Устройство кровель. Часть первая - теория

2016-06-23

Рекомендации: изначально требуется правильный расчет

Сегодня в строительной практике России используется большое количество разнообразных конструктивных решений по устройству покрытий зданий. Все они рассчитаны на эксплуатацию в условиях современных повышенных требований тепло- и гидрозащиты.

Однако по всей стране настроено колоссальное количество зданий, кровли и стены которых имеют архаичную конструкцию с присущими им органическими эксплуатационными недостатками. Такие кровли систематически протекают и каждые один-три года нуждаются в ремонтах. Да и стены с капитальными массивными карнизами и цоколями, несмотря на практически ежегодные ремонты, выглядят полуразрушенными.

Нам довелось участвовать во многих обследованиях технического состояния строительных конструкций, в том числе для экспертизы промышленной безопасности зданий и сооружений. Данные проблемы знакомы нам не понаслышке. Не раз возникали вопросы: что нужно изменить в строительной практике, чтобы не повторять ошибок прошлого; каким образом существенно повысить эксплуатационные качества старых рулонных кровель?

Процесс передачи тепловой энергии через ограждения

Верхняя и боковые ограждающие конструкции зданий предназначены для изоляции помещений внутри корпусообразующего несущего каркаса от внешней среды или одних от других. В соответствии с этим и учитывая строительные нормативные документы, ограждения должны отвечать многообразным, в том числе санитарно-гигиеническим требованиям. От них требуется теплоизоляция, гидроизоляция, пароизоляция, прочность, воздухонепроницаемость, звукоизоляция, светопрозрачность и т. д. Безусловно, основные требования - теплоизоляция и гидроизоляция: ограждения должны, подобно одежде, укрывать от внешних воздействий все здание полностью во всех его частях, без разрывов и пропусков, в том числе и в достаточно проблематичных местах сопряжений покрытия со стенами. Иначе неизбежно появление местных «промерзаний» с образованием зон конденсации на конструкциях, развитие коррозии и дискомфортный микроклимат.

Теплотехнические расчеты ограждающих конструкций опираются на изучаемую наукой «строительная физика» теорию тепломассопереноса. А она гласит, что тепловая энергия вместе с паровоздушной массой (в количестве Q, Ккал или Вт*ч) перемещается из отапливаемого помещения (с температурой внутреннего воздуха +tв, °С) через толщу ограждения (толщиной δ, см) наружу (с температурой воздуха –tн, °С), преодолевая сопротивление («теплопередаче»), которое зависит, во-первых, от физических свойств материала (характеризуемых коэффициентом теплопроводности λ, Вт / м*°С), а в остальном от толщины элемента, от разницы в температурах (tв– tн), площади участка (F, м2) и длительности наблюдения (Z, ч).

Этот процесс может быть выражен вполне очевидной математической зависимостью:

Q = (tв – tн)*F*Z*λ / δ, где

Q – количество тепловой энергии, прошедшей через ограждение (то есть теплопотери), в Ккал или Вт*ч;

λ – коэффициент теплопроводности материала, из которого выполнено ограждение [Ккал / м*ч*°С] = [Вт / м*°С]*1,16. Величина λ – это количество тепловой энергии (в Ккал или Вт*ч), проходящей через ограждение площадью 1 м2, толщиной 1 м в течение 1 часа при разности температур на внутренней (tв) и наружной (tн) поверхностях 1°С; она зависит в основном от пористости материала и его влажности. К примеру, для воздуха (в малых порах) – λ ~0,02–0,03 Вт / м*°С; для кирпичной кладки с пористостью 30% – 0,7 Вт / м*°С, а для промоченной кирпичной стены с влажностью 25% – уже 1,2 Вт / м*°С.

В приведенной выше формуле кроме физических величин, определяемых непосредственно измерением, может быть выделена величина, равная отношению толщины ограждения (δ) к коэффициенту теплопроводности материала этого ограждения (λ), т. е. величина (δ / λ).

Эта величина, обозначаемая в СНиП 23-02-2003 как Rо= δ / λ (с размерностью м2*°С / Вт), принята в теплотехнических расчетах в качестве мерила сопротивления теплопередаче каждого конкретного слоя ограждения. Физический смысл этой величины – разность температур внутреннего и наружного воздуха, при которой через 1 м2 данного ограждения в течение часа проходит энергия величиной 1 Ккал, или мощностью 1 Вт.

Сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции (безразлично – покрытия или стены) соответственно выражается суммой сопротивлений всех слоев конструкции. Небольшую добавку к этой величине (в размере около 0,15 м2*°С/Вт) составляют сопротивления теплопередаче тонких слоев воздуха, которые расположены возле внутренней (Rв) и наружной (Rн) поверхностей (рис. 1).

Процессы тепломассопереноса происходят одновременно в боковых и верхнем ограждениях, однако в покрытии их интенсивность – в силу горизонтального и верхнего положения – не менее чем в 1,5 раза выше, чем в стенах.

Величина сопротивления теплопередаче проектируемых ограждений должна быть не ниже требуемых величин (Rо тр), назначаемых в настоящее время согласно СП 50.13 330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003». В связи с задачами экономии энергоресурсов требуемые величины (Rо тр) сейчас директивно увеличены не менее чем в 3,5 раза по сравнению с требованиями для ограждений, построенных по ранее действовавшим нормативам. Rо тр принимается в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) конкретного типа здания и региона его строительства. Температура на внутренней поверхности ограждающих конструкций по санитарно-гигиеническим требованиям проверяется расчетом на нормируемый температурный перепад (Δt) по ранее принятой в прежних нормативах методике.

Влажностный режим ограждений

Обеспечить нормируемое сопротивление теплопередаче необходимо. Однако этого недостаточно: для правильной работы ограждающих конструкций, нужно также тщательно просчитать их влажностный режим.

Дело в том, что в процессе тепломассопереноса из помещения наружу температура слоев в сечении стены изменяется от положительной на внутренней плоскости (τв) до отрицательной на наружной (τн). Таким образом значительная часть сечения ограждения (стены или кровельного «пирога») находится в зоне отрицательных температур (см. график на рис. 1). При этом вместе с воздушной массой из теплого помещения к наружной поверхности перемещаются и водяные пары. Они естественным образом конденсируются и замерзают в той части сечения, которая находится в зоне отрицательных температур. Именно это и приводит к часто наблюдаемому морозному разрушению наружных слоев ограждений. Со стен отпадает излишне плотная цементная штукатурка, плиточная облицовка и даже кирпичная кладка; в кровлях разрушаются стяжки, отслаивается и разрывается рулонный ковер.

Чтобы исключить такие разрушения, необходимо внутренние слои выполнять из материалов, плотность которых существенно превышает плотность слоев, обращенных наружу. В таком случае водяные пары или вовсе не проникнут внутрь ограждения, или попадут туда в минимальном количестве и за летний период испарятся наружу.

Такой благоприятный режим работы ограждений может быть обеспечен при проектировании расчетом на появление в слоях «точки росы» – температуры (внутри ограждения или на его поверхности), при которой наступает состояние предельной упругости водяного пара (Е), когда пар превращается в воду; для каждой температуры величина (Е) своя. К примеру, если температура внутренней поверхности ограждения (τв на рис. 1) будет равна или ниже «точки росы» tр, то на внутренней поверхности образуется конденсат водяного пара.

Температура на внутренней поверхности определяется по формуле: τв = tв – [(tв –tн) *Rв ] / Rо. Как видно из формулы, для устранения конденсата следует либо увеличить сопротивление ограждения теплопередаче (Rо), либо снизить влажность внутреннего воздуха. Аналогично определяется и температура внутренних слоев ограждений – последовательно, слой за слоем.

Юрий Шабанов, 

бывший главный специалист ОАО «Институт УралНИИАС»,

почетный строитель России