Точка росы

Точка росы

Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество влаги в виде водяного пара, что и обусловливает его влажность, причем в теплом воздухе всегда больше, чем в холодном. При температуре воздуха +20 °С и относительной влажности 60% в воздухе содержится 10,4 г водяных паров на 1 м³ сухого воздуха, которые создают парциальное давление 1403 Па. При температуре –10°С и относительной влажности 60% в воздухе содержится около 1,3 г пара на 1 м³ сухого воздуха, создающего парциальное давление 156 Па. Из-за разницы парциальных давлений между внутренним и наружным воздухом через стену происходит постоянная диффузия водяных паров из теплого помещения наружу. В результате в реальных условиях эксплуатации материал в конструкциях находится в несколько увлажненном состоянии.

Количество влаги в виде пара в воздухе нельзя повышать бесконечно - в конце концов наступает такое насыщение паром, что влага начинает конденсироваться в виде капель воды на любой поверхности, и даже на пылинках, летающих в воздухе. Так, например, формируются дождевые капли: водяной пар в воздухе собирается в капельки, если есть частицы, к которым можно «прилипнуть». Над океанами водяной пар может смачивать частицы соли и образовывать капельки. Или, если температура снизилась до 0°С либо еще ниже, вода может намерзать на пылевые частицы, поднятые ветром в воздух. Из обычной пыли возникают ледяные кристаллы. Другие мелкие частицы, например дым, также могут образовывать гранулы, вокруг которых собираются водяные облака. Так вот - вернёмся к теме - это предельное содержание пара зависит только от температуры и не зависит от давления воздуха. Этот пар в максимальном своём количестве создаёт, соответственно, максимальное давление и называется давлением насыщенного водяного пара или максимальной упругостью водяного пара и обозначается буквой Е, измеряется в Паскалях.

Ещё разок, соберём всё в одно предложение - максимальная упругость водяного пара Е соответствует максимально возможному насыщению воздуха водяным паром F. Чем выше будет температура воздуха, тем больше будет значение Е, т. е. тем больше предельное количество влаги Fмакс может содержаться в воздухе.

Связь между давлением пара и его количеством выражается формулой:

F = 0.00794E / (1 + t/273)

Интересно, что математически вычислить величину Е или F невозможно. В диапазоне температур от 0°С до +40°С величина давления пара Е с точностью до ±1% описывается экспонентой, но при понижении температуры отклонение достигает 130% при температуре -47°С! Приближённая формула выглядит так:

Погрешность в диапазоне температур от 0°С до +40°С менее 1%, однако в диапазоне от 0°С до -20°С погрешность возрастает до 30%, а к -45°С переваливает за 100%. В диапазоне от +40°С до +50°С погрешность в районе 3%.

Для точных расчётов используют таблицы с экспериментальными данными, которые приведены в нормативных документах по теплотехние, например в ТКП 45-2.04-43-2006:

Упругость водяного пара в воздухе, также как и его абсолютная влажность, не дает представления о степени насыщения воздуха влагой, если при этом не указана его температура. Например, если дано е = 1400 Па, то при температуре воздуха +23 °С это составит только половину возможной максимальной его упругости (Е = 2809 Па). При +12 °С это соответствует полному насыщению воздуха влагой, а при +10 °С водяной пар вообще не может иметь такую упругость. Чтобы выразить степень насыщения воздуха влагой, ввели понятие его относительной влажности. Относительная влажность воздуха φ выражается в процентах как отношение действительной упругости водяного пара в воздухе е к максимальной его упругости Е, соответствующей данной температуре. Следовательно, имеем:

φ = е / Е · 100%

Отсюда можно выразить парциальное давление водяного пара в воздухе, е:

e = E · φ / 100.

Например, при 20°С максимальное парциальное давление составляет Е = 2338 Па. При влажности воздуха 40% парциальное давление водяного пара е = 2338 · 40 / 100 = 935 Па. Если температура воздуха данной влажности повысится, то его относительная влажность φ понизится, т. к. величина упругости водяного пара е останется без изменения, а значение максимальной упругости Е увеличится с повышением температуры. Наоборот, при охлаждении воздуха по мере понижения его температуры будет увеличиваться его относительная влажность вследствие уменьшения величины Е. При некоторой температуре, когда Е станет равно е, относительная влажность воздуха будет φ = 100 %, т. е. воздух достигнет полного насыщения водяным паром. Вот эта температура и носит название - точка росы для данной влажности воздуха.

Таким образом, точка росы есть та температура, при которой воздух данной влажности достигает полного насыщения водяным паром.

Если продолжать охлаждение воздуха ниже точки росы, то упругость водяного пара, содержащегося в нём, будет понижаться соответственно значениям Е для данной температуры и излишнее количество влаги будет конденсироваться, т.е. превращаться в капельножидкое состояние. Такое явление наблюдается в природе в виде образования туманов около рек в летнее время; когда с заходом солнца воздух охлаждается, его относительнаявлажность повышается и температура воздуха падает ниже точки росы. С восходом солнца по мере согревания воздуха понижается его относительная влажность: капельки влаги, образующие туман, постепенно испаряются и туман рассеивается. В зимнее время образование туманов связано или с понижением температуры воздуха, или с поступлением масс теплого влажного воздуха, который, охлаждаясь при смешивании с холодным воздухом, конденсирует влагу, образуя туман. Точка росы имеет большое значение для оценки влажностного режима ограждения, и ее приходится определять по данной влажности воздуха.

В связи с тем, что само определение Е является экспериментальным, а не высчитываемым математически, точка росы высчитывается тоже только приблизительно и в диапазоне от 0 до +40°С по формуле:

где a=17.27; b=237.7°C; T=температура в °С; ln - нат.логарифм;

RH=относительная влажность в объёмных долях (0 < RH < 1.0).

Но при результате рассчёта Tр менее 0°С формула начинает существенно отличаться от реальности, поэтому существуют опять-таки экспериментально подтверждённые таблицы в сводах правил. А лучше просто воспользоваться теплотехническим калькулятором. Для общего представления я приведу табличку с правильно вычисленной точкой росы для разных температур и влажности из ТКП 45-2.04-43-2006 (слева).

Или вот мой небольшой флеш-калькулятор, корректно работающий в диапазоне температур -50°С ... +50°С, составленный на основе таблиц из КТП для диапазона -25 ... +30°С и из книги Landolt-Bornstein, Physikalich - chemische - Tabellen T II (Берлин, 1923) для всего остального диапазона. Заодно калькулятор вычисляет максимальное давление водяного пара при заданной температуре, давление водяного пара в воздухе при заданной влажности, вычисляет максимальную абсолютную влажность и абсолютную влажность воздуха (количество воды, содержащейся в 1м³). Для работы калькулятора требуется установленный флеш-плеер (https://get.adobe.com/ru/flashplayer/)

Точка росы в строительстве

Если подвергнуть охлаждению поверхность какого-либо предмета, находящегося в воздухе данной влажности, то при падении температуры этой поверхности ниже точки росы соприкасающийся с ней воздух, охлаждаясь, будет конденсировать водяной пар на этой поверхности в виде мелких капель, образуя налет росы. Отсюда и название «точка росы», т. е. граница, с которой начинается конденсация влаги из воздуха. Аналогичное явление наблюдается, если внести в теплую комнату холодный предмет (например, очки с мороза в дом) - поверхность предмета покрывается налетом росы, причем это явление продолжается до тех пор, пока температура поверхности не поднимется выше точки росы. На определении температуры точки росы при появлении конденсации влаги на полированной поверхности охлаждаемого предмета основано измерение влажности воздуха гигрометрами.
На внутренней поверхности ограждения влага из воздуха будет конденсироваться, когда температура поверхности окажется ниже точки росы внутреннего воздуха. Влага, конденсирующаяся на внутренней поверхности ограждения, будет впитываться материалом ограждения, постепенно повышая его влажность; кроме того, увлажнение внутренней поверхности ограждения делает антисанитарным состояние помещения!
Явление конденсации влаги обнаруживается, прежде всего, в тех местах ограждения, в которых температура является минимальной: в наружных углах стен, в карнизных узлах, у стыков панелей, а также в нижней части стен первых этажей при недостаточном утеплении цоколя. В засыпных конструкциях, если не приняты меры к предохранению засыпки от оседания, часто обнаруживается конденсация влаги под окнами и в верхней части стен.

Зимой иногда наблюдается конденсация влаги и на наружной поверхности ограждения. Это бывает при резком повышении температуры наружного воздуха после сильных морозов. При этом температура наружной поверхности ограждения оказывается ниже температуры окружающего воздуха; влага из воздуха, конденсируясь на поверхности ограждения и замерзая, образует налет инея. Особенно резко это явление обнаруживается на стенах неотапливаемых зданий и на отдельно стоящих массивах (памятники, мосты, колонны и т. д.). По мере повышения температуры поверхности это явление постепенно исчезает.
При расчете ограждения необходимо обеспечить его внутренней поверхности такую температуру, которая была бы не ниже точки росы для данной влажности воздуха.При этом нельзя ограничиваться только определением температуры на внутренней или внешней поверхности стены, а необходимо учитывать понижение этой температуры в отдельных местах, а также колебания температуры внутренней поверхности ограждения при колебании отдачи теплоты отопительными приборами. Значения относительной влажности воздуха в помещении для этих расчетов берутся по максимальной величине допускаемой в них влажности.

Что делать?

Самой простой мерой против конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения является снижение влажности воздуха в помещении, однако пониженная влажность негативно сказывается на здоровье и самочувствии людей в этом помещении. Поэтому эту меру можно переформулировать: недопускать повышение влажности свыше 60%.

Во избежание конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения достаточно повысить температуру его поверхности выше точки росы. Это повышение температуры может быть достигнуто или увеличением сопротивления теплопередаче ограждения Rо, или уменьшением сопротивления тепловосприятию Rв. Уменьшение величины Rв будет зависеть от интенсивности движения воздуха около поверхности ограждения. Чем более интенсивно это движение, тем меньше будет Rв. На этом основано применение вентиляторов около наружных стекол витрин в магазинах для устранения конденсации влаги на их поверхности. Наоборот, повышение Rв может стать причиной появления конденсата на внутренней поверхности ограждения, что обычно наблюдается в местах, где наружные стены оказываются заставленными мебелью и завешенными коврами.
Если влажность воздуха в помещении оказывается очень высокой (например бани), где эта влажность может достигать 90—95 %, температура точки росы в этом случае оказывается близкой к температуре внутреннего воздуха; избежать конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения увеличением его сопротивления теплопередаче Rо не удастся. В этом случае приходится мириться с тем, что влага будет конденсироваться на поверхности ограждения, однако необходимо принимать меры к тому, чтобы эта влага не могла проникнуть в толщу ограждения и повысить его влажность. Для этого внутреннюю поверхность ограждения делают водонепроницаемой. Наилучшим способом защиты ограждения от проникания в него влаги с внутренней поверхности является облицовка этой поверхности стеклянными или глазурованными плитками на цементном растворе с добавками, делающими его водонепроницаемым (церезит, жидкое стекло и пр.). Хорошие результаты дают, нанесение на внутреннюю поверхность ограждения цементной штукатурки с водоизоляционными добавками, покрытие поверхности масляной краской с тщательной подготовкой, смоляными лаками и т. д Влага, конденсирующаяся при этом на внутренней поверхности ограждения, не сможет повысить его влажность.
На характер конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения, кроме температуры, оказывает влияние также обработка этой поверхности. Например, на некрашеных деревянных поверхностях конденсация влаги начинается при температуре более низкой, чем точка росы. Структура внутренней штукатурки также оказывает большое влияние на появление видимой конденсации на поверхности ограждения. В то время как на поверхности, покрытой плотной цементной штукатуркой или масляной краской капли росы появляются сразу же с понижением температуры ниже точки росы, на поверхности, покрытой пористой известковой штукатуркой, это явление начинается значительно позднее. Объясняется это тем, что при наступлении процесса конденсации влага впитывается штукатуркой и на поверхности ограждения нет видимого стекания конденсата. Только после того как штукатурка достаточно увлажнится, на поверхности ограждения появится сырость. Если условия конденсации наступают редко и действуют непродолжительно, например при случайных перерывах в отоплении, на пористой штукатурке не образуется видимого увлажнения, а влага, впитанная ею за этот период, легко отдается, когда условия конденсации исчезнут. Таким образом, пористая штукатурка является как бы автоматическим регулятором влажностного режима внутренней поверхности ограждения. В этом отношении пористый материал на внутренней поверхности ограждения имеет преимущество перед плотной штукатуркой. Однако если конденсация влаги продолжается долго, пористая штукатурка становится сырой и для высыхания ее требуется много времени.

По возможности избегайте образования точки росы в консрукции стены, а если это невозможно, то постарайтесь сдвинуть ее к внешним слоям и обеспечьте необходимую вентиляцию этих увлажняемых слоев.

Если условия эксплуатации здания особенно суровые (-20°С и ниже), то стоит рассмотреть возможность принудительного поступления в помещение подогретого воздуха с помощью теплообменников или нагревателей. Это позволит использовать герметичные пароизоляционные материалы без риска испортить микроклимат в доме.

Комфортные значения влажности и точки росы

Всё это тесно связано с диапазоном комфорта. От относительной влажности воздуха зависит интенсивность испарения влаги телом человека, находящегося в воздухе данной влажности. Нормальной для постоянного пребывания человека гигиенистами считается относительная влажность воздуха в пределах от 30 до 60 %. При влажности воздуха выше 60 % отдача влаги с поверхности кожи человека затруднена, что неблагоприятно отражается на состоянии его организма. Понижение влажности воздуха ниже 30 %, наоборот, вызывает усиленное испарение влаги с кожи и слизистых оболочек, появляется неприятное ощущение сухости во рту и в горле.

Человек при высоких значениях точки росы чувствует себя некомфортно. В континентальном климате условия с точкой росы между 15 и 20 °C доставляют некоторый дискомфорт, а воздух с точкой росы выше 21 °C воспринимается как душный. Нижняя точка росы, менее 10 °C, коррелирует с более низкой температурой окружающей среды, и тело требует меньшего охлаждения. Нижняя точка росы может пойти вместе с высокой температурой только при очень низкой относительной влажности. Вот некоторые данные о восприятии человеком точки росы: