CC BY
821
УДК 728.8: 692.4
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ НАЛЕДЕЙ И СОСУЛЕК НА КРЫШАХ
ДОМОВ
П. В. Дружинин1, Е. Ю. Юрчик2 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Аннотация - Рассмотрены физические процессы образования сосулек и наледей, установлены и изложены различные причины их образования, а также рассмотрены источники теплоты, типичные для создания причин природного и техногенного характера. Проведен анализ теплового режима крыш, дана классификация крыш по принципу теплопередачи.
Ключевые слова: сосулька; наледь; льдообразование; тепловой режим; источники теплоты; механизм образования наледи; система для предотвращения образования сосулек.
THE MECHANISM OF FORMATION OF ICE AND ICICLES ON ROOFS OF
HOUSES
P.V. Druginin, E.Ju. Jurchik
St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St. -Petersburg, street Kavalergardsky, 7
The summary - The physical processes of formation of icicles and ice are considered, the various reasons of their education are established and stated, and also the sources of warmth typical for creation of the reasons of natural and technogenic character are considered. In article the thermal mode of roofs is analysed, classification of roofs by a heat transfer principle is given.
Keywords: an icicle, an ice cover, a ldoobrazovaniye, a thermal mode, warmth sources, the mechanism of education fly, system for prevention of formation of icicles.
Образование наледи и сосулек на крышах домов в осенне-зимне-весенний период является одной из важнейших проблем современного города. Этот период в Северо-западном регионе (особенно в Санкт-Петербурге) характеризуется значительными перепадами температуры от плюсовой к минусовой и наоборот, а также выпадением большого количества осадков. Такие погодные условия способствуют интенсивному образованию на крышах наледи, разрушающей кровлю, и сосулек, которые создают реальную опасность для жизни людей.
Прежде чем приступить к разработке и проектированию системы для предотвращения образования сосулек, необходимо понять механизм образования наледей и сосулек, и изучить основные процессы, «ответственные» за механизм льдообразования. Эти процессы непосредственно связаны с теплопотеря-ми через верхние перекрытия здания и кровлю, приводящими к тому, что температура центральной части крыши выше, чем температура внешнего воздуха.
Система водостоков, находящаяся, как правило, за проекцией стен здания,
лишена дополнительного подогрева, особенно это относится к водосточным трубам, открытым «всем ветрам». Таким образом, если температура наружного воздуха имеет небольшое отрицательное значение, то температура центра кровли может быть положительной. Талая вода под слоем снега стекает в водостоки, где замерзает, блокируя дальнейший отвод воды (рис.1). Для того чтобы вода не попала на край кровли, водосточная труба должна «встретить» ее раньше. В этом случае талая вода будет сразу же стекать вниз по водосточной трубе, не попадая на край крыши, где она может замерзнуть.
В первую очередь рассмотрим физические процессы и механизм образования сосулек и наледи.
Сосулька - кусок льда, свисающий с конструкции крыши здания, провода, ветви дерева и т. д. Иногда сосулькой называют любой однородный объект, образующийся сходным образом, например, сталактит.
Сосульки, свисающие с карнизов и проводов, могут показаться достаточно простыми «конструкциями», однако на самом деле их форма и процесс образо-
вания в течение долгого времени озадачивали исследователей.
Сосульки обычно имеют конусообразную форму с вершиной внизу диаметром несколько миллиметров. Внутри сосульки нередко бывают полости. Рядом расположенные сосульки образуют разнообразные конструкции с причудливыми формами.
Рисунок 1. Образование сосулек на водостоках
Наледь - естественное ледяное образование, образующееся в результате замерзания речных или подземных вод, излившихся на земную поверхность.
Сосульки и наледь образуются при низких (минусовых по шкале Цельсия) температурах, обычно - несколько градусов ниже нуля, и при поступлении талой воды. Вода может, например, стекать с крыши дома, где снег тает под воздействием солнечных лучей или теплоты, поступающей с чердачных помещений. Талая вода под воздействием силы тяжести стекает вниз, и под воздействием холодного окружающего воздуха, замерзает. Благодаря такому намерзанию воды размер сосульки увеличивается, это происходит, пока поступает вода и пока температура воздуха отрицательна. Если сила тяжести, действующая на сосульку, в результате роста массы сосульки превысит предел прочности льда в точке начала роста, то сосулька обрушивается. При прекращении поступления талой воды рост сосульки прекращается, а при температуре выше нуля происходит умень-
шение размеров и массы сосульки за счёт таяния. При температуре ниже нуля сосульки хотя и медленнее, но также уменьшаются в результате сублимации
[7].
Осадки в виде снега, находясь на кровле, не представляют собой какой-либо опасности. Однако, если создаются условия для таяния снега под действием какого-либо источника теплоты (атмосферной или тепловыделения кровли), происходит таяние снега, и он превращается в воду. Для того чтобы могла образоваться хотя бы одна маленькая сосулька, нужно в одно и то же время иметь в наличии сразу две температуры. Одну для таяния - выше нуля, а другую для замерзания - ниже нуля. Оказывается, так оно и происходит.
Рисунок 2. Схема образования наледи и сосулек: 1 - снег; 2 - лед; 3 - вода;
4 - сосулька.
Представим себе медленно тающий слой снега на крыше (рис. 2). Снег начинает таять, когда припекает солнце, солнечные лучи нагревают снег до температуры выше нуля. Температура у края крыши и под крышей ниже нуля. Талая вода стекает по крыше и каплями падает вниз, или свисает с края крыши. Каждая свисающая с края крыши капля талой воды окружена холодным воздухом. Если у образовавшейся капли талой воды отсутствуют пути для быстрого ухода с кровли, при наступлении соответствующей отрицательной температуры капля начинает медленно, но уверенно замерзать, и образуется тонкая оболочка льда. Теплота, выделяющаяся в результате замерзания воды, уходит в окружающий воздух. При следующем кратковременном действии источника теплоты, возможно не таяние, а напротив увеличение сосульки.
По мере того как вода продолжает стекать вниз по ледяной оболочке, часть ее замерзает, и народившаяся сосулька начинает расширяться и увеличиваться в объеме. Это происходит потому, что условия для таяния и скорость плавления у льда и снега различны. Если и в дальнейшем отсутствует возможность стока, талая вода присоединяется к свисающей капле.
Постепенное замерзание воды по краям капли приводит к расширению сосульки. Если капля становится слишком большой (более 5 мм в диаметре), она падает, однако вскоре талая вода образует новую каплю. На замерзшую каплю стекает следующая, также замерзающая, затем следующая капля и так далее. Пока существует приток талой воды, сосулька расширяется и удлиняется. Кончик же сосульки, диаметр которого определяется размером свисающей капли, остается узким.
Рисунок 3. Растущие сосульки на водостоках и крыше здания
В другой раз при такой же погоде эта сосулька потихоньку «толстеет», удлиняется и вырастает до огромных размеров [8 - 11].
Лед постепенно накапливается, забивается водосток и желоб. Способствует образованию льда и конструкция водосточных труб - изгиб трубы у карниза неизбежно приводит к образованию ледяной пробки. Талая вода начинает течь поверх водосточных труб, образуя мощные сосульки (рис. 3). Даже если крыша правильно изолирована, на ней все равно образуется наледь [7].
Такой механизм образования наледи может приводить к образованию ледяных заторов, пробок и сосулек длиной в десятки метров и весом в сотни килограмм. При этом крыша, испытывая максимальную нагрузку, повреждается, лопаются водосточные трубы, деформируются желоба, наносятся серьезные повреждения фасадам зданий.
В научной литературе [8 - 11] изложен другой путь образования сосульки. Верхняя часть начальной капли может замерзнуть целиком, при этом возникает горизонтальная поверхность замерзания, которая движется вниз. Если воды поступает мало, а крыша холодная, вода может замерзать во всем объеме капли, а не только в тонкой ледяной оболочке. В результате вся конструкция в процессе того, как на кончике образуется и замерзает новая капля воды, поэтапно удлиняется. Если же воды поступает достаточно и капля подпитывается непрерывно, то на некоторых стадиях роста сосульки вода по краям капли будет замерзать и образовывать ледяную оболочку. Если ледяная оболочка уже образовалась, жидкость внутри ее начинает замерзать медленнее. Теплота, выделяющаяся в процессе замерзания внутренней области, передается через лед к верхней части сосульки (называемой «корнем»), а затем - к краю крыши. Теплопередача наледи - процесс настолько постепенный, что внутренняя поверхность замерзания может двигаться вниз по центральной оси сосульки очень медленно. Если поверхность замерзания достаточно удалена от корня, как это имеет место в сформировавшейся сосульке, она может даже остановиться. В области между поверхностью замерзания и кончиком сосульки жидкость заключена в узкую ледяную полость. Несмотря на действие силы тяжести, жидкость находится в устойчивом состоянии, что частично объясняется поверхностным натяжением между жидкостью и стенками полости. Кроме того, полость эта настолько узка, что случайные возмущения на нижней границе столбика воды или в висящей капле бывают обычно недостаточными для того, чтобы позволить воздуху просочиться в полость и вытеснить жидкость. При нормальных зимних температурах внутренняя поверхность
замерзания достигает кончика сосульки (и та полностью замерзает) только в том случае, если вода перестает поступать и рост сосульки прекращается.
Снаружи сосулька покрыта тонким слоем воды и как бы заключена в жидкие ножны. Замерзание на внешней поверхности раздела лед-жидкость происходит очень быстро, поскольку теплота, выделяющаяся при замерзании воды, быстро проходит через жидкую воду и передается воздуху. Температура на поверхности замерзания равна точке замерзания воды; последняя составляет 0°С для чистой воды, но может быть ниже, если вода содержит примеси. Температура в остальном объеме жидкости несколько ниже точки замерзания (явление, известное как переохлаждение). Наиболее охлаждена вода, соприкасающаяся с воздухом, который, разумеется, может быть гораздо холоднее, чем вода.
Перепад температуры может возникать по нескольким причинам.
1. Причины природного характера
Причины природного характера создают условия льдообразования даже на идеальной крыше. Источником теплоты здесь прежде всего является атмосферная теплота. Если суточные температуры воздуха колеблются с амплитудой, достигающей 15°С, то при колебаниях в диапазоне +3°С...+5°С днем и -6°С...-10°С ночью создаются наиболее благоприятные условия для образования наледи. Весной к ним можно добавить излучение Солнца. Следовательно, солнечная радиация - наиболее важная из
причин природного характера, которая создает неравновесные условия по температуре (для средней полосы это наиболее проявляется в весенние месяцы) и суточные колебания температуры с переходом через 0°С. Хотя чистый снег хорошо отражает солнечное излучение, малейшие загрязнения приводят к резкому падению коэффициента отражения и увеличению коэффициента поглощения. Кроме того, части кровли, свободные от снега, быстро нагреваются. Оголившиеся участки кровли могут иметь очень низкий коэффициент отражения, и активное таяние может происходить на границе снегового покрова. Поэтому образование наледи весной всегда более интенсивно, чем осенью.
По данным метеонаблюдения за прошедшую зиму зафиксировано около 100 переходов температуры через 0°С. Суточные колебания температуры с переходом через 0°С вечером приводят к быстрому охлаждению воздуха и, соответственно, водостоков, тогда как массы снега на кровле, вместе с элементами самой кровли, могут сохранять положительную температуру еще некоторое время, создавая, таким образом, перепад температуры между водостоками и центральной частью, приводящий к активному льдообразованию. Это хорошо известные весенние сосульки, которые наблюдаются практически на всех крышах в весеннее время.
2. Причины техногенного характера
Источником теплоты является собственное тепловыделение кровли.
Тепловыделение имеет место на любой кровле. В минимальной степени это происходит на кровлях с проветриваемым чердаком. Однако распространившееся в последнее время использование чердачного пространства для проживания (мансарды) или для оборудования технического этажа (где устанавливается большое количество мощного оборудования для отопления, вентиляции и кондиционирования) резко меняет требования к конструкции кровли, что далеко не всегда учитывается проектировщиками и архитекторами. Недостаточно эффективная теплоизоляция приводит к тому, что под поверхностью лежащего на кровле
Рисунок 4. Образование сосулек на крышах домов
снега (представляющего собой неплохой теплоизолятор) идет постоянное капельное таяние снега, причем этот процесс происходит на всей поверхности крыши. Это так называемые теплые крыши. Для них характерно образование наледи в более широком диапазоне температур воздуха, что фактически может означать опасность образования сосулек в течение почти всего холодного сезона.
Подогрев центральной части кровли усугубляется следующими обстоятельствами:
- отсутствием проветриваемых чердачных помещений;
- расположением в подкровельном пространстве технических этажей с отоплением, а также мансард и т.п.;
- наличием установленного на чердаках тепловыделяющего оборудования (коллекторов отопления, расширительных бачков и др.) без должной теплоизоляции.
Формированию снежного покрова способствуют небольшие уклоны, кровли, ее сложная форма: наличие внутренних углов (ендов), горизонтальных площадок, выступающих «воротников» кровельных окон и так далее.
Указанные причины могут быть либо устранены, либо сильно ослаблены правильным проектированием крыш.
Соединение же природного и техногенного факторов делают льдообразование возможным в течение всего осенне-зимне-весеннего сезона.
Хотелось бы обратить внимание на тот факт, что сама необходимость использования системы для предотвращения образования сосулек является зачастую следствием нерациональной кровли. Еще на стадии проектирования можно избежать многих неприятностей, связанных с процессом льдообразования на кровлях, и свести к минимуму затраты на систему для предотвращения образования сосулек.
Основным критерием выбора системы для предотвращения образования сосулек является тепловой режим крыши. То есть необходимо оценить теплопотери через верхнее перекрытие здания и чердак. Именно они определяют степень обледенения данной крыши. Для того чтобы уменьшить отрицательное влияние
различных факторов, очевидно, необходимо уменьшить теплопотери через верхние перекрытия. Это является общей рекомендацией для построения различных систем для предотвращения образования сосулек [6].
Рассмотрим различные типы крыш по принципу теплопередачи.
Тепловой режим выделяет три типа крыш.
1. «Холодная крыша» представляет собой крышу с хорошей теплоизоляцией и достаточной вентиляцией. Она имеет минимальный коэффициент теп-лопотерь через поверхность крыши. Чаще всего такие крыши имеют проветриваемый чердак. Образование сосулек и наледи происходит, как правило, в результате таяния снега при температуре не ниже -5°С.
Проблема обледенения на такой крыше возникает только под воздействием теплоты солнца, когда снег подтаивает, в то время, как желоба и водостоки могут оставаться в тени и иметь отрицательную температуру. Талая вода, стекая с крыши, замерзает в желобах и водостоках, образуются наледь и сосульки.
2. «Теплая крыша» представляет собой недостаточно изолированную от чердачного помещения крышу, где утечка теплоты через ее конструкцию создает положительную температуру на поверхности крыши под слоем снега. Таяние снега происходит при минимальной температуре -5 - -10°С, вода при таянии медленно стекает вниз к водостоку и образует наледь и сосульки. К этому типу относится большинство крыш старых административных зданий с чердаком [7].
Для холодных крыш система для предотвращения образования сосулек если и требуется, то минимальной мощности (соответствующей западноевропейским рекомендациям). Для теплых крыш необходима полномасштабная система для предотвращения образования сосулек повышенной мощности. Таким образом, система для предотвращения образования сосулек представляет собой устройство, которое способно не только поддерживать положительную температуру в водостоках, но и обеспечивать постоянный отвод талой воды, чтобы не
было опасности появления наледей и сосулек.
Выводы:
Длительный период процесса таяния-замерзания, происходящий изо дня в день, может принимать катастрофический характер - на кровле нарастают ледяные дамбы. Повышенная статическая нагрузка на элементы кровли приводит к сокращению срока ее службы, к повреждению конструкций водосборных желобов, труб и фасадов, вследствие чего появляются подтеки на стенах зданий, приводящие к образованию влажности и плесени в помещениях. Слои льда в водосточных трубах делают невозможным сток талых вод. Водосточные трубы, обретя лишний вес, обрываются, падают и очень часто не подлежат восстановлению. Застой воды быстро приводит к протечкам в жилые помещения, что также разрушает и кровлю.
Между тем, крыша - это защита всей конструкции дома, и практика показывает, что старение и разрушение кровли неизбежно приводит к появлению проблем во всей конструкции дома. К необратимым последствиям приводит падание сосулек и лавинообразное схождение снега, которые не только грозят весьма значительному материальному ущербу (повреждению автотранспорта, нижележащих архитектурных элементов), но и подвергают опасности жизнь человека.
Основная задача недопущения льдообразования - сопроводить образующуюся на крыше воду до уровня земли, не дав ей замерзнуть на элементах кровли и водостоках. Таким образом, путь талой воды должен оставаться свободным в любое время при любой температуре воздуха. Это позволит полностью избавиться от неприятностей, связанных с обледенением краев крыш, водосточных и го-
ризонтальных водосточных желобов, ендов, внутренних углов кровли и других опасных мест. Система для предотвращения образования сосулек должна поддерживать положительную температуру в водостоках в то время, когда есть опасность появления наледей и сосулек.
Список литературы
1. Дружинин П.В., Бараш А.Л., Савчук А.Д., Юрчик Е.Ю. Способы недопущения льдообразования на крышах жилых зданий - // Техникотехнологические проблемы сервиса, №4 (14), 2010.
2. Зайченко П.А., Дружинин П.В., Агафонов
А.Н., Савчук А.Д. Патент РФ №2301310 от
20.06.2007г., «Комбинированное устройство для предотвращения образования сосулек».
3. Зайченко П.А., Дружинин П.В., Агафонов
А.Н., Савчук А.Д. Патент РФ №2301309 от
20.06.2007г., «Реверсивное устройство для предотвращения образования сосулек».
4. Зайченко П.А., Дружинин П.В., Агафонов
А.Н., Савчук А.Д. Патент РФ №2301308 от
20.06.2007г., «Составное устройство для предотвращения образования сосулек».
5. Зайченко П.А., Дружинин П.В., Агафонов
А.Н., Савчук А.Д. Патент РФ №2301311 от
20.06.2007г., «Устройство для предотвращения образования сосулек».
6. Крыши и кровли [Текст]: справочник. - 305с.: ил., цв. ил., табл.; 29. - М., 2001.
7. Журнал «Мир климата»: статьи о климатическом оборудовании. - Архив №35. «Интеллектуальная» крыша без сосулек.
8. Burt S.D. The curious case of the horizontal icicles. Meteorological Magazine, 111 (1320), 1982, 183 - 84. Исследование роста сосулек.
9. Geer, I. W. The not-so-ordinary ici-cle//Weatherwise, 34(6), 1981 pp 257 - 59. Исследование роста сосулек.
10. Hatakeyama, H., Nemoto, S. A note on the formation of horizontal stripes on icicles//Geophysical Magazine, 28(4), pp 477 - 82. Первые исследования роста сосулек.
11. Knight C. A. Icicles as crystallization phenome-na//Journal of Crystal growth, 49, 1980, pp. 193 - 98. Исследование роста сосулек.
1 Дружинин Петр Владимирович, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, профессор кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел.: +7 921 9769586;
2 Юрчик Екатерина Юрьевна, преподаватель кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел. :(812) 362 44 13.
