Влияние условий эксплуатации на изменение теплозащитных свойств ограждений

Как правило, при проектировании обычно не учитывается возможное появление в дальнейшем отклонений в значениях коэффициентов теплопроводности от расчётных, применяемых в соответствии со СНиП 23-02-2003 [1] и Сводом Правил 23-101-2004 [2]. Так, например, содержание влаги для глиняного кирпича ограничено нормами в пределах 2 %, а при неблагоприятных условиях эксплуатации оно может увеличиться до 30 %.

В СНиП 23-02-2003 и СП 23-101-2004 сопротивление паропроницанию и влажностный режим наружных ограждений нормируется двумя факторами: недопустимостью накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации и ограничением количества влаги в конструкции за период отрицательных среднемесячных температур наружного воздуха. В итоге практически не учитывается влияние следующих параметров на строительные материалы: начальное распределение влаги в ограждении, её последующая (вследствие разности температур) миграция и возникновение дополнительного теплового потока при наличии конденсации на холодной поверхности. Всё это в дальнейшем может негативно отразиться на состоянии строительных конструкций и микроклимате помещений [3].

Актуальность расчётов тепловлажностных режимов, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации, и корректного определения требуемых показателей для проектирования систем обеспечения микроклимата существенно возросла, особенно по причине изменений содержания влаги. Это обусловлено применением многослойных строительных конструкций, в которых может быть использован широкий ряд конструкционных, теплоизоляционных, гидроизоляционных и пароизоляционных материалов с различными техническими характеристиками.

В европейской и мировой практике прогнозирование температурно-влажностного режима ограждений выполняется на базе нескольких стандартов, регламентирующих последовательность расчёта и методику определения расчётных характеристик строительных материалов.

Федеральный закон №184-ФЗ «О техническом регулировании» предусматривает гармонизацию отечественной нормативной базы с международными стандартами, поэтому в соответствие с распоряжением Правительства Российской Федерации от 21.06.2010 №1047 необходимо проводить актуализацию норм с учётом с международных стандартов.

По евронормам EN (ISO) [4, 5] расчётный коэффициент теплопроводности для строительных материалов вначале определяется посредством измерений в лабораторных или натуральных условиях. Затем данным расчётом учитывается влияние температуры и старения, изменяющее начальное значение теплоизоляционных свойств при длительной эксплуатации зданий.

Проникновение влаги и её возможное накопление в наружных ограждениях оказывает определяющее влияние на изменение коэффициентов теплопроводности материалов, поэтому в первую очередь необходимо рассматривать прогнозируемое изменение поправочного коэффициента

Методика определения расчётных коэффициентов теплопроводности и термических сопротивлений конструктивных слоёв ограждений, а также изложенная последовательность принятия решений предполагает использование следующих зависимостей:

где λ₁ и λ₂ — коэффициенты теплопроводности, определённые в результате испытаний при стандартных условиях EN 10456 и с учётом заданных значений влажности и температуры для рассматриваемого материала, соответственно, Вт/(м·°С); R₁ и R₂ — термические сопротивления слоя материала при стандартных условиях испытаний и при прогнозировании тепловлажностного режима эксплуатации, а также дальнейшего старения, м²·°С/Вт; F_T, F_т и F_a — безразмерные поправочные коэффициенты, учитывающие влияние на теплозащитные свойства строительных материалов температуры, влажности и их последующего старения при эксплуатации.

Так как проникновение влаги и её возможное накопление в наружных ограждениях оказывает определяющее влияние на изменение коэффициентов теплопроводности материалов, то в первую очередь необходимо рассматривать прогнозируемое изменение поправочного коэффициента F_т.

Данный коэффициент в соответствие EN 10456 может быть аппроксимирован экспоненциальной функцией видов:

где u₁ и ψ₁ — содержание влаги в материале при условиях экспериментального определения коэффициентов теплопроводности по массе [кг/кг] и по объёму [м³/м³], соответственно. Например, в сухом состоянии u₁ = 0, ψ₁ = 0; u₂ и ψ₂ — содержание влаги в материале при расчётных условиях эксплуатации по массе и по объёму; f_u и f_ψ — коэффициенты для конкретных видов материалов, приведённые в справочных данных EN 10456.

В России учитывать изменение влажности строительных материалов впервые наиболее обосновано было предложено А. У Франчуком [6]. Проведённые экспериментальные исследования [6] позволяют проследить изменение значений коэффициентов теплопроводности строительных материалов при их постепенном увлажнении.

Так, например, для кирпичной кладки и железобетонных изделий значения данного показателя приводятся в табл. 1 и 2, а их графическое изображение (рис. 1 и 2) даёт более чёткое представление о характере изменений. Если поправочный коэффициент на влагосодержание F_m представленных в табл. 1 и 2 и на рис. 1 и 2 материалов аппроксимировать экспоненциальной зависимостью с учётом величины относительной влажности w, то результат с достаточной достоверностью даёт формула вида:

где f_w — безразмерный коэффициент; w₀ и w — начальная и относительная влажности с учётом условий эксплуатации. При изменении теплопроводности от сухого состояния материала, то есть w₀ = 0, формула (5) упрощается до вида:

и коэффициент f_w, полученный в результате аппроксимации, принимается по результатам корреляции, приведённым в табл. 3. Несмотря на достаточно точный результат обработки, в соответствии с работой [2] более адекватной для эмпирических данных является линейная модель следующего вида:

Учитывая представленные изменения коэффициентов теплопроводности на рис. 1 и 2, увлажнение материалов в процессе эксплуатации может значительно увеличить теплопотери наружными ограждениями и отрицательно повлиять на санитарно-гигиенические условия.

Поэтому первоначально выполняемый теплотехнический расчёт должен при проектировании уже включать прогнозирование возможных влажностных режимов строительных конструкций и оценку изменения их теплозащитных свойств при эксплуатации, в соответствии с рекомендуемыми полученными выше зависимостями.