На всех этапах проектирования систем ОВК необходимо учитывать влагу. Этим термином проектировщики обозначают в основном водяной пар в наружном или внутреннем воздухе, а также в воздуховодах. Именно такая влага представляет наибольший интерес для проектировщиков систем ОВК. Однако необходимо иметь представление об источниках влаговыделений в зданиях и причинах увлажнения конструкций, т. к. учет этих обстоятельств позволяет повысить обоснованность проектных решений и снизить эксплуатационные расходы.
В настоящей статье кратко описываются основные источники влаги в зданиях и процессы влагопереноса в зданиях и конструкциях.Проблемы, связанные с влагой
Влага всегда была важным фактором для строителей, т. к. она является одной из главных причин повреждения и разрушения зданий. Так, влага вызывает или ускоряет следующие процессы:
- Электрохимическую коррозию металлических изделий и деталей, например оборудования и воздуховодов систем ОВК, каркаса здания, арматуры в железобетонных конструкциях и т. д.
- Химическое повреждение материалов, например гипсовой облицовки, плиток потолка, древесных материалов, а также реакции карбонизации и связывания щелочей.
- Разрушение бетона, каменной и кирпичной кладки при промерзании и оттаивании.
- Изменение цвета архитектурных деталей здания, например выцветание, появление пятен и т. д.
- Изменение объема материалов конструкций (разбухание, коробление, усадка), что может привести к ухудшению внешнего вида, появлению трещин и к деформации конструкций.
- Биологические повреждения, например образование плесени, рост растений, появление пылевых клещей и т. п.
Биологическим повреждениям (в основном грибковым), обусловленным влагой, в последнее время придается особое значение, т. к. эти явления могут сказываться на здоровье людей (снижении IAQ – показателя качества внутреннего воздуха), состоянии конструкций и внешнем облике зданий.
Проблемы, обусловленные влагой, возникают при следующих четырех условиях:
1. Наличие источника влаговыделений.
2. Наличие возможности влагопереноса.
3. Наличие движущей силы (потенциала) влагопереноса.
4. Подверженность строительных материалов воздействию влаги.
Предотвратить возникновение проблем, вызванных влагой, теоретически возможно, если устранить одно из четырех указанных условий. Практически же невозможно устранить все источники влаговыделений и все движущие силы влагопереноса, как невозможно построить и влагонепроницаемое здание. К тому же экономически нецелесообразно использовать только влагостойкие строительные материалы. Следовательно, в реальных условиях полезно принимать в расчет потенциальную возможность увлажнения, чтобы свести к минимуму нежелательные последствия.
Таким образом, практический подход к проектированию зданий и систем кондиционирования воздуха с минимальным риском возникновения проблем, обусловленных влагой, подразумевает обдуманный выбор строительных материалов и их сочетаний в конструкциях, учет и контроль источников влаговыделений.
Баланс влаги
Если осуществляется баланс увлажнения и высыхания, то влага не накапливается с течением времени и какие-либо проблемы вряд ли возникнут (рис. 1). Поэтому при оценке риска повреждений конструкций, обусловленных влагой, необходимо всегда определять величину и длительность увлажнения, влагонакопления и высыхания. Большинство методов контроля влажности ориентированы на то, чтобы снизить поступления влаги путем герметизации и уменьшения паропроницаемости ограждающих конструкций, защиты от проникновения дождевой воды и ее поглощения материалами конструкций и т. п. Однако несовершенство строительных конструкций является общеизвестным фактом, поэтому их увлажнение будет иметь место. Кроме того, не все соединения водопровода могут быть хорошо изолированы, окна могут иметь неплотности и т. д. Поэтому все больше внимания уделяется влагоаккумулирующей способности материалов и возможности их высыхания. Эффективность такого подхода подтверждается примером зданий, прослуживших долгие годы, однако этот пример часто упускают из виду. Наконец, повышение влагостойкости путем рационального проектирования здания с учетом местоположения, ориентации по странам света, геометрической формы, особенностей систем ОВК и т. п. часто оказывается наиболее экономичным и эффективным (учитывать эти мероприятия нужно на начальной стадии проектирования).
Основные процессы увлажнения и осушения, а также механизмы влагопереноса в ограждающих конструкциях показаны на рис. 2.
1. Жидкая влага (вода) как результат проникновения атмосферных осадков и утечек трубопроводов.
2. Водяной пар из наружного воздуха, а также из внутреннего воздуха, наличие которого обусловлено источниками внутри здания.
3. Вода и водяной пар из грунта, прилегающего к зданию.
4. Технологическая влага, содержащаяся в материалах строительных конструкций, а также попавшая туда в результате каких-либо действий при эксплуатации здания.
Утечки трубопроводов и увлажнение дождем – очевидно, что этот источник увлажнения должен быть устранен. Выпадение дождя на кровлю для большинства климатических зон составляет от нескольких сотен до тысячи кг/м2. Стены обычно получают около 25–50 % от этой величины [1]. Если лишь незначительная часть этой влаги попадет в здание или внутрь ограждающих конструкций, это может повлечь за собой через некоторое время серьезные повреждения.
Не так уж часто можно оценить, какова должна быть минимальная величина протечки, вызывающая серьезные проблемы. Например, одна капля воды в час, падающая из крана или через неплотное окно на сухую штукатурку, вызовет быстрый рост плесени на этой поверхности. Кроме того, количество жидкой влаги, поступающей от этих источников, может быстро достичь катастрофического объема. Здание может быть залито сотнями литров воды из-за дождя или прорыва труб.
Водяной пар может вызвать такие же проблемы, как и жидкая влага, непосредственно попадающая на конструкции, хотя обычно величина влажности, обусловленная этим источником, значительно меньше. Наиболее типичным случаем является конденсация водяного пара на неизолированной поверхности труб системы холодоснабжения или бытового водоснабжения, при этом конденсат попадает внутрь стен или кровли либо стекает по окнам. Водяной пар снаружи проникает в здание с воздухом как при принудительной, так и при естественной вентиляции через неплотности ограждающих конструкций и воздуховодов.
Технологическая влажность строительных материалов может иметь большое значение, но лишь в первые годы после постройки; этот источник влаги зависит от примененных строительных материалов. Деревянные конструкции, как правило, теряют до 10 % влаги от собственной массы. Нормальная бетонная смесь содержит около 200 кг воды на кубометр, половина этого количества впоследствии испаряется. Следовательно, если объем бетонного фундамента некоторого здания составляет от 20 до 30 м3, за первые два года после постройки испарится несколько тысяч литров воды. Аналогично, влаговыделение железобетонной плиты пола помещения толщиной 200 мм в административном здании за первые два года составит 20 л/м2. Бетонные блоки (и влага, содержащаяся в кладочном растворе), сухая штукатурка, краски, покрытия пола и другие компоненты вносят свою долю как источники влаговыделений.
Процессы влагопереноса
Механизмы переноса влаги различны для каждого фазового состояния.*
Основные процессы влагопереноса, в порядке возрастания интенсивности, перечислены ниже:
1. Диффузия водяного пара (и поверхностная диффузия в некоторых пористых материалах).
2. Конвективный перенос водяного пара (с потоком воздуха).
3. Капиллярный перенос воды (просачивание) сквозь пористые материалы.
4. Гравитационные протечки воды (в том числе под воздействием гидростатического давления) сквозь трещины, отверстия, макропоры.
В процессе диффузии водяной пар перемещается из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Диффузионный перенос происходит в воздушной среде, в том числе в воздухе, заполняющем поры материалов. Следовательно, водяной пар не диффундирует сквозь непористые материалы – сталь, стекло, некоторые пластики и т. п.
Диффузия водяного пара сквозь изоляцию трубопроводов охлажденной воды приводит к отсыреванию и коррозии трубопроводов, если она длится достаточно долго. Диффузия также играет роль в процессе переноса водяного пара в ограждающие конструкции, где пар может конденсироваться. Для предотвращения этого часто требуется пароизоляция (на внутренней поверхности ограждающей конструкции в холодном климате или на наружной поверхности – в жарком влажном климате), хотя диффузия водяного пара обычно не является причиной повреждения стен, обусловленной их влажностью. Диффузия водяного пара – это не очень мощный механизм влагопереноса; его значение было признано лишь в 1950-х годах [6], а в середине 1980-х в Канаде появились практические рекомендации по этому вопросу [7].
Однако диффузия водяного пара может иметь большое значение для кровель и для стен с отделкой наружных поверхностей материалами, способными впитывать воду. Дождевая вода впитывается такой отделкой, а затем прогревается под действием солнечной радиации. Даже в холодном климате при этом создается очень большой градиент давления водяного пара, обусловливающий проникновение влаги внутрь конструкции в опасном количестве [8]. Повреждение конструкций усугубляется, если внутри имеются паронепроницаемые материалы.
Конвективный перенос водяного пара по воздуховодам – это основной путь попадания пара в помещение вместе с воздухом. Даже при небольшом воздухообмене в помещение поступает гораздо больше водяного пара, чем это возможно диффузионным путем. Конвекция через щели в ограждающих конструкциях – это основная причина внутренней конденсации (в десятки и сотни раз превосходящей конденсацию, вызванную диффузией); этим же путем попадает в толщу ограждений дождевая вода. Для предотвращения или сокращения этих явлений ограждения зданий должны иметь малую воздухопроницаемость. Для ограничения конвективного переноса водяного пара (т. е. инфильтрации воздуха) требуется уплотнение мест прохода воздуховодов сквозь воздухонепроницаемые слои конструкций, контроль давления в различных зонах здания (для предотвращения миграции воздуха и водяного пара по незащищенным каналам и проемам), а также надлежащая эксплуатация приточной и вытяжной вентиляции.
Капиллярное всасывание обеспечивает постоянный медленный перенос жидкой влаги сквозь пористые материалы из области с высокой концентрацией в область низкой концентрации. Чем тоньше капилляры, тем больше сила капиллярного всасывания, но в целом скорость переноса влаги при этом уменьшается. Несмотря на малую скорость процесса капиллярного переноса, он может длиться годами. Капиллярный перенос имеет существенное значение при контакте строительных конструкций с грунтом (т. к. грунт обычно везде бывает влажным) и для поверхностей, смачиваемых дождем. Капиллярный перенос влаги может быть уменьшен или устранен путем устройства соответствующего барьера. Небольшая воздушная прослойка или капиллярно-неактивный слой (т. е. непористый или гидрофобный) будет достаточной гидроизоляционной защитой. На практике обычно используются оба способа, в виде небольшой воздушной прослойки за кирпичной кладкой или слоя щебня под бетонной плитой, а также в виде прокладок гидроизоляционной бумаги под деревянными стойками на бетонном полу.
Течение, обусловленное гравитацией, – наиболее мощный механизм переноса влаги. Очень большие количества воды (измеряемые литрами в секунду) могут проливаться из лопнувших труб через отверстия и воздушные полости под действием силы гравитации. Для гравитационных протечек размер отверстий должен быть сравнительно большим (свыше миллиметра), т. к. в порах меньшего размера капиллярные силы превосходят гравитационные и снижают скорость движения воды. Следовательно, вода не будет течь сквозь влажный кирпич (несмотря на то, что такие легенды приходится иногда слышать), однако прольется через отверстие для винта в пластиковой оконной раме.
Под действием гравитации дождевая вода может попасть через неплотности в оконных переплетах в толщу стен или же грунтовые воды могут просочиться через трещины в стенах подвалов. Объем протечек может быть столь значительным, что может привести к катастрофическим последствиям. В качестве защиты могут использоваться, например, водоотбойные козырьки и водосливы, отводящие течение в сторону. В случае протечек бытовой техники или для сбора конденсата целесообразно использовать поддоны.
* Термин «связанная влага» используется неодинаково в различных источниках. Адсорбированная влага перемещается к поверхности под действием диффузии, и это значительная движущая сила для некоторых материалов при высокой относительной влажности. Химически связанная вода не участвует в процессах влагообмена, в то время как вода в порах материала перемещается под действием капиллярных сил, оставаясь при этом в жидкой фазе. Вода в твердом состоянии (лед) практически не подвержена переносу.
Комбинация процессов влагопереноса
Влагоперенос редко происходит под действием какого-либо одного из перечисленных механизмов. В реальной жизни эти механизмы действуют параллельно или последовательно. Например, грунтовые воды путем капиллярного всасывания попадают в подполье, где происходит испарение. При этом парциальное давление водяного пара повышается, и он попадает в основные помещения здания. В результате относительная влажность в помещении возрастает и начинается конденсация водяного пара на трубопроводах охлажденной воды, размещенных за подвесным потолком. Конденсат накапливается в этом месте, пока не начнет капать на сухую штукатурку потолка. На мокром потолке появляется плесень. Источником увлажнения в данном случае является грунт. Понимание всех процессов влагопереноса позволит проектировщику применить необходимые средства защиты: это может быть гидроизоляция со стороны грунта, осушение воздуха (или вентиляция в некоторых климатических зонах), изоляция труб хладагента и т. д.
Все виды влагопереноса, которые могут привести к появлению проблем, обусловленных влагой, могут также помочь при высыхании строительных материалов и поверхностей. Следовательно, попытки заблокировать механизмы влагопереноса – это не всегда лучшее решение для борьбы с сыростью. Рекомендуется разумное сочетание действий по сокращению источников увлажнения, контролю и регулированию влагопереноса и стимулированию процессов высыхания.
Заключение
Контроль влажности в зданиях – это ключевое условие повышения их долговечности, эффективного использования, здорового микроклимата. Знание источников увлажнения и механизмов влагопереноса в здании и в ограждающих конструкциях позволит специалистам улучшить проектные решения зданий и систем кондиционирования воздуха. На этих знаниях должна базироваться стратегия борьбы с повышенной влажностью.