Строительная теплофизика (стр. 7 из 9)
Между весовой ωв и объемной влажностью ωо материала существует соотношение:
, (2.42)где ρ - плотность материала в сухом состоянии, кг/м3.
В расчетах чаще используется весовая влажность.
2.2.6 Сорбция и десорбция
При длительном нахождении образца материала во влажном воздухе с постоянными температурой и относительной влажностью, масса влаги, содержащейся в образце станет неизменной - равновесной. При повышении относительной влажности воздуха масса влаги в материале увеличивается, а при увеличении температуры - уменьшается. Это равновесное влагосодержание материала, соответствующее тепловлажностному состоянию воздушной среды, в зависимости от химического состава, пористости и некоторых других свойств материала может быть больше или меньше. Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в среду влажного воздуха, называется сорбцией, а процесс уменьшения влагосодержания избыточно влажного материала в среде влажного воздуха - десорбцией.
Закономерность изменения равновесного влагосодержания материала в воздушной среде с постоянной температурой и возрастающей относительной влажностью выражается изотермой сорбции.
Для подавляющего числа строительных материалов изотермы сорбции и десорбции не совпадают. Разность весовых влажностей строительного материала при одной и той же относительной влажности воздуха φ называется сорбционным гистерезисом. На рис.8 представлены изотермы сорбции и десорбции водяного пара для пеносиликата. по [38]. Из рис.8 видно, что, например, для φ = 40% при сорбции пеносиликат имеет весовую влажность ωв=1,75%, а при десорбции ωв=4%, следовательно, сорбционный гистерезис равен 4-1,75=3,25%.
Рис.8. Весовая влажность пеносиликата при сорбции (1) и десорбции (2)
Значения сорбционных влажностей строительных материалов приведены в различных литературных источниках, например, в [9].
2.2.7 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 |
| Температуравнутреннего 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 материалаλ, Вт/ (м. оС) | Паропроницаемость материалаμ, мг/ (ч. м. Па) |
| Термическое сопротивление слоятолщиной δ, м,RТ=δ/ λ, м2. оС/Вт | Сопротивление паропроницанию слоя толщиной δ, м,Rп=δ/ μ, м2. ч. Па /мг (2.43) |
| Коэффициенты теплоотдачина внутренней поверхности αв, Вт/ (м2. оС);на наружной поверхности αн, Вт/ (м2. оС). | Коэффициенты влагоотдачина внутренней поверхности βв, мг/ (ч. м2. Па);на наружной поверхности βн, мг/ (ч. м2. Па). |
| Сопротивление теплоотдаче на поверхностях огражденияна внутренней Rв=1/αв, м2. оС/Вт;на наружной Rн=1/αн, м2. оС/Вт; | Сопротивление влагоотдаче на поверхностях огражденияна 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 огражденияRo=Rв+Σδ/ λ+Rн, м2. оС/Вт | Общее сопротивление паропроницанию огражденияRо. п=Rп. в+Σδ/ λ+Rп. н, м2. ч. Па/мг (2.46) |
| Плотность теплового потока через ограждениеq= (tв-tн) /Ro, Вт/м2 | Плотность диффузионного потока влаги через ограждениеg= (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: