Теплоизоляционные материалы в соответствии со своей функцией обеспечивают значительные температурные перепады и в то же время неизбежно содержат пустоты, зачастую воздухопроницаемые (открытые). При этом любые распространения влажного воздуха (или диффузия водяного пара) через теплоизолирующие стены могут сопровождаться процессами конденсации паров воды и последующим увлажнением теплоизоляционного материала. Сама же первопричина увлажнения стен обусловлена процессами жизнедеятельности человека (создающего в обитаемых помещениях повышенную температуру и повышенную абсолютную влажность воздуха) или наличием в помещении иных источников водяных паров (поверхностей нагретой воды).

Простейший анализ процесса увлажнения однослойных (то есть однородных) теплоизоляционных стен может быть выполнен даже без знания конкретных свойств теплоизоляционного материала: коэффициентов теплопроводности и паропроницаемости и даже толщины стен. Задав температуры внешней (наружной) и внутренней поверхностей стены, строим линейную зависимость температур внутри стены (прямая Т на рис. 23) и соответствующую ей кривую pравн давлений (равновесных) насыщенного водяного пара. Затем задаём конкретные значения парциальных давлений паров воды в воздухе на внутренней и внешней (наружной) поверхностях стены и соединяем их прямыми линиями pдиф, отвечающими распределениям парциальных давлений паров воды в пористой стене, сформированным за счёт диффузии пара через стену. Наклон прямой Т характеризует величину потока тепла (справа налево), а наклон прямых pдиф — величину диффузионных потоков водяных паров (тоже справа налево). Поэтому более пологая прямая рдиф2 (соответствующая более влажному воздуху вне помещения) отвечает меньшему потоку водяных паров, чем более крутая прямая pдиф1 (соответствующая более сухому воздуху вне помещения). Если прямая pдиф2 оказывается выше прямой pравн, то значит в этой зоне неизбежна конденсация водяных паров. В результате конденсации реальное стационарное распределение давлений водяных паров приобретает вид нижерасположенной кривой pдиф2, являющейся касательной к кривой p*равн. Точка пересечения прямой pдиф2 с кривой pравн отвечает точке росы (плоскости внутри стены, где начинается конденсация) и отмечена черной каплей. После формирования нового (уже стационарного) распределения pдиф2, выделение конденсата начинается в точке касания, обозначенной толстой стрелкой, и продолжается влево от стрелки до конца искривления кривой p*диф2. Любые искривления кривой p*диф2 указывают на наличие процесса конденсации, поскольку в местах искривления поток водяных паров справа от любой точки оказывается больше потока водяных паров слева от точки. Таким образом, конденсация внутри теплоизоляционной стены имеет место лишь при достаточно высоких парциальных давлениях водяного пара в воздухе на обеих сторонах.

Рис. 23. Качественный анализ причины конденсации паров воды в паропроницаемой теплоизоляционной стене. Т — модельное (то есть условно принятое) распределение температуры внутри стены; pравн — соответствующее расчётное распределение давлений насыщенных водяных паров; ∆T и ∆p — перепады температуры и парциальных давлений водяных паров на стене; pпвнутр и pпвнеш — модельные парциальные давления водяных паров на внутренней и внешней поверхностях стены; pдиф1 — распределение давлений диффундирующих водяных паров, при котором конденсация отсутствует (рдиф1 < pравн); pдиф2 — распределение давлений диффундирующих водяных паров, при котором возможна конденсация водяных паров (в зоне pдиф2 > pравн); pдиф2* — распределение давлений диффундирующих водяных паров, сконденсировавшихся в зоне pдиф2 > pравн; pконв — распределение давлений водяных паров, конвективно перемещающихся вместе с воздухом через стену; чёрная и белая капли — места (плоскости) начала возможной конденсации (точки росы) паров воды, диффундирующих или перемещающихся вместе с воздухом соответственно; стрелка — точка (плоскость) накопления конденсата после формирования распределения dдиф2*.

Рис. 24. Наглядное представление воздухопаропроницаемого материала как совокупности паропроницаемых зон (1) и воздухопроницаемых сквозных каналов (2). Обозначения те же, что и на рис. 23.

Но теплоизоляционная стена пропускает водяной пар не только диффузионным образом (за счёт свойства паропроницаемости при абсолютно неподвижном воздухе внутри стены), но и за счёт возможного конвективного перемещения через стену масс увлажненного воздуха (то есть за счёт воздухопроницаемости, а точнее, ветропродуваемости). Если ветер (даже очень слабый) несёт влажный воздух через поры стены (справа налево), то давление водяных паров в воздухе пор увеличивается и становится одним и тем же во всех точках стены (прямая pконв). Конденсация паров воды начинается в точке росы (то есть в месте пересечения прямой pконв и кривой pравн), отмеченной белой каплей. Поскольку паропроницаемые стены всегда в какой-то степени являются воздухопроницаемыми, то реальная точка росы находится где-то посредине между черной и белой каплями, а последующее стабильное выделение конденсата — между толстой чёрной стрелкой и белой каплей (рис. 23).

Факт возможности переноса водяного пара одновременно за счёт диффузии и за счёт конвекции (движения самого воздуха, в котором собственно и располагается водяной пар) иной раз понимается плохо. Поэтому в целях упрощения анализа полезно условно разделить эти процессы, и представить теплоизоляционный материал наглядно в форме паропроницаемого, но ветронепроницаемого материала 1, в котором имеются отдельные извилистые сквозные каналы 2, по которым может течь воздух (рис. 24). При этом роса на стенках каналов появится ближе к внутренней поверхности стены, чем в паропроницаемых зонах. Поэтому ветропродуваемость теплоизоляционных материалов является крупным недостатком не только из-за того, что ухудшаются теплоизоляционные характеристики при порывах ветра, но и из-за повышенной увлажненности теплоизоляционного материала. Ясно, что снизить ветропродуваемость можно уменьшением проходного сечения сквозных каналов, то есть, например, за счёт использования минеральных ват с более тонкими, но зато более часто расположенными волокнами. Ну и конечно же, ветропродуваемые материалы следует комбинировать с ветрозащитными материалами, располагаемыми в любом сечении стены.

Факт доминирования того или иного механизма переноса водяных паров (диффузионного или конвективного) легко оценить по численным справочным данным, приведённым в разделах 3.4 и 3.5. При этом ясно, что в случае сильных ветровых напоров конвективная составляющая всегда будет преобладающей. Также ясно, что в случае ветронезащищённой минеральной ваты конвективная составляющая тоже будет основной. А вот пенополистирол марки ПСБ уже является тем материалом, в котором преобладающей может стать диффузионная составляющая. Так, в условиях бани с хомотермальным влажным режимом, «построенной» из пенополистирола ПСБ толщиной 100 мм, величина диффузионного потока пара через стены составляет 4 г/м² час. Конвективный же поток пара будет равен 0,6 ∆pв г/м² час, где ∆pв — перепад давлений воздуха на стенах бани в Па. В условиях полного штиля перепад давлений ∆pв является гравитационным, определяется высокой температурой воздуха в бане и составляет (3-10) Па, что соответствует величинам конвективных потоков пара через стены (2-6) г/м² час, что примерно равно вышеустановленной величине диффузионного потока пара. В случае же сильного ветра ∆pв =100 Па, и конвективная составляющая станет преобладающей.

Увлажнение теплоизоляционных конструкций является вредным фактором прежде всего ввиду ухудшения теплоизолирующих характеристик конструкции, хотя имеется множество иных негативных последствий (загнивание, механическая просадка, морозное пучение и разрушение и т. п.). Из вышеприведенной оценки следует, что скорость увлажнения стены из пенополистирола ПСБ составляет обычно до 5-50 г/м² час. То есть плита полистирола толщиной 100 мм, площадью 1 м² и с массой (4-10) кг способна набирать до (0,1-1) кг влаги в сутки. Ясно, что увлажнение стен особенно актуально для постоянно эксплуатируемых помещений (продолжительно обитаемых). Приведём для сведения официальные данные по снижению теплоизолирующих свойств строительных материалов по СП 23-101-2000 (λ — коэффициент теплопроводности в Вт/м град при относительной влажности материала w %).

Таким образом, наибольшее влияние естественное увлажнение оказывает на свойства древесины. Отметим, что приведённые данные соответствуют условно материалам, увлажненным сорбционным образом (гигроскопически) при относительных влажностях воздуха 80% (второй столбец) и 97% (третий столбец). При конденсации же пара внутри стены создаётся 100%-ная влажность, и увлажнение может оказаться существенно более высоким (не говоря уже об аварийных намоканиях всей стены при протечках кровли и разрывах водопровода). В капитальном строительстве паропроницаемость стен нормируют (ограничивают) таким образом, чтобы в стенах за зимний период величина относительной влажности материала не повышалась более, чем до предельно допустимого значения ∆wдоп% (СНиП 23-02-2003):

В городских банях влажность кирпичных стен достигает 36% в парилках, 29% в мыльных (Э.М.Ариевич, В.В.Горбачев, Проектирование и эксплуатация бань, М. Стройиздад, 1965г.).

В капитальном строительстве домов из кирпича и бетона диффузионная составляющая паропереноса всегда является основной. Вследствие этого, в СНиП 23-02-2003 понятие конвективного увлажнения стен вообще не вводится. Вместе с тем ясно, что сквозные каналы на рисунке 24 фактически являются аналогами вентиляционных каналов (отверстий), всегда присутствующих в том или ином виде во всех зданиях. И в этих вентканалах вполне возможна конденсация влаги из вытяжного воздуха при охлаждении до точки росы, что и наблюдается зачастую зимой. Точно также вентканалы в свою очередь можно считать аналогами теплообменных каналов в аппаратах осушки и охлаждения воздуха (кондиционерах), в которых происходит конденсация паров воды по тому же механизму.

Пароизоляция — это современное техническое решение, а раньше веками никакой пароизоляции в банях не знали и не применяли. Поэтому оценим численно те условия, когда можно ожидать серьёзных увлажнений стен при диффузии пара через непароизолированные стены. Для удобства используем диаграмму, по оси абсцисс которой отложены температуры, соответствующие разным глубинам (плоскостям, сечениям) по толщине стены, а по оси ординат — соответствующие этим температурам давления насыщенных паров или (для большей наглядности) плотности насыщенного пара. Рисунок 25 предназначен для анализа стен жилых помещений, а рисунок 26 для анализа стен бань, причём безразлично из какого материала - из кирпича или древесины и какой толщины изготовлены стены. Определимся с температурами внешней и внутренней поверхностей (сторон) стен, например, минус 10 °С и плюс 20 °С соответственно (рис. 25). Возведём из этих температурных точек отрезки вертикальных прямых до пересечения с кривой распределения плотностей насыщенного пара dравн. Длины этих отрезков соответствуют максимально возможным абсолютным влажностям воздуха - плотностям насыщенного (так называемого равновесного) пара при температурах поверхностей стены (100%-ной относительной влажности воздуха). Откладывая на этих отрезках прямых реальные абсолютные d (или относительные φ) влажности воздуха на внешней и внутренней поверхностях стены (например, 50%-ную относительную влажность воздуха на рис. 25), соединяем их прямой dдиф. Видно, что прямая dдиф, отвечающая распределению абсолютной влажности воздуха внутри стены, формируемой за счёт диффузии пара, находится целиком ниже dравн. Это значит, что в рассматриваемых условиях конденсация диффундирующего пара невозможна, и увлажнение стены не наблюдается (причём и кирпичной, и деревянной). Конденсация паров в стенах становится возможной лишь при относительной влажности воздуха внутри помещения более 70%. То есть в климатических условиях Западной Европы любые стены жилых домов не очень нуждаются в пароизоляции. В то же время ветропродуваемость стен неминуемо приводит к конденсации конвективно распространяющегося пара (в составе влажного воздуха, проникающего через стену) при относительных влажностях воздуха во внутренних помещениях выше 10% (то есть практически всегда), что иллюстрируется прямой dконв на рисунке 25.

Рис. 25. Диаграмма для оценки месторасположения точки росы в однослойной (однородной) стене жилого помещения. По оси абсцисс — координаты по толщине стены с указанием значений температуры, dравн — распределение плотности насыщенного пара над чистой водой, dдиф — прямая, соединяющая климатические точки на внешней и наружной поверхностях стены и иллюстрирующая распределение абсолютной влажности воздуха в пустотах внутри стены, формируемое диффузией водяных паров изнутри наружу, dконв — прямая d = const, иллюстрирующая распределение абсолютной влажности воздуха в пустотах внутри стены, формируемое конвективным потоком влажного воздуха изнутри наружу (справа налево). Точки пересечения прямых dдиф и dконв с кривой dравн являются местами выделения конденсата в стене (точками росы).

Рис. 26. Диаграмма для оценки месторасположения точки росы в однослойной (однородной) стене банного помещения. Координаты и распределение dравн — то же, что и на рисунке 25. Прямые d — распределения абсолютной влажности воздуха внутри стены: dдиф1 — за счёт диффузии во встроенной сухой или влажной сауне, dдиф2 — за счёт диффузии в отдельно стоящей сауне на морозе минус 40 °С, dконв — за счет конвекции во встроенной или отдельно стоящей сауне. Точки росы указаны каплями.

Аналогичный анализ для банных условий (рис. 26) показывает, что встроенные бани и сауны, размещаемые в жилых помещениях с температурой 20 °С, не нуждаются в пароизоляции стен ни в сухих, ни во влажных хомотермальных режимах (прямая dдиф1) и даже в паровых режимах с сухим воздухом (в режимах «лёгкого пара»). В то же время сырые паровые бани (для веника»), климатические характеристики которых расположены вблизи кривой dравн, испытывают диффузионное увлажнение стен всегда (даже встроенные). Поскольку вся суть паровых бань связана с увлажнением стен и потолка, то пароизоляция в паровых банях обычно не применяется, а если и применяется, то только в заглублённом в стену расположении.

Отдельно стоящие (на улице) в холодных климатических регионах бани и сауны (даже сухие) испытывают диффузионное увлажнение паропроницаемых стен всегда и при непрерывной эксплуатации требуют пароизоляции (прямая dдиф2). Что касается ветрозащиты, то она требуется для всех типов бань и саун (прямая dконв) во всех климатических случаях. Как в банях, так и в жилых помещениях, ветрозащита намного важней пароизоляции.

Трудность постройки бань заключается не столько в предотвращении увлажнения стен, сколько в обеспечении возможности их быстрой просушки, особенно после аварийных протечек. В этом плане применение пароизоляции может создать серьёзные трудности и потребует создания специальной вентиляции стен. Поэтому замена весьма ненадёжной в эксплуатации алюминиевой фольги на прочную ветрозащитную паропроницаемую мембрану оказывается зачастую оправданной. При этом паропроницаемую ветрозащиту следует предусматривать по обеим сторонам легкопродуваемой стены: снаружи с дождезащитой, а изнутри с брызгозащитой и достаточно высокой термостабильностью (принцип банного сандвича). Следует отметить, что если стена бани продувается снаружи внутрь, то это, во-первых, обеспечивает вытеснительную вентиляцию бани, а во-вторых, поддерживает стену сухой. Такой приём оправдан и во встроенных банях с постоянно открытыми вытяжными отверстиями в потолке.

Анализ процессов диффузии паров воды и их конденсации внутри стен не зависит от толщины стен. Это кажется парадоксальным, поскольку толстые стены как бы более «тёплые», и конденсация внутри таких стен, казалось бы, должна быть маловероятной. Тем не менее, если конденсация возможна в тонкой стене, она будет возможной и в любой сколь угодно толстой стене. Но в толстой стене диффузионный поток пара (также как и поток тепла) будет меньше, а значит и скорость увлажнения будет меньше.

Есть ещё один фактор, который может оказать существенное влияние на результаты анализа. Дело в том, что чем «теплее» стена, тем ближе температура её внутренней поверхности к температуре воздуха в помещении. И наоборот, тонкие однородные стены «холодные», пропускают много тепла, и температура внутренней поверхности стены оказывается много ниже температуры воздуха на величину перепада ∆T=Q/α, где Q — тепловой поток через стену, α =10 Вт/(м² град) — коэффициент теплопередачи от воздуха к поверхности. Поэтому, воздух у тонких «холодных» стен будет всегда высоковлажным, что способствует выделению конденсата внутри стены. Фактически, это случай расположения утеплителя на внутренней стороне стены.

Для полноты картины упомянем ещё одну возможную причину повышенного увлажнения стен — присутствие в них солей металлов, которые часто вводятся в каменные стены вместе с морозостойким кладочным раствором, а в деревянные — вместе с антисептическими и огнезащитными составами. Многие соли металлов (кристаллогидраты) являются гигроскопическими веществами, способными поглощать влагу из воздуха по той причине, что давление насыщенного водяного пара в воздухе над водным раствором соли всегда ниже, чем над дистиллированной (вернее деионизованной, лишённой солей) водой (СП 23-101-2000), например:

Упругость же водяного пара над чистой водой при 20 °С составляет 2338 Па (100% относительная влажность). Поэтому при введении солей кривая pравн на рисунке 23 (а также dравн на рисунках 25 и 26) смещается вниз, так что выпадение конденсата и при диффузионном, и при конвективном распространении водяного пара облегчается. Стена при этом начинает играть роль осушителя воздуха в помещении точно так же, как, например, эксикатор — кювета с налитым в неё насыщенным раствором соли (а лучше смеси соли с насыщенным раствором, когда соль стремиться захватить пары воды из воздуха и превратиться в раствор).

Негативные последствия наличия солей особенно неприятно проявляются в бетонных и кирпичных стенах и конструкциях. Добавки солей в жидкую бетонную массу перед заливкой в опалубку в зимний период предотвращают её замерзание на морозе (по причине снижения температуры замерзания воды при введении в неё солей), причём, как утверждают, не снижают якобы механическую прочность получаемого бетона. Но на самом деле, добавки солей делают бетон гигроскопичным, вследствие чего полученный бетон сильней сорбирует влагу из воздуха и сильней увлажняется, и потому зимой сильней разрушается при замерзаниях в его объеме влаги.

В кирпичных же кладках соли в кладочном цементно-песчаном растворе, усиленно поглощая влагу из воздуха, распространяют её затем в виде раствора солей из швов по всему объёму кладки и даже с выходом наружу, где она, высыхая в жару, даёт так называемые «высолы» (белесые неприятного вида пятна на поверхности кирпичной кладки). С высолами часто борются водооталкивающей пропиткой поверхности кладки, не дающей раствору солей выйти наружу. Поскольку это не снижает гигроскопичности глубинных зон швов, то такое мероприятие является чисто косметическим.

В русских паровых парилках наличие солей в древесине потолка может улучшить климатические характеристики за счёт большей сухости воздуха при поддачах.

Источник: health.totalarch.com. Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008