Лабораторная работа №4. Исследование тепловлажностного режима многослойных строительных ограждающих конструкций с помощью программного комплекса «Диффузия»

4.1. Цель работы и ее практическое значение

Выполнить теплофизический расчет многослойной наружной стены и оценить возможность накопления влаги в ней в период эксплуатации зданий.

Студент, выполнив данную работу, получит навыки компьютерного моделирования тепловлажностного режима строительных ограждающих конструкций.

 

4.2. Краткие теоретические сведения

Для правильного выбора конструкций наружных стен, покрытий и перекрытий, отвечающих современным санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, а также требованиям энергосбережения, необходимо осуществлять подбор строительных и теплоизоляционных материалов на основе расчета тепловлажностного режима в условиях эксплуатации.

К числу важнейших теплофизических характеристик, существенно влияющих на тепловлажностный режим эксплуатации ограждающих конструкций, относятся:

- значения коэффициента теплопроводности материала в условиях эксплуатации

А и Б, λ_А и λ_Б, соответственно, Вт/м·ºС;

- значение коэффициента паропроницаемости μ, мг/м·ч·Па;

- плотность материала γ, кг/м³;

- коэффициент теплоусвоения S, Вт/м²·ºС.

Значения перечисленных выше теплофизических приведены в [3].

Процесс передачи тепла через многослойные строительные ограждающие конструкции сопровождается процессом диффузии водяного пара. Диффундирующий через ограждение водяной пар понижает свою упругость. Встречая на своем пути холодные слои ограждения, он конденсируется в том случае, если его упругость будет меньше упругости насыщенного водяного пара. Выпадение конденсата в многослойных ограждающих конструкциях приводит к повышению влажности строительных и теплоизоляционных материалов и, как следствие, к ухудшению их теплозащитных характеристик.

Накопление влаги, как за годовой период эксплуатации здания, так и за период с отрицательными температурами, приводит к появлению плесени и грибка на внутренних поверхностях ограждающих конструкций.

Большую помощь в выборе проектных решений ограждающих конструкций может оказать программный комплекс «Диффузия», разработанный Вытчиковым Ю.С. и Беляковым И.Г. [8]. Он базируется на использовании метода безразмерных характеристик [7].

Рассмотрим основные положения этого метода.

Условие отсутствия конденсации в ограждающей конструкции математически сформулируем в виде неравенства:

< Е, (4.1.)

где - упругость водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, Па;

Е – упругость насыщенного водяного пара, Па, определяется выражением:

, Па. (4.2.)

 

Запишем неравенство (4.1.) в безразмерном виде, вводя новые безразмерные переменные:

; ; (4.3.)

где - безразмерное термическое сопротивление;

- безразмерное сопротивление паропроницанию;

- сопротивление теплопередаче ограждающей

конструкции, м²·ºС/Вт;

n – общее число слоев в строительной конструкции;

m – число слоев до рассматриваемого сечения x (m £ n);

- значения коэффициентов теплоотдачи со стороны внутренней и наружной

поверхностей ограждения, Вт/м²·ºС;

- термическое сопротивление отдельного слоя;

- полное сопротивление паропроницанию ограждающей

конструкции, м²·ч·Па/мг.

 

Условие отсутствия выпадения конденсата, записанное в безразмерных координатах, примет следующий вид:

> ; > 0, (4.4.)

где - значение безразмерного сопротивления паропроницанию для состояния

полного насыщения влажного воздуха водяным паром.

 

, (4.5.)

 

где ;

- упругость внутреннего и наружного воздуха соответственно, Па;

- температура внутреннего и наружного воздуха соответственно, ºС.

 

Коэффициент N в формуле (4.5) учитывает зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

 

На рис. 4.1. представлена зависимость для определенных значений величин , и области решения рассматриваемой задачи.

Рис. 4.1. Зависимость

Укажем последовательность выполнения расчета влажностного режима ограждающих конструкций с помощью метода безразмерных характеристик:

1. Определяются значения сопротивлений паропроницанию и термических сопротивлений отдельных слоев , входящих в строительную конструкцию;

2. По формуле (4.3) вычисляются значения безразмерных переменных ,

на границах слоев;

3. Для найденных значений ( ) определяется значения по формуле (4.5);

4. Проверяется выполнение неравенства (4.4.) на границах слоев ограждения:

> ; ; (4.6.)

5. Если неравенство (4.6.) выполняется, то накопление влаги в зимний период в ограждении происходить не будет, а расчет на этом заканчивается;

6. Если неравенство (4.6.) не выполняется, то требуется определить положение плоскости возможной конденсации пара.

Поэтому функцию исследуем на экстремум, положив:

(4.7.)

После дифференцирования получим трансцендентное уравнение следующего вида:

. (4.8.)

Корнем данного трансцендентного уравнения является безразмерная координата, соответствующая положению плоскости возможной конденсации в строительной конструкции. Уравнение (4.8.) решается численным методом с помощью ЭВМ.

Величина требуемого сопротивления пароизоляции, определяемая из условия отсутствия конденсации, определяется выражением:

> . (4.9.)

В большинстве случаев, как показывают расчеты, плоскостью конденсации является наружная поверхность утеплителя.

Для определения зоны конденсации необходимо определить координаты точек пересечения зависимости с кривой насыщения . Результаты расчета влажностного режима наружной стены представлены на рис. 4.2.

 

 

Рис. 4.2. Результаты расчета влажностного режима наружной стены.

1,2 – границы зоны конденсации водяного пара;

3 – положение плоскости возможной конденсации.

 

 

4.3. Подготовка исходных данных для расчета влажностного режима

наружной стены

1. Исходными данными для выполнения расчета являются:

- район строительства;

- конструкция наружной стены, задаваемая по приложению 2;

- назначение здания (жилое, общественное или производственное);

2. В соответствии с заданным районом строительства студент должен выписать следующие климатические характеристики:

- продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже

или равной 8 ºС, z_оп, сут. [1, табл.1*, гр.11];

- среднюю температуру относительного периода t_оп, ºС [1, табл.1*, гр.12];

- среднюю температуру наиболее холодного месяца t_н, ºС [1, табл.3*, гр.2];

- среднюю относительную влажность наружного воздуха в январе φ_н, %

[1, табл.1*, гр.15];

3. Теплофизические характеристики материалов принимаются в зависимости от условий эксплуатации конструкции, которые определяются влажностным режимом помещения и зоной влажности места строительства.

Температуру воздуха в помещении t_в принимают для жилых и общественных зданий в пределах от 20 до 22 ºС. Если температура наиболее холодной пятидневки ниже -30 ºС расчетная температура внутреннего воздуха должна быть не менее 21 ºС.

По карте Российской Федерации, приведенной в приложении 3, и влажностному режиму помещений по приложению 4 следует определить условия эксплуатации наружной стены А или Б. Далее по приложению 5 определяются основные теплофизические характеристики материалов слоев ограждения, а именно, коэффициенты:

- теплопроводности λ, Вт/м·ºС;

- паропроницаемости μ, ;

4. Требуемую толщину утеплителя следует определить исходя из выполнения двух условий:

- санитарно-гигиенических и комфортных условий;

- условия энергосбережения

/ , (4.10)

где - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м·ºС;

- наибольшее значение требуемого сопротивления теплопередаче,

м²·ºС/Вт;

- сумма термических сопротивлений конструкционных слоев

наружной стены, м²·ºС/Вт;

- коэффициент теплотехнической однородности, принимаемой

в соответствии с таблицей 4.1.

 

 

Таблица 4.1.