Анализ современных методов борьбы с обледенением карнизных участков скатных чердачных кровель
С каждым годом в нашей стране возрастает плотность застройки современных городов. Эта тенденция тянет за собой ряд проблем, которые грозят причинить вред здоровью, а зачастую становятся угрозой жизни людей. Одним из наиболее опасных на сегодняшний день является процесс обледенения карнизных участков скатных кровель.
Прошедшая зима в очередной раз показала, что в зимнее время одной из громко заявляющих о себе проблем является систематическое падение накопившегося снега и наледей с крыш, что представляет большую угрозу для населения, а также расположенного у дома имущества - тех же автомобилей. Из-за неудовлетворительного состояния кровель зданий и несвоевременной реакции коммунальных служб процессы ледообразования на карнизах приобретают лавинообразный характер и уже не позволяют справиться с проблемой без каких бы то ни было последствий и ущерба. Поэтому при планировании и практическом осуществлении подготовки к очередному зимнему периоду необходимо уделить должное внимание данной проблеме. Для ее решения необходимо тщательно изучить процессы, проходящие на кровлях зданий в зимний период, и выявить наиболее оптимальные способы их устранения. Одним из наиболее распространенных видов покрытий малоэтажных жилых зданий являются скатные кровли с холодным чердаком. Причина этого заключается в простоте монтажа и удобстве эксплуатации после строительства.
Причины возникновения наледей
В течение зимы наступают кратковременные периоды колебания температуры воздуха около нулевой отметки по Цельсию. Наибольшее количество оттепелей приходится на конец зимы, начало весны в связи с интенсивным повышением теплопоступлений от солнечной радиации.
Суммарные тепловые потоки от инсоляции поверхности крыш и подогрева чердачного пространства из нижних этажей здания приводят к увеличению температуры кровельного покрытия на несколько градусов. Этого бывает достаточно, чтобы активизировать процессы снеготаяния на кровле. Максимальные теплопоступления обычно приходятся на коньковую часть кровли, зачастую менее занесенную снегом. Образовавшаяся в процессе таяния влага устремляется вниз, что вызывает наиболее активное таяние на нижележащих участках.
"Рис. 1. Схема взаимодействия тепловых потоков в чердачном пространстве"
Как правило, наименьшие теплопоступления из чердачного пространства получают карнизные участки кровель и, как следствие, являются наиболее охлажденными. Причиной более низкой температуры карниза является отсутствие контакта плоскости кровли в этом месте с теплым воздухом чердака.
Стекающая по поверхности кровли влага застывает на этих участках, в результате образуются небольшие обледенения. Образовавшийся ледяной барьер накапливает на себе стекающую влагу до того момента, пока температура всей поверхности кровли не опустится ниже нуля. При накоплении определенной массы ледяные и снежные глыбы неизбежно падают вниз.
Теоретически образование наледей и сосулек на карнизных участках должно начинаться в то время, когда температуры наружного воздуха многократно колеблются относительно нуля градусов. Однако на практике мы встречаемся со случаями образования наледей и при более низких температурах. Это связано с индивидуальными особенностями каждой конкретной кровли. Причины различия заключаются в следующем. В чердачном пространстве здания с довольно длительной эксплуатацией неизбежно появляются не предусмотренные конструкцией источники тепла, такие как разрушенные вентиляционные каналы, неизолированные трубы отопления и горячего водоснабжения, недостаточная величина или полное отсутствие утепляющего слоя чердачного перекрытия. Различия также существенно зависят от эффективности системы вентилирования чердачного пространства. Продухи в карнизной части забиваются мусором, а разрушенные решетки слуховых окон, как правило, забиваются кровельным железом либо фанерными листами. Во время проведения ремонтных работ такие нарушения устраняются не полностью или не на должном уровне, что частично связано с непониманием роли продухов и слуховых окон в обеспечении температурно-влажностного режима подкровельного пространства.
В большинстве случаев обледенение карнизных свесов возникает на кровлях со значительными теплопотерями в чердачном пространстве. В результате натурных исследований выяснилось, что кровли, подверженные наибольшим обледенениям карнизов, получают громадные теплопоступления со стороны чердачного помещения. Порою теплотехнические характеристики чердачных перекрытий не удовлетворяют требованиям современных норм в несколько раз. Проложенная в чердачном помещении верхняя разводка отопления и горячего водоснабжения зачастую имеет оголенные участки с температурой поверхности свыше 80°С (см. фото внизу). Для предупреждения возникновения аварийных ситуаций необходимо регулярно производить тщательный осмотр чердачных пространств на предмет возникновения непредусмотренных источников теплопоступлений. Все выявленные в результате осмотра несоответствия современным нормам теплозащиты зданий и вентиляции подкровельного пространства должны незамедлительно устраняться. Только так в дальнейшем возможно избежать более серьезных последствий.
"Рис. 2. Потери тепла от верхней разводки отопления"
Основываясь на вышесказанном, можно сделать вывод, что наша задача по устранению обледенения карнизных участков скатных кровель сводится либо к полному устранению ледообразования, либо к максимально возможному уменьшению веса снега, падающего за один раз. Рассмотрим существующие подходы к решению этой задачи и попробуем проанализировать достоинства и недостатки различных методов.
Активные методы борьбы с наледями
Самым распространенным методом является подогрев карнизных участков при помощи электронагревательных элементов. Проложенные по поверхности карнизного участка нагреватели позволяют растапливать скопления снега и льда на кровле здания. Казалось бы, что может быть проще - достаточно только включить установленную систему подогрева, и это сразу избавит всех от трудоемкой очистки снега и льда "дедовским" методом при помощи лома и лопаты. Но здесь также возникают определенные трудности. Мало того что из-за дороговизны не каждое здание оснащается данной системой, но и уже работающие схемы либо приходят в поломку в наиболее ответственные моменты, либо приводят к значительным тратам электроэнергии.
Для повышения эффективности действия электронагревателей необходимо разработать методы по автоматизированной регулировке температуры нагревательных элементов и временные интервалы работы системы. Нагрев карнизных свесов требуется только в момент естественного начала снеготаяния на кровле, во избежание образования ледяных заторов, препятствующих стеканию влаги. В периоды с низкими температурами несвоевременный нагрев карнизных участков кровли может привести к ненужному обледенению водосточных желобов или других элементов кровли, не оборудованных данной системой. Необходимая схема автоматизации электронагревательных элементов довольна проста. Достаточно оборудовать скаты кровель температурными датчиками, запускающими работу системы нагревательных элементов при достижении определенных условий, а именно положительной температуры большей части ската кровли и отрицательной температуре карнизного участка. Важно при этом отметить, что в результате нагрева температура карнизной части не должна превышать более чем на два градуса температуру основного ската кровли. Таким же образом нагрев карниза должен незамедлительно прекратиться при остывании кровли до нуля градусов. В связи с возможной разницей температур различно ориентированных в пространстве поверхностей совместная работа нагревательных элементов и температурных датчиков должна ограничиваться пределами одного ската кровли. Но прежде чем подходить к применению активных методов борьбы с наледями, важно проанализировать возможность использования способов пассивного устранения льда.
Конструктивные способы борьбы с сосульками
В зимний период снежные массы накапливаются и уплотняются на свесах кровли (пространство между водосточным желобом и кромкой крыши). Учитывая, что водосточные желоба установлены с наклоном к приемным воронкам, ширина свеса у многих зданий может превышать 1 м. При высоте желоба приблизительно равной 10 см значение массы накопленного снежного покрова (наледи) на свесе до уровня высоты водосточного желоба может составить десятки килограммов на каждый погонный метр кровли. И если для предупреждения непроизвольного падения снега с основной плоскости кровли предусмотрены различные специальные конструктивные элементы, то удержание наледи на свесе, отрезанной от основной массы скопившегося на кровле снега плоскостью водосточного желоба, осуществляется только лишь за счет сил сцепления. Значение сил сцепления носит случайный характер и изменяется в широких пределах вплоть до нуля.
В этих условиях накопленная на краю кровли наледь должна рассматриваться как бесконтрольно закрепленный на высоте груз. И сколь бы тщательно эксплуатирующие организации не относились к выполнению своих обязанностей, несчастные случаи неизбежны. Ведь конструктивные недоработки в обеспечении безопасности конструкции особыми условиями эксплуатации компенсировать невозможно [1].
В скатных кровлях малоэтажных зданий эту проблему можно решить созданием таких условий на кровле, при которых становилось бы невозможным накопление значительных объемов снега. Для этого на карнизных участках кровли необходимо использовать покрытия, имеющие наименьшую адгезию к замерзшей воде. То есть образовавшиеся минимальные наледи и небольшие количества выпавшего снега будут скатываться вниз и перестанут увеличиваться в объемах.
На сегодняшний момент таким материалом может служить листовой поликарбонат. При использовании определенных добавок в составе полимера поверхность листов приобретает водоотталкивающие свойства и наименее подвержена к сцеплению со льдом.
Прогноз роста наледей
Для более рационального использования антиобледенительных систем или предусмотра необходимых конструктивных мероприятий для конкретных кровель необходимо разработать математическую модель, учитывающую все возможные факторы, влияющие на тепловой баланс чердачного помещения.
Существующие на данный момент механизмы определения температуры чердачного пространства учитывают только теплопоступления от нижних этажей, потери тепла за счет вентиляции и теплоотдачу через покрытие. Эти факторы позволяют предсказать примерный тепловой баланс чердака. Кроме того для моделирования процесса таяния снега на карнизных участках необходимо учитывать поступления тепла от солнечной радиации, инертности температуры воздуха чердачного помещения и рассматривать слой снега в качестве теплоизолирующего материала [2].
В настоящее время нами разрабатывается математическая модель, учитывающая все вышеперечисленные факторы. Количество солнечной радиации при безоблачном небе, поступающее в конкретный момент времени при безоблачном небе, было принято по данным таблиц 4 и 5 СНиП 23-01-99* "Строительная климатология" для широты местности. На основании работ К.Я. Кондратьева, З.И. Пивоваровой, М.П. Федорова для учета количества облачности в зимний период введены коэффициенты прозрачности атмосферы. Полученная математическая модель позволяет предсказать для конкретной кровли наиболее опасные временные интервалы холодного периода года, в течении которого возможно наиболее интенсивное обледенение карнизов кровли. Сравнение результатов расчета по предложенной модели с результатами натурных наблюдений для конкретного промежутка времени года показало хорошее согласование периодов начала и конца ледообразования. После окончания работы мы намереваемся опубликовать полученные результаты.
Литература
1. Бугаев А., Жохова Н.,Лапшин В., Палей А. Кровля без наледей и сосулек. // http://www.stroyka.ru/School/
2. Пучин А.В., Леденев В.И. Оценка и прогнозирование обледенения карнизных участков скатных крыш. // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии: Сб. статей 11-й Международной научно-техн. конф. Тула, 2010.
А. Пучин,
аспирант кафедры "Городское строительство
и автомобильные дороги" Тамбовского ГТУ
"Коммунальщик", N 4, апрель 2011 г.