Нестационарный массоперенос в строительных материалах и конструкциях при решении проблемы повышения защитных качеств ограждающих конструкций зданий с влажным и мокрым режимом

Программа улучшения жилищных условий населения СССР предопределяет резкое увеличение жилищного строительства и строительства объектов соцкультбыта и необходимость снижения общих затрат на строительство, эксплуатационные расходы и проведение ремонтао-восстановительных работ промышленных объектов" среди которых значительное место занимают объекты пищевой" текстильной, целлюлозно-бушжной промышленности и др., характеризующиеся технологическими процессами с большими влаго-вьщелениями. Одним из направлений указанного снижения затрат является применение ограждаюцих конструкций с улучшенными эксплуатационными качествами и повышенной долговечностью в зданиях с влажным и мокрым режимом. Решение этой проблемы и является одной из целей диссертации.

Технологические процессы" сопровождающиеся высокими уровнями теплои влаговыделений являются, как правило, причиной неблагоприятных условий эксплуатации ограждающих конструкций, в особенности стен и покрытий зданий. В ряде случаев уже в первые годы эксплуатации теплоизоляционные свойства таких конструкций ухудшаются. Вследствие высокого влагосодержания материала конструкций при существующих климатических воздействиях с внешней стороны здания и воздействиях агрессивной производственной среды происходит их быстрое разрушение.

Преждевременное разрушение стеновых конструкций, которое вызывает существенное увеличение эксплуатационных расходов (по данным ЦНИИПромзданий на Байкальском ЦЗ и Сегежском ЦБК через 3−5 лет эксплуатации эти расходы достигли их первоначальной стоимости), обусловлено высоким влагосодержанием наружных слоев конструкций.

Производственные помещения с мокрым и влажным режимами составляют около 30 $ от общего объема промышленных зданий, и на ремонт таких зданий только в целлюлозно-бумажной промышленности по данным ЦНИНПромзданий ежегодно расходуется около 300 млн руб. (по ценам 1989 г.), большая часть которых приходится на огравдаицие конструкции. Решение вопросов, связанных с повышением долговечности стеновых ограждений* работающих в условиях высокой влажности имеет большое практическое значение.

Проведение мероприятий, направленных на снижение влагосодержания соответствующих слоев наружных стен, например, организация вентилируемых воздушных каналов в них, приводит к увеличению долговечности этих стен. Достаточность указанных мероприятий определяется в работе на основе анализа влажностных полей модифицируемых ограждающих конструкций.

В диссертационной работе тщательно проведен анализ существующих методов моделирования влагопереноса в пористых средах в том числе и в ограждамцих конструкциях зданий, на основе которого была показана целесообразность выбора капиллярного давления, давления воздуха и парциального давления водяного пара в качестве потенциалов, градиенты которых являются движущими силами соответствующих видов влаги в ограждающих конструкциях зданий.

Разработана постановка краевой задачи, состоящей из системы дифференциальных уравнений теплои влагопереноса в вентилируемых огравдащих конструкциях, начальных условий, характеризующих начальное состояние конструкций^ граничных условий, соответствующих условиям эксплуатации конструкций. Полученная система дифференциальных уравнений, описывающая совместный молекулярно-молярный тепло-влагоперенос в пористых средах при наличии фазовых переходов вода пар, вода^глед для любой области температур, начальные и граничные условия представлены в критериальной форме и являются основой математической модели теппо-вла г оперено са в ограждащих конструкциях зданий*.

Разностная краевая задача, аппроксимирующая дифференциальную краевую задачу тепло-влагодереноса, представлена в модифицированной форме, соответствующей задаче Кожи с граничными условиями первого рода, и решена методом «прогонки». Для решения задачи долговечности ограждающих конструкций здания в большой системе КЛИМАТ — 01ТМДШЩЕ КОНСТРУКЦИИ здания МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ необходимы данные о климатических условиях на все время эксплуатации здания, о пространственновременных полях некоторых характеристик напряженно-деформати-вного состояния конструкции, тепло-влагофизических характеристик материалов, составляющих эту конструкцию, при этом необходимым этапом на пути решения этой задачи является получение указанных характеристик в виде функций, описывающих связь движущих сил переноса тепла и влаги, проводимостей прежде всего с их влагосодержанием, а затем и с плотностью, температурой, концентрациями солей и т. д.

Таким образом, здесь целесообразно выделить два основных момента. Первый состоит в том, что это функциональные связи, а не точечные величины или константы. Второй момент заключается в том, что главным, если не единственным, предназначением вышеуказанных функций является их использование в математических моделях, включащих более или менее детальное формализованное описание тепло-влагофизических процессов с учетом метеорологических воздействий. Здесь представляется возможность указать, что отбор средств и методов определения характеристик желательно осуществлять на базе системного подхода к подобной задаче.

Происходящее превращение математических моделей и математического моделирования в инструмент управления, в средство производства, заставляет нас рассматривать способы формирования информационного обеспечения этих моделей с хозяйственной точки зрения, включающей требование минимизации затрат, Теп-ло-влагофизические и прочностные характеристики являются частью этого обеспечения. Оценка различных способов определения указанных характеристик под углом зрения «хозяйственника» составляет интересную и важную экономическую задачу в области изучения эффективности научных исследований. Такая постановка задачи реализована Боумом / 110 / при исследовании взаимосвязи точности прогноза и качеством почвенно-гидрофизической информации, обусловленной затратами на ее получение в Голландской программе (ЗК&ЛМ, представляадей собой трехмерную модель эвапотранспирации и движения воды через водонасыщенные слои в зону аэрации из близких к поверхности грунтовых вод. Результаты работы / НО / показывают, какое значение имеет правильный выбор способа формирования информационного обеспечения математических моделей сложных систем.

К рассмотрению экономических аспектов постановки задачи повышения долговечности ограждающих конструкций в указанном выше смысле мы еще вернемся в приложении в • Здесь же изложим системный подход к решению основной задачи диссертации, который не оставит без внимания и экономические вопросы.

Математическое моделирование больших систем характеризуется настолько сложным взаимодействием самой модели с ее физическим обеспечением и тегаго-влагофизическими характеристиками в виде параметрических функций, и набором климатологических параметров и экономических характеристик, определявших стоимость работ, которые обусловливают повышение долговечности ограждающих конструкций, что трудно установить роль каждого из компонентов в случае неадекватности результатов моделирования. В приложении к большим системам главным критерием адекватности модели является соответствие между компьютерным и натурным экспериментом, а последний может продолжаться несколько десятков лет.

Следует отметить такую специфичность строительных материалов в ограждаюцих конструкциях как пространственно-временную изменчивость их тедло-влагофизических характеристик. Поэтому необходимо уделить внимание исследованиям такой изменчивости, которая ставит под сомнение достаточную эффективность применения математического моделирования к прикладным задачам. Из-за большой трудоемкости экспериментального определения тепловлагофизических характеристик материалов в виде параметрических функций и по ряду других причин вопрос о допустимости той или иной схематизации указанных параметрических функций не имеет общего однозначного ответа и должен рассматриваться конкретно и с учетом того, что неверная оценка требований к точности представления тепло-влагофизических характеристик и климатологических данных повлечет за собой либо неполноценность результатов моделирования, либо перерасход материальных ресурсов.

Абсолютно достаточным описанием необходимых данных, используемых при адекватном математическом моделировании является пространственно-временное распределение тедло-влагофизических характеристик (ТВХ) материалов и климатологических данных, установленное с необходимой точностью и обеспеченностью, и наличие данных по экономическому аспекту проблемы долговечности ограждающих конструкций" Однако в диссертации используется своего рода «удовлетворительное описание», в котором некоторые из указанных необходимых данных описаны приближенно, а данные по экономическому аспекту могут вообще отсутствовать".

Таким образом, планирование и осуществление физического обеспечения математической модели по оптимизации параметров ограащапцей конструкции (ОК) с повышенной долговечностью зданий с влажным и мокрым режимом помещений в системе КЛИМАТОГРАВДАЩЯ КОНСТРУКЦИЯ — МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ, а также проведение самой оптимизации целесообразно проводить по следующим этапам схемы, представленной на рис. I :

1) синтез базовой математической модели по оптимизации ОК, анализ соответствия планируемого объема необходимых данных математической модели и поставленной задачи;

2) проведение компьютерного эксперимента по экономической оценке ОК при проведении различных мероприятий по защите конструкции от переувлажнения;

3) определение числа параметров, оказывающих влияние на экономический аспект проблемы повышения долговечности ОК, количества повторений при отдельных значениях этих параметров и момента завершения цикла экономической оценки;

4) выбор способа защиты от переувлажнения ОК;

5) подготовка данных по экономическому аспекту рассматриваемых способов защиты;

6) определение опорной функции, являнцейся распределением влагосодержания материалов ОК и соответствующей минимуму за.

Взаимосвязь между этапами подготовки обеспечения математической модели оптимизации ограждающих конструкций зданий необходимыми данными в системе КЛШАТ-01РАЖДШЦАЯ КОНСТРУКЦИЯ-МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ.

Рис. 1 трат при создании и эксплуатации здания;

7) синтез математической модели тепяо-влагопереноса в ОК при оптимизации ее параметров;

8) определение геометрических параметров ОК, оказывающих влияние на ее влажностное состояние^ и теплофизических параметров, связанных с выбранным способом защиты от переувлажнения.

9) подготовка данных по микроклимату помещения;

10) выбор способов задания клиштологических данных;

11) определение экспериментальных данных по ТВХ;

12) синтез ТВХ в воде параметрических функций влагосодер-жания и др. параметров;

13) вычисление целевой функции, в соответствии с которой осуществляется идентификация параметров ОК, выполнение минимизации этой функции;

14) осуществление окончания работы по оптимизации параметров ОК.

Циклическая связь между различными этапами схемы (см. рис.1) отражает необходимость повторения операций счета при проведении вычислительной работы для осуществления рассматриваемой оптимизации параметров, а также указывает на взаимосвязь физических и экономических факторов при формировании необходимых данных рассматриваемого объекта.

В работе циклы 1−5 и 7−13 разрываются и рассматриваются самостоятельными из-за недостатка данных по экономическому аспекту проблемы. Идентификация параметров ОК ведется с учетом экономических факторов, которые при таком подходе могут быть сформулированы на уровне этапа 6.

Осуществление изложенного системного подхода (поэтапной подготовки, отмеченной на рис. I) требует значительного усовершенствования в области подготовки того обеспечения тепло-влагофизических характеристик и климатических данных математической модели, о которых поЭДет речь в диссертации, а также определения данных по экономическому аспекту затронутой проблемы, что является предметом рассмотрения отдельной самостоятельной работы.

ЗАКЛЮЧЕШЕ.

1. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная проблема повышения защитных качеств огравданцих конструкций зданий с влажным и мокрым режимом помещенийразработаны инженерно-технические методы тепло-физического расчета и конструирования вентилируемых стен как слоистых, так и однослойных конструкций. Применение вентилируемых стен в строительстве зданий с влажным и мокрым режимом повышает теплозащитные качества соответствующих невентили-руемых стен на 15−20 $, а их долговечность более, чем в три раза, только за счет снижения влагосодержания материалов, входящих в состав этих стен.

2. Разработана математическая модель нестационарного теп-ло~массопереноса в ограждающих конструкциях зданий, основанная на решении краевой задачи, которая состоит иэ системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих совместный перенос влаги в жидкой и парообразной фазах с учетом влияния засоления материалов и возможного трещинообразования особенно в стыковых соединениях, кондуктивный и конвективный перенос тепла с учетом влияния фазовых превращений вода з±пар и вода лед, перенос водорастворимых компонентов (минеральных солей), из граничных условий, отражающих климатические условия (переменное воздействие температуры и влажности воздуха, влияние ветра, дождевого увлажнения) и условия микроклимата помещения, из начальных условий, характеризующих начальное состояние ограждающей конструкции по температуре, влагосодержанию и содержанию растворимых компонентов материалов конструкции в момент ввода здания в эксплуатацию. Краевая задача представлена в критериальной форме, что позволило уменьшить количество переменных, констант и параметрических функций, определявших коэффициенты тепло-массопереноса и другие влагофизические характеристики, с 35 до 26 в общей постановке задачи, т. е. при учете влияния всех факторов на тепло-массопе-ренос. Сравнение результатов расчета влажностного состояния материалов открытых и влагоизолированных колонок, а также различных фрагментов ограждающих конструкций, условия испытаний которых соответствовали условиям эксплуатации в некоторых строй-тел ьно-климатических зонах, с результатами аналогичных экспериментальных исследований, данные о влагосодержании материалов в которых получены как методом взятия проб с последующим высушиванием, так и с помощью электрометрических датчиков влажности, показало применимость математической модели тепло-мас-сопереноса в ограждающих конструкциях зданий.

3. Для расчета температурно-влажностных полей исследуемых ограждающих конструкций зданий разработана разностная краевая задача, аппроксимирующая дифференциальную краевую задачу тепломае с оперено са в ограждающих конструкциях с точностью с использованием интегро-интерполяцио-нного метода, при этом решение системы неявных сеточных уравнений абсолютно устойчиво, а сходимость решения разностной краевой задачи к точному решению дифференциальной краевой задачи имеет порядок 0 (д? г + Й).

Несение поверхностей рассматриваемых элементов ограждающей конструкции в расчетную область позволило преобразовать разностную краевую задачу с граничными условиями третьего рода в разностную краевую задачу первого рода. Используя указанное расширение расчетной области, доказаны существование, единственность решения рассматриваемой разностной краевой задачи с разрывными коэффициентами и его сходимость к решению соответствующей дифференциальной краевой задачи тепло-влагопе-реноса в слоистых ограждающих конструкциях. Выведены неравенства, на основе которых разработаны условия, ограничивающие максимальные значения сеточных временного и пространственных шагов при учете фильтрации воздуха через ограждаюцую конструкцию или ее отдельные элементы, например, стыковые соединения между панелями.

4. Разработан метод определения коэффициентов влагопереноса: коэффициентов влагопроводности, термовлагоцрэводности и солевлагопроводности (осмоса), на основе использования результатов достижений гидродинамической теории фильтрации через пористые среды. Теоретически доказано, что зависимость коэффициентов термовлагопроводности и солевлагопроводности от влагосо-держания имеет колоколообразную форму. Результаты экспериментальных исследований показали справедливость теоретических выводов об указанной форме зависимости коэффициентов влагопереноса. Экспериментальные исследования зависимости коэффициентов влагопереноса от составляющих градиента капиллярного давления показали удовлетворительное согласие с теоретическими результатами зависимости указанных коэффициентов влагопереноса от градиента давления, которые являются следствием применения гидродинамической теории фильтрации к течению жидкости через пористые среды. Получена функциональная зависимость коэффициентов проницаемости как насыценных жидкостью материалов, так и ненасыщенных от градиента давления, причем эта зависимость, представленная в виде интеграла вероятностей, является составляющей, которая определяет коэффициенты влагопереноса, используемые в качестве влагофизических характеристик при больших водонасьяценностях в математической модели тепло-массопереноса в ограждающих конструкциях зданий.

5. Показано, что поровое пространство материалов, относящихся к легким ячеистым бетонам, может быть представлено трех-модальной логарифмически нормальной функцией плотности распределения ^(К) эгр, причем эта теоретическая функция плотности распределения имеет критерий согласия уСг по Пирсону с экспериментальными данными для газосиликата = 590 кг/м3 и керамзитобетона = П00 кг/мэ, равный 0,99. Проницаемость указанных материалов, рассчитанная по стандартным методикам с нацденной функцией ^(а), на несколько порядков превышает проницаемость соответствующих материалов по газу и жидкости, определенных экспериментально. Этот факт подтверждает несостоятельность стандартной модели пористой среды для указанных строительных материалов, в соответствии с которой материалы состоят из твердой матрицы и набора капиллярных трубок, характеризутоцегося функцией плотности распределения, каждая из трубок в котором связана хотя бы с одной, себе подобной. Указанная стандартная модель не объясняет также расхождения на несколько порадков значений проницаемости по газу и жидкости, наеденных экспериментально для одного и того же материала .

6. Предложена ячеистая модель пористой среды ячеистых и легких бетонов, в соответствии с которой материалы содержат в себе твердую матрицу и поры, соединенные между собой капиллярами цилиндрической формы, один из главных радиусов кривизны которых на один-три порядка меньше радиусов кривизны пор. Трех-модальная функция плотности распределения разделена на две части, одна из которых^з (Л) определяет распределение пор по эгр, а другая И) + ^ (й)] - распределение капилляров по эгр. Применение модели ячеистой структуры пористой среды позволило не только объяснить расхождение экспериментальных и расчетных значений проницаемости по газу, но и рассчитать эту величину для газосиликата = 590 кг/м3 и керам-зитобетона = 1100 кг/м3 с погрешностью не более (? Ц)%. Модернизация расчетной модели для определения проницаемости по жвдкости осуществляется с помощью учета нелинейности закона Дарси при малых градиентах давления, обусловленной специфичностью вязкости воды, как неньютоновской жидкости, в слоях, при-легакщих к твердой матрице пористой среды, при этом в качестве поправки к проницаемости по жидкости используется функция — интеграл вероятностей. Расхождение значений проницаемости по жидкости, наДценных экспериментально и расчетным путем таково, что их наибольшее отношение немногим больше 2.

7. Разработан метод определения коэффициентов диффузии водяного пара в поровом пространстве и влагопроводности материалов при их малой водонасыценности, т. е. в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации ограждающих конструкций зданий. При этом использованы принципы определения коэффициента паропроницаемости материалов. Установлено, что коэффициент па-ропроницаемости является сложной функцией как влагосодержания материалов, так и его градиента, что также следует из гвдроди-намической теории фильтрации. Поэтоьцу необходимо указывать не только значение коэффициента паропроницаемости, но и условия, при которых найдено это значение. Значения коэффициентов диффузии водяного пара, определенные экспериментально, значительно меньше соответствующих значений, определенных по стандартной методике расчетным путем, за исключением таких материалов, как минеральная вата, сыпучие материалы. Объяснение указанных расхождений дано с позиций ячеистой структуры пористых сред, к которым относятся, например, ячеистые и легкие бетоны. По усовершенствованной методике определены коэффициенты паропроницае-мости большинства строительных материалов, которые могут быть положены в основу при уточнении расчетных значений коэффициентов паропроницаемости, приведенных в СНиП П-3−79кхи нуждающихся в корректировке,.

8. Доказана возможность использования математической модели тепло-маесопереноса для расчета двухмерных аналогов наружных стен в узлах стыкования панелей с учетом повышенной фильтрации воздуха через указанные узлы на основе сравнения результатов расчета в соответствии с моделью температурно-влажностного состояния фрагментов рассматриваемых стеновых панелей, стыковые соединения между которыми имеют регулируемый уровень фильтрующегося воздуха как холодного, так и теплого, с результатами аналогичных лабораторных испытаний. Выполненные расчеты влажнос-тного состояния однослойных и многослойных стен зданий, эксплуатируемых в различных строительно-климатических зонах, в том числе ив районах Крайнего Севера, позволили разработать рекомендации по защите стен от их переувлажнения. В соответствии с расчетами влажностного состояния наружных стен, которые выполнены по модели, уравнения которой представлены в критериальной форме, установлено, что влажностное состояние, представленное в ввде распределения влагосодержания, является функцией некоторых критериальных чисел: Поснова Рл, массооб-менного Био для наружной поверхности (Bi^)", внутренней поверхности, критерия фазовых превращений, и сопротивления теплопередаче R0 конструкции ВС } Bit, Pnf? ttJ> причем указанные критериальные числа следует принять определяющими параметрами. чьЪ.

9. На основе системного подхода к решению проблемы разработана математическая модель оптимизации параметров модернизируемых однослойных и многослойных вентилируемых ограждающих конструкций при внедрении различных мероприятий по повышению долговечности ограждающих конструкций зданий с влажным и мокрым режимом помещений. Разработанные целевые функции, в основу которых положено распределение влагосодержания, соответствующее наибольшей долговечности рассматриваемой ограждающей конструкции, дают возможность идентифицировать необходимые параметры самой конструкции, вентилируемых каналов и при необходимости теплофизических параметров воздуха, подаваемого в вентилируемые каналы. Прогнозирование долговечности вентилируемой ограждающей конструкции, выполненное по теории, разработанной С. В. Александровским, показало, что за счет создания вентилируемой прослойки в железобетонной стене с минераловатным утеплителем здания с мокрым режимом, эксплуатируемом в климатических условиях г. Нижнего Новгорода, ее долговечность возрастает в 4 раза. Параметры оптимизации вентилируемых однослойных наружных стен зданий с мокрым режимом с помощью каналов, на вход которых подается подготовленный воздух, были идентифицированы и при этих параметрах определено влажностное состояние конструкции, долговечность которой практически равна долговечности соответствующей не вентилируемой наружной стены здания с нормальным влажностным режимом.

10. На основе результатов расчета влажностного состояния невентилируемых наружных ограждающих конструкций разработаны предложения по нормированию сопротивления паролрониг^нию этих конструкций, обеспечивающих влажностное состояние, соответствующее конструкциям с необходимым уровнем их долговечности.

Представлены инженерные методы теплофизического расчета и конструирования наружных вентилируемых многослойных и однослойных стен. Разработана конструкция наружной вентилируемой однослойной стены при подаче наружного воздуха на вход вентилируемых каналов, нагревание которого производится с использованием энергии ниэкопотенциальных выбросов, для зданий с мокрым режимом помещения. Предложены методические основы для оценки экономической эффективности мероприятий по повышению долговечности ограждающих конструкций зданий и выбора экономически целесообразного среднего значения влагосодержания наружного слоя этих конструкций.