Зона конденсации

   Зона конденсации, это такая область в толще ограждающей конструкции, в которой парообразная влага, содержащаяся в материале начинает конденсироваться в жидкую форму и увлажнять материал конструкции. Повышение влажности конструкции приводит к уменьшению теплосопротивления, что сопровождается ещё большей конденсацией и т.д. Эта зона играет решающее значение в проектировании многослойных конструкций.

    В этой статье я хочу рассмотреть вопрос нахождения зоны конденсации, поскольку он имеет некоторый нюанс, который игнорируют многие теплотехнические онлайн-калькуляторы. А заодно показать, как рассчитать количество сконденсированной в стене воды, насколько она страшна и как можно посчитать, за какое время она оттуда испарится.

    В предыдущей статье про точку росы я подробно описал, откуда берётся роса и как она может появиться на поверхности материалов. Конечно, в домах на стенах роса выпадает крайне редко, однако отсутствие конденсации влаги на внутренней поверхности вовсе не гарантирует ограждение от увлажнения! Обычно увлажнение происходит в толще самого ограждения вследствие сорбции и конденсации водяных паров. В большинстве случаев это и является причиной повышения влажности материалов ограждения.

 

Откуда берётся водяной пар в стенах?

   В зимнее время температура воздуха внутри помещения обычно значительно выше температуры наружного воздуха. Если при этом предположить, что относительные влажности внутреннего и наружного воздуха будут одинаковыми, то давление водяного пара с внутренней стороны стены окажется значительно более высоким, чем с наружной стороны. Например, в помещении +20°С 60% влажность, а на улице -20°С 60% влажность. Парциальное давление водяного пара в помещении составит 1403 Па, на улице 62 Па. Таким образом, в зимнее время наружное ограждение отапливаемых зданий разделяет две воздушные среды с одинаковым барометрическим давлением, но с разными парциальными давлениями водяного пара. Разность величин упругости водяного пара легко может достигать 1300 Па (в нашем примере 1341 Па).
     Разность парциального давления водяного пара с одной и с другой стороны стены вызывает поток водяного пара через стену от внутренней её стороны к наружной стороне. Это явление носит название диффузии водяного пара через ограждение. Таким образом, в зимнее время водяной пар диффундирует через ограждение из помещения наружу. В летнее время при более холодном воздухе внутри помещения диффузия водяного пара может идти в обратном направлении, но это явление будет выражено значительно слабее вследствие меньшей разности температур и меньшей относительной влажности наружного воздуха. Поэтому обычно рассматривают диффузию водяного пара через ограждение только в зимнее время.

 

Как и почему вода в стене влияет на теплопроводность?

     Влажность материала в значительной степени определяет его коэффициент теплопроводности. С повышением влажности материала тот резко повышается! Например, изменение теплопроводности кладки из обыкновенного глиняного кирпича в зависимости от влажности выглядит следующим образом:

 при влажности кирпича 0,1% теплопроводность λ = 0,53 Вт/м·°С;

0,7%                                     λ = 0,72 Вт/м·°С;

2,4%                                     λ = 0,81 Вт/м·°С;

   4%                                     λ = 1,01 Вт/м·°С;

   9%                                     λ = 1,37 Вт/м·°С;

На рисунке слева эта зависимость отражена графически.

    Повышение коэффициента теплопроводности материала с увеличением его влажности объясняется тем, что вода, находящаяся в порах материала, имеет коэффициент теплопроводности λ = 0,58 Вт/(м • °С), что в 20 раз больше, чем λ воздуха в порах среднего размера. Кроме того, влага в порах материала увеличивает размеры контактных площадок между частицами материала, что также повышает его коэффициент теплопроводности. Большая интенсивность возрастания коэффициента теплопроводности материала при малой влажности объясняется тем, что при увлажнении сначала заполняются водой более мелкие поры и капилляры, влияние которых на теплопроводность больше, чем крупных пор. Еще более резко возрастает коэффициент теплопроводности в том случае, если влажный материал промерзнет, так как лед имеет коэффициент теплопроводности λ = 2,3 Вт/(м • °С), т. е. в 4 раза больший, чем вода, и, следовательно, в 80 раз больший, чем воздух в порах материала. Однако необходимо учитывать, что замерзание влаги в порах материала происходит при температуре ниже 0 °С. Причем, чем меньше размер пор, тем при более низких температурах будет замерзать влага во влажном материале. Пленка влаги толщиной 3,2 мкм не замерзает при температуре -4 °С, а пленка толщиной 1,4 мкм не замерзает и при -17 °С.

  Установить общую математическую зависимость между теплопроводностью материала и его влажностью, одинаковую для всех строительных материалов, не представляется возможным, т. к. значительное влияние оказывают форма и расположение пор материала, поэтому в расчётах используют данные лабораторных испытаний для двух условий эксплуатации, так называемые А и Б. При этом условия эксплуатации А соответствуют сухому режиму помещений при температуре +12 ... +24°С и влажности до 50%. (до 40% при +24°С). Все остальные условия эксплуатации относятся к группе Б. Для нас это означает, что рассчитывать ограждающую конструкцию необходимо по группе Б, т.е. по наихудшему показателю теплопроводности. При этом обычно указывается расчётное массовое отношение влаги в материале в процентах. Например, для газобетона плотностью 500 кг/м³ расчётное массовое отношение влаги в условиях эксплуатации Б ω = 5%, при этом его теплопроводность составит    λБ = 0,16 Вт/(м • °С) в то время как в сухом состоянии λ = 0,12 Вт/(м • °С). 

  

Сколько пара может проходить через стену?

  Из физики известно, что между процессами диффузии газов и процессами теплопроводности имеется полная аналогия. Следовательно, все положения, на которых построены законы теплопроводности, вполне применимы и к явлениям диффузии водяного пара. Для количества водяного пара, которое будет диффундировать в стационарных условиях через плоскую стенку, состоящую из однородного материала, формула выглядит так: 

Р = (ев - ен) · μ / δ

где ев и ен - парциальные давления пара внутреннего и наружного воздуха, Па,

μ - коэффициент паропроницаемости материала, мг/м·ч·Па,

δ - толщина слоя материала, м,

Р - количество диффундирующего пара, мг.

   Например, есть стена из газобетона плотностью 500 кг/м³ шириной 30 см. Внутри +20° / 50%, снаружи 0° / 80%. Газобетон имеет паропроницаемость μ = 0,2, в помещении парциальное давление пара составляет 1169 Па, на улице 489 Па. Количество проходящего через стену пара Р = (1169 - 489) · 0,2 / 0,3 = 453 мг в час, или 10,8 г в сутки. 

    Но как всегда, всё не так просто, и приведённая формула справедлива только при отсутствии конденсации водяного пара в стене! Связано это с тем, что для одного и того же материала коэффициент паропроницаемости может изменяться в зависимости от температуры и влажности материала. С понижением температуры величина μ будет уменьшаться. Влияние влажности такое же: с повышением влажности материала повышается и его коэффициент паропроницаемости. И тут нет достаточно надежного способа определения количественной зависимости коэффициента паропроницаемости материала от его влажности и в расчетах приходится принимать величины μ постоянными, не зависящими от влажности материала.

     Парциальное давление водяного пара, диффундирующего через ограждение, в его толще будет понижаться от величины ев до величины ен вследствие сопротивления паропроницанию по линейному закону, равномерно. В многослойном ограждении линия падения парциального давления водяного пара будет ломаной, причём более интенсивное падение давления будет в слоях, состоящих из малопаропроницаемых материалов. Для построения линии падения упругости водяного пара в слоистом ограждении необходимо знать давления водяного пара на границах всех слоев ограждения. Это не сложно вычислить, но, как я уже отмечал, эти вычисления будут верными только в случае отсутствия конденсации пара внутри стены.

 

Что произойдёт, если температура на улице упадёт до -30­°С на несколько дней и в стене образуется конденсат?

   Процессы диффузии водяного пара протекают значительно медленнее процессов теплопередачи и для наступления стационарных условий диффузии требуется значительно более продолжительное время. Поэтому при расчетах влажностного режима по стационарным условиям обычно принимается средняя месячная температура наиболее холодного месяца. Относительная влажность наружного воздуха берется также равной средней влажности наиболее холодного месяца.

  Диффундирующий через ограждение водяной пар будет внутри его понижать своё давление и, кроме того, встречать на своем пути более холодные слои ограждения. В некоторых случаях падение давления водяного пара и падение температуры в ограждении будут идти в такой последовательности, что конденсации влаги в толще ограждения не будет. В других же случаях, когда падение температуры в ограждении будет более интенсивным, чем падение давления водяного пара, могут создаться условия, вызывающие конденсацию водяного пара в толще ограждения.

     Согласно нормативным документам (ТКП 45-2.04-43-2006), расчёт сопротивления паропроницанию проводится для средней температуры наружного воздуха за отопительный период! Для Бреста, например, это +0,2°С, не смотря на то, что наиболее холодные сутки характеризуются  температурой -31°С.

   Падение температуры на несколько дней не вызовет значительной конденсации влаги, а при последующем повышении температуры это незначительное количество испарится, не причинив никакого вреда конструкции. Поэтому расчёт проводится именно для средней температуры за довольно большой промежуток времени.

 

Как найти зону конденсации?

     Расчет на конденсацию влаги в ограждении делается графически следующим образом. В ограждении строится линия падения температуры (красная). Закон изменения температуры в однородном слое - линейный, потому для построения этой линии достаточно соединить точки температур внутренней и наружной поверхности. По температурной линии строится линия изменения максимального давления водяного пара в ограждении (голубая). Для построения этой линии используют таблицы или приближённые формулы, но можно воспользоваться моим калькулятором в статье про точку росы. Затем строится линия падения давления водяного пара (зелёная). Если голубая и зелёная линии не пересекаются, то зелёная линия представляет собой отрезок прямой от ев до ен. и ещё это указывает на отсутствие конденсации водяного пара в ограждении, т. к. при этом в любой плоскости ограждения действительное давление водяного пара оказывается ниже максимального давления, что исключает возможность конденсации водяного пара. Картинка построена в моём теплотехническом клькуляторе для газобетона D500 толщиной 300мм, t внутр +20°С, Rh = 50% ;  t снаружи 0°С, Rh = 80%.

Если в том же примере мы опустим температуру на улице до -18°С, линия максимального давления пара Е (голубая) пересечёт прямую линию давления е (зелёную пунктирную). Если линии пересекаются, то это значит, что в ограждении возможна конденсация водяного пара. В этом случае снижение давления водяного пара в стене будет происходить не только вследствие сопротивления, оказываемого стеной диффузии пара, но и вследствие процесса конденсации водяного пара в стене. 

  Для построения линии действительного изменения упругости водяного пара в ограждении при условии конденсации из точек на поверхностях ограждения, соответствующих ев и ен, проводятся касательные к линии максимального давления водяного пара Е. На прямолинейных участках этой линии ев Е1 и Е2 ен падение упругости водяного пара происходит только вследствие сопротивления, оказываемого ему соответствующими частями стены, т. е. здесь конденсации влаги нет. На криволинейном участке Е1 Е2, совпадающем с линией максимального давления водяного пара, падение давления пара происходит в результате конденсации его в жидкость. Плоскости, параллельные поверхностям стены и проходящие через точки Е1 и Е2, выделяют в середине стены «зону конденсации», в которой и происходит конденсация водяного пара! (голубая область на графике ниже). 

Проведение касательных к линии Е для построения действительной линии падения упругости водяного пара вызывается следующими соображениями. По приведённой выше формуле, количество водяного пара Р, проходящего через любой слой однородного ограждения, пропорционально разности давлений пара на его поверхностях и обратно пропорционально его толщине, т. е. величина Р пропорциональна тангенсу угла наклона линии е к горизонтали. Если предположить, что падение давления водяного пара в стене будет идти по линии ев а Е1 Е2 ен, то есть зона конденсации будет лежать между точками а и b (оранжевые пунктирные линии), соответствующими пересечению пунктирной зелёной линии с голубой линией Е, то при этом получим, что к точке а будет слева притекать меньшее количество пара, чем уходить вправо (меньший уклон линии ев а против уклона линии Е в точке а). Это было бы возможно только при условии, что в плоскости а есть внутренние источники паровыделения, чего, конечно же, в действительности нет. То же самое было бы и в точке b. Условием равенства количеств пара, притекающего к границе зоны конденсации и отдаваемого ей, будет только касание линий ев Е1 и линии Е.

 

Сколько воды наконденсируется в этой зоне?

      Для определения количества влаги, которое будет конденсироваться в стене, нужно вычислить количество пара, приходящего в зону и вычесть из этого значения количество пара, выходящего из зоны конденсации. Остаток будет оставаться в стене в виде воды, постепенно увлажняя стену.

      Приведённая выше формула расчёта количества водяного пара как раз нам подходит для этого, поскольку в зоне ев - а и b - ен конденсации нет, а изменение давления происходит по линейлому закону. 

       Вычисляем количество водяного пара, проходящего через сухие зоны газобетона (μ = 0,2)

Р1 = (1169 - 395) · 0,2 / 0,197 = 795 мг/м²·ч;     Р2 = (171 - 100) · 0,2 / 0,022 = 645 мг/м²·ч

(откуда я взял ширину сухой зоны и давление на границах зон конденсаци? - в недрах калькулятора =) , не зря ж я его сочинил )

Разность этих количеств даст количество влаги Рω, конденсирующейся в стене: 

Рω = 795 - 645 = 150 мг/м²·ч,  В день это составит Рω = (795 - 645) · 24 / 1000 = 3,6 г/м².

Насколько это много или мало? Для нашего примерного газобетона плотностью 500 кг/м³ и шириной 30 см расчётное массовое отношение влаги в условиях эксплуатации Б ω = 5%, Считаем, сколько это будет воды:

Рωг = 500 · 0,3 · 5 / 100 = 7,5 кг/м².

7,5 кг воды составит 5% от веса газобетонной стены размером 1х1х0,3 метра.

По ТКП мы должны считать влажностные режимы для всего отопительного периода. Для Бреста это 186 суток. Значит, за 186 суток стена накопит Рω186 = 3,6 · 186 = 0,67 кг/м², что значительно меньше сорбционного предела для данного материала (ну и конечно, средняя температура у нас не -18­°С). 

     Иными словами, нарисованная на графике "зона конденсации" ещё совсем не означает, что из нашей стены потечёт ручьём вода! В данном случае в стене (как и вообще в сплошных однородных ограждениях) конденсируется незначительное количество влаги, которое не может намного повысить влажность материалов стены по сравнению с пределом их сорбционного увлажнения.
    Изучение распределения влажности в наружных кирпичных стенах в зимнее время показало, что влажность материала оказывается максимальной в середине стены и понижается к внутренней и к наружной поверхности ее, что совпадает и с данными расчета. Кроме того, известно, что влажность кирпичных стен несколько повышается к концу зимы, что также является результатом сорбции и конденсации влаги в толще стены. С повышением температуры наружного воздуха явление конденсации прекращается и влага, конденсировавшаяся в ограждении, будет постепенно испаряться из него. 

 

А что, если стена многослойная?

   В многослойных ограждениях влажностный режим зависит от порядка расположения слоев. При расчетах влажностного режима многослойных ограждений описанным выше гафическим методом встречается затруднение в нахождении точек касания линий е и Е, т. к. при этом между точкой касания и точкой ев линия падения упругости водяного пара может оказаться ломаной. Поэтому в таких случаях для графического расчета ограждение вычерчивается в масштабе сопротивлений паропроницанию его слоев так, что точки ев и ен соединяются прямой линией, а при пересечении этой линии с линией Е из этих точек проводятся прямые, касательные к линии Е

  Более подробно описывать этот метод не буду, потому что всё это делает в автоматическом режиме теплотехнический калькулятор, и мне слабо представляется человек, дочитавший до этой строчки =)

 

За какое время испарится конденсат из стены?

    Изложенный метод расчета влажностного режима наружных ограждений дает возможность рассчитать и скорость последующего просыхания ограждения после прекращения конденсации в нем водяного пара, а именно - при повышении температуры наружного воздуха. При этом в пределах зоны конденсации принимаем давление водяного пара равным максимальному Ек, соответствующему температуре в этой зоне, независимо от величин давлений водяного пара внутреннего и наружного воздуха. Затем определяем величины Р1 и Р2. При этом, если ев будет больше Ек, но Р1 будет меньше Р2, высыхание будет идти только по направлению к наружной поверхности ограждения и количество влаги, удаляемой с 1 м² ограждения в 1 ч, будет: Рвысых = Р2 - Р1. Если ев < Ек> ен, то процесс высыхания будет идти в обоих направлениях и Рвысых= Р1 + Р2. Таким образом, можно определить время, требуемое для удаления из ограждения влаги, сконденсированной в нём в течение зимнего периода, деля полное количество влаги, сконденсированной за период конденсации, на величину Рвысых.

     Для примера рассмотрим уже знакомую нам стену из газобетона D500 и шириной 30см. Теплопроводность газобетона λ = 0,16 Вт/м·°С. За отопительный период 186 суток при средней температуре наружного воздуха -18°С стена набирает 0,67 кг воды на 1 м². Параметры тёплого времени года примем следующими: температура наружного воздуха +18°С, влажность 70%. Парциальное давление пара получается е = 1445 Па. 

    Сопротивление теплопередаче всей стены:

Rо = Rв + δ/λ + Rн = 0,115 + 0,3 / 0,16 + 0,043 = 2,03 м²·°С/Вт. 

   Максимальное давление водяного пара в зоне конденсации будет на границе между внутренней сухой частью стены и самой зоной конденсации (точка Е1 на рисунке выше). Расстояние от внутренней поверхности до точки Е1 = 197 мм. Вычисляем сопротивление теплопередаче этой области:

R1 = Rв + Rвн Е1 = 0,115 + 0,197 / 0,16 = 1,34 м²·°С/Вт. 

При этом температура в точке Е1 составит:

t1 = 20 - (20-18) / 2,03 · 1,34 = 18,7 °С.

чему соответствует максимальное давление водяного пара Е1" = 2157 Па.

     Вторая "сухая" область имеет ширину 22 мм, а значит зона конденсации занимает 300 - 197 - 22 = 81 мм. Термическое сопротивление этой зоны составит:

Rк = 0,081 / 0,16 = 0,506 м²·°С/Вт. 

При этом температура в точке Е2 составит:

t2 = 20 - (20-18) / 2,03 · (1,34+0,506) = 18,2 °С.

чему соответствует максимальное давление водяного пара Е2" = 2091 Па.

    Поскольку Е1" (2157) >  ев (1169), высыхание такой стены будет идти в обоих направлениях, как внутрь, так и наружу помещения. Выясним количество влаги, удаляемой в сторону помещения и в сторону улицы:

Р1 = (2157 - 1169) · 0,2 / 0,197 = 1003 мг/м²·ч;     Р2 = (2091 - 1445) · 0,2 / 0,022 = 5873 мг/м²·ч.

Рвысых = Р1 + Р2 = 1003 + 5873 = 6876 мг/м²·ч.

   По мере удаления влаги из стены будет сокращаться зона, в которой влажность материала выше предела сорбционного увлажнения, и под конец обратится в плоскость на расстоянии 0,197+0,081*(1003/5873) = 0,21 м от внутренней поверхности. Для этого момента получим:

Rx = 0,115+0,21 / 0,16 = 1,43 м²·°С/Вт.   tx = 20 - (20-18) / 2,03 · 1,43 = 18,6 °С.  Ex = 2144 Па

Р1" = (2144 - 1169) · 0,2 / 0,21 = 929 мг/м²·ч;     Р2" = (2144 - 1445) · 0,2 / 0,09 = 1553 мг/м²·ч.

Р"высых = Р1" + Р2" = 929 + 1553 = 2482 мг/м²·ч.

Среднее количество влаги, удаляемой за период с температурой +18°С составит:

Рвысых = (6876 + 2482) / 2 = 4679 мг/м²·ч.

За зиму стена сконденсировала 670 г воды. При скорости высыхания 4,6 г/м²·ч потребуется 670 / 4,6 = 146 часов, или 6 суток с температурой +18°С для полного испарения конденсата из толщи газобетонной стены! Обычно, для расчёта увлажения или высыхания стеновых материалов используют единицу измерения времени - месяц. Как видно из всех этих расчётов, зона конденсации хоть и может образоваться в данной в стене, высыхает она за пренебрежимо короткий срок!

Насколько верить написанному и посчитанному?

     Метод расчета влажностного режима по стационарным условиям является ориентировочным и не отражает действительной картины изменения влажности материала в ограждении вследствие того, что процессы диффузии водяного пара протекают медленно. Поэтому, если по расчету получается, что в ограждении происходит конденсация пара, то это еще не значит, что в действительности она обязательно будет, особенно в ограждениях массивных (влагоёмких), так как для наступления конденсации пара требуется некоторое количество времени. Чем менее влагоёмким будет ограждение, тем более результаты расчета будут приближаться к действительности. Для получения действительной картины влажностного режима ограждения необходимо делать расчет по нестационарным условиям. Однако расчет влажностного режима по стационарным условиям является простым и может дать достаточно точный ответ на два следующих вопроса:

  • будет ли гарантировано ограждение от конденсации влаги? Если по расчету конденсации влаги в ограждении не должно быть, то оно действительно будет гарантировано от конденсации;

  • каков будет годовой баланс влаги в ограждении? Делая расчеты влажностного режима ограждения для годового периода помесячно или по четырем периодам года (осень, зима, весна, лето), можно установить годовой баланс влаги в ограждении, т. е. выяснить, происходит ли в ограждении систематическое накопление влаги или влага, конденсированная в зимний период, успевает испариться из ограждения в течение летнего периода. Таким образом, можно установить, будет ли ограждение с течением времени увлажняться или постепенно просыхать.

   Все другие вопросы, связанные с влажностным режимом ограждений, должны решаться на основании расчетов по нестационарным условиям диффузии водяного пара, который пока не входит в круг интересов автора сайта.

 

Где взять данные о парциальном давлении водяного пара?

Данные максимального парциального давления водяного пара и давления пара при заданной температуре и влажности можно получить в маленьком калькуляторе ниже. Так же калькулятор позволяет перевести максимальное давление пара Е обратно в температуру, а давление е - в относительную влажность. Т.е. этим калькулятором можно высчитать всё, что можно из температуры и влажности. 

  Калькулятор, в свою очередь, не использует приближённых формул. Его расчёты основаны на таблицах экспериментальных данных, приведённых для диапазона -25 ... +30°С в КТП "Строительная теплотехника", а для остального диапазона (-50 ... -25°С и +30 ... +50°С) в книге Landolt-Bornstein, Physikalich - chemische - Tabellen T II (Берлин, 1923). Парциальные давления для десятичных долей градусов высчитываются интерполяцией. 

Спасибо всем, кто помогает проекту! Любая ваша помощь значима!

Российский руб.

© 2015 «Project - House».  

Сайт Дмитрия Петрова