Читать статью 'Развитие модели и методов расчета влажностного режима в ограждающих конструкциях' в журнале Архитектура и дизайн на сайте nbpublish.com
Рус Eng Cn Перевести страницу на:  
Please select your language to translate the article


You can just close the window to don't translate
Библиотека
ваш профиль

Вернуться к содержанию

Архитектура и дизайн
Правильная ссылка на статью:

Развитие модели и методов расчета влажностного режима в ограждающих конструкциях

Кузьменко Юлия Евгеньевна

ORCID: 0000-0002-6892-1055

Научный сотрудник, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Пр. Свободный, 79

Kuz'menko Yuliya Evgen'evna

Researcher, Siberian Federal University (SFU)

660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, ul. Pr. Svobodnyi, 79

yul.kuzmenko@mail.ru

DOI:

10.7256/2585-7789.2022.1.38143

EDN:

BWZCUQ

Дата направления статьи в редакцию:

24-05-2022


Дата публикации:

29-06-2022


Аннотация: В статье представлен исторический обзор развития модели влагопереноса, методов расчета, а также возникновения нормирования по защите ограждающих конструкций от переувлажнения. В частности, рассмотрена историческая периодизация развития особенностей и подходов к формированию методологических концепций по отношению к разработке стационарных и нестационарных методов расчета процессов конденсации пара, диффузии и влагопереноса. Статья содержит информацию из нормативных источников по регулированию технологических условий применения методов расчета перемещения влаги в ограждающих конструкциях. Автор рассматривает существующие модели визуализации расчетных данных средствами программного обеспечения. Сформированы дальнейшие перспективы изучения представленных методик расчета при проектировании конструкции и в строительстве. Научная новизна данного исследования заключается в формировании концептуального инновационного подхода к периодизации развития методологических основ для изучения стационарного и нестационарного методов расчета систем влагопереноса в России на протяжении прошедшего века и до нынешнего времени. Проведенный обзор архивной научной и нормативной документации позволил определить вектор возникновения и развития вопроса моделей влагопереноса и методов расчета влажностных режимов ограждающих конструкций. Результаты проведенного обзора свидетельствуют о большом вкладе отечественных ученых в создание теоретических основ и развитие методов расчетов влажностного режима ограждений. Выявлено и проанализировано возникновение нормирования влажностного режима наружных ограждений. Произведён анализ хронологии появления модели, методов влагопереноса и нормирования защиты от переувлажнения конструкций. Исследованы параметры основных понятий периодизации становления методологии расчета влагопереноса в России с начала 20-х годов прошлого века. Представлены инновационные средства визуализации стационарных и нестационарных методик расчета влагопереноса средствами программного обеспечения.


Ключевые слова:

строительство, проектирование, периодизация, влажностный режим, влагоперенос, методы расчета, хронология, норматив, ограждающие конструкции, развитие

Abstract: The article presents a historical overview of the development of the moisture transfer model, calculation methods, as well as the emergence of rationing for the protection of enclosing structures from waterlogging. In particular, the historical periodization of the development of features and approaches to the formation of methodological concepts in relation to the development of stationary and non-stationary methods for calculating the processes of steam condensation, diffusion and moisture transfer is considered. The article contains information from legal sources on the regulation of technological conditions for the use of methods for calculating the movement of moisture in enclosing structures. The author examines the existing models of visualization of calculated data by means of software. Further prospects for studying the presented calculation methods in the design of the structure and in construction are formed. The scientific novelty of this study lies in the formation of a conceptual innovative approach to the periodization of the development of methodological foundations for the study of stationary and non-stationary methods of calculating moisture transfer systems in Russia over the past century and up to the present time. The review of archival scientific and regulatory documentation made it possible to determine the vector of the emergence and development of the issue of moisture transfer models and methods for calculating the humidity conditions of enclosing structures. The results of the review indicate the great contribution of Russian scientists to the creation of theoretical foundations and the development of methods for calculating the humidity regime of fences. The occurrence of rationing of the humidity regime of external fences has been identified and analyzed. The chronology of the appearance of the model, methods of moisture transfer and rationing of protection against waterlogging of structures are analyzed. The parameters of the basic concepts of the periodization of the formation of the methodology for calculating moisture transfer in Russia since the early 20s of the last century have been investigated. Innovative visualization tools for stationary and non-stationary methods of calculating moisture transfer by means of software are presented.



Keywords:

construction, designing, periodization, humidity regime, moisture transfer, calculation methods, chronology, standard, enclosing structures, development

Введение (актуальность, изученность, цели)

Изучение вопроса переувлажнения материалов в России является актуальным на протяжении столетия. Тема переноса влаги в материалах и конструкциях исследуется с 20-х годов прошлого века, и возникновению интереса к ней предшествовала необходимость прогнозирования влажностного режима с применением многослойных ограждающих конструкций.

Игнорировать вопрос переувлажнения ограждающих конструкций невозможно. Повышение влажности материалов существенно влияет на свойства ограждающих конструкций: возрастает усталость материала (деградация механических свойств), усиливаются коррозионные процессы, повышается теплопроводность, вследствие чего возрастают тепловые потери и энергозатраты на отопление зданий. Эти изменения снижают долговечность и срок службы объектов капитального строительства. Также в результате накопления влаги на внутренней поверхности ограждающих конструкций возрастает риск развития плесневелых грибов, впоследствии оказывающего отрицательное влияние на здоровье человека и микроклимат помещения. Все указанные факторы находят то или иное отражение в возникновении изучения вопроса влажностного режима ограждающих конструкций и при нормировании защиты от переувлажнения.

Данному вопросу посвящено множество теоретических и экспериментальных работ, на данный момент разработаны различные методы расчета и математические модели влагопереноса. Однако отсутствуют систематизированные исторические данные развития и возникновения модели и методов учета влажностного режима.

Целью исследования является исторический обзор возникновения модели и методов расчета влагопереноса, изучение становления норм по защите от переувлажнения, а также выявление периодизации изучения данного вопроса в рамках обзора тематических инновационных научных публикаций. Основными задачами исследования являются:

- изучить основные ранние работы в области влажностного режима ограждающих конструкций и нормативную документацию;

- проанализировать результаты научных исследований по данной тематике;

- выявить и проанализировать хронологию появления модели, методов влагопереноса и нормированию защиты от переувлажнения конструкций;

- исследовать параметры основных концептов периодизации становления методологии расчета влагопереноса в России с начала 20-х годов прошлого века.

Научная новизна исследования

Научная новизна данного исследования заключается в формировании концептуального инновационного подхода к периодизации развития методологических основ для изучения стационарного и нестационарного методов расчета систем влагопереноса в России на протяжении прошедшего века и до нынешнего времени.

Материалы и методы исследования

В качестве материала для настоящей научной работы использованы результаты научных исследований по данной тематике и содержание нормативных правовых актов. В работе использованы общенаучные методы: анализ и синтез литературы, изучение и обобщение сведений, сравнительный анализ.

Основная часть

Создание и развитее методов и модели влажностного режима ограждений отмечается последние 100 лет. При анализе первых конструкций с изолирующими слоями возможность диффузии влаги внутри конструкции игнорировалась. В разработку и изучение методов расчета влажностного режима ограждающих конструкций значительный вклад внесли В.Д. Мачинский, К.Ф. Фокин, О.Е. Власов, А.Н. Борщевский, Р.Е. Брилинг, Э.Х. Одельский, Ф.В. Ушков, В.Н. Богославский, А.У. Франчук, С.В. Александровский, В.И. Лукьянов, В.Г. Гагарин и многие другие ученые.

Первопричиной изучения вопроса влажностного режима ограждающих конструкций являлась необходимость увлажнения стен внутри помещений. При возникновении сырости в помещениях, внимание уделялось в первую очередь на меры борьбы с ней, так А. Третьяков [1] в своей работе 1916 года рассматривает сырость в жилищах, абсолютно не затрагивая вопрос диффузии влаги в материале стены. Решение эта проблема начала получать в 1920-30-х годах, в работах профессоров В.Д. Мачинского В. Д. и К.Ф Фокина.

Первым внимание на выявление роли диффузии и конденсации влаги воздуха и на необходимость учета влажностного режима ограждений обратил В. Д. Мачинский в работе «О конденсации паров воздуха в строительных ограждениях» [2]. Он установил, что в отапливаемых зданиях ограждающие конструкции увлажняются с внутренней стороны. Так же сделал вывод о том, что водяной пар конденсируется на холодных поверхностях внутри ограждения, перемещаясь за счет разностей парциальных давлений. Мачинский В. Д. предложил основные рекомендации, улучшающие влажностной режим помещений: устройство пароизоляции с теплой стороны ограждающей конструкции, последовательность расположения слоев в многослойных стенах. Подробнее механизм влагопереноса в ограждающих конструкциях в 1932 году описал А.Н. Борщевский [3].

Рис. 1. Классификация методов расчета влагопереноса во временном разрезе периодизации их возникновения.

В 1935 году на основании собственных выводов Мачинский В. Д. продолжает работу и предлагает первичный расчетный прием [4], который заключатся в сравнении сопротивлений паропроницаемости наружной и внутренней части ограждения. Данный прием использовался на начальных этапах проектирования как первичная оценка конструкции, но возможность количественного определения конденсирующейся влаги в ограждении на тот момент отсутствовала.

Первооткрывателем метода определения влажностного режима является К.Ф. Фокин, который в 1935 году [5] разработал качественный стационарный метод расчета. Эта методика основывается на модели перенесения водяного пара в конструкции при воздействии граничных условиях, что позволяет обозначить зону конденсации в основополагающей структуре ограждающей конструкции и рассчитать процесс влагонакопления в стационарных условиях. Данный метод был усовершенствован в работах Ф.В. Ушкова, Э.Х. Одельского, А.У. Франчук, А.М. Шкловера. В.М. Ильинского и использовался в нормативной документации с 60-х годов. В 1955 году в нормы проектирования был включен СНиП II -В.3 «Строительная теплотехника» [6], где впервые появилось упоминание о необходимости расчета ограждающих конструкций на соответствие требованиям нормального влажностного режима в отношении сопротивления паропроницаемости. В СНиП II-А.7-62 «Строительная техника» [7] 1962 года уже непосредственно был введен раздел «Нормы влажностного режима наружных ограждений», включающий в себя стационарный метод расчета, который не изменялся до настоящего времени и включен в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» [8].

Возникновение и развитее моделей и методов расчета влажностного режима в зарубежных странах происходило подобным путем, но позднее по различным причинам. Стационарные методы расчета близкие методу К.Ф. Фокина появились США в 1938-39 годах, большое влияние на развитее модели влагопереноса оказали работы А.В Лыкова и были приняты в основу многими зарубежными специалистами. В Германии развитие стационарный метод расчета получил в 50-х годах благодаря работам Н. Glaser'a.

Рис. 2. Научный вклад ученых в методы расчета влажностного режима.

Нестационарные методы расчета получили свое развитие по причине выявлений недостатков стационарного метода В.Д. Мачинским, основная причина – это переменная температура и влажность внешней среды, которая не допускает установиться стационарному режиму внутри ограждения. Первым возможность и необходимость расчета нестационарного влажностного режима выявил А.С. Эпштейн в своей работе 1936 года «Расчет конденсационного увлажнения конструкций» [12] и предложил метод расчета. Метод считался достаточно трудоемким.

В 1941 году К.Ф. Фокин разработал нестационарный метод расчета влажностного режима ограждающих конструкций [13]. Метод исключал указанные недостатки метода А.С. Эпштейна, кроме того, был введен новый параметр – удельная относительная пароемкость материала. В 1953-55 годах К.Ф. Фокин усовершенствует метод расчета [14,15], в конечном варианте метод позволял рассчитывать влажностный режим многослойных конструкций. В дальнейшем Ф.В. Ушков предложил возможность графического расчета и приемы, упрощающие «метод последовательного увлажнения», предложенный К.Ф Фокиным. Большой вклад в изучение математических моделей влагопереноса в нестандартных методах расчета внесли работы 50-х годов А.У. Франчука, А.В. Лыкова, М.А. Гуревича, А.И. Фоломина. Также большую роль в развитии нестационарного метода расчета сыграли работы В.Н. Богославского, который предложил теорию потенциала влажности [16] и метод расчета, аналогичный расчету уравнений теплопроводности. Идея потенциала влажности была реализована в работах Б.В. Абрамова, А.Г. Перегоженцева.

Рис. 3. Эволюция основных понятий и методологии систем влагопереноса в контексте периодизации.

Методы нестационарного расчета влажностного режима являются трудоемкими и требуют глубоких знаний, их достаточно сложно применять без участия вычислительных машин. Для этих целей впервые использовался гидроинтегратор, в дальнейшем расчеты осуществлялись на электрических АВМ. Впервые в нашей стране для расчета влагопереноса использовал ЭВМ В.И. Лукьянов в 1966 году. Он создал программу, позволяющую проводить расчеты двумерных и трехмерных полей влажности.

Рис. 4. Программное обеспечение для визуализации расчетов влажностного режима в нынешнее время.

В современном мире развитых технологий существует множество программ, позволяющих выполнить расчеты влажностного режима ограждающих конструкций, с возможностью моделирования и анализа процессов переноса влаги в конструкциях, визуализации результатов: COMSOL Multiphysics , TEMPER-3D, LIT THERMO ENGINEER и другие.

Выводы

Результаты проведенного обзора свидетельствуют о большом вкладе отечественных ученых в создание теоретических основ и развитее методов расчетов влажностного режима ограждений. Выявлено и проанализировано возникновение нормирования влажностного режима наружных ограждений. Произведён анализ хронологии появления модели и методов влагопереноса и нормирования защиты от переувлажнения конструкций. Исследованы параметры основных понятий периодизации становления методологии расчета влагопереноса в России с начала 20-х годов прошлого века. В частности, были выделены три основных временных периода: 1920-30, 1940-50 и 1960-70. В первом хронологическом отрезке была рассмотрена проблема сырости в помещениях и основные аспекты диффузии влаги в рамках использования инновационных строительных технологий. Второй временной период обозначен первыми этапами разработки нестационарного метода расчета влагопереноса и изучением вопросов распределения влаги в материалах и конструкциях. Изучение третьего хронологического периода ассоциируется с первым использованием ЭВМ для произведения соответствующих математических вычислений. В целом работа содержит свежую информацию об инновационных способах визуализации стационарных и нестационарных методик расчета влагопереноса средствами программного обеспечения.

Библиография
1.
Третьяков А. Сырость и меры борьбы против нее в жилищах. // Инж. журн. 1916-№3.
2.
Мачинский В.Д. О конденсации паров воздуха в строительных ограждениях. // Строительная промышленность. – М., 1927.-№ 1. – с. 60-62
3.
Борщевский А.Н. Причины поражения зданий домовыми грибками. – М.-Л., 1932. – 124с.
4.
Мачинский В.Д. К вопросу о конденсации паров воздуха в строительных ограждениях. // Вестник инженеров и техников. – М., 1935.-№ 12.
5.
Фокин К.Ф. Расчет влажностного режима наружных ограждений. – М. – Л., 1935.
6.
СНиП II-В.3-55. Строительная теплотехника.-М.: Стройиздат, 1955.
7.
СНиП П-А.7-62. Строительная теплотехника. Нормы проектирования.-М.: Стройиздат, 1962.
8.
СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменениями N 1, 2)
9.
Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий /Под ред. инж. О.Е. Власова.-М.: Госстройиздат, 1933.-211 с.
10.
Фокин К.Ф. Уточненный метод расчета влажностного режима ограждающих конструкций // «Холодильная техника», 1955, №3.-С. 28-32.
11.
Мачинский В.Д. Теплотехнические основы гражданского строительства.-М.: Госиздат, 1928.-262 с.
12.
Эпштейн А.С. Расчет конденсационного увлажнения конструкций. //Проект и стандарт. – 1936.-№11.-С. 10-14
13.
Фокин К.Ф. Расчет последовательного увлажнения материалов в наружных ограждениях. // В кн.:Вопросы строительной физики в проектировании.-М.-Л., 1941. – С.2-18
14.
Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. 3-е изд. – М., 1953.-320 с.
15.
Гагарин, Владимир Геннадьевич.Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий : диссертация ... доктора технических наук : 05.23.01, 05.23.03.-Москва, 2000.-396 с. : ил.
16.
Фокин К.Ф. Новые данные о паропроницаемости строительных материалов // «Проект и стандарт», 1936, №8-9.-С. 19-24
17.
Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий.-М.: Стройиздат, 1973.-278 с.
18.
Фокин К. Ф. Строительная теплотехника.-М.: Госстройиздат, 1937.-315 с.
References
1.
Tretyakov A. Dampness and measures to combat it in dwellings. // Ing. magazine 1916-No. 3.
2.
Machinsky V.D. Condensation of air vapors in building enclosures. // Construction industry.-M., 1927.-No. 1.-p. 60-62
3.
Borshchevsky A.N. Causes of damage to buildings by house fungi.-M.-L., 1932.-124 p.
4.
Machinsky V.D. On the issue of air vapor condensation in building enclosures. // Bulletin of engineers and technicians.-M., 1935.-No. 12.
5.
Fokin K.F. Calculation of the humidity regime of external fences.-M.-L., 1935.
6.
SNiP II-B.3-55. Construction heat engineering.-M.: Stroyizdat, 1955.
7.
SNiP P-A.7-62. Construction heat engineering. Design standards.-M.: Stroyizdat, 1962.
8.
SP 50.13330.2012 Thermal protection of buildings. Updated edition of SNiP 23-02-2003 (with Amendments No. 1, 2)
9.
Fokin K.F. Construction heat engineering of enclosing parts of buildings / Ed. eng. O.E. Vlasov.-M.: Gosstroyizdat, 1933.-211 p.
10.
Fokin K.F. An updated method for calculating the humidity regime of building envelopes // Kholodilnaya Tekhnika, 1955, No. 3.-S. 28-32.
11.
Machinsky V.D. Thermotechnical foundations of civil construction.-M .: Gosizdat, 1928.-262 p.
12.
Epstein A.S. Calculation of condensation dampening of structures. //Project and standard.-1936.-No. 11.-pp. 10-14
13.
Fokin K.F. Calculation of successive moistening of materials in external enclosures. // In the book: Issues of building physics in design.-M.-L., 1941.-S.2-18
14.
Fokin K.F. Construction heat engineering of enclosing parts of buildings. 3rd ed.-M., 1953.-320 p.
15.
Gagarin, Vladimir Gennadevich. The theory of the state and transfer of moisture in building materials and the heat-shielding properties of building envelopes: dissertation ... Doctor of Technical Sciences: 05.23.01, 05.23.03.-Moscow, 2000.-396 p. : ill.
16.
Fokin K.F. New data on the vapor permeability of building materials // Project and Standard, 1936, No. 8-9.-pp. 19-24
17.
Fokin K.F. Construction heat engineering of enclosing parts of buildings.-M.: Stroyizdat, 1973.-278 p.
18.
Fokin KF Building heat engineering.-M.: Gosstroyizdat, 1937.-315 p

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Предметом исследования в представленной на рецензирование статье выступает генезис методов и моделей расчета влажностного режима в ограждающих конструкциях.
Методология исследования базируется на обобщении научных публикаций по теме работы, использовании общенаучных методов научных исследований.
Актуальность работы авторы справедливо связывают с тем, что повышение влажности материалов существенно влияет на свойства ограждающих конструкций, а усталость материала (деградация механических свойств), усиление коррозионных процессов, повышение теплопроводности, тепловых потерь и энергозатрат на отопление зданий снижают долговечность и срок службы объектов капитального строительства.
Заявленная научная новизна рецензируемого исследования заключается в формировании концептуального инновационного подхода к периодизации развития методологических основ для изучения стационарного и нестационарного методов расчета систем влагопереноса в России на протяжении прошедшего века и до нынешнего времени.
В статье структурно выделены следующие разделы: Введение (актуальность, изученность, цели), Научная новизна исследования, Материалы и методы исследования, Основная часть, Выводы, Библиография.
Во введении отражена актуальность изучения влажностного режима ограждающих конструкций и нормирования защиты от переувлажнения, степень изученности проблемы, формулированы цель и задачи исследования. Далее отражена формулировка новизны исследования, а также исходные материалы и использованные в работе методы.
В работе рассмотрено появление и распространение стационарных методов расчета влажностного режима, предложенных в 1935 г. К. Ф. Фокиным, показаны причины и отражена история появления нестационарных методов расчета влажностного режима внутри ограждений. Показаны преимущества и недостатки каждого из походов, отражена необходимость применения ЭВМ при использовании методов нестационарного расчета влажностного режима ввиду высокой трудоемкости и сложности проведения расчетов. Авторами статьи проведён анализ хронологии появления модели и методов влагопереноса и нормирования защиты от переувлажнения конструкций, выделены три основных временных периода: 1920-30, 1940-50 и 1960-70, изложены особенности каждого из них. Статья иллюстрирована рисунками, отражающими классификацию методов расчета влагопереноса во временном разрезе периодизации их возникновения, научный вклад ученых в методы расчета влажностного режима, эволюцию основных понятий и методологии систем влагопереноса в контексте периодизации, современное программное обеспечение для визуализации расчетов влажностного режима.
При изложении материала выдержан научный стиль, принятый для журнальных статей. Библиографический список включает 19 источников – нормативные материалы и публикации отечественных ученых по теме статьи, на каждый из которых в тексте имеется адресная ссылка, что подтверждает наличие апелляции к оппонентам.
Рецензируемый материал соответствует направлению журнала «Архитектура и дизайн», подготовлен на актуальную тему, обладает элементами научной новизны и практической значимости, может вызвать интерес у читателей, статья рекомендуется к опубликованию.