CC BY
188
ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 728.8: 692.4 СПОСОБЫ НЕДОПУЩЕНИЯ ЛЬДООБРАЗОВАНИЯ НА КРЫШАХ ЖИЛЫХ З ДАНИЙ
П. В. Дружинин1, А. Л. Бараш2, А. Д. Савчук3, Е. Ю. Юрчик4
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7
Представлен и обоснован способ недопущения льдообразования на крышах жилых зданий, основанный на возможности утилизации теплоты вытяжного воздуха, находящегося в вентиляционных каналах.
Ключевые слова: снеговая нагрузка; льдообразование; сосульки; кровля; тепловые трубы; вентиляционный канал
WAYS OF THE NON-ADMISSION OF FORMATION OF ICE ON ROOFS OF RESIDENTIAL BUILDINGS
P.V.Druzhinin, A.L.Barash, A.D.Savchuk, EJu.Jurchik
The way to prevent the ice formation on the roof edges of a city & so on buildings, based on a possibility of utilizing the warm air flow thru the exhausting ventilation channels is presented rein.
Keywords: snow loading; ice formation; icicles; a roof; thermal pipes; the ventilating channel
С учетом климатических особенностей Северо-Западного региона России, и особенно г. Санкт-Петербурга, с его исторически сложившимся архитектурным обликом и плотной застройкой, проблема льдообразования на крышах и водостоках зданий в осенне-зимневесенний период, стоит довольно остро.
К наиболее негативным последствиям ледообразования можно отнести возникновение потенциальной опасности для граждан города, вызванной возможностью обрушения сосулек, ледяных и снежных масс, а также оказываемое разрушающее воздействие на фасады зданий и элементы покрытия и кровли. Благодаря перепадам температур вода переходит из жидкого состояния в твёрдое и обратно, увеличивая при этом отверстия в размере, пробивает себе дорогу внутрь здания и на его фасады. Материалы, подвергшиеся воздействию воды очень часто теряют свои первоначальные свойства. Желоба, подвергшиеся мощному натиску ледяных масс деформируются, и приходят в негодность. Водосточные трубы, обретя лишний вес, обрываются, падают
и очень часто не подлежат восстановлению. Это далеко не полный список материального ущерба связанного с зимней эксплуатацией кровли. Известны случаи, когда под действием снеговой нагрузки происходило обрушение кровли и даже зданий. К таким негативным фактам можно отнести и обрушение кровли аквапарка в Москве, повлекшее за собой людские жертвы.
В связи со сложившейся ситуацией и благодаря работе большого количества специалистов разного профиля, в настоящее время мы располагаем обширным опытом решения потенциальных проблем, связанных с зимней эксплуатацией кровли. В настоящее время борьба с обледенением осуществляется либо при помощи его механического удаления, прибегая к услугам промышленных альпинистов и специальной техники, либо с применением различных систем обогрева кровель.
Для лучшего восприятия проблемы льдообразования на крышах и в водосточных трубах домов, необходимо рассмотреть причины этого явления.
Основная причина образования корок льда - это перепад температур между центральной частью кровли и краем крыши с находящимися на нем водостоками, возникновение которого возможно по нескольким причинам. При строительстве здания форме крыши уделяется внимание в основном с точки зрения эстетического вида или требований заказчика, что особенно характерно для зданий исторического центра Санкт-Петербурга. В процессе реконструкции, чаще всего, жертвуют чердачным пространством, размещая непосредственно под кровлей технический этаж или жилые помещения. При этом не обеспечивается необходимая теплоизоляция, что приводит к негативным последствиям.
Другой причиной можно считать особенности климата, при которых возникают условия наледи даже на совершенной, с точки зрения конструкторов-архитекторов, кровле. Очень неблагоприятен для крыши в этом отношении осенне-зимне-весенний период с его резкой сменой температур и неоднократным переходом через нулевую отметку на градуснике не только на протяжении одного месяца, но и на протяжении одних суток. Такое изменение температуры наружного воздуха обязательно приведет к весьма быстрому охлаждению водостоков, охлаждающихся намного быстрее, чем кровля, которая сохраняет теплоту значительно дольше, тем самым, создавая великолепные условия для образования сосулек.
На первый взгляд самым простым способом борьбы с наростом льда является механическая очистка кровель от наледи и сосулек, которая связана с услугами фирм специализирующихся на промышленном альпинизме, что в свою очередь довольно накладно. Чтобы в этом убедиться достаточно взглянуть на прайс-лист с услугами любой из таких организаций. В среднем стоимость минимального заказа, включающая очистку 24 м , составляет 6000 рублей, а сколько раз придется воспользоваться подобными услугами даже на протяженности одного осенне-зимне-весеннего периода.
Еще один немаловажный минус механической очистки состоит в том, что это способ устранения льдообразования, а не его предотвращения. Что в свою очередь может привести к негативным последствиям.
В настоящее время наиболее эффективным способом предотвращения льдообразования, с применением систем обогрева кровли, является установка кабельных систем. Основным элементом такой системы являются греющие кабели, которые прокладывают в местах скопления ледяных масс: в желобах и водостоках, ендовах и т.п. Управление системой осуществляется в автоматическом режиме с помощью специальных термостатов, которые включают и выключают систему в зависимости от наружной температуры или, в более сложном варианте, от наружной температуры и осадков в виде снега. Подобные системы неплохо зарекомендовали себя и в настоящее время нашли широкое практическое применение.
Однако существенным
недостатком подобных систем является высокая потребляемая электрическая мошность. В среднем для таяния снежного покрова требуется порядка 300 Вт тепла на 1м2. Таким образом на площадь 30кв.м. понадобится
электрическая мощность около 9 кВт. Подобные энергозатраты в больших масштабах делают этот способ экономически нецелесообразным.
В строительстве так же распространение получили системы подогрева по технологии водяной теплый пол, где в качестве теплоносителя используется вода, приводимая в движение циркуляционным насосом, потребляющим при этом основную электрическую нагрузку. Подключение системы осуществляется по «закрытой схеме» через пластинчатый теплообменник. Применяются подобные системы в основном при устройстве плоских эксплуатируемых кровель, смотровых площадок и т.п. Применение подобных систем для скатных кровель, особенно в зданиях старой постройки, практически неосуществимо в виду громоздко-
сти и технических особенностей данной системы.
После проведения даже небольшого сравнительного анализа различных систем и способов предотвращения льдообразования, наиболее применяемых на данный момент, и приблизительного сравнения потребляемых ими ресурсов (электроэнергия, тепловая энергия, затраты на услуги промышленных альпинистов и т.д.); сама собой назревает необходимость проведения исследований в этой области с целью обеспечения возможности повсеместного применения более экономичных и не менее эффективных систем и способов борьбы с этой проблемой.
Представленный в данной статье способ основан на возможности использования вытяжного воздуха в вентиляционных каналах как источника «бесплатной» тепловой энергии. Исследованием данного способа предотвращения льдообразования занимается научное направление под руководством профессора Дружинина П.В. На разработки было получено четыре патента, приведенные ниже.
Устройство для предотвращения образования сосулек (ЯИ 2301311) - [1], решает задачу повышения эффективности тепловых труб, используемых для предотвращения образования сосулек, путем: а) уменьшения аэродинамического сопротивления их зон испарения в вытяжных вентиляционных каналах; б) повышения коэффициента теплопередачи к зонам испарения тепловых труб от вытяжного воздуха; в) уменьшения тепловых потерь от тепловых труб на участках между зонами испарения и конденсации.
Составное устройство для предотвращения образования сосулек (ЯИ
2301308) - [2], существенно снижает стоимость изготовления и монтажа тепловых труб в зданиях, а также повышает удобство монтажа тепловых труб без загромождения помещений и проходов чердаков.
Реверсивное устройство для предотвращения образования сосулек (ЯИ
2301309) - [3], повышает эффективность
и универсальность устройств для предотвращения образования сосулек.
Комбинированное устройство для предотвращения образования сосулек (ЯИ 2301310) - [4], повышает эффективность устройства и позволяет предотвратить образование сосулек в любую погоду и при обильных снегопадах.
Все устройства содержат нагреватель кровли, выполненный из тепловых труб, зоны испарения которых располагаются в воздуховодах вытяжного воздуха, а зоны конденсации закрепляются под водостоками и желобами крыши.
Устройство для предотвращения образования сосулек [1] представлено на рис. 1 и рис. 2.
Рисунок 1 - Схема устройства для предотвращения образования сосулек [1]: 1 - тепловые трубы (ТТ); 2 - зоны испарения ТТ; 3 - вентиляционный канал (воздуховод); 4 -зоны конденсации ТТ; 5 - водостоки; 6 - желоб; 7 - крыша; 8 - снежные массы; 9 - перекрытие; 10 -теплоизоляция ТТ; 11 - внешние оребрения зон испарения ТТ.
Теплый воздух из помещения здания через вентиляционные отверстия поступает в вентиляционный канал (воздуховод) 3 вытяжного воздуха. Двигаясь по воздуховоду 3, воздушные потоки омывают эллиптические с оребрениями 11 зоны испарения 2 тепловых труб 1, которые обладают небольшим аэродинамическим сопротивлением и высоким коэф-
фициентом теплопередачи. Поглощенная теплота в зоне испарения 2 передается в зону конденсации 4 тепловых труб 1, где впоследствии она передается участкам кровли путем теплопроводности и конвекции.
а)
Рисунок 2 - Схема тепловой трубы: а) вид
одной ТТ; б) вид ТТ с торца зоны испарения. 1 - тепловая труба; 2 - зона испарения ТТ; 4 - зона конденсации ТТ; 10 -теплоизоляция ТТ; 11 - внешнее оребрение зоны испарения ТТ.
Потери теплоты в тепловых трубах 1 между зонами испарения 2 и конденсации 3 сведены к минимуму теплоизоляцией 10. В результате подвода теплоты к желобам 6 и водостокам 5 крыши 7 происходит таяние образовавшихся на них ледяных валиков, наледи и сосулек. Таким образом, путь стока талой воды остается свободным в любое время и при любой температуре воздуха.
Составное устройство для предотвращения образования сосулек [2] представлено на рис. 3.
Выполнение тепловых труб составными из зон (участков) испарения и конденсации, между которыми находятся гибкие из металлопластика трубы, необходимо для подготовки и непосредственного монтажа тепловых труб на месте (на конкретном чердаке), так же как, например, выполняют монтаж сплит-систем кондиционеров. Первоначально идет подгонка по месту установки гибкой трубы, далее - ее обрезание (по необходимому размеру) и установка на ее торцы (концы) стандартных зон (участков) испарения и конденсации, например, при помощи разъемов (сгонов), аналогичных
применяемым для металлопластиковых труб в сантехнике. После этого производится заправка тепловой трубы рабочим телом (совместно с проверкой последней на герметичность).
а
13 1 ш г п
Рисунок 3 - Составное устройство для предотвращения образования сосулек: а) -
схема устройства [2]; б) - зона конденсации составной ТТ; в) - зона испарения составной ТТ с заправочным штуцером; 1 - тепловые трубы (ТТ); 2 - зоны испарения ТТ; 3 - вентиляционный канал; 4 - зоны конденсации ТТ; 5 - водостоки; 6 - желоб; 7 - крыша; 8 -снежные массы; 9 - перекрытие; 10 - разъемы; 11 - заправочный штуцер; 12 - деревянная обрешетка; 13 - крепежные элементы.
Гибкие трубы с внутренним фитилем по всей ее длине позволяют упростить сборку и монтаж тепловой трубы по месту установки. Фитиль должен быть неотъемлемой составной частью гибкой трубы (закреплен в заводских условиях) и при монтаже тепловой трубы отрезаться вместе с гибкой трубой.
Расположение заправочного штуцера на участке испарения тепловой трубы удобно для заправки тепловой трубы рабочим телом. Это также удобно при обслуживании как одной тепловой трубы, так и пучка тепловых труб, расположенных в одном вентиляционном канале вытяжного воздуха. Доступ к вентиляционному каналу всегда более открыт, чем к участкам кровли у ее кромок и у водостоков, тем более, что все тепловые трубы сходятся к вентиляционным каналам вытяжного воздуха. Заправочный штуцер может быть аналогичен заправочному штуцеру сплит-систем кондиционеров воздуха.
Расположение зон (участков) испарения тепловых труб в вентиляционном канале вытяжного воздуха под кровлей (покрытием кровли) необходимо для обеспечения свободного прохода по чердаку и исключения загромождения чердаков (особенно проходов) установленными тепловыми трубами.
Монтаж тепловых труб, их непосредственное крепление снизу к кровле (например, к стропильной системе и ее деревянной обрешетке) позволяет оптимально расположить тепловые трубы на чердаке и обеспечить свободный проход по чердаку здания.
Реверсивное устройство для предотвращения образования сосулек [3] представлено на рис.4.
Зимой теплый воздух из помещения здания через вентиляционные отверстия поступает в вентиляционный канал (воздуховод) 3 вытяжного воздуха. Двигаясь по воздуховоду 3, воздушные потоки омывают зоны испарения 2 тепловых труб 1. Поглощенная теплота в зоне испарения 2 передается в зону конденсации 4 тепловых труб 1, где впоследствии она передается участкам кровли путем теплопроводности и конвекции. В результате подвода теплоты к желобам 6 и водостокам 5 крыши 7 происходит таяние образовавшихся на них ледяных валиков, наледи и сосулек.
а)
предотвращения образования сосулек: а)
схема реверсивного устройства работающего в холодное время года; б) - работающего в теплое время года; 1 - тепловые трубы; 2 -зоны испарения ТТ; 3 - вентиляционный канал; 4 - зоны конденсации ТТ; 5 - водостоки; 6 - желоб; 7 - крыша; 8 - снежные массы; 9 -перекрытие.
В теплое время года (летом) зоны испарения 2 и конденсации 4 тепловых труб 1 меняются местами, что позволяет отбирать теплоту от нагретой крыши 7 и передавать ее к вытяжному воздуху в вентиляционный канал 3. При этом вытяжной воздух подведенной теплотой нагревается, становится менее плотным и с большей скоростью выходит из вентиляционного канала, что приводит к возрас-
танию в нем «тяги». В результате этого повышается комфортность в вентилируемых помещениях.
В конечном итоге это обстоятельство не только компенсирует аэродинамическое сопротивление установленных в вентиляционном канале зон испарения тепловых труб, но и создаст предпосылки к интенсификации естественной вентиляции в теплое время года (особенно летом), и тем самим повысит комфортность вентилируемых помещений. Этим и будет достигаться новый положительный эффект устройства, наряду с предотвращением образования сосулек в холодное время года. Другими словами устройство [3] в теплое время года будет повышать эффективность естественной системы вентиляции здания.
Одинаковое исполнение (с одинаковой внутренней структурой) зон испарения и конденсации позволит тепловым трубам в холодное и теплое время года меняться своим назначением (предназначением) без какой бы то ни было переделки.
Подбор используемого рабочего тела тепловых труб с возможностью функционирования в реверсивном режиме в зависимости от температуры окружающей среды (и измененном при этом внутреннем давлении в тепловых трубах) автоматически позволит тепловым трубам изменять направление переноса теплоты. Таким рабочим телом для реверсивной тепловой трубы могут стать, например, смеси различных низкокипящих жидкостей, изменение состава которых будет влиять на температуру, при которой происходит смена направления переноса теплоты, что существенно для разных климатических зон.
Комбинированное устройство для предотвращения образования сосулек [4] представлено на рисунках 5, 6 а) и 6 б).
Рисунок 5 - Схема комбинированного устройства: 1 - тепловые трубы (ТТ); 2 - зоны испарения ТТ; 3 - вентиляционный канал (воздуховода); 4 - зоны конденсации ТТ; 5 -водостоки; 6 - желоб; 7 - крыша; 8 - снежные массы; 9 - перекрытие; 10 - дополнительные теплообменники; 11 - электрический включатель; 12 - водяной теплообменник; 13 - трубопровод;14 - вентиль.
4 1 ю а
а)
——
1 і
’—| 3 9
б)
Рисунок 6 - Тепловые трубы: а) вид одной тепловой трубы с электрическим нагревателем и отдельным включением; б) зона испарения ТТ с водяным теплообменником системы отопления здания: 1 - тепловые трубы;
2 - зоны испарения ТТ; 3 - вентиляционный канал; 4 - зоны конденсации ТТ; 10 - дополнительные теплообменники; 11 - электрический включатель; 12 - водяной теплообменник; 13 - трубопровод;14 - вентиль.
В неблагоприятных погодных условиях, особенно при обильных снегопадах, включается (электрическим включателем 11) дополнительный электронагреватель 10 зон испарения 2 тепловых труб 1, вследствие чего к последним подводится большее количество теплоты, необходимой для предотвращения образования сосулек и наледей. Необходимая дополнительная теплота, подводимая к зонам испарения 2 тепловых труб 1, может быть подведена от теплообменника 12 водяной системы отопления здания, который включается открытием расположенных на его трубопроводах 13 вентилей 14. После изменения погоды (с интенсивным образованием наледей и сосулек) дополнительный нагрев зон испарения 2 тепловых труб 1 выключается и далее устройство работает в штатном режиме.
Дополнительные нагреватели зон испарения необходимы для подведения дополнительной теплоты в условиях неблагоприятной погоды при обильных снегопадах. При оборудовании здания устройством нецелесообразно оборудовать его дополнительным противообле-денительным устройством или системой. Гораздо дешевле (экономичнее) по капитальным затратам использовать существующее устройство, но при этом обеспечив его эффективную надежную работу. Именно для этого и служат предложенные дополнительные нагреватели по [4].
Проще всего оборудовать зоны испарения тепловых труб электрическими нагревателями, например, в виде ТЭНов, электрических нагревательных кабелей или матов. Электронагревательные элементы могут быть прислонены к зонам испарения тепловых труб или же намотаны на них на небольшом участке зоны испарения.
Однако в случае ограниченного лимита электроэнергии можно воспользоваться теплотой горячей воды системы
отопления здания. При этом под участками зон испарения тепловых труб расположен водяной теплообменник системы отопления здания, который включается отдельными вентилями на своих водяных трубопроводах. Известно, что образование сосулек происходит при положительной температуре (около 0°С), поэтому включенный водяной теплообменник для подогрева зон испарения тепловых труб не будет нарушать теплового режима отопления здания.
При расчете устройств для предотвращения образования сосулек по [1], [2], [3] и [4] необходимо рассматривать процессы теплопередачи и теплоотдачи для обогрева открытых поверхностей. При этом на расчет оказывают влияние многие факторы, которые зачастую весьма сложно учесть. Искомой величиной является удельная тепловая мощность, необходимая для таяния выпадающих из атмосферы осадков. Количество осадков измеряют толщиной слоя жидкой воды, который мог бы образоваться после выпадения осадков на горизонтальную непроницаемую поверхность (обычно количество осадков измеряют в миллиметрах; 1 мм соответствует массе осадков 1 кг, выпавших на площадь 1 кв. м).
Интенсивностью осадков называют количество осадков, выпадающих за единицу времени (например, 1 ч). В общем случае необходимую нам тепловую мощность можно определить как:
Ообщ _ О конв + Оизл + Отаян + Qпотер,
где: Оконв - потери тепла на конвектив-
*-» 2 ный теплообмен, Вт/м ; Оизл - потери тепла на излучение, Вт/м ; Отаян - энергия, требуемая на обеспечение процесса снеготаяния, Вт/м ; Опотер - неизбежные тепловые потери в адиабатной зоне ТТ и ее конденсаторе, Вт/м2.
Потери тепла на конвективный теплообмен могут быть вычислены по следующей зависимости:
Оконв _ а (^поверх - 1воздХ
где: а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м °С; ^оверх - температура верхнего слоя обогреваемой открытой поверхности, °С; tв03д - температура наружного воздуха, °С.
Коэффициент конвективного теплообмена может быть определен следующим образом:
а _ 2,26 х (^поверх - 1возд)1/3 + 2,6 х Vвозд,
где V возд - скорость наружного воздуха.
Определение потерь тепла на излучение содержит в себе на сегодняшний день определенную эмпирическую составляющую. Для расчета может быть использована формула Больцмана:
Qизл = 3600 х £ х С0 х [Табс/100]4, где: £ - степень черноты; С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,77Вт/(м *°С); Tабс - абсолютная температура, принимаемая равной 273 °С.
Количество энергии, требуемое для обеспечения процесса снеготаяния, может быть разбито на две составляющие: первая необходима для нагрева снега от температуры наружного воздуха до
0 °С, вторая - непосредственно для таяния снега:
°таян _ ^н х рл х сл х (0 - 1возд) + ^нхрлх
где: hсн - толщина слоя снега, м; рл -плотность льда, принимаемая равной 900 кг/м3; сл - удельная теплоемкость льда,
2,1 кДж/(кг • °С); Хл - удельная теплота плавления льда, 330 кДж/кг.
Тепловыми потерями ^потер) в адиабатной зоне и на обратной поверхности конденсатора ТТ, в данном расчете можно пренебречь с учетом устройства, при непосредственном монтаже системы, необходимой теплоизоляции этих элементов.
Устройства для предотвращения образования сосулек по [1], [2], [3] и [4] отвечают рядом требований предъявляемых к подобным системам и даже превосходит их, а именно:
• отсутствие энергопотребления, что существенно отличает ее от всех известных и применяемых на практике систем;
• полная бесшумность системы;
• высокая эффективность;
• промышленная применимость и относительная простота изготовления;
• относительно высокая надежность.
Литература:
1. Патент РФ 2301311 от 20.07.2007г., «Устройство для предотвращения образования сосулек».
2. Патент РФ №2301308 от 20.07.2007г., «Составное устройство для предотвращения образования сосулек».
3. Патент РФ 2301309 от 20.07.2007г., «Реверсивное устройство для предотвращения образования сосулек».
4. Патент РФ 2301310 от 20.07.2007г., «Комбинированное устройство для предотвращения образования сосулек».
1 Дружинин Петр Владимирович, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, профессор кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел.: +7921 9769586:
2 Бараш Андрег'1 Леонидович, кон дидат технических наук, доцент, кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел.:(812) 362 44 13:
3 Савчук Александр Дмитриевич, заслуженный рационализатор РФ, преподаватель кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел.:(812) 362 44 13:
4 Юрчик Екатерина Юрьевна, преподаватель кафедры «Экономика природопользования и сервиса экосистем» СПбГУСЭ, тел.:(812) 362 44 13
