (см. рис. 2.3,а), вычерченной в масштабе сопротивлений паропроницанию, состоит из трёх участков. Два линейных участка образованы касательными, проведёнными из точек e_intи e_extк графику Е, средний участок - нелинейный. Область между точками касания - зона конденсации. При совпадении точек касания получается плоскость конденсации. Тангенс угла наклона касательных к горизонтали выражает количество (плотность потока) проходящего водяного пара; касательные выражают равенство количеств пара, притекающего к границе зоны конденсации, и отдаваемого ей.

Таблица 2.4 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции

Обозначение упругости в.п.	е_i, Па по периодам года				E_i - е_i, Па по периодам года
	осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
е_i_nt	1286	1286	1286	1286	947	893	941	1021
е₁	1245	1226	1240	1282	970	925	967	1020
е₂	824	612	771	1238	1133	1164	1164	984
е₃	811	594	758	1237	734	633	748	843
е₄	799	576	744	1236	413	256	418	710
е₅	787	558	730	1234	156	-11	159	585
е₆	774	539	716	1233	-46	-202	-43	467
е_ext	572	245	491	1212	108	53	135	459

Выводы

Расчёт показывает, что конденсация влаги возможна в осенний, зимний и весенний период.

Плоскость конденсации находится на наружной грани утеплителя.

Зона конденсации расположена во внешней части утеплителя и в облицовочном слое кирпича.

В зимний период температуры t₅ и t₆ < 0, поэтому там будет образовываться слой наледи.

.4 Расчёт влажностного режима конструкции по годовому балансу влаги

Для каждого периода года определяем количество влаги, подходящей к зоне конденсации, а также уходящей от неё по формулам:

где R_vp,int - суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от внутренней поверхности до начала зоны конденсации;

R_vp,_ext - суммарное сопротивление паропроницанию слоёв от конца зоны конденсации до наружной поверхности;

z - продолжительность периода в месяцах (из табл. 1.2);

множитель 722 - среднее количество часов в месяце; множитель 1000 - обеспечивает перевод из мг в г;

значения Е_к' и Е_к'' определяются по графикам; в случае плоскости конденсации Е_к' = Е_к'' = Е_к.

Для упрощения будем считать (в запас), что конденсация происходит только в плоскости конденсации, то есть на наружной грани утеплителя.

Определяем сопротивления паропроницанию для случая расположения плоскости конденсации на наружной поверхности утеплителя:

R_vp_,_int = R_vp_,1 + R_vp_,2 + R_vp_,3 = 0,22 + 2,27 + 0,27 = 2,76 м²×ч×Па/мг,

R_vp_,_ext = R_vp_,4 = 1,09 м²×ч×Па/мг

В осенний период: Е_k_,1 = Е₆ =728 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в осенний период в стену попадает в 1,4 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 292/206 = 1,42).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В зимний период: Е_k_,2 = Е₆ =338 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в зимний период в стену попадает в 4 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 744/184 = 4,03).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В весенний период: Е_k_,3 = Е₆ = 674 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в весенний период в стену попадает в 1,3 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 320/241 = 1,33).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

Общее количество конденсата в стене

P_w = P_w₁ + P_w₂ + P_w₃ = 86 + 559 + 79 = 724 г/м².

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Допустимое количество влаги, которое может поглотить 1м² теплоизоляционного слоя:

где Dw_av - предельно допустимое приращение расчётного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя (утеплителя) за период влагонакопления; для минераловатных плит Dw_av = 3% (по табл. 12 СНиП [2]);

r - плотность теплоизоляционного слоя; r = 100 кг/м³ (из табл. 2.1);

d - толщина теплоизоляционного слоя; d = 0,15 м.

Вывод:

· Общее количество конденсата в стене превышает допустимый предел его увлажнения: P_w = 724 г/м² > DP = 450 г/м², то есть условие ограничения накопления влаги не выполняется. Необходимо предусмотреть дополнительный слой пароизоляции.

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Зона (плоскость) конденсации влаги, образовавшаяся в период влагонакопления, переносится на график, соответствующий периоду без конденсации влаги в ограждении (рис. 2.3,б). В этот период происходит испарение накопившейся влаги. Стрелками показываем направление движения влаги (к зоне или от зоны конденсации - в сторону уменьшения парциального давления водяного пара).

В запас будем считать, что конденсация происходила только в плоскости конденсации. Максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации в летний период: Е_k_,3 = Е₆ = 1700 Па.

Движение водяного пара при высыхании будет идти в направлении уменьшения парциального давления водяного пара:

Е_k_,4 > e_int = 1286 Па, Е_k_,4 > e_ext_,4 = 1212 Па.

Вывод: высыхание будет происходить в обоих направлениях.

Количество влаги, удаляемой в сторону помещения:

Количество влаги, удаляемой по направлению к наружной стороне стены:

Количество влаги, удаляемой из стены за летний период:

Выводы:

Вся накопившаяся влага за летний период будет удалена из конструкции, так как P = 2158 г/м² > P_w = 724 г/м². Условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации выполняется.

В сторону наружной поверхности испаряется почти в три раза больше влаги, чем в сторону помещения (P_ext/P_int = 1616/542 = 2,98).

.5 Нормативный расчёт на паропроницаемость

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период: e_ext = 7,7 гПа = 770 Па (по табл. 5а СНиП [1]).

Среднее парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации

E = (E_k₁×z₁ + E_k₂×z₂ + E_k₃×z₃+ E_k₄×z₄)/12 = (728×2 + 338×3 + 674×2 + 1700×5)/12 = 1026 Па.

Нормируемое сопротивление паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации:

м²×ч×Па/мг.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации R_vp_,_int больше нормируемого сопротивления : R_vp_,_int = 2,76 м²×ч×Па/мг > = 1,11 м²×ч×Па/мг;

Вывод: требование СНиП [2] по недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации выполнено.

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

В отличие от нормативной методики, где продолжительность периода влагонакопления принята равной периоду с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха, принимаем продолжительность периода влагонакопления по данным предыдущих расчётов (осенний, зимний и весенний периоды): z₀ = 7 мес. = 7×30 = 210 сут.

Среднее парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации за период влагонакопления:

E₀ = (E_k₁×z₁ + E_k₂×z₂ + E_k₃×z₃)/z₀ = (728×2 + 338×3 + 674×2)/7 = 545 Па.

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за период влагонакопления:

е_0,_ext = (e_ext_,1×z₁ + e_ext_,2×z₂ + e_ext_,3×z₃)/z₀ = (572×2 + 245×3 + 491×2)/7 = 409 Па.

Коэффициент (здесь и далее z₀ в сутках):

Нормируемое сопротивление паропроницанию из условия ограничения накопления влаги в ограждающей конструкции период конденсации:

м²×ч×Па/мг.

r - плотность теплоизоляционного слоя; r = 100 кг/м³ (из табл. 2.1);

d - толщина теплоизоляционного слоя; d = 0,15 м.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации R_vp_,_int меньше нормируемого сопротивления : R_vp_,_int = 2,76 м²×ч×Па/мг < = 3,46 м²×ч×Па/мг;

Вывод: требование СНиП [2] по ограничению накопления влаги в ограждающей конструкции за период конденсации не выполнено, требуется установка дополнительной пароизоляции.

.6 Определение необходимой толщины пароизоляции

Слой пароизоляции предназначается для увеличения сопротивления паропроницанию R_vp_,int так, чтобы выполнялось и условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации, и условие ограничения накопления влаги за период конденсации.

В нашем случае не выполняется условие ограничения накопления влаги. Определяем коэффициент, показывающий во сколько раз надо увеличить сопротивление на пути движения влаги к зоне конденсации R_vp_,int, чтобы выполнялось условие ограничения накопления влаги:

раз,

Здесь суммирование проводится по тем периодам, когда происходит конденсация влаги в конструкции.

Требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции:

ΔR_vp ³ R_vp_,_int (m - 1) = 2,76 × 0,26 = 0,70 м²×ч×Па/мг.

Найдём также требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции из условия недопустимости конденсации влаги в зимний период:

м²×ч×Па/мг.

В качестве пароизоляции применяются тонкие листовые и рулонные материалы, обладающие малой паропроницаемостью. Пароизоляция устанавливается не глубже внутренней поверхности увлажняемого слоя (утеплителя) и не глубже той плоскости, температура которой равна точке росы внутреннего воздуха. Вид (материал) дополнительной пароизоляции выбираем по таблице прил. Ш СП [3].

Выводы:

Для выполнения нормативного условия ограничения накопления влаги в утеплителе за период конденсации достаточно установить дополнительный слой пароизоляции из одного слоя рубероида толщиной 1,5 мм, для которого

R_vp = 1,1 м²×ч×Па/мг > ΔR_vp = 0,70 м²×ч×Па/мг

Добиться отсутствия конденсации влаги в зимний период можно, установив кроме слоя рубероида ещё и слой полиэтиленовой плёнки, тогда общее сопротивление паропроницанию R_vp = 1,1 + 7,3 = 8,4 м²×ч×Па/мг > ΔR_vp = 8,35 м²×ч×Па/мг.

2.7 Определение затухания и запаздывания колебаний температуры на внутренней поверхности стены

Определение затухания температурных колебаний

Для определения затухания температурных колебаний на внутренней поверхности исследуемой конструкции при суточных колебаниях температуры наружного воздуха необходимо найти коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности слоёв ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь Y_i (методика приведена в прил. 1). Определение коэффициентов теплоусвоения Y_i начинаем с первого слоя, считая от внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Для слоя штукатурки тепловая инерция D₁ = 0,24 < 1, поэтому:

Вт/(м²×°С).

Для кирпичной кладки тепловая инерция D₂ = 3,12 > 1, поэтому Y₂ = s₂ = 10,12 Вт/(м²×°С);

Для утеплителя тепловая инерция D₃ = 1,64 > 1, поэтому Y₃ = s₃ = 0,71 Вт/(м²×°С).

Для наружного облицовочного слоя из кирпичной кладки тепловая инерция D₄ = 1,50 > 1, поэтому Y₄ = s₄ = 10,12 Вт/(м²×°С).

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_ext = Y₄ = 10,12 Вт/(м²×°С).

Определяем затухание колебаний в отдельных слоях:

Величина затухания при переходе волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения:

где a_ext - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции (стены) для летнего периода:

Вт/(м²×°С),

здесь v - минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, принимаемая не менее 1 м/с; для Москвы v = 0 (по табл. 2* СНиП [1]), поэтому принимаем v = 1 м/с.

Полная величина затухания расчётной амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в исследуемой ограждающей конструкции:

v = v₁×v₂×v₃×v₄×v_ext = 1,08×8,80×24,32×1,46×1,58 = 533,18.

Выводы:

На внутренней поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 533 раза меньше, чем у наружного воздуха. Теплоустойчивость конструкции высокая.

На наружной поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 1,58 раза меньше, чем у наружного воздуха.

Наибольшее затухание температурных колебаний происходит в слое утеплителя. Объясняется это тем, что за ним расположен несущий слой (кирпичная кладка), имеющая большой коэффициент теплоусвоения (s₂ = 10,12).

На втором месте по затуханию слой с наибольшей тепловой инерцией (кирпичная кладка).

В наружной кирпичной кладке затухание невелико, что объясняется влиянием расположенного за ней утеплителя, имеющего малый коэффициент теплоусвоения (s₃ = 0,71).

Определение запаздывания температурных колебаний

Для определения запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности исследуемой конструкции необходимо найти коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения при направлении тепловой волны изнутри наружу Y_int (методика приведена в прил. 1).

Расчёт начинаем со слоя, в котором проходит граница «слоя резких колебаний» температуры, определяемого из условия SD = 1.

Определяем положение слоя резких колебаний:

для внутреннего слоя штукатурки D₁ = 0,24 < 1,

для кирпичной кладки D₂ = 3,12 > 1, следовательно, будет D₁ + D₂ > 1.

Вывод: граница слоя резких колебаний находится во втором слое (n = 2).

При n = 2 определяем коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности ограждения сразу как коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности первого слоя Y_int = Y₁:

Вт/(м²×°С).

Вывод: наличие под слоем штукатурки кирпичной стены понизило коэффициент теплоусвоения его поверхности на 5% по сравнению с теплоусвоением его материала: (11,09 - 10,46)/11,09 = 0,05.

Запаздывание температурных колебаний на внутренней поверхности исследуемой конструкции по сравнению с колебаниями наружной температуры (сдвиг фаз колебаний) в часах определяется по формуле (здесь величины arctg берутся в градусах):

ч.

Проверка: ориентировочно x = 2,7D - 0,4 = 2,7×6,50 - 0,4 = 17,15 ч.

Выводы:

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на юг, в 12 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (12 + 17) - 24 = 5 часов утра.

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на запад, в 17 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (17 + 17) - 24 = = 10 часов утра.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА СТЕНЫ, УТЕПЛЁННОЙ ИЗНУТРИ

.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

Расчётная схема стены показана на рис. 3.1, состав конструкции и теплотехнические характеристики слоёв приведены в табл. 3.1.

Коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции (стены) остаются те же: a_int = 8,7 Вт/(м²×°С), a_ext = 23 Вт/(м²×°С).

Таблица 3.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

№ слоя	Материал (поз. в табл. СП [3])	Плот-ность r₀, кг/м³	Толщина слоя d, м	Расчётные коэффициенты при условиях эксплуатации Б (по прил. Д.1 СП [3])
				теплопровод l, Вт/(м×°С)	теплоусв s, Вт/(м²×°С)	Паропрониц m, мг/(м×ч×Па)
1	внутренняя облицовка -гипсокартон (92)	800	0,0125	0,21	3,66	0,075
2	плиты минераловатные (48)	100	х	0,065	0,71	0,56
3	кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	1800	0,25	0,81	10,12	0,11

Термические сопротивления, тепловая инерция и сопротивление паропроницанию слоёв (предварительно - без утеплителя) приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Теплотехнические характеристики слоёв конструкции

№ слоя	Слои, материалы (поз. в табл. СП [3])	Термическое сопротивление R_i = d_i/l_i, м²×°С/Вт	Тепловая инерция D_i = R_is_i	Сопротивление паропроницанию R_vp_,_i = d_i/m_i, м²×ч×Па/мг
-	Внутренний пограничный слой	1/8,7 = 0,11	-	-
1	Внутренняя облицовка из гипсокартона (92)	0,06	0,22	0,17
2	Плиты минераловатные (48)	2,31	1,64	0,27
3	Кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	0,31	3,12	2,27
-	Наружный пограничный слой	-	-
	Итого (S)	2,83	4,98	2,71

Принимаем коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции r = 0,95, тогда R_req/r = 2,68/0,95 = 2,82 м2×°С/Вт и требуемая толщина утеплителя

= 0,065×(2,82 - 0,11 - 0,06 - 0,31- 0,04) = 0,141 м.

Принимаем толщину утеплителя d₃ = 0,15 м = 150 мм (кратно 30 мм), и добавляем в табл. 3.1.

Выводы:

R₀r = 2,83×0,95 = 2,69 > R_req = 2,68 м²×°С/Вт.

.2 Определение значений температур и давления насыщенного пара по толщине конструкции

Определяем значения температур и давления насыщенного водяного пара на поверхности и в толще конструкции для четырёх периодов года (табл. 3.3); изображаем графики распределения температур (рис. 3.2) и давления насыщенного пара (рис. 3.3) по толщине конструкции.

Таблица 3.3 Распределение температуры и максимальной упругости водяного пара по сечению конструкции

Обозначения		t_i, °С по периодам года				E_i, Па по периодам года
		осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
t_i_nt		20	20	20	20	2337	2337	2337	2337
t_i_nt		19,2	18,8	19,2	19,8	2230	2173	2223	2306
t₁	Е₁	18,8	18,2	18,8	19,7	2175	2092	2166	2290
t₂	Е₂	15,0	12,3	14,7	18,6	1707	1435	1674	2138
t₃	Е₃	11,2	6,5	10,7	17,5	1330	966	1283	1996
t₄	Е₄	7,4	0,6	6,6	16,4	1028	637	975	1862
t₅	Е₅	3,5	-5,3	2,5	15,3	788	391	733	1736
t_ext		1,5	-8,5	0,4	14,7	680	298	627	1671
t_ext		1,2	-8,9	0,05	14,6	666	286	613	1662

.3 Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции

Оцениваем возможность конденсации влаги внутри конструкции (табл. 3.4 и рис. 3.3,а).

Таблица 3.4 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции

Обозначение упругости в.п.	е_i, Па по периодам года				E_i - е_i, Па по периодам года
	осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
е_i_nt	1286	1286	1286	1286	944	887	937	1020
е₁	1242	1222	1237	1281	933	871	929	1008
е₂	1224	1196	1217	1280	483	239	457	859
е₃	1207	1170	1198	1278	123	-205	86	718
е₄	1189	1145	1178	1276	-161	-508	-203	586
е₅	1171	1119	1158	1274	-384	-728	-425	462
е_ext	572	245	491	1212	108	53	136	459

Выводы

Расчёт показывает, что конденсация влаги возможна в осенний, зимний и весенний период, однако, в отличие от предыдущей конструкции, в большем количестве.

Плоскость конденсации находится на наружной грани утеплителя.

Зона конденсации занимает …. {указать, где расположена зона конденсации}.

В зимний период температура t₅ < 0, поэтому там будет образовываться слой наледи.

.4 Расчёт влажностного режима конструкции по годовому балансу влаги

R_vp_,_int = R_vp_,1 + R_vp_,2 = 0,17 + 0,27 = 0,44 м²×ч×Па/мг,

R_vp_,_ext = R_vp_,3 = 2,27 м²×ч×Па/мг

Для каждого периода года определяем количество влаги, подходящей к зоне конденсации, а также уходящей от неё, считая, что конденсация происходит только в плоскости конденсации.

В осенний период: Е_k_,1 = Е₅ =788 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в осенний период в стену попадает в 12,1 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 1656/137 = 12,10).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В зимний период: Е_k_,2 = Е₅ =391 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в зимний период в стену попадает в 32 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 4460/140 = 31,93).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В весенний период: Е_k_,3 = Е₅ = 733 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в весенний период в стену попадает примерно в 12 раз больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 1837/154 = 11,95).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

Общее количество конденсата в стене

P_w = P_w₁ + P_w₂ + P_w₃ = 1519 + 4320 + 1684 = 7523 г/м².

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Допустимое количество влаги, которое может поглотить 1м² теплоизоляционного слоя, остаётся тем же, что и в предыдущем расчёте: DP = 450 г/м².

Вывод:

Общее количество конденсата в стене превышает допустимый предел его увлажнения: P_w = 7523 г/м² > DP = 450 г/м², то есть условие ограничения накопления влаги не выполняется. Необходима установка дополнительных слоёв пароизоляции.

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации в летний период: Е_k_,4 = Е₅ = 1736 Па.

Е_k_,4 > e_int = 1286 Па, Е_k_,4 > e_ext_,4 = 1212 Па.

Вывод: высыхание будет происходить в обоих направлениях.

Влажностный режим конструкции в период испарения показан на рис. 3.3,б.

Количество влаги, удаляемой в сторону помещения:

Количество влаги, удаляемой по направлению к наружной стороне стены:

Количество влаги, удаляемой из стены за летний период:

Выводы:

Вся накопившаяся влага за летний период не будет удалена из конструкции, так как P = 4567 г/м² > P_w = 7523 г/м². Условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации не выполняется. Через несколько лет эксплуатации стена промокнет.

В сторону помещения испаряется почти в 4,5 раза больше влаги, чем в сторону наружной поверхности (P_int/P_ext = 3736/832 = 4,49).

.5 Нормативный расчёт на паропроницаемость

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха за годовой период: e_ext = 7,7 гПа = 770 Па (из табл. 1.1).

Парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации, определяемое по формуле

E = (E_k₁×z₁ + E_k₂×z₂ + E_k₃×z₃+ E_k₄×z₄)/12 = (788×2 + 391×3 + 733×2 + 1736×5)/12 = 1074 Па.

м²×ч×Па/мг.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации R_vp_,_int меньше нормируемого сопротивления : R_vp_,_int = 0,44 м²×ч×Па/мг < = 1,58 м²×ч×Па/мг;

Вывод: требование СНиП [2] по недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации не выполнено.

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Проверку не проводим, так как не выполнено условие недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации.

.6 Определение необходимой толщины пароизоляции

Определяем коэффициент, показывающий во сколько раз надо увеличить сопротивление на пути движения влаги к зоне конденсации R_vp_,int:

для выполнения условия ограничения накопления влаги:

раз,

для выполнения условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации:

раз.

Требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции

ΔR_vp ³ R_vp_,_int (m - 1) = 0,44 × 8,04 = 3,50 м²×ч×Па/мг.

Дополнительно найдём требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции из условия недопустимости конденсации влаги в зимний период:

м²×ч×Па/мг.

Выводы:

Для выполнения нормативного условия ограничения накопления влаги в утеплителе за период конденсации необходимо установить дополнительный слой пароизоляции из полиэтиленовой плёнки толщиной 0,16 мм, для которого по таблице прил. Ш СП [3]

R_vp = 7,3 м²×ч×Па/мг > ΔR_vp = 3,50 м²×ч×Па/мг

Добиться отсутствия конденсации влаги в зимний период можно, установив два слоя полиэтиленовой плёнки, тогда общее сопротивление паропроницанию

R_vp = 2×7,3 = 14,6 м²×ч×Па/мг > ΔR_vp = 13,47 м²×ч×Па/мг.

.7 Определение затухания и запаздывания колебаний температуры на внутренней поверхности стены

Определение затухания температурных колебаний

Вычисляем коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоёв:

для внутренней облицовки из гипсокартона тепловая инерция D₁ = 0,22 < 1, поэтому

Вт/(м²×°С);

для утеплителя Y₂ = s₂ = 0,71 Вт/(м²×°С), так как D₂ = 1,64 > 1;

для кирпичной кладки Y₃ = s₃ = 10,12 Вт/(м²×°С), так как D₃ = 3,12 > 1.

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_ext = Y₃ = 10,12 Вт/(м²×°С).

Определяем затухание колебаний в отдельных слоях:

Величина затухания при переходе волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения:

где a_ext - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции (стены) для летнего периода (из п. 2.7).

v = v₁×v₂×v₃×v_ext = 1,38×15,63×4,87×1,58 = 166,30.

Выводы:

На внутренней поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 166 раз меньше, чем у наружного воздуха. Теплоустойчивость конструкции высокая.

Наибольшее затухание температурных колебаний происходит в слое утеплителя. Объясняется это тем, что за ним расположен слой гипсокартона, имеющий достаточно большой коэффициент теплоусвоения (Y₁ = 6,26).

На втором месте по затуханию слой с наибольшей тепловой инерцией (кирпичная кладка).

Определение запаздывания температурных колебаний

Находим положение слоя резких колебаний:

для внутреннего слоя штукатурки D₁ = 0,22 < 1,

для утеплителя D₂ = 1,64 > 1.

Вывод: граница слоя резких колебаний находится во втором слое (n = 2).

Вт/(м²×°С).

Вывод: наличие под слоем гипсокартона слоя утеплителя понизило коэффициент теплоусвоения его поверхности на 60% по сравнению с теплоусвоением его материала: (3,66 - 1,45)/3,66 = 0,60.

ч.

Проверка: ориентировочно x = 2,7D - 0,4 = 2,7×4,98 - 0,4 = 13 ч.

Выводы:

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на юг, в 12 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (12 + 12) - 24 = 0 часов ночи.

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на запад, в 17 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (17 + 12) - 24 = = 5 часов утра.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА СТЕНЫ С ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

Расчётная схема стены показана на рис. 4.1, состав конструкции и теплотехнические характеристики слоёв приведены в табл. 4.1.

Для конструкций с вентилируемой воздушной прослойкой в качестве утеплителя разрешается использовать только негорючие материалы (минераловатные плиты).

Расчётные коэффициенты для наружного экрана принимаем по данным производителя применяемой фасадной системы (прил. 2). Будем проводить два варианта расчёта на паропроницание: с учётом и без учёта паропроницаемости швов экрана.

Таблица 4.1 Состав конструкции и теплотехнические характеристики применяемых материалов

№ слоя

Материал (поз. в табл. СП [3])

Плотность r₀, кг/м³

Толщина слоя d, м

Расчётные коэффициенты при условиях эксплуатации Б (по прил. Д.1 СП [3])

теплопров l, Вт/(м×°С)

теплоусв s, Вт/(м²×°С)

паропрониц m, мг/(м×ч×Па)

внутренняя штукатурка из цем.-песч. раствора (227)

1800

0,02

0,93

11,09

0,09

кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)

1800

0,25

0,81

10,12

0,11

плиты минераловатные (48)

100

0,065

0,71

0,56

воздушная прослойка

0,05

наружный экран - керамогранит

2800

0,01

3,49

25,04

0,52 (0,008)*

Термические сопротивления, тепловая инерция и сопротивление паропроницанию слоёв (предварительно - без утеплителя) приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2 Теплотехнические характеристики слоёв конструкции

№ слоя	Слои, материалы (поз. в табл. СП [3])	Термическое сопротивление R_i = d_i/l_i, м²×°С/Вт	Тепловая инерция D_i = R_is_i	Сопротивление паропроницанию R_vp_,_i = d_i/m_i, м²×ч×Па/мг
-	Внутренний пограничный слой	1/8,7 = 0,11	-	-
1	Внутренняя штукатурка из цем.-песч. раствора (227)	0,02	0,24	0,22
2	Кладка из кирпича глиняного обыкновенного (206)	0,31	3,12	2,27
3	Плиты минераловатные (48)	2,31	1,64	0,27
4	Воздушная прослойка	0,14	0,00	0,00
5	Наружный экран - керамогранит	0,003	0,07	0,02 (1,25)*
-	Наружный пограничный слой	1/23 = 0,04
	Итого (S)	2,94	5,07	2,78 (4,01)*

* - без учёта паропроницаемости швов экрана

Термическое сопротивление замкнутой воздушной прослойки принимается по таблице 7 СП [3].

Принимаем коэффициент теплотехнической неоднородности конструкции r = 0,95, тогда R_req/r = 2,68/0,95 = 2,82 м²×°С/Вт и требуемая толщина утеплителя

= 0,065×(2,82 - 0,11 - 0,02 - 0,31 - 0,14 - 0,04) = 0,143 м.

Принимаем толщину утеплителя d₃ = 0,15 м = 150 мм (кратно 30 мм), и добавляем в табл. 4.2.

Выводы:

R₀r = 2,94×0,95 = 2,80 > R_req = 2,68 м²×°С/Вт.

4.2 Определение значений температур и давления насыщенного пара по толщине конструкции

Определяем значения температур и давления насыщенного водяного пара на поверхности и в толще конструкции для четырёх периодов года (табл. 4.3); изображаем графики распределения температур (рис. 4.2) и давления насыщенного пара (рис. 4.3) по толщине конструкции.

Таблица 4.3 Распределение температуры и максимальной упругости водяного пара по сечению конструкции

Обозначения		t_i, °С по периодам года				E_i, Па по периодам года
		осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
t_i_nt		20	20	20	20	2337	2337	2337	2337
t_i_nt	Е_i_nt	19,3	18,9	19,2	19,8	2233	2179	2227	2307
t₁	Е₁	19,1	18,7	19,1	19,7	2214	2151	2207	2301
t₂	Е₂	17,2	15,6	17,0	19,2	1957	1775	1935	2222
t₃	Е₃	13,5	10,0	13,1	18,1	1544	1225	1505	2080
t₄	Е₄	9,8	4,3	9,1	17,1	1210	830	1160	1945
t₅	Е₅	6,1	-1,4	5,2	16,0	941	545	887	1819
t₆	Е₆	2,4	-7,1	1,3	14,9	726	336	672	1699
t₇	Е₇	1,5	-8,4	0,4	14,7	681	298	627	1672
t_ext	Е_ext	1,5	-8,5	0,3	14,7	680	297	626	1671
t_ext		1,2	-8,9	0,05	14,6	666	286	613	1662

.3 Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции

Оценим возможность конденсации влаги внутри конструкции с учётом паропроницаемости швов экрана (табл. 4.4, рис. 4.3,а).

Вывод:

При отсутствии вентиляции прослойки конденсации влаги не происходит благодаря низкому сопротивлению паропроницанию экрана, обусловленного зазорами.

Таблица 4.4 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции с учётом паропроницаемости швов экрана

Обозначение упругости в.п.	е_i, Па по периодам года				E_i - е_i, Па по периодам года
	осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
е_i_nt	1286	1286	1286	1286	947	893	941	1021
е₁	1229	1203	1223	1280	985	948	984	1021
е₂	646	352	573	1220	1311	1423	1362	1002
е₃	629	327	554	1218	916	898	950	862
е₄	611	302	535	1216	599	528	625	729
е₅	594	277	516	1214	347	268	371	604
е₆	577	252	497	1213	149	84	175	487
е₇	560	227	478	1211	121	71	150	461
е_ext	572	245	491	1212	108	53	135	459

Проверим возможность конденсации влаги без учёта паропроницаемости швов экрана (рис. 4.3,б, табл. 4.5).

Вывод

Расчёт без учёта паропроницаемости швов экрана показывает, что при отсутствии вентиляции прослойки происходит конденсация влаги на наружной поверхности утеплителя и внутренней стороне экрана в осенний, зимний и весенний период.

Таблица 4.5 Оценка возможности конденсации влаги внутри конструкции без учёта паропроницаемости швов экрана

Обозначение упругости в.п.	е_i, Па по периодам года				E_i - е_i, Па по периодам года
	осенний	зимний	весенний	летний	осенний	зимний	весенний	летний
е_i_nt	1286	1286	1286	1286	947	893	941	1021
е₁	1246	1228	1242	1282	968	922	965	1020
е₂	842	639	792	1240	1114	1137	1143	982
е₃	830	621	779	1239	714	604	726	841
е₄	818	604	765	1238	392	226	395	708
е₅	806	586	752	1236	135	-41	135	582
е₆	794	569	739	1235	-68	-233	-67	464
е₇	552	726	1234	-102	-254	-98	438
е_ext	572	245	491	1212	108	53	135	459

.4 Расчёт влажностного режима конструкции по годовому балансу влаги

Расчёт проводим без учёта паропроницания швов экрана.

R_vp_,_int = R_vp_,1 + R_vp_,2 + R_vp_,3 = 0,22 + 2,27 + 0,27 = 2,76 м²×ч×Па/мг (как в п. 2.4),

R_vp_,_ext = R_vp_,5 = 1,25 м²×ч×Па/мг

Для каждого периода года определяем количество влаги, подходящей к зоне конденсации, а также уходящей от неё. В качестве зоны конденсации будем считать воздушную прослойку.

В осенний период: Е_k_,1' = Е₆ =726 Па, Е_k_,1'' = Е₇ =681 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в осенний период в стену попадает в 2,3 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 293/126 = 2,33).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В зимний период: Е_k_,2' = Е₆ =336 Па, Е_k_,2'' = Е₇ =298 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в зимний период в стену попадает в 8 раз больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 745/93 = 8,05).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

В весенний период: Е_k_,3' = Е₆ =672 Па, Е_k_,3'' = Е₇ =627 Па.

Количество влаги, подходящего из помещения к зоне конденсации:

Количество влаги, уходящего из зоны конденсации наружу:

Вывод: в весенний период в стену попадает примерно в 2 раза больше влаги, чем может выйти наружу (P_int/ P_ext = 321/157 = 2,04).

Количество пара, конденсирующегося в стене за зимний период:

Общее количество конденсата в стене

P_w = P_w₁ + P_w₂ + P_w₃ = 167 + 652 + 164 = 983 г/м².

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Допустимое количество влаги, которое может поглотить 1м² теплоизоляционного слоя: DP = 450 г/м² (то же, что в п. 2.4).

Вывод:

Общее количество конденсата в стене превышает допустимый предел его увлажнения: P_w = 983 г/м² > DP = 450 г/м², то есть условие ограничения накопления влаги не выполняется. Необходимо устройство дополнительного слоя пароизоляции или вентиляции прослойки наружным воздухом.

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

Максимальная упругость водяного пара в плоскости конденсации в летний период: Е_k_,4' = Е₆ =1699 Па, Е_k_,4'' = Е₇ = 1672 Па.

Е_k_,4' > e_int = 1286 Па, Е_k_,4'' > e_ext_,3 = 1212 Па.

Вывод: высыхание будет происходить в обоих направлениях.

Влажностный режим конструкции в период испарения показан на рис. 4.3,в.

Количество влаги, удаляемой в сторону помещения:

Количество влаги, удаляемой по направлению к наружной стороне стены:

Количество влаги, удаляемой из стены за летний период:

Выводы:

Вся накопившаяся влага за летний период будет удалена из конструкции, так как P = 1867 г/м² > P_w = 1734 г/м². Условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации выполняется.

В сторону наружной испаряется почти в 2,5 раза больше влаги, чем в сторону наружной поверхности (P_ext /P _int = 1327/540 = 2,46).

4.5 Нормативный расчёт на паропроницаемость

Проверка условия недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации

E = (E_k₁×z₁ + E_k₂×z₂ + E_k₃×z₃+ E_k₄×z₄)/12 = (726×2 + 336×3 + 672×2 + 1699×5)/12 = 1025 Па.

м²×ч×Па/мг.

Вывод: требование СНиП [2] по недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации выполнено. Возможность высыхания влаги подтверждают и предыдущие расчёты.

Проверка условия непревышения допустимой массовой влажности материала

Проверку не проводим, так как предыдущие расчёты показали, что она не выполнится. Для ограничения накопления влаги в прослойке предусматриваем вентиляцию её наружным воздухом.

.6 Определение теплового и влажностного режима вентилируемой воздушной прослойки

Расчёт проводим для условий зимнего периода.

Определение скорости движения и температуры воздуха в прослойке

Чем длиннее (выше) прослойка, тем больше скорость движения воздуха и его расход, а, следовательно, и эффективность выноса влаги. С другой стороны, чем длиннее (выше) прослойка, тем больше вероятность недопустимого влагонакопления в утеплителе и на экране.

Расстояние между входными и выходными вентиляционными отверстиями (высоту прослойки) принимаем равным Н = 12 м.

Среднюю температуру воздуха в прослойке t₀ предварительно принимаем как

t₀ = 0,8t_ext = 0,8×(-8,9) = -7,12 °С.

Скорость движения воздуха в прослойке при расположении приточных и вытяжных отверстий на одной стороне здания:

м/с.

где x - сумма местных аэродинамических сопротивлений течению воздуха на входе, на поворотах и на выходе из прослойки; в зависимости от конструктивного решения фасадной системы x = 3…7; принимаем x = 6.

Площадь сечения прослойки условной шириной b = 1 м и принятой (в табл. 4.1) толщиной d = 0,05 м: F = b×d = 0,05 м².

Эквивалентный диаметр воздушной прослойки:

Плотность воздуха в прослойке

Количество (расход) воздуха, проходящего через прослойку:

Коэффициент теплоотдачи поверхности воздушной прослойки a₀ предварительно принимаем по п. 9.1.2 СП [3]: a₀ = 10,8 Вт/(м²×°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи внутренней части стены:

(м²×°С)/Вт,

K_int = 1/R_0,_int = 1/2,85 = 0,351 Вт/(м²×°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи наружной части стены:

(м²×°С)/Вт,

K_ext = 1/R_0,_ext = 1/0,14 = 7,198 Вт/(м²×°С).

Коэффициенты

0,351×20 + 7,198×(-8,9) = -57,03 Вт/м²,

0,351 + 7,198 = 7,549 Вт/(м²×°С).

Уточняем среднюю температуру воздуха в прослойке:

°С,

где с - удельная теплоёмкость воздуха, с = 1000 Дж/(кг×°С).

Средняя температура воздуха в прослойке отличается от принятой ранее более чем на 5%, поэтому уточняем расчётные параметры.

Скорость движения воздуха в прослойке:

м/с.

Плотность воздуха в прослойке

Количество (расход) воздуха, проходящего через прослойку:

Уточняем коэффициент теплоотдачи поверхности воздушной прослойки:

Вт/(м²×°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи внутренней части стены:

(м²×°С)/Вт,

K_int = 1/R_0,_int = 1/3,06 = 0,327 Вт/(м²×°С).

Сопротивление теплопередаче и коэффициент теплопередачи наружной части стены:

(м²×°С)/Вт,

K_ext = 1/R_0,_ext = 1/0,35 = 2,826 Вт/(м²×°С).

Коэффициенты

0,327×20 + 2,826×(-8,9) = -18,62 Вт/м²,

0,327 + 2,826 = 3,153 Вт/(м²×°С).

Уточняем среднюю температуру воздуха в прослойке:

°С

Уточняем ещё несколько раз среднюю температуру воздуха в прослойке, пока значения на соседних итерациях не будут отличаться более, чем на 5% (табл. 4.6).

Таблица 4.6 Уточнение средней температуры воздух в вентилируемой прослойке

Расчётные параметры		Итерации (приближения)
		2	3	4	5	6
g₀	кг/м³	1,329	1,330	1,330	1,330	1,330
v	м/с	0,49	0,44	0,46	0,45	0,45
W	кг/(м×c)	0,0326	0,0294	0,0305	0,0301	0,0303
a₀	Вт/(м²×°С)	3,25	3,18	3,21	3,20	3,20
1/a₀	(м²×°С)/Вт	0,308	0,314	0,312	0,313	0,312
R_0,int	(м²×°С)/Вт	3,06	3,07	3,06	3,07	3,07
K_int	Вт/(м²×°С)	0,327	0,326	0,326	0,326	0,326
R_0,ext	(м²×°С)/Вт	0,35	0,36	0,36	0,36	0,36
K_ext	Вт/(м²×°С)	2,826	2,775	2,793	2,786	2,789
A	Вт/м²	-18,62	-18,17	-18,33	-18,27	-18,29
K	Вт/(м²×°С)	3,153	3,101	3,119	3,113	3,115
t₀	°С	-7,68	-7,59	-7,62	-7,61	-7,61

Температура воздуха в прослойке на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия (на выходе из прослойки х = Н = 12 м):

°С.

Значения температуры воздуха в прослойке через каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, график изменения температур - на рис. 4.4.

Температура на внутренней поверхности экрана на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия (на выходе из прослойки х = Н = 12 м):

°С.

Значения температуры на внутренней стороне экрана через каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, график изменения температур - на рис. 4.4.

Вывод: по мере продвижения по прослойке воздух нагревается (t_x > t_ext) и нагревает внутреннюю поверхность экрана.

Проверка возможности конденсации влаги на внутренней стороне экрана

Коэффициенты паропроницания внутренней части стены (до плоскости возможной конденсации) и наружной части (экрана):

M_int = 1/R_vp_,int = 1/ 2,76 = 0,362 мг/(м²×ч×Па),

M_ext = 1/ R_vp_,ext = 1/1,25 = 0,800 мг/(м²×ч×Па).

Коэффициенты

0,362×1286 + 0,800×245 = 661,20 мг/(м²×ч),

0,362 + 0,800 = 1,162 мг/(м²×ч×Па).

Объём воздуха, проходящего через прослойку:

м³/с.

Парциальное давление (упругость) водяного пара в прослойке на расстоянии х от входного вентиляционного отверстия:

, где .

На выходе из прослойки:

, Па.

Конденсации влаги на внутренней поверхности экрана не будет, если действительная упругость водяного пара в прослойке e_x будет меньше максимальной упругости водяного пара Е_х, соответствующей температуре экрана t_х.

Значения e_x и Е_хчерез каждый 1 м высоты представлены в табл. 4.7, графики изменения e_x и Е_хпо высоте прослойки показаны на рис. 4.4.

Таблица 4.7 Распределение температуры и влажности по длине прослойки

х, м	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
t_x, °С	-8,90	-8,60	-8,34	-8,10	-7,88	-7,68	-7,50	-7,35	-7,20	-7,07	-6,95	-6,85	-6,75
В	29536	29503	29473	29446	29422	29400	29381	29363	29347	29333	29320	29308	29298
e_x, Па	245	245	246	246	247	247	248	249	249	250	250	251	251
t_x, °С	-8,9	-8,9	-8,8	-8,8	-8,8	-8,7	-8,7	-8,7	-8,7	-8,7	-8,6	-8,6	-8,6
Е_х, Па	286	287	288	289	290	290	291	291	292	292	293	293	293
Е_х - e_x	42	42	42	43	43	43	43	43	43	43	42	42	42

Вывод:

Конденсации влаги на внутренней поверхности экрана не будет, поскольку для всех сечений e_x < Е_х .

По мере движения по прослойке упругость водяного пара в воздухе повышается (с 245 до 251 Па) за счёт … . {дополнить, за счёт чего}.

.7 Определение затухания и запаздывания колебаний температуры на внутренней поверхности стены

Определение затухания температурных колебаний

Вычисляем коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности слоёв:

для первых трёх слоёв коэффициенты остаются теми же, что и в п. 2.7:

Y₁ = 9,56 Вт/(м²×°С); Y₂ = s₂ = 10,12 Вт/(м²×°С), Y₃ = s₃ = 0,71 Вт/(м²×°С);

Вт/(м²×°С),

для экрана (D₅ = 0,07 < 1):

Вт/(м²×°С).

Коэффициент теплоусвоения наружной поверхности ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_ext = Y₅ = 2,44 Вт/(м²×°С).

Определяем затухание колебаний в отдельных слоях:

для первых трёх слоёв затухание остаётся тем же, что и в п. 2.7:

v₁ = 1,08; v₂ = 8,85; v₃ = 24,29;

;

Величина затухания при переходе волны от наружного воздуха к наружной поверхности ограждения:

где a_ext = 17,4 Вт/(м²×°С) - то же, что в п. 2.7.

v = v₁×v₂×v₃×v₄×v₅×v_ext = 1,08×8,80×24,32×1,10×0,94×1,14 = 272,05.

Определение запаздывания температурных колебаний

Положение слоя резких колебаний и коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности первого слоя Y_int остаются теми же, что и в п. 2.7.

Запаздывание температурных колебаний на внутренней поверхности исследуемой конструкции по сравнению с колебаниями наружной температуры (сдвиг фаз колебаний) в часах (здесь величины arctg берутся в градусах):

ч.

Проверка: ориентировочно x = 2,7D - 0,4 = 2,7×5,07 - 0,4 = 13,3 ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На внутренней поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 272 раза меньше, чем у наружного воздуха. Теплоустойчивость конструкции высокая.

На наружной поверхности стены амплитуда колебаний температуры будет в 1,14 раза меньше, чем у наружного воздуха.

На втором месте по затуханию слой с наибольшей тепловой инерцией (кирпичная кладка).

В экране и воздушной прослойке затухание невелико, что объясняется малыми коэффициентами теплоусвоения расположенных друг за другом слоёв (Y₃ = 0,71, Y₄ = 0,65).

При максимуме температуры на наружной поверхности стены, обращённой на юг, в 12 часов дня, максимум температуры на внутренней поверхности будет в (12 + 12) - 24 = 0 часов утра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий: Учебник. - М.: Стройиздат, 2010. - 287 с.

2. Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2009. - 320 с.

. Соловьев А.К. Физика среды: Учебник. - М.: Изд-во АСВ, 2011. - 344 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочные данные

Определение значений температур по толщине ограждающей конструкции (к рис. 2.2)

По оси абсцисс в выбранном масштабе откладываем (рис. 2.2,а) последовательно термические сопротивления R_i всех слоев конструкции, а также внутреннего и наружного пограничных слоев воздуха (из табл. 2.2).

По вертикали на внешних границах воздушных слоев в принятом масштабе откладываются значения температур внутреннего t_intи наружного (из табл. 1.2) воздуха: для зимнего (t_ext,2), летнего (t_ext,4), весеннего (t_ext,3) или осеннего (t_ext,1) периодов года.

Строятся температурные графики для выбранных периодов года (в условиях стационарной теплопередачи графики - прямые линии).

Найденные значения температур в каждом сечении с рис. 2.2,а переносим на разрез конструкции, выполненный в масштабе реальных толщин (рис. 2.2,б).

Проверка возможности конденсации влаги внутри конструкции (к рис. 2.3)

По оси абсцисс в выбранном масштабе откладываем последовательно сопротивления паропроницанию всех слоёв конструкции R_vp,_i (рис. 2.3,а); с рис. 2.2 переносим отмеченные ранее сечения с сохранением их нумерации.

По оси ординат в выбранном масштабе откладываем со стороны внутренней поверхности значение e_int, а со стороны наружной поверхности - среднее значение парциального давления водяного пара за зимний период e_ext2, и соединяем их прямой линией (пунктирная линия).Полученная прямая представляет собой график изменения парциального давления водяного пара в ограждающей конструкции без учета возможной конденсации при установившемся процессе диффузии водяного пара.

По данным табл. 2.3 для зимнего периода строим график изменения давления насыщенного водяного пара Е (тонкая линия).

Проводим анализ взаимного расположения графиков Е и e:если графики не пересекаются, то конденсация водяного пара в ограждении отсутствует; в случае пересечения или касания графиков в конструкции возможна конденсация влаги.

Если конденсация влаги отсутствует, влажностный режим ограждающей конструкции считается удовлетворительным, и далее расчёт не проводится.

В случае конденсации влаги (зимой) определяется плоскость или зона конденсации, для этого из концов прямой e_int- e_ext,2проводятся касательные к графику Е. Область между точками касания Е_к' и Е_к" - зона конденсации. При совпадении точек касания получается плоскость конденсации. Затем проводится итоговый график изменения парциального давления с учетом конденсации водяного пара (жирная линия).

Аналогичные построения можно выполнить для остальных периодов года.

На графике Е для периода испарения влаги (рис. 2.3,б) отмечаем границы зоны (плоскость), где происходила конденсация влаги, и соединяем их прямыми с точками e_intи e_ext,4. Стрелками показываем направление движения влаги от зоны конденсации (в сторону уменьшения парциального давления водяного пара).

Определение необходимой толщины пароизоляции (к п. 2.6)

Слой пароизоляции предназначается для увеличения сопротивления паропроницанию R_vp_,int так, чтобы выполнялось как условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации, так и условие ограничения накопления влаги за период конденсации. Требуемое сопротивление паропроницанию слоя пароизоляции определяется по формуле:

ΔR_vp ³ R_vp_,_int (m - 1) ,

где m - коэффициент, показывающий во сколько раз надо увеличить сопротивление на пути движения влаги к зоне конденсации R_vp_,int.

Если не выполняется условие недопустимости накопления влаги в конструкции за годовой период эксплуатации, то

Здесь суммирование проводится по всем периодам года.

Если не выполняется условие ограничения накопления влаги в конструкции за период конденсации, то

Здесь суммирование проводится по тем периодам, когда происходит конденсация влаги в конструкции.

Определение коэффициентов теплоусвоения (к п. 2.7)

Определение коэффициентов теплоусвоения наружной поверхности слоёв ограждения при направлении тепловой волны снаружи внутрь Y_i начинаем от внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Для слоёв, имеющих показатель тепловой инерции D_i > 1, коэффициент теплоусвоения наружной поверхности слоя Y_i принимается равным коэффициенту теплоусвоения материала s_i.

Для слоёв с тепловой инерцией D_i < 1 коэффициент теплоусвоения наружной поверхности определяется следующим образом:

для первого слоя - по формуле

;

для каждого последующего i-го слоя - по формуле

где R₁, R_i - термические сопротивления соответственно первого и i-го слоев ограждающей конструкции, м²×°С/Вт;

s₁, s_i - расчётные коэффициенты теплоусвоения материала соответственно первого и i-го слоев, Вт/(м²×°С);

Y₁, Y_i, Y_i_-1 - коэффициенты теплоусвоения наружной поверхности соответственно первого, i-го и (i - 1)-го слоев ограждающей конструкции, Вт/(м²×°С).

Определение коэффициента теплоусвоения внутренней поверхности ограждения при направлении тепловой волны изнутри наружу Y_int производится в пределах слоя резких колебаний (для слоя резких колебаний тепловая инерция D = 1).

Если первый (внутренний) слой ограждающей конструкции имеет тепловую инерцию D > 1, то слой резких колебаний лежит в первом слое конструкции, а значит, Y_int = s₁.

Если для n слоёв тепловая инерция D₁ + D₂ + ... + D_n_-1 < 1, но D₁ + D₂ + ... + D_n > 1, то коэффициент Y_int определяется последовательно расчётом коэффициентов теплоусвоения внутренней поверхности слоев конструкции, начиная с (п - 1) слоя:

для (n - 1) слоя - по формуле

для каждого последующего i-го слоя (i = n - 2, n - 3, ... , 1) - по формуле

и коэффициент Y_int будет равен коэффициенту теплоусвоения последнего слоя: Y_int = Y₁.

Если тепловая инерция всей ограждающей конструкции D < 1, то коэффициент Y_int определяется для наружного (n-го слоя) - по формуле

для каждого последующего i-го слоя (i = n - 2, n - 3, ... , 1) - как в предыдущем случае.

Теплотехнические характеристики некоторых фасадных систем

№	Материал экрана (фасадная система)	Плотность r₀, кг/м³	Толщина слоя d, м	Расчётные коэффициенты
				теплопров l, Вт/(м×°С)	теплоусв s, Вт/(м²×°С)	паропрониц m, мг/(м×ч×Па)
1	Панель-экран цементно-волокнистая (Краспан)	1800	0,008	0,93	8,1	0,114 (0,03)*
2	Керамогранит (Гранитогресс)	2800	0,01	3,49	25,04	0,52 (0,008)*
3	Стальные кассетные панели (U-KON)	7850	0,004	58	126,5	0,108 (0,018)*

Без учёта проницаемости стыковых швов экрана

Исследование температурно-влажностного состояния ограждающих конструкций здания