8732

2.2. Теплофизические характеристики строительных материалов

Строительные материалы являются в своем большинстве сложными капиллярно-пористыми телами, поры которых могут быть заполнены влажным воздухом, жидкой влагой и льдом. Особенности строения определяют большую изменчивость теплофизических характеристик строительных материалов.

Коэффициент теплопроводности , Вт/(м·оС), характеризует свойство материалов проводить теплоту.

В толще влажного материала передача теплоты происходит несколькими путями. Через твердый скелет, а также пленки жидкой влаги и лед теплота передается посредством теплопроводности. В порах, заполненных влажным воздухом, помимо теплопроводности, теплообмен происходит конвекцией и излучением. Определенное количество теплоты переносится фильтрующимся через материал воздухом. Свойство теплопроводности зависит при прочих равных условиях от крупности пор. В сообщающихся порах могут возникать конвективные токи воздуха, которые повышают проводимость теплоты.

Всю совокупность сложных явлений, участвующих в передаче теплоты в толще материалов, обычно приводят к теплопроводности, выражающуюся через коэффициент теплопроводности, который является собирательным эквивалентным коэффициентом, учитывающим все физические явления,

происходящие в материале и связанные с передачей теплоты.

Важной для строительных материалов является зависимость от влажности. С увеличением влажности материалов коэффициент теплопроводности возрастает. Увеличение коэффициента связано с замещением воздуха в порах жидкой влагой, имеющей более высокий коэффициент теплопроводности.

Влажность материала в ограждениях изменяется во времени. В

начальный момент это связано с внесением в конструкцию «строительной влаги». В процессе эксплуатации (после того как часть влаги испарится)

материалы стен и перекрытий входят в некоторый установившийся

40

квазистационарный влажностный режим. Значения коэффициента для расчета теплового режима зданий принято устанавливать по так называемой

«нормальной влажности» в период эксплуатации. В нормах даются три градации влажностного состояния конструкций, которые связаны с влажностными характеристиками внутреннего и наружного климата.

2.3. Основы термодинамики влажного материала

Влага воздуха помещения. Количество влаги в воздухе определяется его влагосодержанием d в г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Кроме того, его влажностное состояние характеризуют упругостью или парциальным давлением водяных паров е, мм рт.ст. или относительной влажностью , %.

Воздух обладает определенной влагоудерживающей способностью.

Например, при 20 °С каждый 1 кг сухого воздуха удерживает при полном насыщении 17,2 г водяных паров. При низкой температуре способность воздуха удерживать влагу становится незначительной (2 г при –12 °С), с повышением температуры она возрастает (51 г при 40 °С).

Упругость водяного пара е качественно отражает свободную энергию влаги в воздухе. Величина е возрастает от нуля до максимальной упругости Е,

соответствующей полному насыщению. Упругость е в этой связи можно рассматривать как измеритель энергетического потенциала водяных паров в воздухе. Диффузия влаги происходит в воздухе от мест с большей упругостью водяных паров к местам с меньшей упругостью.

Основы термодинамики влажного материала. Наиболее полная методика энергетической оценки форм влаги и система энергетической классификации связи влаги с материалом была предложена П.А. Ребиндером,

согласно которой все формы связи влаги в зависимости от прочности делятся на три вида. Наиболее прочной является химическая форма связи. При рассмотрении влагопередачи в ограждениях ее можно не учитывать.

Вода, расположенная непосредственно на поверхности зерен и связанная

41

силами молекулярного взаимодействия, называется адсорбционной.

Адсорбционную влагу относят к физико-химической форме связи.

Основной объем жидкой влаги находится в порах и капиллярах материала вне сферы действия сил физико-химической формы связи и удерживается силами поверхностного натяжения воды и силами смачивания материала. Эту форму связи называют физико-механической. К ней относится влага макро- и

частично микрокапилляров, стыковая и пленочная.

В расчете влажностного режима конструкций желательно воспользоваться наиболее общим методом, который позволил бы без анализа частных закономерностей и микроявлений получить общую картину влагообмена и его закономерности. Таким методом является термодинамический.

Фазы влаги в материале находятся в контакте между собой и между ними может происходить тепло- и массообмен. Компоненты и фазы имеют определенную энергию, энтальпию, энтропию, температуру и т.д. Определение этих термодинамических функций состояния возможно с помощью независимых переменных: массы ni, геометрического параметра (например,

объема) vi и энтропии si или температуры Тi каждой части. Все остальные свойства части могут быть найдены с помощью этих трех независимых переменных.

Состояние влажного материала удобно оценивать изменением свободной энергии Fi фазы i равно:

потенциала влажности. Потенциал влажности в процессе переноса влаги играет такую же роль, как температура, которая является потенциалом в процессе переноса теплоты. Введем постулат. Два влажных тела, находящиеся во влажностном равновесии с третьим, находятся во влажностном равновесии и друг с другом. Потенциал влажности можно измерить, определяя равновесную влажность определенного материала. Наиболее удобно измерять величину влажного тела равновесной влажностью фильтровальной бумаги, находящейся с ним в состоянии влажностного равновесия.

Потенциал влажности измеряют в градусах влажности (град В или °В).

Равновесную массовую влажность фильтровальной бумаги, соответствующую максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре 20 °С,

принимают за 100 °В; сухой бумаге соответствует 0 °В. Изменение равновесной влажности фильтровальной бумаги на 1/100 величины ее максимальной гигроскопической влажности при эталонной температуре равно 1 °В. На рис. 2.2 приведен график зависимости между потенциалом влажности и

влажностью фильтровальной бумаги при различных температурах.

Все положения о потенциале влажности остаются справедливыми и в области отрицательных температур.

44

Рис. 2.2. Зависимость между потенциалом влажности и влажностью фильтровальной бумаги при различных температурах

45

Постановка задачи о нестационарной влагопередаче, основанная на потенциале влажности, обладает рядом достоинств. Однако в расчетной практике она применяется редко в связи с отсутствием данных о влажностных характеристиках в шкале потенциала влажности большинства строительных материалов.

2.4. Учет влажностного режима при расчете

теплопередачи через ограждения

Влагосодержание материалов наружных ограждений периодически изменяется в течение года, несколько возрастая в апреле-мае. Зимой, в декабре-

январе, значения влажности близки к средним за год. Теплотехнический расчет ограждений проводится для этого периода, поэтому выбор теплофизических характеристик материалов должен проводиться, исходя из данных о среднегодовой влажности ограждений.

С помощью шкалы потенциала влажности можно определить влажностное состояние внутреннего воздуха, материалов и конструкций ограждения и оценить комплексное влажностное воздействие наружного климата на ограждение.

Для оценки среднегодового режима достаточно рассмотрения стационарной влагопередачи. Потенциал влажности толщи т однородного ограждения можно принять равным среднему между потенциалом внутренней

в и наружной н сред:

Значения в приведены в таблице 2.1 при средних за год температуре и относительной влажности внутреннего воздуха.

Влажностная обстановка внутри помещений зависит от их назначения. В

соответствии с рекомендациями СНиП [3] помещения по степени влажности воздуха делятся на четыре группы. Диапазоны изменения в для каждой группы

46

приведены в таблице 2.2.

47

Таблица 2.1 Значения потенциала влажности наружной среды для различных влажностных зон

Эксплуатационное влажностное состояние материалов в ограждении по СНиП определяется категориями А, Б (ранее дополнительно Б ), для которых

приведены значения теплофизических характеристик строительных материалов. В таблице 2.3 приведены значения т, соответствующие категориям влажности А, Б, Б . Зная влажностную зону района строительства и группу влажности помещений, для однородного ограждения по таблице 2.3

находят категорию эксплуатационной влажности для определения по СНиП значений теплофизических характеристик материала.

Таблица 2.3 может быть использована для расчета многослойных конструкций. В условиях стационарной влагопередачи среднее значение потенциала влажности произвольного слоя материала т в многослойном

48

ограждении равно:

где Нв х / Но – отношение сопротивлений влагопередаче части ограждения от внутренней среды до середины расчетного слоя материала и всего ограждения.

Таблица 2.3 Диапазоны значений потенциалов влажности т материала ограждений, соответствующие различным категориям эксплуатационной влажности

Для всех слоев ограждения по формуле (2.18) и табл. 2.3 устанавливают категории влажности, в соответствии с которыми по СНиП выбирают теплофизические характеристики.

2.5. Сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций

Сопротивление паропроницанию Rп, м2 ч Па/мг, ограждающей конструкции (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) должно быть не менее наибольшего из следующих требуемых сопротивлений паропроницанию:

а) требуемого сопротивления паропроницанию Rтр , м2 ч Па/мг, (из

п1

условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации), определяемого по формуле:

49