Исследование температурно-влажностного режима наружных ограждающих конструкций представляет большой интерес в связи с возможностью повышения срока эксплуатации и улучшения технико-экономических характеристик эксплуатации зданий и сооружений [1, 2]. Данным вопросом занимаются большое количество исследователей (С.В. Корниенко [3], В.Г. Гагарин [4] и др.). Повышение энергоэффективности и тепловой защиты зданий является актуальной проблемой строительства и архитектуры. Решение этой проблемы необходимо на всех этапах жизненного цикла здания – при проведении инженерных изысканий, проектировании, строительстве, эксплуатации, реконструкции, капитальном ремонте, сносе. Минимально необходимые требования по тепловой защите и энергоэффективности зданий отражены в Федеральном законе № 384–ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [5].
В ограждающих конструкциях современных зданий трудно выделить участок, в пределах которого перенос тепла и влаги происходит по одномерной схеме. Наличие в ограждениях неоднородных участков в виде углов наружных стен, оконных откосов, конструктивных связей, сопряжений внутренних и наружных конструкций приводит к образованию в них сложных трехмерных температурных и влажностных полей [5]. Значительный интерес представляет задача, связанная с определением температурно-влажностного режима при использовании навесных фасадов, в связи с тем, что металлические крепления проходят сквозь утеплитель, образуя тем самым мостики холода.
Основным отличием фасадов с вентилируемым воздушным зазором от давно известных стен с вентилируемой воздушной прослойкой является наличие в зазоре мощного теплоизоляционного слоя металлической подконструкции и облицовочного слоя, определяющего архитектурный облик здания. Если стены с вентилируемой воздушной прослойкой применялись в малоэтажных зданиях, то фасады с вентилируемым воздушным зазором применяются и в многоэтажных зданиях высотой в десятки метров, что также определяет специфику их теплофизических свойств [7]. В то же время скорость потока воздуха в вентилируемой прослойке невелика и составляет порядка 1 м/с [7].
В связи с тем, что при проектировании навесного фасада необходимо учитывать: конвективные потоки в воздушной прослойке ограждающей конструкции и также температурные и влажностные поля, задача использования навесного фасада сложна и не решена окончательно, требуется дальнейшая проработка вопроса [8, 9].
В процессе эксплуатации внутри наружных ограждающих конструкций происходит выпадение конденсата. При проектировании возможное накопление влаги в конструкции регламентируется соблюдением положений [10]: недопустимостью накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации и ограничением влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха. Оба положения базируются на средних расчетных величинах, имеют усредненный характер, а расчет производится на границах слоев материалов, предполагая априори линейную зависимость влажности воздуха от температуры в однородном слое конструкции. Однако, согласно фундаментальным физическим законам [11, 12], зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры – экспоненциальная.
Использование различных высокотеплопроводных неоднородностей (креплений) в ограждающих конструкциях приводит к существенному локальному изменению температуры [13] и влажности [6] в отдельных частях наружных ограждающих конструкций. Расчет таких участков весьма трудоемок и требует применения современных программных комплексов.
Однако в отличие от расчетов температурных полей строительными нормами не предусматривается проведение расчетов относительной влажности воздуха в порах материалов многослойных конструкций и соответствующей этой влажности теплопроводности, что в свою очередь делает приближенным расчет тепловых потерь всей оболочкой здания.
Существуют экспериментальные методики определения температурно-влажностного режима функционирования наружных ограждающих конструкций [5], однако их использование требует наличия здания, в котором должен быть проведен эксперимент [14]. В большинстве случаев недостатки предложенных конструкций необходимо определять на стадии проектирования. Выявление недостатков можно осуществлять путем численного моделирования. В современных строительных нормах [8] численное моделирование необходимо проводить только для процесса теплопереноса (решив уравнение теплопроводности). Для учета температурно-влажностных характеристик уравнение теплопереноса необходимо дополнить уравнением диффузии водяного пара. В нормативной строительной документации [8, 9] в качестве величины, характеризующей перенос влаги, используют коэффициент влагопроницания, следовательно, уравнение диффузии водяного пара целесообразно преобразовать в вид относительно давления, а не концентрации.
Цель исследования
Основной целью работы является математическое моделирование распределения температуры и влажности в неоднородных слоях ограждающей конструкции с металлическим креплением навесного фасада в зависимости от изменения температурно-влажностных параметров наружного воздуха.
Материалы и методы исследования
Методика расчета
В проведенной работе использовались климатические характеристики самого холодного месяца (январь) и самой холодной пятидневки. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», санитарно-гигиенический расчет ведется для климатических условий самой холодной пятидневки, а расчет влажности – для самого холодного месяца. Данные требования связаны с тем, что времена релаксации для процессов температуро- и влагопроводности отличаются на несколько порядков.
Система дифференциальных уравнений используемая в расчете:
где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м× °С); T – температура, К; μ – коэффициент паропроницаемости, мг/(ч×м×Па); e – парциальное давление водяного пара, Па; E – парциальное давление насыщенного водяного пара, Па; φ – относительная влажность воздуха, дол.
Условия однозначности:
– Размер и геометрическая форма расчетной области представлена на рис. 1.
– Свойства используемых материалов приведены в таблице.
Теплофизические свойства материалов для условий эксплуатации А
|
Материал |
Теплопроводность λ, Вт/(м °С) |
Паропроницаемость μ, мг/(м ч Па) |
Плотность ρ₀, кг/м³ |
|
Железобетон |
1,92 |
0,03 |
2500 |
|
Плита минераловатная |
0,042 |
0,32 |
120 |
|
Сталь |
58 |
– |
7850 |
– Граничные условия. Внутри помещения: температура 21 °С согласно ГОСТ 30494, относительная влажность воздуха 55 % (1371 Па). Снаружи помещения: температура –16 и –37 °С, парциальное давление водяного пара 140 и 27 Па. Граничные условия выбраны для расчетов при средней температуре самого холодного месяца (января) и температуре самой холодной пятидневки для г. Красноярска [15].
Выбор следующих геометрических размеров обусловлен тем, что одномерный случай (стена по глади) сопоставлялся с реальной двумерной задачей.
При решении задачи, в соответствии с положениями СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» и СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» [11, 12], учтено наличие навесного фасада снижением коэффициента теплоотдачи
до 12 Вт/(м2× °С) и повышением температуры поверхности теплоизоляции на 5 % с внешней стороны.
Результаты исследования и их обсуждение
С целью верификации предложенной модели, полученные результаты для одномерного случая сравнивались с аналитическим решением, рассмотренным в [9]. Расхождение между численным и аналитическим методом для определения парциального давления водяного пара составило менее 1 %.
Однако для значений давлений насыщенного водяного пара результаты численных и аналитических расчетов не совпадают в области утеплителя. Данный результат объясняется тем, что для упрощения решаемой задачи в методике, представленной в нормативных документах [11, 12], расчет ведется на границах областей, где результаты совпадают и соединяются прямой, а в нашем случае расчет велся в каждой точке.
а) б)
Рис. 1. Строительные узлы в двух видах: 1 – железобетонная плита;
2 – утеплитель минераловатный; 3 – фасадная плитка; 4 – дюбель фасадный
с оцинкованным шурупом; 5 – кронштейн несущий; 6 – несущий вертикальный профиль
а) б) в)
Рис. 2. Относительная влажность ограждающей конструкции для среднемесячной температуры наиболее холодного месяца (январь), (а) – с учетом металлических креплений, (б) – без учета металлических креплений; (в) – значения температуры и относительной влажности на внутренней поверхности стены с учетом металлических креплений: 1 – относительная влажность, 2 – температура на внутренней поверхности стены
Результаты численного эксперимента
В результате расчетов определялись: относительная влажность воздуха в порах материалов (рис. 2 (а), (б) и рис. 3 (а), (б)) и значения температуры и влажности воздуха на внутренней поверхности стены (рис. 2 (в) и рис. 3 (в)). Для проверки на соответствие санитарно-гигиеническим требованиям оценивалось значение температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции.
Из расчетов, представленных на рис. 2 (а), (б), следует, что для климатических условий января относительная влажность воздуха в порах материалов не превышает 100 %, повышенная влажность наблюдается в приповерхностных зонах с наружной стороны и со стороны помещения, при этом перепад между температурами внутренней поверхности стены и воздухом внутри помещения, без учета металлических креплений в составе конструкции, составляет 1,05 °С.
Наличие металлических креплений приводит к существенному изменению температуры и влажности. Перепад между температурами внутренней поверхности стены и воздуха внутри помещения увеличился до 4–5 °С, что не удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям [10]. Данный результат связан с тем, что в области крепления металлического стержня резко снижается тепловое сопротивление, что в свою очередь приводит к повышению теплового потока и, как следствие, к снижению внутренней температуры конструкции. В свою очередь, данный результат ведет за собой снижение парциального давления насыщенного водяного пара и, следовательно, повышение относительной влажности. Данный результат был получен для стационарных условий. В реальности климатические характеристики постоянно изменяются, что приводит к колебаниям температурных и влажностных полей. В свою очередь, характерные времена релаксации для температурных полей выше на порядок, чем для влажностных полей. Следовательно, при резком понижении температуры произойдет смещение изотерм в направлении к внутренней поверхности стены, а влажностные поля будут запаздывать, что приведет к повышению вероятности выпадения конденсата.
Повторим проведенные расчеты для экстремальных климатических условий (самая холодная пятидневка).
а) б) в)
Рис. 3. Относительная влажность ограждающей конструкции для среднемесячной температуры наиболее холодного месяца: (а) – с учетом металлических креплений, (б) – без учета металлических креплений; (в) – значение температуры и относительной влажности на внутренней поверхности стены с учетом металлических креплений: 1 – относительная влажность, 2 – температура на внутренней поверхности стены
Снижение внешней расчетной температуры с –16 °С до –37 °С приводит к количественному изменению температурно-влажностного состояния наружной ограждающей конструкции (рис. 3). Характер распределения температуры и влажности аналогичен (рис. 2).
Санитарно-гигиенические условия без учета металлических креплений выполняются, перепад составляет 1,7 °С. На рис. 3 (в) представлены значения температуры и относительной влажности на внутренней поверхности ограждающей конструкции с учетом металлических креплений, для самой холодной пятидневки.
Снижение внешней температуры приводит к существенному повышению увлажненности ограждающей конструкции (рис. 3 (а), (б)), причем характер зависимости имеет экспоненциальный характер.
Как следует из результатов, представленных на рис. 3 (в), для климатических условий самой холодной пятидневки, санитарно-гигиенические требования не выполняются в части значения температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и поверхности стены. На внешних границах стенового ограждения увеличивается значение относительной влажности воздуха, свидетельствующее о повышении вероятности выпадения конденсата.
При понижении внешней температуры повышается влажность пристеночной области, однако, снижается вероятность резкого понижения температуры. Исследование влияния резкого снижения температуры на температурно-влажностный режим требует дальнейшей проработки.
В связи с тем, что времена релаксации для процессов температуро- и влагопроводности отличаются на несколько порядков, при расчете необходимо учитывать временные зависимости. Однако в нашем случае расчет велся для стационарных условий, что говорит о незавершенности данной
работы.
Дальнейшее направление исследований связано с переходом от двухмерного пространства в трехмерное с учетом временных зависимостей, что позволит более объективно смоделировать поведение наружных ограждающих конструкций в условиях эксплуатации.
Заключение
В рамках работы, проведено исследование поведения стеновой конструкции с навесным фасадом для города Красноярска. Показано, что при температурно-влажностных расчетных условиях самого холодного месяца (январь) относительная влажность внутреннего воздуха на поверхности стены не превышает 100 %.
Для внешних условий самой холодной пятидневки вероятность выпадения конденсата повышается на внешней границе утеплителя и внутренней поверхности стены. Одновременно в местах крепления навесного фасада температурный перепад составляет 4–5 °С, что не соответствует требованиям СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий». Следовательно, при проектировании зданий с использованием навесного фасада необходимо учитывать температурные и влажностные поля вокруг мест расположения металлических креплений навесного фасада.
Для повышения точности расчета тепловых потерь оболочкой здания является целесообразным изучение распределения парциального давления водяных паров в порах материалов многослойных конструкций с целью получения фактической сорбционной влажности материалов и соответствующей этой влажности теплопроводности.