Совмещенные покрытия зданий являются сложными многослойными конструкциями, подвергающимися комплексу силовых и несиловых воздействий, влияющих на их эксплуатационную надежность [1–3]. К одной из разновидностей несиловых нагрузок относится солнечная радиация, вызывающая нагревание кровли в летнее время года до очень высокой температуры, особенно если гидроизоляционный слой кровли не имеет защитного покрытия из материалов светлых тонов, способных в некоторой степени отражать солнечную радиацию [4]. Кровельное покрытие темных цветов способно в солнечные летние дни нагреваться до +80 °C и выше. При этом если в конструкции кровли падение температуры будет более интенсивным, нежели падение упругости водяного пара, могут создаваться условия, которые вызовут конденсацию водяного пара в толще самой конструкции [5]. Такое увлажнение наружной ограждающей конструкции, которой является кровля, зависит от ее конструктивного решения и, в частности, от типа материалов, применяемых в качестве теплоизоляционного слоя. Сегодня в конструкциях совмещенных покрытий зданий широко используется легкий утеплитель из минеральной ваты, характеризующийся низким коэффициентом теплопроводности. Однако за счет капиллярно-пористой структуры такой утеплитель подвержен увлажнению, не только ухудшающему его теплотехнические свойства, но и температурно-влажностный режим конструкции кровли в целом, снижая ее эксплуатационную надежность.

Вопросам температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий посвящена работа [6], в которой рассматриваются теоретические основы расчета кинетики изменения потенциалов и коэффициентов тепло- и влагопереноса в зависимости от изменения температуры и влажности материалов на примере модели пористого тела. Полученные автором зависимости могут использоваться для расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий из капиллярно-пористых строительных материалов.

В работе [7] анализируются закономерности процесса влагопереноса в ограждающей конструкции, моделируя ее работу в эксплуатационных условиях. Приводится методика расчета, учитывающая движение воздуха в конструкции. Установлено, что нормативные методы измерения паропроницаемости сильно упрощены и требуют научного развития.

По результатам экспериментального исследования ограждающих конструкций, приведенным в работе [8], установлено, что стандартные методы определения паропроницаемости не учитывают условия эксплуатации материалов в ограждающих конструкциях. Это может повлечь за собой ошибочность использования в расчетах коэффициентов паропроницаемости из справочных таблиц. Результаты испытаний показали, что скорость паропроницания увеличивается при ветровом воздействии, но зависит также от свойств материалов. Установлено, что гидрофильные характеристики материалов значительно влияют на их паропроницаемость.

Как показали результаты экспериментальных исследований, приведенные в работе [9], паропроницаемость теплоизоляционных материалов не является постоянной величиной и меняется в зависимости от влажности, температуры и расположения материальных слоев в конструкции ограждения.

Оценка влияния изменения паропроницаемости материалов ограждающей конструкции под действием эксплуатационных нагрузок на ее температурно-влажностное состояние, результаты которой приведены в работе [10], доказывает необходимость учета переменного значения коэффициента паропроницаемости на этапе проектирования наружных ограждающих конструкций. По результатам проведенных исследований установлено, что общая паропроницаемость конструкции зависит от теплопроводности ее отдельных слоев, которая способна изменить в них эксплуатационную относительную влажность. Особо подчеркнуто существенное влияние учета переменного значения паропроницаемости на количественную оценку влажностного состояния ограждающей конструкции.

В работе [11] показана необходимость учета диффузии парообразной влаги при проектировании теплозащиты ограждающих конструкций. По результатам данного исследования установлено, что, изменяя теплопередачу и паропроницаемость отдельных слоев и их взаимо­расположение в ограждающей конструкции, можно исключить накопление в них парообразной и конденсированной влаги.

С проблемой накопления конденсированной влаги в ограждающих конструкциях совмещенных покрытий в виде протечек достаточно часто встречаются при обследовании зданий на предмет их ремонта и реконструкции. Специалистами ООО «Научно-технический центр Инжиниринга» при обследовании зданий в Московском регионе с целью выявления причин образования протечек покрытий в период сухих солнечных летних дней было установлено, что в утеплителе из каменной ваты накапливалась конденсированная влага, которая протекала в помещения через швы железобетонных плит покрытия (рис. 1). При этом в кровлях с теплоизоляцией из пеноплекса, обладающего меньшим коэффициентом паропроницаемости, таких проблем не наблюдалось.

Минераловатный утеплитель сегодня широко применяется в качестве эффективной теплоизоляции в ограждающих конструкциях зданий, в том числе и в совмещенных покрытиях с рулонной кровлей. Проектирование покрытий с утеплением каменной ватой на объектах капитального строительства, как правило, выполняется по типовым техническим решениям той или иной кровельной системы. Типовые конструктивные решения совмещенных покрытий с утеплителем из каменной ваты предусматривают защитный слой от солнечной радиации в виде светоотражающих посыпок, а для проветривания утеплителя – установку на кровле аэраторов. Как показали обследования причин возникновения протечек с кровель, имеющих такие конструктивные решения, данные методы защиты не всегда эффективны.

Цель работы – исследование влияния инсоляционного нагрева кровли на образование конденсата в совмещенном покрытии здания в летнее время года.

Исследование процесса влагопереноса через ограждающую конструкцию покрытия методом аналитического расчета производилось на примере конструктивного решения кровли обследованного объекта, в котором в качестве теплоизоляции была применена каменная вата (вар. 1). Для сравнительного анализа был произведен расчет влагопереноса в аналогичной конструкции с заменой минераловатного утеплителя на экструдированный пенополистирол (вар. 2) (рис. 2). Расчетные теплотехнические показатели материалов слоев исследуемых конструкций приведены в табл. 1.

Расчет выполнен для климатических условий г. Москвы в летний период года для дней с максимальной солнечной радиацией с учетом нагрева кровельного покрытия до +80 °C. Температурно-влажностные характеристики внутреннего и наружного воздуха приняты: tB = +18 °C; φB = 50 %; tH = +80 °C; φH = 70 %.

Расчет на конденсацию влаги в исследуемых конструкциях производился графическим методом в соответствии с требованиями СП 50.13330.2012 [14], СП 131.13330.2020 [15], СП 23-101-2004 [16].

Для этого определялись: сопротивление паропроницанию R, действительные и максимальные парциальные давления водяного пара ei и Еi соответственно и температуры ti на границах слоев конструкции (табл. 2).

По результатам расчета построены графики изменения температуры t, действительного e и максимального Е парциальных давлений в толще исследуемых конструкций (рис. 3).

На рис. 3 видно, что кривые действительного и максимального парциальных давлений пересекаются, что свидетельствует о том, что в обоих вариантах конструкций в местах пересечения этих кривых образуется точка росы, определяющая возможность выпадения конденсата. При этом следует отметить, что в конструкции с теплоизоляцией из минеральной ваты выпадение конденсата осуществляется в толще утеплителя, а с утеплителем из пенополистирола – на границе с пароизоляцией. Объясняется это тем, что пенополистирол обладает гораздо меньшим коэффициентом паропроницаемости, чем минераловатные плиты (табл. 1), и не накапливает влагу в процессе эксплуатации здания, как это происходит с каменной ватой. Поэтому в кровлях, где в качестве утеплителя применяется паропроницаемый утеплитель, способный накапливать влагу в течение определенного времени, образуются протечки в покрытии.