Исследование влияния температурно-влажностного режима чердачных помещений со скатными металлическими кровлями на процесс образования наледей и сосулек

УДК 691

В.П. ПРОТАСОВ, директор, ООО «Спецтеплохимзащита»,
В.М. КАЛИНИН, канд. техн. наук, доцент МГСУ,
Б.Н. АВЕРИН, канд. техн. наук, доцент МГСУ

Авторы утверждают, что для исследования влияния температурно-влажностного режима чердачных помещений на образование наледей на кровле необходимо построение математических моделей тепловых потоков в нестационарных и квазистационарных условиях при изменяющейся температуре наружного воздуха и перепаде давлений на внутренней и наружной поверхностях ограждающих конструкций.

При проектировании и технической эксплуатации скатных металлических кровель нормативными документами предусматриваются специальные мероприятия, направленные на обеспечение такого тепловлажностного режима чердачного помещения, при котором должны исключаться физические процессы, приводящие к нарушению безопасности граждан и их имущества в зоне, примыкающей к зданию, а также снижающие долговечность и энергоэффективность элементов конструкции крыши.

В [1] регламентируются следующие требования: «Во избежание образования со стороны холодного чердака конденсата на поверхностях кровель должна быть обеспечена естественная вентиляция чердака через отверстия в кровле (коньки, хребты, карнизы, слуховые окна, вытяжные патрубки и т.п.), суммарная площадь которых принимается не менее 1/300 площади горизонтальной проекции кровли».

В [2] регламентируются эксплуатационные действия: «Чердачные помещения должны иметь требуемый температурно-влажностный режим, препятствующий выпадению конденсата на поверхности ограждающих конструкций: в холодных чердачных помещениях – по расчету, исключающему конденсацию влаги на ограждающих конструкциях (но не более чем на 4°С выше температуры наружного воздуха); воздухообмен и температурно-влажностный режим, препятствующие конденсатообразованию и переохлаждению чердачных перекрытий и покрытий».

Во многих публикациях и учебных пособиях утверждается, что для предотвращения образования наледей и сосулек на скатных металлических кровлях необходимо обеспечить такой температурно-влажностный режим чердачных помещений, при котором разница температур воздуха внутри помещения и наружной температуры должна быть в пределах 2-4°С. Во многих зданиях теплозащитные свойства ограждающих конструкций полностью соответст­вуют проектным требованиям, однако при этом проблема образования наледей и сосулек остается нерешенной.

Еще в начале периода массового домостроения Э.М. Ариевич [3] указывал, что температура чердачного помещения значительно выше температуры наружного воздуха, иногда разность этих температур превышает 10°С. Разность температур изменяется в пределах от 7 до 12°С и даже при наружной температуре -23-25° не опускается ниже 6-9°С.

Подтверждением недостаточной изученности всех факторов, определяющих температурно-влажностный режим чердачного помещения, являются натурные исследования ряда объектов, выполненные на представительных зданиях в 2011 г. (см. рис.).

Наблюдения, выполненные в примерно одинаковых условиях при безветренной погоде, показали, что флуктуации температур воздуха в чердачном помещении относительно среднего значения весьма значительны, как и неравномерность распределения температур в различных зонах чердачного помещения. Таким образом, возник вопрос об исследовании теоретических обоснований действующих норм относительно температурно-влажностного режима чердачных помещений. Обширный литературный обзор по рассматриваемому вопросу позволил найти единственный документ, функционально описывающий взаимосвязь между температурно-влажностным режимом чердачного помещения и процессом образования наледей и сосулек [4]. Можно полагать, что он является прообразом к современным требованиям по проектированию и эксплуатации чердачных помещений.

В (4) предложена методика расчета сечения специальных вентиляционных отверстий в чердачных крышах, согласно которой таяние снега не происходит при обеспечении температуры воздуха в чердачном помещении 2°С при любой температуре наружного воздуха ниже 0°С. В ней, исходя из уравнения теплового баланса, определяются избыточные теплопоступления в чердачные помещения ΔQ, которые должны быть удалены посредством естественной вентиляции:

ΔQ = ΣQпост – ΣQуд, (1)

где ΣQпост – количество теплоты, поступающей через чердачное перекрытие и инженерные коммуникации, расположенные в чердачном помещении; ΣQуд – количест­во теплоты, удаляемой через кровлю и карнизные части наружных стен.

Требуемый расход приточного воздуха для удаления теплоизбытков [1] (размерности и обозначения приведены к современным системам измерения):

, (2)

где t_чер и t_н – соответственно температуры воздуха в чердачном помещении и наружного воздуха; с=1,005 – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кгс.

И соответственно площадь сечения вентиляционных отверстий:

, (3)

где µ – коэффициент расхода проема; γн – плотность наружного воздуха, кГ/м³; ΔР – разность давлений с наружной и внутренней сторон ограждения, в котором расположены приточные отверстия, Па.

Несмотря на внешнюю простоту, практическое применение рассматриваемой методики весьма проблематично в силу следующих обстоятельств.

1. Теплопоступления через чердачное перекрытие зависят от разности температур в помещениях последнего этажа и чердачного помещения. Поскольку методика предполагает неизменную температуру воздуха в чердачном помещении на уровне 2°С, то очевидно, что рассматриваемые теплопоступления будут постоянными. Аналогично можно считать примерно постоянными теплопоступления от вентиляционных коммуникаций, газоходов и трубопроводов горячего водоснабжения. А вот теплопоступления от трубопроводов систем отопления постоянными считать нельзя, поскольку при изменении температуры наружного воздуха в соответст­вии с графиком теплоснабжения изменяется температура теплоносителя в системе отопления и, соответственно, разность температур между трубопроводом и воздухом в чердачном помещении. Изменение температуры теплоносителя в системе отопления при отрицательных температурах наружного воздуха может происходить в большом диапазоне – от 55 до 95°С, следовательно, при постоянной температуре воздуха чердачного помещения теплопоступления изменяются почти в 2 раза. Учитывая тот факт, что в большинстве существующих зданий теплопоступления от трубопроводов системы отопления соизмеримы с остальными теплопоступлениями, можно сказать, что в зимний период при постоянной температуре воздуха в чердачном помещении теплопоступления в него будут варьироваться на 30-50%.

2. Теплопотери через кровлю и карнизные части наружных стен, определяемые разностью температур воздуха чердачного помещения и наружного воздуха, при постоянстве первой составляющей изменяются в расчетном для Москвы температурном диапазоне наружного воздуха почти в 15 раз, а в экстремальных условиях – более чем в 20 раз.

3. Дисбаланс в переменных теплопоступлениях и теплоудалениях, показанных в п.п. 1 и 2, по логике рассматриваемой методики, должен быть устранен за счет улучшения теплоизоляции чердачного перекрытия, всех трубопроводов, выходящих на чердак, вытяжных вентиляционных шахт и естественной вентиляции чердачного помещения. Но здесь возникают следующие проблемы. Из уравнений 2 и 3 следует:

(4)

Расход удаляемого воздуха зависит от теплового и ветрового напоров:

∆P=∆PT+∆PВ=∆h(ρH−ρчер)+0,05ρHV2(cH−cЗ)k, (5)

где Δh – расстояние по высоте между центрами приточного и вытяжного отверстий, м; ρн и ρчер – плотность соответственно наружного воздуха и чердачного помещения; сн и сз – аэродинамические коэффициенты у приточного и вытяжного отверстий; V – скорость ветра в данном регионе, м/сек.; k – коэффициент, учитывающий местоположение здания по СНиП «Нагрузки и воздействия»

Плотность воздуха в расчетном диапазоне температур наружного воздуха изменяется в диапазоне от 1,29 до 1,44, т.е. примерно на 10%. Учитывая, что в рассматриваемой методике все остальные члены уравнения (5) постоянны, можно говорить о том, что расход приточного воздуха изменяется в пределах 3-4%, в то время как левая часть уравнения (4) изменяется в разы. Не приводя строгого доказательства, можно полагать, что уравнение (4) будет справедливо максимум для двух значений температуры наружного воздуха. Таким образом, рассматриваемая методика имеет весьма ограниченную область применения. Это подтверждается и примером, приведенным в самой методике. В нем при расчете площади приточных и вытяжных вентиляционных отверстий принимаются следующие параметры. При расчете теплопоступлений через чердачное перекрытие, боковые стенки газоходов, вентиляционных коробов и шахт, а также трубопроводов системы отопления принимается разность температур между соответствующими источниками теплопоступлений и температурой воздуха в чердачном помещении, равная 2°С. И такая же разность температур берется между воздухом на чердаке и наружным воздухом! Т.е., по сути, рассматривается единственный случай, когда температура наружного воздуха равна 0°С, а температура воздуха на чердаке 2°С.

Рассмотренные проблемы определяют актуальность изучения температурно-влажностного режима чердачных помещений и в современных условиях. Скорее всего, здесь должны быть построены математические модели тепловых потоков в нестационарных и квазистационарных условиях при изменяющейся температуре наружного воздуха и независимо от изменяющегося перепада давлений на внутренней и наружной поверхностях ограждающих конструкций. Такой подход будет необходим для решения многих вопросов, в первую очередь при решении задач, связанных с энергосбережением. Однако даже при успешном решении задачи корректного расчета температурно-влажностного режима чердачного помещения проблема предупреждения образования наледи и сосулек на скатной металлической крыше будет решена лишь частично. Это утверждение обусловливается следующим.

1. В любом случае, как указывается в [5], для практического расчета аэрации чердачного помещения возникнут следующие допущения:

– расчет гравитационного давления будет выполняться на среднюю по объему зоны температуру воздуха чердачного помещения, поскольку невозможно формально описать многообразие существующих чердачных помещений;

– по этим же причинам практически невозможно формализовать влияние тепловых конвективных струй, возникающих над нагретыми участками инженерного оборудования, на процессы аэрации;

– энергия приточных струй также трудноформализуема, и следует полагать, что она полностью рассеивается в объеме помещения, а кинетическая энергия вытяжных струй рассеивается в атмосфере;

– расчетная разность давлений для определения расходов воздуха через аэрационные проемы ввиду многообразия их конструктивных решений будет определяться по оси проема, без учета изменения разности давлений по высоте проема;

– аэродинамические коэффициенты будут определяться по испытаниям в аэродинамической трубе монолитных моделей и далеко не в полной мере соответствовать реальным условиям местоположения здания и его геометрическим характеристикам.

Возможно, возникнут и другие допущения, которые не приведут к существенным погрешностям для систем кондиционирования микроклимата и мероприятий энергосбережения, но будут давать неполноценные результаты для задачи предупреждения образования наледей и сосулек. Это объясняется тем, что для первого круга задач требуется знание максимальных нагрузок, а смягчение внешних условий априорно обеспечивает успешное решение задачи. Для рассматриваемой же задачи влияние внешних условий рассматривается с противоположной точки зрения – при их предельных значениях образование наледей невозможно, а по мере их смягчения вероятность возникновения наледей возрастает.

2. Как показывают выполненные расчеты, соотношение между величиной гравитационного давления в большинст­ве современных зданий при относительно небольшой высоте чердачных помещений составляет 4-7% от расчетного ветрового давления. Это означает, что последнее является определяющим для обеспечения аэрации. Но направление и скорость ветра – случайные величины. Кроме того, дополнительную неопределенность вносит положение рассматриваемого здания в существующей застройке. Следовательно, аэрационный режим чердачного помещения всегда будет переменным, и при постоянстве других параметров неизбежны значительные колебания температур в чердачном помещении.

3. Централизованное теплоснабжение предполагает «опережающее» изменение температуры теплоносителя в системе теплоснабжения при прогнозируемом изменении температуры наружного воздуха. Причем подобное явление зависит не только от климатических условий, но и от удаленности здания от источника теплоты. Это означает, что в зданиях, где разводящие трубопроводы системы отопления расположены в чердачном помещении, всегда будут наблюдаться повышенные теплопоступления, имеющие случайный характер.

4. Сам принцип удаления излишков теплоты через карнизные продухи предполагает, что на тракте движения воздушной струи от входного отверстия в карнизе до выходного будет наблюдаться повышение температуры перемещаемого воздуха. Следовательно, даже при усилении теплоизоляции ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций в чердачном помещении всегда остаются возможными ситуации, когда при отрицательных наружных температурах температура воздуха в зоне контакта с покрытием со стороны чердачного помещения будет положительной.

Выводы:

1. Вопросы управления температурно-влажностным режимом чердачных помещений скатных металлических кровель в настоящее время окончательно не решены и требуют дополнительных исследований.

2. Процессы образования наледей и сосулек на скатных металлических крышах достаточно сильно, но не абсолютно связаны с температурно-влажностным режимом чердачного помещения. При любых практически достижимых принципах управления температурно-влажностным режимом чердачного помещения всегда остается в той или иной степени риск образования наледей и сосулек. Это обстоятельство требует обязательной разработки дополнительных технических решений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию крыш.

Библиографический список

1. СП 17.13330.2011. Кровли. Актуализир-я редакция СНиП II-26-76.
2. МДК 2-03.2003. Правила и нормы техн-й экспл. жилищного фонда.
3. Ариевич Э.М. Техническая эксплуатация крыш жилых домов.
4. Временные указания по технической эксплуатации крыш жилых зданий с рулонными, мастичными и стальными кровлями.
5. Тертичник Е.И. К расчету аэрации зданий.
6. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общ-е. Параметры микроклимата.
7. СНиП 23-01-89*. Строительная климатология.
8. СНиП 23-02-2008. Тепловая защита зданий.
9. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.
10. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборуд-я и трубопроводов.
11. СП-23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.