Меню разделаНа главную

ВНУТРЕННЕЕ УТЕПЛЕНИЕ СТЕН

Распределение тепла и пара в толще ограждающих конструкций

Рассматривать прохождение тепла через наружные стены проще, если взять за систему исчисления шкалу температур Цельсия, а теплоту представить в виде векторов. В такой системе начало координат совпадает с нулем градусов, а положительная и отрицательная температуры будут представлены в виде разнонаправленных векторов. Если физические процессы, происходящие в стене, рассматривать в шкале Кельвина, то описание будет менее наглядным.

В самый холодный период года на наружную стену действуют пара сил количества теплоты: отрицательная с улицы и положительная со стороны помещения. Строительные конструкции, как и всякие другие физические тела, обладают теплосопротивлением. Разнонаправленные векторы количества теплоты, попадая в толщу стены, встречают на своем пути теплосопротивление материала и теряют свою силу, постепенно затухая. Таким образом, одна часть стены со стороны улицы, находящаяся в зоне отрицательных температур, промерзает, другая часть, находящаяся в зоне положительных температур, аккумулирует тепло (рис. 183). Мы знаем, что температура наружного воздуха непостоянна во времени, она то падает, то поднимается. Поэтому положение нулевой изотермы в толще стены не имеет постоянного места, эта изотерма перемещается вместе с изменением внешней и внутренней температуры воздуха. В толстых стенах, имеющих большое теплосопротивление, векторы количества теплоты затухают сами. В тонких стенах они встречаются друг с другом и, имея разные знаки (+/-), либо тоже затухают, либо один вектор пересиливает. В случае победы тепла над холодом стена полностью прогревается и вытесняет нулевую изотерму наружу. В этом варианте ограждение (стена) становится нагревательным прибором по отношению к улице, то есть мы тратим драгоценное тепло, за которое платим деньги, на отопление улицы. Если в борьбе двух векторов побеждает холодный, то изотерма нулевых температур смещается внутрь помещения, стена промерзает насквозь и становится «холодильником» по отношению к помещению.

Распределение теплоты в стенах различной толщины при увеличении или уменьшении
рис. 183. Распределение тепла в стенах различной толщины при увеличении или уменьшении наружных и внутренних температур воздуха

Задача проектировщиков была в том, чтобы при расчетной температуре внутреннего и любой температуре наружного воздуха, характерной для вашего региона строительства, подобрать такую толщину стены, чтобы в холодный период года изотерма нулевых температур всегда находилась в толще ограждения, дабы стена не получилась «холодильником» или «радиатором».

Второе условие, которое учитывали при проектировании, температура внутренней поверхности стены не должна отличаться от температуры внутреннего воздуха более чем на 4°С. Иначе наступает дискомфорт, от стены «тянет холодом», хотя она при этом не промерзает и на ней не растет грибок. Похожая картина иногда наблюдается после установки пластиковых окон с малым количеством камер. От герметично установленного окна «дует», хотя никаких щелей нет. Просто температура на стеклах окна ниже температуры в помещении более чем на 4°С.

Вне зависимости от изменения теплотехнических норм, расчет толщины стен вашего дома велся на температуру наружного воздуха самой холодной пятидневки. Эта величина получена в результате многолетних наблюдений за изменениями погоды в вашем регионе и занесена в СНиП. Температура внутреннего воздуха также регламентируется нормативными документами, в старом СНиПе она равна 18°С, в новом — +20°С. Однако по каким бы нормативным документам не производился теплорасчет, он делался конкретно для вашего региона строительства. Новые нормы направлены только на то, чтобы увеличением толщины стен или введением в их конструкцию эффективных утеплителей добиться снижения энергозатрат на отопление дома.

Одновременно с прохождением тепла сквозь стены проходят воздух и водяные пары. Процесс прохождения газов в помещение и из него называется экс- и инфильтрацией воздуха сквозь стены. Он происходит из-за ветрового подпора и из-за разности объемных масс холодного наружного воздуха и теплого внутреннего. Разность эта невелика, поскольку плотность теплого воздуха внутри помещения ненамного отличается от плотности воздуха на улице. Ин- и эксфильтрация имели место быть при установке деревянных окон старого образца, когда воздухообмен сквозь неплотности окон даже учитывался для расчета вентиляции дома. Прохождение воздуха только через материал плотных стен настолько незначителен, что очень мало влияет на воздухообмен помещения.

Гораздо важнее понять прохождение сквозь стены водяного пара. Это называется диффузией водяных паров сквозь ограждающие конструкции. Дело в том, что определенный объем воздуха способен удерживать в себе некоторое количество пара. Так, например, один кубометр воздуха, нагретого до 20°С, может содержать в себе 17,3 грамма водяных паров, что соответствует 100% относительной влажности (табл. 1). Большее количество пара этот объем воздуха при данной температуре не вмещает. При полном насыщении воздуха водяным паром малейшее снижение температуры воздуха превращает водяной пар обратно в жидкость. В природе это хорошо нам знакомое явление — образование тумана. При увеличении температуры воздуха и неизменном барометрическом давлении его плотность уменьшается и он способен принять еще некоторое количество пара, а при снижении температуры, наоборот, плотность воздуха увеличивается и он вытесняет «лишний» пар.

таблица 1

Зависимость точки росы от начальной температуры и влажности воздуха
Темпе­ратура возду­ха, °С Относительная влажность
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
50 8,3/8 16,6/19 24,9/26 33,2/32 41,5/36 49,8/40 58,1/43 66,4/45 74,7/48 83/50
45 6,5/4 13,1/15 19,6/22 26,2/27 32,7/32 39,3/36 45,8/38 52,4/41 58,9/43 65,4/45
40 5,1/1 10,2/11 15,3/18 20,5/23 25,6/27 30,7/30 35,8/33 40,9/36 46/38 51,1/40
35 4/-2 7,9/8 11,9/14 15,8/18 19,8/21 23,8/25 27,7/28 31,7/31 35,6/33 39,6/35
30 3/-6 6,1/3 9,1/10 12,1/14 15,2/18 18,2/21 21,3/24 24,3/26 27,3/28 30,4/30
25 2,3/-8 4,6/0 6,9/5 9,2/10 11,5/13 13,8/16 16,1/19 18,4/21 20,7/23 23/25
20 1,7/-12 3,5/-4 5,2/1 6,9/5 8,7/9 10,4/12 12,1/14 13,8/16 15,6/18 17,3/20
15 1,3/-16 2,6/-7 3,9/-3 5,1/1 6,4/4 7,7/7 9/9 10,3/11 11,5/13 12,8/15
10 0,9/-19 1,9/-11 2,8/-7 3,8/-3 4,7/0 5,6/1 6,6/4 7,5/6 8,5/8 9,4/10
5 0,7/-23 1,4/-15 2/-11 2,7/-7 3,4/-5 4,1/-2 4,8/0 5,4/2 6,1/3 6,8/5
0 0,5/-26 1/-19 1,5/-14 19/-11 2,4/-8 2,9/-6 3,4/-4 3,9/-3 4,4/-2 4,8/0
-5 0,3/-29 0,7/-22 1/-18 1,4/-15 17/-13 2,1/-11 2,4/-8 2,7/-7 3,1/-6 3,4/-5
-10 0,2/-34 0,5/-26 0,7/-22 0,9/-19 1,2/-17 1,4/-15 1,6/-13 1,9/-12 2,1/-11 2,3/-10
-15 0,2/-37 0,3/-30 0,5/-26 0,6/-23 0,8/-21 1/-19 1,1/-18 1,3/-17 1,5/-16 1,6/-15
-20 0,1/-42 0,2/-35 0,3/-32 0,4/-29 0,4/-27 0,5/-25 0,6/-24 0,7/-22 0,8/-21 0,9/-20
-25 0,1/-45 0,1/-40 0,2/-36 0,2/-34 0,3/-32 0,3/-30 0,4/-29 0,4/-27 0,5/-26 0,6/-25

Становится понятным, что в воздухе, например, нагретом до 20°С, в абсолютном значении содержится больше пара, чем в воздухе, остывшем на улице, предположим, до -10°С. В теплом воздухе такой температуры его может содержаться 17,3, а в холодном только 2,3 грамма при одинаковой 100% относительной влажности. Если мы сейчас на секундочку забудем, что этот пар находится в воздухе, то становится совершенно очевидным, что давление водяных паров внутри теплого помещения значительно превышает давление пара на улице. Его в кубометре теплого воздуха находится просто больше, чем в кубометре холодного. И что будет происходить? Как в сообщающихся сосудах пар будет перетекать из того места, где его много, в то место, где его мало, а воздух, находящийся под одинаковым атмосферным давлением и незначительно различающийся по плотности, будет практически оставаться на месте. Перемещение пара называется диффундированием. Водяной пар диффундирует всегда в ту сторону, где ниже температура воздуха, то есть через стены и перекрытия на улицу и в холодные подвалы. Вопреки расхожему мнению о «дыхании» стен, стены в основном «дышат» не воздухом, а паром. Экс- и инфильтрация воздуха через стены тоже имеют место, но в основной своей массе через стены диффундирует пар, а не воздух. Доля инфильтрации воздуха значительно ниже доли диффундирования пара. А воздухообмен помещения нужно обеспечивать грамотно спроектированной приточно-вытяжной вентиляцией.

В помещении, где большую часть года поддерживается температура воздуха выше, чем на улице, абсолютная насыщенность воздуха водяными парами всегда больше его атмосферной насыщенности. Люди выделяют пар дыханием и кожей, кроме того, влажность увеличивается за счет комнатных растений, приготовления пищи, стирки белья, купания и прочих причин. Поэтому пар практически всегда перетекает из помещения наружу и только в летние месяцы он может следовать в обратном направлении, когда воздух в комнатах прогревается меньше, чем воздух на улице.

Как уже было сказано, воздух до предела насыщенный паром, при понижении температуры «выдавливает» из себя пар и тот превращается в воду, это называется — выпадением росы. Однако в помещении стопроцентное насыщение воздуха паром бывает редко, часто его относительная влажность бывает гораздо ниже. Например, в помещении при температуре воздуха 20°С и 50% влажности содержится 8,7 гр/м³ водяного пара (табл. 1). Что будет происходить, если температура воздуха будет понижаться? Абсолютное значение содержащегося в воздухе пара останется прежним, его как было 8,7 грамма, столько же и осталось, но при понижении температуры, а следовательно, увеличении плотности воздуха, растет величина относительной влажности. При достижении температуры воздуха примерно 9°С относительная влажность вырастет до 100% и выпадет роса. Тот же эффект будет, если в комнату внести холодный предмет, имеющий температуру ниже 9°С, он покроется росой. А если этим предметом окажется наружная стена? Роса выпадет на поверхности стены, то есть в помещении с нормальной температурой воздуха 20°С и 50% влажности, но с холодными стенами (с температурой внутренней поверхности 9°С) будет конденсироваться влага. Стены станут намокать и на них вырастет грибок.

Температура, при которой выпадает роса, называется температурой точки росы. Эта температура — величина не постоянная и зависит от начальной температуры и влажности воздуха. Не нужно думать, что роса, а значит и возможное появление грибка на стенах, бывают только на холодных стенах. Например, принимая ванну, вы можете поднять температуру воздуха до 25°С, а влажность до 80% и на теплые стены, имеющие температуру внутренней поверхности 21°С, что выше нормативного минимума, выпадет роса.

Если сохраняется постоянной относительная влажность воздуха, количество конденсата возрастает при повышении температуры воздуха, так как вместе с этим возрастает его абсолютная влажность, и, наоборот, при постоянной абсолютной влажности воздуха с повышением его температуры количество конденсата уменьшается.

По таблице 1, зная температуру и влажность воздуха, нетрудно определить какой температуры должна быть внутренняя поверхность стены, чтобы на ней не появлялась роса. Необходимо отметить, что роса на шершавых и гладких поверхностях выпадает не одинаково. Например, выпадение росы на стене вы можете определить только по косвенным признакам — появлению грибка, а предположим, на зеркале или кафельной плитке ее видно визуально. Роса на стене сразу впитывается в поверхность материала и тем она опаснее, что не сразу заметна для проживающих людей.

Вернемся к диффузии водяного пара через стену. Материал стен, кроме теплового сопротивления, обладает еще рядом свойств, одно из которых паропроницаемость. Стены изначально должны проектироваться таким образом, чтобы паропроницаемость росла от внутренней поверхности к внешней. Другими словами, пар, диффундируя в стену, должен сначала встретить слой с низкой паропроницаемостью, затем попадать в слои с более высокой паропроницаемостью. В общем, по принципу «вход — десятка, выход — бесплатно». Пар должен с трудом попадать в стену, но уж если он в нее попал, то легко выводиться на улицу. Что будет, если поступить наоборот, сделать для пара легкий вход и затруднить выход? Результат очевиден, в стене он и останется, смачивая и разрушая конструкцию.

В зимний период года, а именно в это время диффундирование наиболее активно, просачиваясь сквозь стену, пар проходит несколько температурных зон. Попадая в стену с теплой внутренней, он движется к холодной наружной стороне. На пути движения пар остывает и может достичь температуры точки росы. Однако стены вашего дома заранее, еще на стадии разработки проекта, рассчитывались на такой вариант. Материал и толщина стен подобраны такими, чтобы пар в ней не конденсировался, а если таковое неизбежно, то ущерб должен быть минимальным. Материал стен рассчитывался и на максимальное водонасыщение паром — подсчитывался годовой баланс влажности стен. То есть в течение года пар, превратившийся в воду и смочивший стену в зимний период, должен полностью из нее испариться в атмосферу летом.

Теперь, когда мы знаем, как происходит движение тепла и водяного пара сквозь стены, рассмотрим варианты утепления стен.