Комплексное решение по устранению причин образования наледей на крышах зданий

К одной из насущных проблем жилищнокоммунального сектора в зимний период эксплуатации относится образование наледей на крышах зданий со скатной кровлей [1 – 4]. Особенно актуальна эта проблема для исторических зданий, построенных с холодным чердаком и скатной кровлей. Эта проблема неоднократно была рассмотрена [5 – 10], и предложены способы ее решения. В рамках данного исследования также предлагается комплекс инженерно-технических мероприятий, который позволяет устранить основные причины обра- зования наледей на крышах рассматриваемых типов зданий. Отличие предлагаемого комплекса работ заключается в аналитическом его обосновании.

Но в первую очередь следует рассмотреть основные причины образования наледей.

Анализ причин образования наледей

Следует отметить, что свисающие с карнизов сосульки являются лишь видимой частью обозначенной выше проблемы, которая заключается в образовании на кровле, так называемой ледяной плотины или дамбы (ice dam).

Ледяная дамба (рис. 1) в виде гребня льда обычно образуется на кровле параллельно линии ее свеса, предотвращает сход с кровли тающего снега. Ледяные дамбы в виде ледяных наростов могут образовываться также вокруг световых фонарей, вентиляционных каналов, разжелобков.

Рисунок 1– Схемаобразования ледяной дамбы

Незначительный уровень теплоизоляции чердачных перекрытий и трубопроводов системы отопления, проложенных открыто на чердаке, а также недостаточная кратность воздухообмена чердачного пространства, приводят к повышению температуры воздуха на чердаке. Это обстоятельство увеличивает тепловой поток через кровлю, вызывает нагрев кровельного покрытия до плюсовой температуры и расплавление снега выше дамбы. При этом температура на кровельном свесе остается ниже нуля градусов Цельсия. В этом случае вода стекает по кровле и накапливается за гребнем дамбы. Дальнейшее действие этой накопленной воды в рамках внутрисуточного колебания наружной температуры это: наращивание тела ледяной дамбы, перелив или просачивание стекающей через дамбу воды с формированием сосулек, просачивание сквозь кровельное покрытие в виде протечек.

Таким образом, основной причиной образования наледей на крышах зданий со скатной крышей, является повышенная температура воздуха на чердаке. Высокая (по отношению к температуре наружного воздуха) температура воздуха на чердаке приводит к таянию снега в теплой зоне чердака, стеканию воды к карнизу и ее замораживание на участках кровли (карнизах), где температура меньше нуля градусов Цельсия. Чем больший слой снега находится на крыше, тем больший объем воды поступает к карнизным свесам и желобам, и тем больший размер свисающих сосулек образуется на свесах кровельных карнизов, а также вблизи выпускных воронок водосточных труб.

Схема и уравнение теплового баланса холодного чердака

Целью настоящего исследования является разработка условий и комплекса мероприятий, обеспечивающих недопущение образования наледей на крышах зданий с неотапливаемым (так называемым «холодным») чердаком в периоды времени, характеризующиеся наиболее низкими температурами наружного воздуха.

Схема баланса потерь и поступлений тепловых потоков через чердачное пространство здания со скатной кровлей представлена на рисунке 2.

Из представленной на рисунке 2 схемы теплового баланса чердачного пространства видно, что теплопоступления в них формируются за счет притока тепла через чердачное перекрытие (из отапливаемых помещений верхнего этажа эксплуатируемого здания), а также за счет теплоотдачи проложенных на чердаке трубопроводов системы отопления, а теплопо-тери складываются из потерь тепла через наружные ограждающие конструкции чердака (стены и покрытие) и потерь тепла за счет естественного воздухообмена чердачных помещений.

Рисунок 2– Схемабаланса теплопоступлений и теплопотерь

Аналитически представленную на рисунке 2 схему теплового баланса чердачных помещений здания можно выразить следующим уравнением:

n I A ⁺ I n

( t int - t gnt ) • £         -B q pj • l _и ) = ...

i = 1 V R i ) j = 1

g

( t int

- t ext ) • £ ^{f A}k ■ 0,28 ^ V g • n a- 1 k = 1 V R k )

где:tint – температура внутреннего воздуха в помещениях верхнего этажа здания, принимаемая согласно требованиям ГОСТ 30494 [11] для жилых и общественных зданий, ГОСТ 12.1.005 [12] для производственных зданий, °С, или определяемая инструментально в процессе натур-g ных измерений параметров микроклимата; int . - температура воздуха на чердаке, ° С; А+, R + -соответственно площадь, м2, и сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт, i-го участка ограждения между отапливаемыми в здании помещениями и помещениями холодного чердака (чердачное перекрытие, стены вентканалов, перегородки между чердачными помещениями и помещениями лестничных маршей и др.);qpj – линейная плотность теплового потока через поверхность теплоизоляции, приходящаяся на 1 погонный метр длины трубопровода j-го диаметра с учетом теплопотерь через изолированные опоры, фланцевые соединения и арматуру, Вт/м (для чердаков и подвалов значения qpj в зависимости от условного диаметра трубопровода и средней температуре теплоносителя приведены в таблице 12 СП 23-101 [13]);lpj – длина трубопровода j-го диаметра, м (для эксплуатируемых зданий принимается по фактическим данным);text – температура наружного воздуха, °С, принимаемая для соответствующего населенного пункта по средней температуре наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 согласно СНиП 23-01 [14]; Аk , Rk -соответственно, площадь, м2, и приведенное сопротивление теплопередаче, м2·°С/Вт, k-го участка наружных ограждающих конструкций чердачных помещений (покрытие, наружные стены, заполнения оконных проемов при нали-чии);Vg – объем воздуха, заполняющего пространство холодного чердака, м3;nα – кратность воздухообмена в помещениях холодного чердака, ч-1.

Левая часть уравнения (1) показывает суммарное количество тепловой энергии, поступающей на чердак, правая часть – потери тепловой энергии через наружные ограждающие конструкции чердака, а также за счет естественной вентиляции чердачного пространства наружным воздухом.

Условие недопущения образования наледей

Условием недопущения образования наледей на крышах зданий с холодным чердаком в период наиболее низких температур наружного воздуха является требование, согласно которому температура воздуха в чердачных помещениях не должна более, чем на 4 ºС превышать температуру наружного воздуха [15]. Это требование обусловлено тем обстоятельством, что разности температур в 2÷4 ºС между температурой воздуха на чердаке и температурой наружного воздуха в подавляющем боль- шинстве случаев оказывается недостаточно для разогрева нижнего слоя снежного покрова, лежащего на кровельном покрытии. Аналитически данное условие может быть выражено в следующем виде:

go tint text — 4  ^ , где tignt ,text– то же, что и в уравнении (1).

Выполнение условия (2) позволит нормализовать температурно-влажностный режим (далее – ТВР) на чердаке и устранит тем самым причины образования наледей на крышах.

Из уравнения (1) можно рассчитать температуру воздуха в холодном чердаке здания ^g int :

g int

у

A * ^

-

A^       A^

^int Z—i v + ^ext А n R k У

n

n

i = 1 k

^R i У

k = 1 k

n

/

A ■

+ X ( q pj ' l Pj )^{- 0,2}8 ' V g 'ⁿ а " t ext

n

/

-k

У A ₊у A k

■^ v +   -^ R-

.

i = 1 k

R + y

k = 1 k

Все обозначения в формуле (3) те же, что и в формуле (1).

k У

ских размерах ограждающих конструкций холодного чердака ( А + , А - , V g ) и постоянной

Комплекс рекомендуемых мероприятий

Анализ формул (1) и (3) позволяет сделать следующие заключения. Для того чтобы уменьшить тепловой поток через наружные ограждающие конструкции холодного чердака, в основном представленные неутепленным кровельным покрытием, необходимо снизить температуру воздуха на чердаке. При заданных значениях температур наружного ( t ) и внут- длине трубопроводов системы отопления ( lpj), снижение температуры воздуха в помещениях холодного чердака и нормализация ТВР на чердаке может быть достигнуто только за счет уменьшения поступлений тепловой энергии. Для этого следует:

• -    утеплить чердачное перекрытие и иные ограждающие конструкции, отделяющие чердак от отапливаемых помещений (т.е. увеличить величину R + );

  реннего ( t _int ) воздуха, неизменных геометриче-

  
  

• -    утеплить трубопроводы системы отопления (уменьшить величину q_pj);

• -    увеличить кратность воздухообмена на чердаке(увеличить n _а ).

Утепление конструкций чердачного перекрытия и иных ограждающих конструкций, отделяющих чердачное пространство от отапливаемых помещений, уменьшает поток тепла из отапливаемых помещений, изоляция трубопроводов снижает их теплоотдачу. Тем самым уменьшается количество поступающего на чердак тепла. Соответственно, на чердаке снижается температура воздуха. При определенной толщине слоя утеплителя, которую можно рассчитать, используя уравнение теплового баланса (3), достигается такое снижение температу- ^g ры воздуха в чердачном пространстве ( t int ), при котором энергии теплового потока становится недостаточно для разогрева покрова снега, лежащего на кровельном покрытии здания. Если снег на кровле не будет таять, значит, не будет стекающей воды и, как следствие, не будут образовываться ледяные дамбы и наледи на карнизах и свесах кровельного покрытия.

Следует отметить, что только при совокупном и одновременном выполнении перечисленных выше рекомендуемых мероприятий может быть достигнут положительный результат от их внедрения. Утепление только конструкции чердачного перекрытия без соответствующей изоляции трубопроводов может привести к размораживанию системы отопления, расположенной на чердаке.

Преимущество предлагаемого комплекса мероприятий

Помимо решения проблемы образования наледей на крышах зданий с холодным чердаком, перечисленный выше комплекс рекомендуемых мероприятий приводит к уменьшению потерь зданиями тепловой энергии на отопление, к улучшению параметров микроклимата в отапливаемых помещениях верхних этажей зданий.

Для реализации перечисленных мероприятий могут быть использованы любые материалы и технологии, обеспечивающие необходимый уровень теплоизоляции для конкретного здания, и удовлетворяющие действующим на территории Российской Федерации противопожарным и санитарно-гигиеническим требованиям.

Анализ формулы (3) приводит также к другому немаловажному выводу. При увеличении сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций холодного чердака( R-), например кровельного покрытия, темпе- ратура воздуха в чердачных помещениях (tgnt) возрастает. Это автоматически приводит к нарушению условия (2). Тем самым создаются условия для образования наледи на кровельном покрытии.

Слой снега определенной толщины на кровельном покрытии увеличивает его сопротивление теплопередаче R ^- , т.е. является противовесом для описанных ранее мероприятий по предотвращению образования наледей на крышах зданий. Это в частности означает, что одним из условий недопущения образования наледей на крышах является периодическая уборка снега с кровельных покрытий зданий с холодным чердаком. Т.е. убирать снег с кровельных покрытий зданий в любом случае необходимо, даже при совокупной реализации предлагаемых выше мероприятий. Чем больше снега будет образовываться на крыше, тем больший объем воды будет стекать на карнизные свесы и тем больше будет размер свисающих сосулек.

Наличие наледей на крышах зданий после их механического удаления в процессе уборки и сброса снега с крыш часто впоследствии приводит к протечкам кровельного покрытия, которое повреждается в результате ударных воздействий на него острых металлических предметов. Таким образом, отсутствие наледей на крышах обеспечивает, в том числе лучшую сохранность кровельного покрытия после уборки и сброса снега, увеличивает эксплуатационный срок службы покрытия, уменьшает вероятность образования протечек.

Альтернативные способы решения проблемы

Представленный в данной работе комплекс рекомендуемых мероприятий относится к так называемому пассивному способу устранения наледей на крышах зданий со скатной кровлей и наружным водостоком. Существуют также активные способы борьбы с данным негативным явлением, наиболее распространенным из которых является прокладка греющих кабелей по свесу кровельного карниза, водосточным желобам и трубам, разжелобкам, вокруг световых фонарей, вентиляционных каналов и прочих конструкций, где могут образовываться снежные мешки. Однако реализация данного мероприятия сопряжена с дополнительным расходованием энергетических ресурсов (электрической энергии), что противоречит обозначенной в Федеральном законе Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ [16] концепции энергосбережения. И, кроме того, ставит на повестку вопрос о том, кто будет платить за эту энергию. Использование нагревательных кабелей потребует дополнитель- ных расходов на содержание домов, подключение дополнительных мощностей электрической энергии. Срок безотказной работы таких систем ограничивается 3-5 годами, т.е. потребует постоянных расходов на поддержание работоспособности системы. Кроме того, стекающая из водосточных труб вода будет замерзать на тротуарах и дорожном покрытии, образуя наледи на них, что может приводить к травмированию пешеходов, а при уборке наледей – к повреждению дорожного покрытия в местах их образования. Поэтому активные способы борьбы с наледями следует рассматривать как временную меру устранения наледей, когда другие способы борьбы в данных конкретных условиях применительно для данного конкретного объекта невозможны.

Другим активным способом борьбы с наледями на крышах является постоянный мониторинг крыш и уборка снега после каждого крупного снегопада. Однако данный метод устранения проблемы требует наличия значительных человеческих ресурсов и возможен только в том случае, когда имеет место дешевая рабочая сила. Кроме того, этот способ борьбы не снижает вероятность повреждения кровельного покрытия при механической уборке снега с крыш. Последующие ремонтные работы по замене кровельного покрытия могут превысить затраты на реализацию пассивных методов устранения наледей, описанных в настоящем исследовании.

Следует отметить, что активные способы борьбы с наледями устраняют последствия, но не причины их образования. По этой причине предпочтение следует отдавать пассивным способам борьбы, представленным и обоснованным в данном исследовании.

Заключение

В работе рассмотрены основные причины образования наледей и ледяных дамб на крышах зданий с холодным чердаком и скатной кровлей. Представлена схема образования наледей на кровле. Составлено уравнение теплового баланса холодного чердака с учетом всех возможных теплопоступлений и теплопотерь. Получено основное условие недопущения образования наледей на крышах зданий с холодным чердаком в период наиболее низких температур наружного воздуха Разработан комплекс инженерно-технических мероприятий по устранению причин образования наледей на крышах и карнизных свесах. Рассмотрены альтернативные, так называемые, активные способы устранения наледей. Показано, что активные методы позволяют бороться только со следствием, но не с причинами образования наледей.