Влажностный режим узла примыкания оконного блока к стеновому проему

Согласно ГОСТ 30971-2002 «Швы монтажные узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам. Общие технические условия», узел примыкания оконного блока к стеновому проему — конструктивная система, обеспечивающая сопряжение стенового оконного проема (в том числе элементов наружного и внутреннего откосов) с коробкой оконного блока, включающая в себя монтажный шов, подоконную доску, слив, а также облицовочные и крепежные детали.
Согласно п. Г.4 ГОСТ 30674-99 «Блоки оконные из поливинилхлоридных профилей. Технические условия», эксплуатационные характеристики конструкций узлов примыкания (сопротивление теплопередаче, звукоизоляция, воздухо- и водопроницаемость) должны отвечать требованиям, установленным в строительных нормах, а вывод конденсата наружу возлагается не на монтажный шов, а на конструкцию узла примыкания в целом.
Таким образом, узел примыкания являет собой некоторый элемент наружного стенового ограждения, к которому применимы соответствующие нормативные требования. В частности, п. 5.9 СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» устанавливает, что температура внутренней поверхности оконных откосов должна быть не ниже температуры точки росы внутреннего воздуха при расчетной температуре наружного воздуха в холодный период года, причем относительная влажность внутреннего воздуха при расчете температуры точки росы также регламентирована.
Согласно [1], при разработке конструкции наружного ограждения проектировщик должен, в зависимости от конкретных температурно-влажностных параметров окружающей среды и теплофизических свойств строительных материалов, расчетным путем выяснить: условия для конденсации влаги в ограждающей конструкции (если они существуют, то в каком месте и в каком количестве влага появляется); накапливается ли она в конструкции в течение холодного периода времени и возможно ли ее испарение из конструкции за время теплого периода года. Последнее условие, определяющее возможность прогрессирующего накопления влаги в материале ограждения, является условием пригодности конструкции к эксплуатации.
Следовательно, на этапе проектирования узла примыкания оконного блока к стеновому проему, в общем случае проектировщик должен решить две проблемы: 1. Определить его влажностное состояние в расчетных условиях (согласно требованиям строительных норм и правил).
2. Установить направление диффузии водяного пара для выработки рекомендации по выбору конструктивного исполнения узла примыкания и соответствующих материалов.
В СНиП 23-02-2003, а ранее в СНиП II-3-79*, нормируется влажностный режим непрозрачных ограждений путем наложения ограничений на сопротивление паропроницанию ограждающих конструкций. Согласно этим нормам, сопротивление паропроницанию R??, м²ч.Па/мг, ограждающей конструкции (в нашем случае узла примыкания) в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации должно быть не менее наибольшего из следующих нормируемых сопротивлений паропроницанию:
а) нормируемого сопротивления паропроницанию из условия недопустимости накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации;
б) нормируемого сопротивления паропроницанию из условия ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными средними месячными температурами наружного воздуха.

• Share

Рис. 1. Определение границ зоны конденсации в сплошной стене

Как отмечается в работе [1]: «При определении условий и места выпадения конденсата необходимо установить особенности процесса диффузии водяного пара через каждый слой ограждающей конструкции. Материал однослойного однородного ограждения обычно не обладает заметным пароизоляционным эффектом, поскольку коэффициент паропроницаемости такого материала по толщине конструкции практически постоянен. При значительной разности температур наружного и внутреннего воздуха в ограждающей конструкции на некотором расстоянии от наружной поверхности можно найти плоскость с температурой точки росы или ниже. Водяной пар диффундирует по направлению от внутренней поверхности через конструкцию относительно свободно вплоть до этой плоскости, где достигает полного насыщения и конденсируется.
Опыт эксплуатации однослойных ограждений показывает, что плоскость с температурой, равной температуре точки росы, в такой конструкции смещается в зону более низких температур, то есть ближе к ее наружной поверхности, и находится от нее на расстоянии, равном примерно 1/3 толщины.
В многослойных наружных ограждающих конструкциях плоскость возможной конденсации обычно находится под наружным, более плотным слоем. В нерационально запроектированной ограждающей конструкции конденсация водяного пара может происходить и на внутренней поверхности, что рассматривается как самый неблагоприятный случай конденсации.
Образованию конденсата препятствует устройство плотных, относительно паронепроницаемых слоев с внутренней стороны ограждения…
В многослойных наружных ограждениях конструктивные слои должны чередоваться так, чтобы обеспечивалось снижение паропроницаемости конструкции по направлению от наружной к внутренней поверхности».

Эти обстоятельства нашли свое отражение в строительных нормах. Согласно примечанию 3 к п. 9.1 СНиП 23-02-2003, плоскость возможной кон­денсации в однородной (однослойной) ограждающей конструкции располагается на расстоянии, равном 2/3 толщины конструкции от ее внутренней поверхности, а в многослойной конструкции совпадает с наружной поверхностью утеплителя. Более того, не требуется проверять на выполнение вышеизложенных норм по паропроницанию двухслойные наружные стены помещений с сухим и нормальным влажностными режимами, если внутренний слой стены имеет сопротивление паропроницанию более 1,6 м2ч.Па/мг (п. 9.3 СНиП 23-02-2003).
Применительно к узлу примыкания при установке оконного блока в стеновой проем с четвертью условие п. 9.3 СНиП 23-02 означает, вообще говоря, что в помещениях с сухими и нормальными режимами влажности (а это, как правило, жилые помещения) пароизоляция теплоизолирующего слоя необязательна.
Действительно, сопротивление паропроницанию R?? слоя монтажной пены толщиной 60-120 мм* при ее коэффициенте паропроницаемости µ = 0,026 мг/(м.ч.Па) пена монтажная «Illbruck — illfoam 1K» с поверхностной корочкой [4] находится в диапазоне 2,3 - 4,6 (м2.ч.Па)/мг, т.е. существенно выше норматива п. 9.3 СНиП 23-02-2003, равного, напомним, 1,6 (м2.ч.Па)/мг. Однако «в жизни всегда есть место подвигу», поэтому на практике целесообразно все же, во избежание возможных в будущем неприятностей, закрыть (защитить) монтажную пену воздухо-, паронепроницаемым материалом, обеспечив обязательное выполнение условий п. 13.8 СП 23-101-2004: чтобы значения сопротивления паропроницанию (в пределах от внутренней поверхности до плоскости возможной конденсации) во всех случаях не превысили 5,0 (м2.ч.Па)/мг, независимо от результатов расчетов влажностного режима ограждения.
Верхний предел сопротивления паропроницанию накладывает ограничение на толщину теплоизоляционного заполнения монтажного зазора.

Действительно, если Rvpmax = 5,0 (м2.ч.Па)/мг, то Qmax = Rvpmax . µ =  5,0.0,026 = 0,13 м. Получается, что монтажную пену можно использовать при ширине коробки оконного блока не более 120 мм (полагая фронтальный зазор в 10 мм) и без внутренней защиты от водяного пара. При более широкой коробке, по-видимому, необходима комбинация теплоизолирующих материалов, обеспечивающая заданные теплотехнические показатели, но при меньшем сопротивлении паропроницанию.
Четверть стенового проема представляет собой конструктивный элемент узла примыкания. Может ли она выполнять функции наружного слоя монтажного шва? Согласно п. 5.2 ГОСТ 30971-2002, формулирующему требования к наружному слою, последний должен быть водонепроницаемым при заданном (расчетном) перепаде давления между наружной и внутренней поверхностями монтажного шва (п. 5.2.1), а его сопротивление паропроницанию не должно превышать 0,25 (м2.ч.Па)/мг (п. 5.2.5). При этом материал наружного слоя должен быть устойчив к воздействию эксплуатационных температур в диапазоне от ниже –36°С до 70°С (п. 5.2.3).
Качественно выполненная кирпичная кладка обеспечивает водонепроницаемость при дождевом воздействии и, очевидно, устойчива к влиянию эксплуатационных температур. Согласно данным приложения Д к СП 23-101-2004, расчетные коэффициенты паропроницаемости кирпичной кладки из сплошного и пустотного кирпича находятся в диапазоне 0,11 - 0,17 мг/(м2.ч.Па).
При четверти в полкирпича ее сопротивление паропроницанию составит 0,71  - 1,1 (м2.ч.Па)/мг, а при увеличении толщины четверти до 250 мм (1 кирпич) — 1,42 - 2,2 (м2.ч.Па)/мг. Теперь вспомним, что сопротивление паропроницанию теплоизоляционного слоя монтажной пены толщиной, например, 70 мм составляет 2,7 (м2.ч.Па)/мг, т.е. больше аналогичного показателя для кирпичной четверти.
Таким образом, по крайней мере, формально, условие об увеличении паропроницаемости изнутри наружу (внутри плотнее, чем снаружи) выполнено.
Тем не менее, норматив, равный 0,25 (м2.ч.Па)/мг, значительно превышен. Однако его величина ничем не была обоснована.
Для проверки конструкции узла примыкания на наличие зоны конденсации следует провести расчет распределения парциального давления водяного пара по поперечному сечению узла примыкания и определить возможность образования конденсата.
Определение возможности появления конденсата водяного пара в конструкции ограждения и его количественной оценки использует графоаналитический метод расчета влажностного состояния ограждающих конструкций [1]. Для стационарного режима диффузии водяного пара в условиях одномерного температурного поля используется метод К. В. Фокина [2].
Сущность его заключается в построении на поперечном сечении ограждения линий изменения температуры, абсолютной Е и действительной е упругости водяного пара, см. рис.1. Если линии е и Е внутри стены пересекаются, то это говорит о возможности конденсации влаги. Зона возможной конденсации располагается между точками касания прямых, проведенных к линии Е, из точек ев и ен. Если линия е только касается кривой Е, то зона конденсации вырождается в плоскость конденсации.
Имеется также более современная технология расчета, предложенная проф. Перехоженцевым А.Г. из Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета [3]. Инженерный метод А.Г. Перехоженцева, как и метод К.Ф. Фокина, предполагает стационарные условия тепло- и влагопереноса.
Надо сказать, что эти расчеты влажностного режима по стационарным условиям дают значительный запас надежности [2, с. 219].
Метод А.Г. Перехоженцева, как и метод К.Ф. Фокина ранее, разработаны для одномерного температурного поля, хотя и многослойной конструкции ограждения, например, вдали от оконного проема. В работе [4] А.Д. Кривошеин использует этот подход для расчета влажностного режима монтажных швов.
Строго говоря, это не совсем корректно, т.к. в районе узла примыкания формируется двухмерное температурное поле*. При рассмотрении вопроса о направлении движения (диффузии) водяного пара в этих условиях часто делается ошибка: молекулы водяного пара, якобы, будут двигаться по всем возможным направлениям, но, прежде всего, — по пути наименьшего сопротивления. Это неверно, т.к. направление диффузии водяного пара определяется градиентом его парциального давления, а последний связан с градиентом температуры, т.е. с направлением вектора теплового потока.

• Share

Рис. 2. Поле безразмерных температур и плотности тепловых потоков линий токов тепла в сечении наружного угла однородного ограждения (а) и сетка ортогональных криволинейных квадратов (б)

На рис. 2 показано температурное поле в сечении наружного узла однородного ограждения, приведенное в работе В.Н. Богословского [5]. Температурное поле представлено в безразмерном виде. На внутренней и наружной поверхностях к толще стены добавлены эквивалентные (теплообмену на поверхностях) слои. На поверхностях этих слоев заданы постоянные температуры внутреннего и наружного воздуха.
На температурное поле наложено поле плотностей тепловых потоков, линии которого перпендикулярны касательным к изотерме в точке пересечения с ней**. В работе [5] линии q названы линиями токов тепла. В сочетании с изотермами линии тока тепла образуют ортогональную сетку криволинейных квадратов, такую сетку, линии которой ортогональны (т.е. в точках пересечения образуют прямые углы) и в которой в пределах каждого квадрата среднее расстояние между изотермами равно среднему расстоянию между линиями токов тепла dl1 = dl2, см. рис. 2б:
В такой сетке поток тепла в «трубке, образованной двумя линиями тока», равен:

dQ = (dl1 / dl2) * L * dt = L * dt

или dQ = L/S (t1 – t2), где dt — перепад температур между соседними изотермами, равный:

dt = (t1 – t2)/S .

Здесь t1 и t2 — температуры на границах области, для которой строится температурное поле; S — число интервалов между изотермами.
На рис. 3 представлено температурное поле в узле примыкания оконного блока в однородной стене из силикатного кирпича. Если на поле изотерм по вышеизложенному методу наложить поле линий тока тепла, то одновременно мы получим и поле направлений диффузии водяного пара, совпадающих с линиями тока тепла. Более того, проинтегрировав поле линий тока тепла по ширине внутреннего откоса, можно получить потери тепла через этот откос.

• Share

Рис. 3. Температурное поле в узле примыкания к однородной стене из силикатного кирпича

Если криволинейную линию тока (на ней dQ = const) на участке от входа в конструкцию до выхода из нее выпрямить, получив ее некоторую развертку, то можно определить:

• Share

В этой формуле термическое сопротивление отдельного слоя оказывается иным, чем то, которое получается при выборе сечения в расчете А.Д. Кривошеина [4]. То есть, мы получаем некоторую новую стенку, конструкция которой соответствует пути прохождения линии тока тепла. Применительно к такой стенке далее следует применять методы К.Ф. Фокина [2] или А.Г. Перехоженцева [3] для проверки конструкции на наличие зоны конденсации путем расчета распределения парциального давления пара по линии его диффузионного перемещения.
Вообще говоря, эти рассуждения представляют собой алгоритм расчета, который, после программирования, может быть интегрирован в расчетный пакет (например, TEMPER) для прогнозирования поля парциальных давлений водяного пара в дополнение к полю температур. Вышеизложенные методы дадут возможность найти проектные решения для расчетных условий эксплуатации.
Камнем преткновения в ГОСТ 30971-2002 стало паропроницание, точнее, проблема удаления водяного пара.
Парообразная влага может проникать в узел примыкания двумя путями. Во-первых, посредством эксфильтрации теплого влажного воздуха через неплотности в сопряжении оконного блока со стеной даже при незначительном перепаде давления внутри и снаружи помещения. Если на своем пути поток воздуха соприкасается с холодным материалом и охлаждается ниже температуры точки росы, то внутри узла примыкания может образоваться какое-то количество конденсата.
Конвективный перенос водяного пара при эксфильтрации может стать основным путем поступления пара в ограждающую конструкцию в зимний период, существенно превышая количество диффундирующего пара. Для предотвращения или сокращения этого явления ограждения зданий должны иметь малую воздухопроницаемость. Обеспечив требуемый уровень сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции или ее элементу, проектировщик исключает конвективный перенос водяного пара (по крайней мере, в проекте). Во-вторых, посредством диффузии водяного пара. В процессе диффузии водяной пар перемещается из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Диффузионный процесс происходит в воздушной среде, в том числе в воздухе, заполняющем поры материалов, поэтому водяной пар не диффундирует сквозь непористые материалы — сталь, стекло, пластики.
Нужно сказать, что с влагой и паропроницаемостью связано много недоразумений. Например, в переводном издании (В. Блази. Справочник проектировщика. Строительная физика. М.: Техносфера, 2004. — 480 с) на с. 185 совершенно серьезно говорится следующее: «Водонепроницаемые строительные материалы, в основном в большей или меньшей степени проницаемы для водяного пара. Молекула воды имеет величину 1/1000000 мм. В то же время, молекула водяного пара имеет размер 1/10000000 (=10–7) мм. Это означает, что через те поры, через которые уже не может проникнуть молекула воды, молекула водяного пара проходит легко».
И вот уже в журнале «Технология строительства» появляется статья «Как обеспечить качественный монтаж окон?» (см. выпуск №3(37), 2005, с. 26-31), объясняющая механизм работы ПСУЛ: «Все не так страшно: размеры молекул воды намного больше молекул водяного пара, поэтому некоторые материалы почти не оказывают сопротивление диффузии водяного пара, но успешно противостоят проникновению воды». Вот такие «нестрашные» представления о работе монтажных материалов заменили фундаментальные положения физики.
Предположение, что пар будет двигаться по всем возможным направлениям, но, прежде всего, по пути наименьшего сопротивления — не соответствует действительности. Напомним, что направление диффузии водяного пара определяется градиентом его парциального давления, а последний связан с градиентом температуры, т.е. направлением вектора теплового потока.
Действительно, в работе [6] сказано (с. 231): «Если во влажном теле появляется градиент температуры, т.о. в нем, очевидно, одновременно появляется и градиент парциального давления насыщенного пара, который вызовет диффузионный перенос влаги в виде пара от мест с более высокой температурой к местам с температурой более низкой. Т.о., будет происходить перенос влаги по направлению теплового потока».
Следовательно, диффузия водяного пара не может происходить вдоль изотерм, т.к. вдоль изотермы парциальное давление водяного пара постоянно. Рассмотрение поля температур, с этой точки зрения, полученного в результате тепловых расчетов, позволяет выбрать конструктивное исполнение узла примыкания и необходимые материалы для наружного водонепроницаемого слоя, защищающего монтажный шов.
Литература:
1. Михеев А.П., Береговой А. М., Петрянина Л. Н. Проектирование зданий и застройки населенных мест с учетом климата и энергосбережения: Учебное пособие. — М.: Изд-во АСВ, 2002. — 192 с.
2. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. — М., Стройиздат, 1973. — 287 с.
3. Перехоженцев А.Г. Инженерный метод расчета параметров тепло- и пароизоляции наружных ограждений зданий — «Строительные материалы» — Наука, 2005, №6, с. 2-4.
4. Кривошеин А.Д., Пахотин Г.А., Платонов И.В. К вопросу о влажностном режиме монтажных швов. — «Светопрозрачные конструкции», 2005, №6, с. 37-42.
5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). — М.: Высшая школа, 1982. — 415 с.
6. Гурьев В.В., Жолудов В.С., Петров-Денисов В.Г. Тепловая изоляция в промышленности. Теория и расчет. — М.: Стройиздат, 2003. — 416 с.

*) Применительно к различной глубине шва, связанной со строительной глубиной коробки оконного блока.
* На самом деле температурное поле трехмерное, но мы ограничимся двухмерным случаем.
** Плотность теплового потока q пропорциональна градиенту температуры, т.е.
q = –L*(dt/dx), где L — теплопроводность.