Развитие модели и методов расчета влажностного режима в ограждающих конструкциях

Кузьменко Юлия Евгеньевна ORCID: 0000-0002-6892-1055 Научный сотрудник, Сибирский федеральный университет 660041, Россия, Красноярский край, г. Красноярск, ул. Пр. Свободный, 79 Kuz'menko Yuliya Evgen'evna Researcher, Siberian Federal University 660041, Russia, Krasnoyarskii krai, g. Krasnoyarsk, ul. Pr. Svobodnyi, 79 yul.kuzmenko@mail.ru

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: COMSOLMultiphysics, 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.