Осушение воздуха как метод защиты зданий от разрушения

Наиболее эффективным в диапазоне температур +10…+30 °C является метод конденсационного осушения. Адсорбционный метод применяется для глубокого осушения (вплоть до 2 % RH) при температурах –20…+30 °C. Повышенная влажность строительных материалов и конструкций, как правило, обусловлена следующими факторами: затоплением помещений во время стихийных бедствий (наводнений, штормов и пр.); заливанием при тушении пожаров; нарушением вертикальной и горизонтальной гидроизоляции; протечками водопроводных, канализационных и сетей отопления; нарушением целостности кровельного покрытия; протечками кровель и выпадением конденсата из-за нарушения температурно-влажностного режима чердачных помещений; конденсацией водяных паров на поверхности и внутри стен и перекрытий из-за высокой относительной влажности воздуха, резкого перепада температур, наличия «мостиков» холода и других причин; повреждением свесов, карнизов, поясов и других водоотводящих элементов на фасадах зданий; нарушением гидроизоляции, отсутствием уклонов на балконах, козырьках и других выступающих элементах; повышенной влажностью воздуха в помещениях из-за несоблюдения температурно-влажностного режима в помещениях; повышенной влажностью растворных смесей, а также связанной с использованием водных растворов при производстве работ; повышенной построечной влажностью, связанной с намоканием материалов в процессе строительства (дождь, снег).

Независимо от причин, приведших к переувлажнению, требуется организовать эффективное удаление влаги из ограждающих конструкций. Для современных зданий проблема усложняется широким применением пористых теплоизоляционных материалов. Финские специалисты службы спасения имущества, занимающиеся экстренной просушкой зданий и помещений, пострадавших от протечки, подсчитали, что 70 % потерь при пожаре связано не с огнем, а с результатами его тушения, то есть с намоканием материалов [1].

Основные страховые выплаты производятся из-за намокания строительных материалов, в результате чего происходит разрушение отделочных, фасадных слоев и даже самих несущих конструкций. В то же время, повышенная влажность строительных материалов является основной причиной возникновения биодеструкции. В зарубежных странах этой проблеме уделяется серьезное внимание, тем более, что она имеет двойной негативный эффект.

Во-первых, биодеструкторы способны разрушать строительные конструкции, в том числе несущие, и ухудшать внешний вид отделочных материалов, а во-вторых, многие микробиодеструкторы строительных материалов (грибки и бактерии) могут оказывать негативное воздействие непосредственно на здоровье людей, проживающих или работающих в пораженных помещениях. В последние годы к этим вопросам стали относиться достаточно серьезно.

Так, например, во многих странах при продаже недвижимости требуется справка о «биологической чистоте» здания. До последнего времени речь о биологическом воздействии на среду обитания человека велась, в основном, в научной литературе. Так, например, в табл. 1 приводится информация о наличии флоры участвующей в разрушении конструкций здания в Санкт-Петербурге [2].

Присутствие в здании многих видов грибков, может быть причиной заболевания человека с широким спектром патологических проявлений со стороны дыхательного, желудочно-кишечного трактов, глаз и других, объединенных в так называемый «синдром нездоровых помещений» (SBS — sick building syndrome). В таблице не упомянут наиболее серьезный разрушитель древесины — белый домовый гриб (лат. — Serpula lacrymans, англ. — Dry rot).

Раз поселившись, этот гриб в состоянии быстро разрушить деревянную конструкцию. Разрушенное дерево становится чрезвычайно гигроскопичным и как губка поглощает воду. Так как сам мицелий обладает способностью легко проводить воду и отдавать ее сухому дереву, то влага и процесс разрушения быстро распространяется на все части дома [3]. Одно из первых зданий петербургского модерна, дача Гаусвальда на Каменном острове оказалось практически утраченной из-за биоразрушения.

По мнению представителей «Спецпроектреставрации», в процессе эксплуатации вообще не соблюдались требования к проветриванию и сохранению деревянных конструкций. В результате этого здание, на 80 % состоящее из дерева, оказалось поражено жучками-паразитами и девятью типами плесневых грибов, один из которых — белый — возможно уничтожить только путем сжигания [4]. Так, собственно, и поступали в прошлом. Если деревенские избы поражались белым домовым грибом, их безжалостно сжигали, чтобы избежать дальнейшего заражения всей деревни.

По независимым оценкам, сегодня почти 80 % старого жилищного фонда в Санкт-Петербурге имеют различные признаки грибкового поражения [5]. Ситуация стала настолько острой, что в 1998 году был создан городской научно-технический Совет по биопоражениям зданий и сооружений. В 1999 году создан Фонд противодействия биоразрушению городской среды Санкт-Петербурга, который стал активно заниматься этой проблемой.

Сюда были приглашены эксперты различных областей: биологи, микробиологи, врачи, специалисты по подземному пространству, гидроизоляции, общестроительным вопросам. В 2006 году вступили в силу региональные временные строительные нормы, регламентирующие вопросы защиты конструкций от химических и биологических воздействий [6]. Региональная специфичность биологического воздействия на здания и сооружения еще более ярко выражена, чем специфичность химического воздействия.

На состав и разнообразие биодеструкторов строительных материалов, кроме региональной особенности антропогенного воздействия на природную среду, существенное влияние оказывают географические, геологические и метеорологические особенности региона. Из самого названия строительных норм РВСН 20-01–2006 следует, что они посвящены защите строительных конструкций от двух негативных факторов, воздействующих на здания и сооружения: химического и биологического.

Такое их объединение связано с тем, что в значительной степени они имеют схожие основные причины, а именно: повышенную влажность строительных конструкций и антропогенное загрязнение окружающей городской среды. В зависимости от степени повреждения рекомендованы методы ликвидации последствий. В случае, если биоповреждению II-й и III-й степени подвержено более 10–15 % здания, то здание ремонту не подлежит и должно быть демонтировано [6].

Несколько лет назад Санкт-Петербург вступил в международную ассоциацию «Города на воде». Мегаполисам, располагающимся вблизи обширных водных акваторий, присваивают особый статус — они входят в группу биологического риска. Кроме резких перепадов температур, шквалистых ветров и наводнений близкое соседство с водой несет им угрозу в виде биоразрушений строений и подземных коммуникаций [7]. Болота (точнее — плывуны, насыщенные микрофлорой и фауной) занимают около 70 % территории Санкт-Петербурга.

Они продолжают жить своей жизнью на глубине 40–100 м и представляют собой среду обитания для микрофлоры, способной усваивать неорганические вещества. Одно из болот, например, расположено под зданием Большого Гостиного двора, простираясь вплоть до площади Островского. Подземная влага и микроорганизмы проникают в поверхностные слои. Затопление подвалов БГД, намокание стен, рост плесени и грибков приводит к большим затратам на ремонт.

В период с 1991 по 1994 годы только прямые затраты на восстановление здания превысили сумму в $ 5,1 млн [8]. Разрушаются не только здания, но и подземные конструкции метрополитена, мосты. Железобетонные сооружения уже через 15–20 лет службы требуют капитального ремонта, тогда как, по нормативам, могли бы существовать 50–100 лет. Особенно нужно отметить, что условия меняются не в лучшую сторону. Невская вода стала более насыщенной органикой.

Районы новостроек могут подвергаться разрушительному воздействию патогенных микроорганизмов, поскольку зачастую они располагаются на местах бывших свалок. А намыв на прибрежных территориях почв под новое строительство привел к загрязнению их микрофлорой донных отложений, заражающей в свою очередь жилые массивы. Подвалы домов часто заливаются из-за аварий канализационных и водопроводных систем. При благоприятных условиях (относительной влажности воздуха более 60 % и стен более 5 %) микроорганизмы ускоряют деструкцию строительных конструкций в несколько раз. Используемые в современном строительстве искусственные материалы микробы разрушают также как и органику.

А если бактериями заражены почвы под новым домом, то он начинает разрушаться уже через 1,5–2 года после сдачи в эксплуатацию [9]. В центре Санкт-Петербурга увеличение высоты культурного слоя привело к тому, что влажный грунт (под асфальтом он практически не просыхает) имеет непосредственный контакт с кирпичными стенами. За счет капиллярного и других физических эффектов вода может подниматься по кирпичной кладке на высоту до 1,5–2 м.

При устройстве стен всегда обращалось внимание на защиту от капиллярной влаги. До середины XIX века в качестве горизонтальной гидроизоляции использовались: береста, свинец, пережженный кирпич, пиленые плиты известняка, а также толь, асфальты на каменноугольной смоле, цементные слои и т.д. [10]. Традиционно осушение проводилось посредством естественной вентиляции. Для предохранения стен от сырости в их толще устраивались воздушные прослойки и каналы.

Чаще всего эти каналы были необходимы для просушки кладки от строительной сырости, но после окончания каменных работ их рекомендовалось не закладывать, а продолжать использовать и далее. Устраивались и специальные каналы для вентиляции стен. Но в большинстве случаев допустимая влажность воздуха в подвалах поддерживалась печным отоплением здания. В основе традиционного способа осушения лежит способность теплого воздуха удерживать большее количество водяных паров по сравнению с холодным.

Воздух, ассимилировавший влагу, заменяется свежим, этот воздух нагревается и так далее. Рассматриваемый метод характеризуется повышенным энергопотреблением в связи с наличием безвозвратных потерь явного (расходуемого на подогрев приточного воздуха) и скрытого тепла (содержащегося в удаляемых с воздухом парах воды). Следует отметить, что скрытая часть тепла составляет значительную долю общих потерь. В последние десятилетия этот метод все больше выходит из употребления.

Нагрев воздуха с последующей вентиляцией является очень затратным способом осушения с учетом постоянного удорожания энергоресурсов. Деньги буквально выбрасываются в окно. В зависимости от времени года и погодных условий, свежий воздух содержит определенное количество влаги, что может значительно замедлить процесс осушения. В качестве примера рассматривается конденсационный метод осушения, который обладает лучшей энергетической эффективностью (расход энергии ниже примерно на 80 %) и часто является единственно допустимым.

Этот метод осушения, в отличие от осушения нагревом или естественной вентиляции, всетаки позволяет плавно управлять относительной влажностью воздуха, что абсолютно предотвращает вспучивание и коробление отделочных материалов, растрескивание деталей мебели и интерьера от неравномерного высыхания. К достоинствам конденсационного метода относится большой удельный влагосъем (0,7–0,9 кг влаги на киловатт при параметрах 20 °C/60 % RH), а следовательно, компактность и малое энергопотребление установок [11].

Для особого удобства использования выпускаются мобильные осушители, которые могут работать в самых неблагоприятных условиях. Прочный корпус осушителя, защищенный от коррозии, удобные ручки, полиуретановый обод колес позволяют безопасно эксплуатировать установку в экстремальных условиях, в том числе даже при ликвидации последствий стихийных бедствий. Ряд некоторых мобильных осушительных установок с производительностью по влагосъему до 2 л/ч имеют вес до 60 кг и энергопотребление до 1,5 кВт.

В процессе проведения реставрационных и строительных работ при низких температурах удобно использовать адсорбционные осушители. В журнале С.О.К. [12] подробно рассматривались принципы работы и преимущества адсорбционного метода осушения применительно к искусственным крытым каткам. Рекомендуемыми уровнями влажности для оптимизации работы ледовой арены являются 40 % RH при 12–18 °C. Поддержание влажности ниже 40 %, предотвращает рост плесени.

Влажная внешняя отделка является чрезвычайно уязвимой. Согласно действующим технологическим регламентам, влажность кирпичной кладки перед началом отделочных работ должна быть снижена с начальной 15–20 % (а в поверхностном слое достигающей 50 %) до 5 % на глубине 5 см [13]. Намокшие стены под действием низких температур замерзают, в результате бетон и кирпичная кладка растрескиваются, а это приводит к преждевременному выходу зданий и сооружений из строя.

Не столь катастрофичны, но, тем не менее, значительны последствия избыточной влажности при внутренних косметических ремонтах. Основным требованием обеспечения приемлемого качества выполняемых работ при внутренних косметических ремонтах является поддержание температуры обрабатываемых поверхностей (tw), как минимум, на 3 °C выше точки росы (tdp) [14, 15].

Сам по себе прогрев стен при этом неприемлем, поскольку, в силу различия коэффициентов температурного расширения используемых материалов, после их остывания неизбежно образование трещин, складок и других дефектов производимых отделочных работ. Иногда используемые в этих целях лучистые нагреватели следует считать примером порочной практики, приводящей к негативным результатам.

Таким образом, обеспечение требуемого условия tw ≥ tdp + 3 °C целесообразно осуществлять за счет поддержания соответствующих температурно-влажностных параметров воздуха, циркулирующего внутри помещения, в котором производятся те или иные виды косметического ремонта. Нормальная бетонная смесь содержит около 200 кг воды на кубометр, половина этого количества впоследствии испаряется.

Следовательно, если объем бетонного фундамента некоторого здания составляет от 20 до 30 м3, за первые два года после постройки испарится несколько тысяч литров воды. Аналогично, влаговыделение железобетонной плиты пола помещения толщиной 200 мм в административном здании за первые два года составит 20 л/м2. Бетонные блоки (и влага, содержащаяся в кладочном растворе), сухая штукатурка, краски, покрытия пола и другие компоненты вносят свою долю как источники влаговыделений. Деревянные конструкции, как правило, теряют до 10 % влаги от собственной массы. Ниже рассмотрены варианты использования конденсационных и адсорбционных осушителей.

На станциях очистки воды и насосных станциях возникают проблемы связанные с конденсацией водяного пара на механизмах, контрольно-измерительных приборах и элементах ограждающих конструкций. При наличии в помещении воды с большой поверхностью испарения нагрев не решает проблемы, а наоборот, способствует ускоренной конденсации на холодных поверхностях. Эти проблемы обостряются в переходные периоды года и летом с увеличением абсолютного влагосодержания воздуха.

Негативное влияние повышенной влажности выражается в: ускорении процесса коррозии; снижении сопротивления изоляции кабелей и обмоток электродвигателей, что может привести к их пробою и выходу оборудования из строя (аварии); уменьшении срока службы оборудования. Эти факторы приводят к значительному росту расходов на ремонт оборудования и конструкций. Наряду с этим, конденсат образует многочисленные очаги интенсивного развития плесени и бактерий, что приводит к осложнению санитарногигиенической ситуации, в особенности на станциях очистки воды.

В большинстве случаев температура воды в трубопроводах не выше 9 °C, а следовательно поверхность труб имеет примерно такую же температуру. Для предотвращения конденсации влаги, температура точки росы должна быть ниже температуры трубы. Требуется поддерживать температуру воздуха внутри помещения минимум на 2 °C выше температуры трубопровода. Кратность воздухообмена в помещениях обычно находится в пределах 0,3–0,7 ч–1.

Температура внутри помещений объектов водоснабжения редко превышает 16–18 °C из-за подземного расположения и низкой температуры трубопроводов. Для предотвращения конденсации влаги требуется обеспечение круглогодичного уровня относительной влажности ниже 45 % RH. Суммарные влагопритоки для подобной ситуации составят: МΣ = Мпов + Мw, Мпов = СА(χнас – χ1), где C — эмпирический коэффициент, соответствующий разнице минимум 2 °C температур воздуха и поверхности трубы; А — площадь водной поверхности, м2; χнас — влагосодержание насыщенного воздуха при температуре равной температуре воды; χ1 — влагосодержание при заданной температуре и влажности, г/кг; а величина Mw = ρVn(χ1 – χ2). В качестве примера определим влагосъем в помещении объекта водоснабжения при параметрах внутреннего воздуха 15 °C/50 % RH. Объем помещения 300 м3, площадь поверхности воды 40 м2, температура воды 8 °C.

Расчет таков — величина от инфильтрации: Mw = 1,2 × 300 × 0,3 × 10–5 = 540 г/ч, Mпов = 6,25 × 40 × (7 – 5) = 500 г/ч, а суммарные влагопритоки: MΣ = 500 + 540 = 1,04 кг/ч. Температура точки росы составляет 5 °C для параметров воздуха 15 °C/50 % RH. Такие параметры гарантируют отсутствие конденсации, так как температура поверхности трубопроводов выше температуры точки росы (температура воды 9 °C).

Требуемый уровень влажности могут обеспечить два осушителя производительностью 0,6 л/ч каждый (при параметрах внутреннего воздуха 15 °C/50 % RH). В случае, если требуется поддерживать постоянную влажность в помещении независимо от погодных условий, то обязательно нужно оснастить осушители гигростатами. Осушение помещений при строительных работах. В случае длительного строительства (более шести месяцев), строительные материалы успевают высохнуть до окончания работ благодаря естественным процессам.

Чаще приходиться удалять остаточную влагу из строительных материалов перед заселением людей в здание. Для правильного выбора осушителя нужно рассчитать количество избыточной влаги в материалах и располагаемое для осушения время. Рассчитать эти параметры иногда бывает достаточно сложно. Данные по некоторым материалам приводится в табл. 2. Пример. Допустим, продолжительность осушения 30 дней. Объем помещения равен 2,4 × 7 × 16 = 268,8 м3. Осушаемый материал — цементная стяжка толщиной 10 см.

Параметры внутреннего воздуха: t = 20 °C, влажность 50 % RH как среднее между начальным значением 60 % RH и конечным 40 % RH. Расчет таков. Объем осушаемого материала составит: V = 16 × 7 × 0,1 = 11,2 м3. Содержание влаги в бетонной стяжке составит: М = 11,2 × 58 кг/м3 = 649,6 кг. Это количество влаги нужно удалить за период 30 дней: М = 649,6/30 = 21,65 кг/сут. Следовательно, производительность осушителя должна быть не менее 0,9 кг/ч. Нужно помнить, что осушение сначала идет быстрее (при высокой влажности).

По мере снижения влажности материала производительность осушения также снижается. Устранение последствий затопления и протечек. В случае ликвидации последствий затопления сложно давать конкретные указания по проведению осушения, поскольку в разных обстоятельствах количество воды может значительно различаться. Несмотря на это есть несколько основных рекомендаций для подобных ситуаций.

Необходимо как можно скорее изолировать пострадавший объект или помещение для того, чтобы воспрепятствовать дополнительному поступлению влаги из воздуха и других источников. Кроме того, нужно сразу начать процесс осушения, в некоторых ситуациях одновременно применяя нагрев для ускорения испарения. Неотложные меры по осушению необходимы для того, чтобы влага не успела глубоко проникнуть в материалы строительных конструкций и меблировки.

Если же вода успела впитаться, то придется использовать более производительные установки для ускорения процесса осушения. Точно оценить количество влаги зачастую проблематично, поэтому применяют эмпирическую формулу для оценки необходимой производительности осушителя по влагосъему. Например, для осушения помещения объемом 280 м3 за 8–12 дней от начальной влажности 60 % RH до конечной 40 % RH влагосъем можно принять равным: M = 4V = 4 × 280 = 1,12 кг/ч.

Удаление влаги из-под полов. В случае проникновения воды под настил пола, для того чтобы вынуть влажные теплоизоляционные материалы, часто требуется разбирать покрытие. Это влечет большие затраты средств, времени и делает помещение непригодным для использования на все время восстановительных работ. Осушитель с опцией подогрева воздуха позволяет избежать вышеупомянутых неудобств, поскольку позволяет подавать нагретый и сухой воздух под настил и забирает обратно увлажненный воздух через гибкие воздуховоды.

Мощность нагревателя составляет 1 кВт. Длина гибких воздуховодов должна быть 5–6 м. Возможность пропускать сухой воздух под настил пола позволяет использовать помещение сразу после аварии. Во многих странах ликвидацию последствий аварий и стихийных бедствий осуществляют подрядные организации. Кроме того они могут предоставить консультации по решению проблем с плесенью и биодеструкцией.

Многие американские, например, подрядчики по авариям трубопроводов имеют оборудование для быстрой осушки здания, благодаря чему можно сохранить отделочные и напольные покрытия. На региональном уровне создаются запасы осушительного оборудования на случай чрезвычайной ситуации. В зарубежных странах уже давно ведется мониторинг биоразрушений и борьба с ними. Например, в США действует общегосударственная программа «Здоровый дом — здоровая нация» [16]. Чистый воздух, сухая и здоровая атмосфера жилища является одним из важнейших факторов. 

Выводы

Долговечность зданий и сооружений зависит от принятых технических решений при проектировании и строительстве, своевременного проведения профилактических мер в процессе эксплуатации. Контроль влажности является наилучшим средством предупреждения повреждений зданий. Биологическим повреждениям (в основном грибковым), обусловленным влагой, в последнее время придается особое значение, так как эти явления могут сказываться на здоровье людей (снижение Indoor Air Quality — показателя качества внутреннего воздуха), состоянии конструкций и внешнем облике зданий. Понимание всех процессов влагопереноса позволяет предотвратить повышенную влажность в здании.

Особо эффективными мерами являются конденсационное осушение воздуха, гидроизоляция со стороны грунта, изоляция трубопроводов и т.д. Для предупреждения избыточной влажности и опасности биоповреждения зданий рекомендуется сочетание действий по сокращению источников увлажнения, контролю и регулированию влагопереноса и стимулированию процессов высыхания.

По сравнению с традиционным осушением конденсационный и адсорбционный методы обладают преимуществами: большой удельный влагосъем; компактность и мобильность; высокая энергоэффективность; мягкий режим сушки снижает ущерб от ухудшения внешнего вида, появления трещин и деформации материалов; возможность работы в закрытых помещениях, что позволяет снижать кратность воздухообмена и предотвращает поступление влаги с наружным воздухом; автоматическое поддержание требуемой влажности в помещении при управлении осушителем по сигналу гигростата; осушение труднодоступных зон при помощи гибких воздуховодов, что позволяет не разбирать мешающие отводу влаги перегородки и настилы.

Учитывая вышеперечисленные характеристики осушителей, можно рекомендовать использование конденсационных и адсорбционных установок в следующих сферах: ликвидация последствий стихийных бедствий (МЧС, районы разлива рек); поддержание требуемой влажности в неотапливаемых складах продовольствия и имущества (МЧС, МО, производственные и торговые предприятия); обеспечение регламентированной влажности строительных и отделочных материалов (строительство и реставрация зданий); защита зданий и оборудования насосных и водоподготовительных сооружений (водоканал и крупные предприятия); осушение подвалов в целях улучшения санитарного состояния и защиты здания (жилые дома и производственные объекты); защита ответственных железобетонных и металлоконструкций от коррозии (метрополитен, порты, мосты, судоверфи и др.).