Котельные установки

Прямая связь величин коэффициентов паропроницаемости с сорбционными свойствами материалов позволяет считать, что изменения х в зависимости от равновесной влажности будут различными для отдельных групп материалов, характеризуемых изотермами сорбции различного вида. Для смачиваемых материалов с высокой сорбционной способностью эти изменения будут наиболее существенными, тогда как для материалов, несмачиваемых влагой, т. е. гидрофобных (например, минеральный войлок, минераловат-ные плиты и т. д.), они практически не будут ощутимы.
Для этих последних материалов большее значение может иметь изменение коэффициентов паропроницаемости в зависимости от температуры. Такие изменения констатированы при проведении экспериментов по определению паропроницаемости гидрофобных материалов [71], но закономерности этих изменений недостаточно изучены.Представляет интерес сравнение величин коэффициентов паропроницаемости, вычисленных по формуле (VI.24), с имеющимися экспериментальными данными.
К сожалению, сколько-нибудь систематических отечественных данных по экспериментальному определению коэффициентов паропроницаемости гидрофильных материалов при различном их равновесном влагосодержании почти не имеется, и наибольший интерес с этой точки зрения представляют измерения Иогансона и Эден-хольма (Швеция), результаты которых известны, в частности, из немецкой периодической литературы [64].
Указанными экспериментальными работами установлено, что значения коэффициентов паропроницаемости (в подлиннике «коэффициентов влагопроницания, г/м-ч-мм рт. ст.») при 45% относительной влажности уменьшаются против значений при 80%, для органических материалов в 1,5—2,0 раза, а для неорганических в 2—3 раза* (рис. VI.11). Для минеральной шерсти (ваты) не отмечено никаких изменений паропроницаемости от влажности. Это вполне согласуется с характером изотермы сорбции для этого материала, свидетельствующей о том, что его весовая влажность в пределах от 45 до 80% почти не изменяется; направление изотермы * почти параллельно оси абсцисс (т. е. относительной влажности).

При разработке методов инженерного расчета кинетических процессов, к которым, в частности, относится диффузионное увлажнение конструкций, часто возникает необходимость рассмотрения предельно допустимых состояний этого процесса, существенным образом влияющих на эксплуатационные качества конструкции. Во многих кинетических процессах (например, постепенного разрушения, охлаждения, проницания, увлажнения и т. д.) такие предельно-допустимые состояния конструкции определяют основные этапы и даже методы соответствующих технических расчетов.
В зависимости от стойкости увлажняемых материалов (т. е., прежде всего, от степени постоянства их структурно-механических свойств при многократных изменениях влагосодержания и колебаниях температуры) и их сорбционной активности, допустимое состояние увлажнения.Если момент достижения допустимого влагосодержания или возникновения конденсации в опасном сечении конструкции совпадает с окончанием средней многолетней продолжительности холодного периода года, в течение которого может происходить наиболее интенсивная диффузия в толще конструкции, то последнюю можно считать удовлетворительно запроектированной, поскольку после этого момента начинается в обычных климатических условиях период естественного высыхания ограждения.Величина коэффициента условий увлажнения может изменяться от п=1,0 для ограждений с непроницаемой наружной частью (в этом случае все диффундирующее количество водяного пара идет на увлажнение ограждения) до п^10,0 для конструкций с проницаемым наружным слоем (в этом случае на увлажнение ограждения идет незначительная часть диффундирующего пара).
При сильно проницаемой наружной части (или при наличии вентилируемой воздушной црослойки под наружным защитным слоем) величины п сильно возрастают, что свидетельствует о невозможности накопления влаги внутри конструкции за счет диффузии. В этих случаях расчета на увлажнение при диффузии водяного пара не требуется. Для таких конструкций не нужна пароизоляция, поскольку сопротивление паропроницанию их внутренней части обычно достаточно.
Влажностное состояние материала конструкции зависит от особенностей распределения влаги по толщине увлажняемого слоя.

За длительность диффузии г уместно в качестве допустимого приближения принимать время холодного периода года в сутках, ограниченное датами, соответствующими среднесуточным температурам, равным нулю и устанавливающимся в осенний и весенний периоды. Длительность такого времени указана в нормах строительной климатологии СНиП (графа 23 табл. 1 гл. СНиП II-A.6—72).
Для центральных районов европейской части СССР длительность диффузии близка к четырем месяцам; в более холодных, но сухих районах (южные территории центральной Сибири и т. д.) увеличение длительности диффузии компенсируется меньшей влажностью воздуха в помещениях и относительной сухостью материалов ограждений; в ряде случаев условия конструирования ограждений в таких районах (с точки зрения требуемой вла-гоизоляции) облегчаются, поскольку толщина конструкций возрастает, а коэффициенты паропроницаемости для многих сухих материалов уменьшаются. В западных районах европейской части СССР, где длительность периода диффузии сокращается, но влажность материалов повышена, требования к сопротивлению влаго-изоляции также не изменяются.
Лишь во влажных северных районах (Кольский полуостров и т. д.) и в холодных районах Сибири, особенно подвергающихся океаническом влияниям, эти требования возрастают.
Наоборот, для южных сухих районов сопротивление необходимой влагоизоляции сильно уменьшается.
Температура в зоне возможной конденсации £ши соответствующее этой температуре насыщающее давление водяного пара должны быть установлены обычным теплотехническим расчетом *.
Расчет продолжительности времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения ограждающей конструкции, позволяет судить о целесообразности применения ее в помещениях с различным парциальным давлением водяного пара во внутреннем воздухе.

Для слоистых покрытий в виде железобетонных плит с тщательно заделанными стыками, окрасочного (битумного) пароизоляци-онного слоя, утепления из пенобетонных плит и рулонной кровли продолжительность увлажнения, при рассмотренных выше условиях, также будет превышать длительность диффузии, в связи с чем более сложные расчеты влажностного состояния таких конструкций не требуются.
Продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения однородных массивных стен (за счет диффузии водяного пара), превышает длительность холодного периода года, в течение которого может происходить диффузия. В связи с этим графо-аналитический расчет влажностного состояния таких ограждений утрачивает практический смысл.
Лишь для предельно облегченных конструкций, выполняемых с применением эффективных теплоизоляционных материалов, защищенных со стороны помещения тонкими отделочными слоями рз сравнительно паропроницаемых материалов, продолжительность времени, необходимого для предельно допустимого увлажнения, мала.
Такова, например, конструкция бесчердачного покрытия из асбестоцементных листов (6 = 8 мм,р,= 0,0035) с окрасочной паро-изоляцией, минераловатным утеплителем и трехслойной рулонной кровлей, наклеенной по верхнему листу асбестоцемента.
В связи с предельной легкостью такого покрытия, расчет накопления влаги, конденсирующейся в виде инея на нижней поверхности асбестоцементного листа под рулонной кровлей, должен производиться за полную длительность холодного периода года.
Для подобных конструкций даже в помещениях с нормальной влажностью внутреннего воздуха следует применять внутренние защитные слои с очень большим сопротивлением паропроницанию (листы из плотных пластмасс, алюминия, асбестоцемента, покрытого толстой (многослойной) защитной пленкой на основе полимерных материалов и т. д.), так как применение в аналогичных конструкциях с рулонной кровлей более проницаемых отделок может привести к периодической ежегодной конденсации влаги в подкровельном слое и постепенному разрушению конструкции.
Расчет необходимого сопротивления паропроницанию внутренней части проектируемой конструкции покрытия над влажным помещением и ее необходимой влагоизоляции приведен в следующих примерах.

Кратко описанный выше графо-аналитический метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций разработан для установившихся условий диффузии водяного пара и игнорирует длительное (а для массивных конструкций отапливаемых зданий нереально длительное) время, необходимое для достижения таких условий.
Для сравнительно массивных конструкций длительность такого времени превышает продолжительность холодного периода года, а потому для этих конструкций графо-аналитический метод расчета вообще неприменим. Кроме того, этим методом не учитывается ни начальное влагосодержание материала конструкции, ни постепенные его изменения во времени.
Опыт эксплуатации ограждающих конструкций зданий и многочисленные исследования в лабораторных и натурных условиях показали, что действительные особенности влажностного состояния конструкций зависят от начального влагосодержания и его колебаний в холодный и теплый периоды года, связанных с климатом местности и температурно-влажностным режимом ограждаемого помещения. Эти факторы в некоторой мере учитываются изложенным выше приближенным инженерным методом расчета по предельно допустимому состоянию увлажнения, но более точным образом могут быть изучены только на основе численного решения соответствующих дифференциальных уравнений, в частности, уравнения (1,28).Для проведения расчета необходимо иметь изотерму сорбции того строительного материала, из которого выполнена рассматриваемая ограждающая конструкция.
В качестве исходного положения для расчета принимается начальное влагосодержание материала, соответствующее изучаемым реальным условиям; чаще всего такое начальное влагосодер-жение соответствует равновесному при ф = 50^80% по изотерме сорбции. Рассчитываемая конструкция разделяется на равные по толщине слои Ал: (например, на 5—6 слоев); плоскости, ограничивающие или разделяющие эти слои, нумеруются по направлению от теплой к холодной поверхности ограждения и являются расчетными плоскостями. Зная температуру и насыщающее парциальное давление в каждой из расчетных плоскостей, легко определить по начальному влагосодержанию и изотерме сорбции величину начального парциального давления в этих плоскостях, пользуясь формулой (VI.3).
Кинетика дальнейших изменений влагосодержания материала конструкции зависит от климатических условий рассматриваемой местности. Годовой цикл времени, состоящий из 12 месяцев, делится на характерные четыре периода (зима, весна, лето, осень); при этом к каждому периоду относят смежные месяцы с достаточно близкими значениями среднемесячных температур. За среднюю температуру наружного воздуха в каждом периоде принимается осредненная температура этих месяцев. Средние за каждый период значения температур на наружной поверхности ограждения вычисляются с учетом теплового действия осредненных значений солнечной радиации (формула 11.16). После этого на поперечном разрезе конструкции строится распределение температур для каждого периода года, определяя их значение и соответствующие им величины насыщающих парциальных давлений в расчетных плоскостях.
Имея в виду, что стационарные условия теплопередачи устанавливаются во много раз быстрее, чем такие же условия для диффузии, принимают, что распределение температуры в ограждающей конструкции постоянно в течение каждого из характерных периодов года и соответствует средним температурным условиям этого периода. Переход от температурных условий одного периода года (например, зимы) к другому (например, весне) условно считается мгновенным.

Изложенные выше методы расчета влажностного состояния ограждающих конструкций при диффузии водяного пара относятся к конструкциям, эксплуатируемым уже в течение нескольких лет, в результате чего влагосодержание материала приблизилось к сорбционному.
Для многих ограждающих конструкций такая сравнительная стабилизация влажностного состояния наступает только после того, как завершается основная часть процесса естественной сушки, связанная с испарением избыточного количества начальной технологической влаги.
Наибольшая эффективность естественной сушки отмечается в теплое время года, когда температура наружного и внутреннего воздуха незначительно отличается друг от друга, в связи с чем можно считать, что процесс высыхания конструкции и перемещения влаги в ней происходит при постоянной температуре (в изотермических условиях). Для этих условий справедливо уравнение влагопроводности (1.9 и VI.19).
Из уравнения (1.9) методами теории подобия может быть установлен безразмерный критерий Фурье TV, характеризующий сравнимые условия перемещений влаги.Распределение влаги по толщине однородной высыхающей конструкции в течение преобладающего времени сушки неравномерно: в поверхностных слоях, непосредственно соприкасающихся с воздушной средой, влагосодержание мало, в средней части — более высоко (рис. VI.19). При значительной толщине однородных стен влажностное состояние материала в средних слоях конструкции изменяется медленно и в сравнительно незначительных пределах. Основная часть однородной массивной стены сохраняет в определенный период года относительное постоянство влагосодержания на уровне, отвечающем средним микроклиматическим условиям (внешним и внутренн-им), особенностям эксплуатации здания и физико-техническим свойствам материала, из которого выполнена конструкция.Колебания температуры и влажности, происходящие в наружной и внутренней воздушной среде, в наибольшей мере затухают во внешних слоях массивной ограждающей конструкции. С этим связано изменение физического состояния этих слоев конструкции: нагревание и охлаждение, высыхание и увлажнение.
Толщина поверхностных слоев ограждающей конструкции, в которых происходят резкие колебания влагосодержания в отдельные периоды года, зависит от свойств материалов и длительности периодов изменения внешних воздействий и может быть существенно различной. В известной мере толщина этих слоев конструкции близка к толщине слоя резких температурных колебаний, рассматриваемого в теории теплоустойчивости.

Чем длительнее процесс естественной сушки, тем больше вероятность хронического засырения стен; такая вероятность наиболее велика для стен, выпЬлненных из шлакобетона и золобетона. В тех случаях, когда длительность основной части процесса естественной сушки, установленная расчетом по формуле (VI.37), превышает 2 года, целесообразно в процессе проектирования уменьшить вероятность засырения стен путем применения пустотных изделий, дополнительного утепления и уменьшения толщины конструкции, введения осушающих воздушных прослоек.
Наиболее длительные сроки естественной сушки характерны для трехслойных ограждающих конструкций, в которых внешние слои выполнены из плотных материалов, например, железобетонных панелей или других малопроницаемых элементов, а внутренний слой, осуществленный из ячеистых бетонов или других материалов с высоким начальным влагосодержанием, изолирован от воздушной среды этими плотными внешними слоями. Толщина их невелика и обычно меньше толщины слоя резких температурных колебаний; быстро устанавливающееся равновесное влагосодержание этих внешних слоев, как правило, находится в пределах сорб-ционного, а в летний период года, когда следует ожидать наиболее интенсивной естественной сушки конструкции, — приближается к равновесному при 50% относительной влажности, или еще меньшей.
Перемещение избыточной влаги, содержащейся в ячеистом бетоне или другом материале с высоким влагосодержанием, ограничивается плотностью этих высохших внешних слоев, сопротивление которых влага может преодолевать только в парообразной фазе. В этих условиях удлинение периода естественной сушки трехслойной конструкции, по сравнению с однородной из ячеистого бетона, может быть установлено с учетом увеличения сопротивления паропроницанию внешних плотных слоев и возникновения сопротивления влагообмену на их поверхности, граничащей с ячеистым бетоном.Конечно, чем продолжительнее естественная сушка ограждающих конструкций, тем больше вероятность дополнительного их увлажнения конденсационной влагой и другими ее видами.
В связи с этим достижение конструкцией равновесного влагосодержания может отдаляться, поскольку вероятно чередование естественно протекающих процессов обезвоживания материала с его эпизодическими увлажнениями.
Высокое влагосодержание не характерно для тонких и пустотелых ограждающих конструкций, подвергшихся после монтажа высыханию в течение одного устойчивого летнего периода и не имеющих источников добавочного увлажнения.

Расчет изменений влажностного состояния покрытий приведен для наиболее невыгодного случая, т. е. учтено дополнительное увлажнение конструкций в связи с началом эксплуатации, совпадающим с наступлением холодного периода года.
Верхняя волнообразная кривая с наибольшими колебаниями значений выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое защитного настила, выполненного из непросушенной древесины с влажностью 23% по весу.
Горизонтальная пунктирная линия соответствует верхнему пределу сорбционного увлажнения древесины (31,5% весовой влажности). Заштрихованные площади внутри волнообразных кривых, лежащие выше этой линии, указывают на конденсацию свободной жидкой влаги в древесине.
Нижняя кривая выражает изменения влагосодержания в подкровельном слое покрытия при начальной влажности древесины 16%.
Пунктирная кривая, проходящая через точки наибольших значений влагосодержания древесины, представляет общую закономерность уменьшения этих значений с течением времени.
Из рис. VI.22 видно, что среднегодовое значение влагосодержания покрытий не является стабильным. По мере естественной сушки конструкции оно стремится к устойчивому значению, соответствующему внутренним и наружным климатическим условиям. Периодом колебаний влажности является год. Колебания влагосодержания, вызываемые внешними температурно-влажност-ными воздействиями, совпадают с изменениями последних по длительности периода, хотя и следуют за ними с некоторым запозданием.
Эта закономерность изменений влажностного состояния покрытий подтверждается имеющимися натурными исследованиями.
Практика эксплуатации бесчердачных покрытий показывает, что их разрушения, проявляющиеся в поражении биологическими процессами, вспучиваниях и отслоениях кровельного рулонного ковра и т. д., имеют место главным образом в течение первых лет службы и преимущественно в тех конструкциях, которые были выполнены в осенне-зимний период.
Во влажных климатических районах процесс высыхания покрытий растягивается на несколько лет, в течение которых возможны указанные выше разрушения, тогда как в сухих районах опасной является только первая зима после возведения покрытия.
Покрытия с рулонной кровлей наиболее опасны по сравнению с другими видами ограждающих конструкций с точки зрения возможности переувлажнения диффундирующей из помещения парообразной влагой, если эти ограждения в целом или их утепляющий слой выполнены из недостаточно плотных материалов; они должны быть предохранены от увлажнения необходимой пароизоляцией, расчет которой был указан выше.
Приведенные на предыдущих рисунках закономерности изменений влагосодержания бесчердачных деревянных покрытий могут быть с определенными коррективами распространены и на аналогичные однородные конструкции, выполненные из какого-либо другого материала.
При этом интенсивность сезонных ежегодных увлажнений будет зависеть от проницаемости материала и его влагоемкости, а сроки достижения равновесного влагосодержания — от внешних климатических условий и микроклимата ограждаемого помещения.
В отношении покрытий над отапливаемыми помещениями с нормальным влажностным режимом решающее значение для скорости естественной сушки имеет интенсивность солнечной радиации в рассматриваемой местности.
Радиационная естественная сушка наиболее эффективна и быстротечна; в северных районах с преобладанием облачной погоды, длительность процесса обезвоживания конструкции покрытия может распространяться на ряд лет, тогда как в местностях с солнечным летним климатом она резко сокращается.

С капитальностью зданий непосредственно связано представление о долговечности, т е. сроках службы, отдельных конструкций, от которых зависит и общий срок службы здания в целом. Под долговечностью следует понимать длительное время, в течение которого основные элементы конструкций оказывают сопротивление разрушающим внешним воздействиям, например, эксплуатационным нагрузкам, колебаниям температур, действию влаги или агрессивной среды и при наличии необходимого технического обслуживания (например, периодических осмотров и текущих ремонтов) сохраняют прочность, непроницаемость, теплозащитные качества и другие важные физико-технические свойства на уровне не ниже первоначальных, учтенных при проектировании.
Для характеристики неизменности эксплуатационных качеств зданий с течением времени большое значение имеет также длительность безремонтной службы конструкций в целом или их отдельных элементов; для многих отделочных и изоляционных слоев такая длительность ч*асто совпадает с общим сроком службы, т. е. с понятием долговечности, поскольку при ремонте конструкций эти слои обычно заменяются новыми.
Срок службы здания в целом зависит от долговечности его основных конструкций, т. е. фундаментов, несущих стен или каркаса. Если эти основные конструкции разрушились, то перестает существовать и все здание; в отдельных случаях можно обсуждать вопрос о его полном восстановлении или перестройке.
Другие конструктивные элементы, особенно объединяемые понятием ограждающих конструкций (т. е. заполнение каркаса, кровля, полы, оконные переплеты и т. д.), могут обладать меньшей долговечностью; в этом случае они по мере износа (т. е. прогрессирующего постепенного разрушения) заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение его общего периода службы. При правильно организованной технической эксплуатации здания долговечность его ограждающих конструкций повышаетс я (своевременно проводимые осмотры, текущие ремонты и т. д.) *.
Наиболее короткие сроки службы характерны для защитно-отделочных слоев, предохраняющих конструкции здания от постепенного разрушения (влагоизоляционные и фактурные слои, наружная отделка, окраска и т. д.), а также для кровель зданий и других конструктивных элементов, непосредственно подвергающихся климатическим воздействиям. Одной из существенных задач, представляющих значительный экономический интерес для современное массового строительства, является всемерное сохранение и продление сроков службы этих защищающих здания и относительно быстро разрушающихся элементов.

Увеличение долговечности ограждающих конструкций и улучшение их эксплуатационных качеств могут быть достигнуты в процессе проектирования целесообразным применением строительных материалов с учетом их физико-технических свойств, а также рациональным решением конструкций в целом, и, в частности, защитно-отделочных слоев, ограничивающих проникание агрессивных воздействий внутрь конструкции.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, а также натурные и лабораторные исследования их конструкций показывают, что как процессы первоначального упрочнения материалов (т. е. твердение бетонов, строительных растворов и т. д.), связанные с повышением (улучшением) физико-механических свойств, так и процессы последующего постепенного разрушения материалов и конструкций, проявляющиеся в понижении (ухудшении) этих свойств, зависят от колебаний температуры и воздействий влаги. Различная направленность изменяющих структуру процессов, от которой зависит постепенное упрочнение или постепенное разрушение материала, иногда наблюдается при аналогичных климатических воздействиях, но более мягких в первом случае и более жестких —во втором.
Опытные данные о постепенных изменениях структурно-механических свойств материалов в ограждающих конструкциях получили обоснованную теоретическую базу в работах крупных советских ученых: А. Ф. Иоффе и П. А. Ребиндера, развивших на основе своих исследований представления о роли физико-химических процессов в изменении структурно-механических свойств материалов. Прочность и стойкость изделий (особенно безобжиговых), изготовленных в заводских условиях, может возрастать в процессе эксплуатации здания, если под влиянием климатических условий обеспечивается циклическая смена температурно-влажностных состояний материала, способствующих улучшению его структурно-механических свойств.
В этом случае постепенные разрушающие процессы возникают и развиваются после завершения упрочняющих или одновременно с ними, что проявляется, например, в местных повышениях прочности материала и возникновении трещин в наиболее напряженных зонах конструкции.