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%.