Проблемы большинства крыш городского жилого фонда при эксплуатации в зимний период появились не сейчас и имеют достаточно долгую историю, уходящую корнями в советские СНиПы и времена отсутствия достаточных знаний в кровельной области. Безусловно, и современные здания сталкиваются с подобными сложностями, но все-таки в значительно меньшей степени. Авторы статьи в течение нескольких лет детально разбирались в этих проблемах и предлагают свои пути их решения.
Основные воздействия на кровлю – атмосферные осадки (дождь, снег, град), ветер, ультрафиолетовое излучение, озон, действие температур и перепады температур, жизнедеятельность насекомых и микроорганизмов, механические нагрузки– приводят к ее частым ремонтам и заменам по сравнению с другими конструктивными элементами зданий. В последние годы появились эффективные кровельные материалы, которые хорошо противостоят этим агрессивным воздействиям, а следовательно, имеют значительно больший срок службы. Вопрос же предотвращения сосулек и наледей на карнизах фальцевых металлических кровель остается актуальным до сегодняшнего дня. Решение вопросов обледенения карнизов крыш зданий невозможно без оценки: состояния элементов крыши, включая перекрытия с паро- и теплоизоляцией, вентиляции чердака, утепления инженерного оборудования; внешних факторов; расположения водосточных желобов.
Считается, что для предотвращения образования сосулек необходимо:
– исключить попадание талой воды на холодный край крыши;
– снизить интенсивность таяния снега на основной площади крыши за счет обеспечения нормального тепловлажностного режима чердака;
– уменьшить массу снега (тем самым, количество воды), который может накапливаться на свесах кровли.
Первое направление реализуется в основном самым простым и эффективным способом за счет сброса снега после каждого его выпадения. Однако при чистке снега с карнизов крыш образуются пробоины, происходит деформирование покрытия, что требует последующего ремонта кровли, а также приводит к снижению ее долговечности.Второе направление связано с поддержанием нормального тепловлажностного режима для холодных чердаков со скатными металлическими кровлями. Считается, что без обеспечения надлежащего нормативного утепления чердачного перекрытия, тепловыделяющих инженерных устройств (коллекторов отопления, расширительных баков и др.), дверей, люков и вентиляция чердачного пространства с двукратным воздухообменом нельзя решить проблему сосулек. Случайный характер ветровых воздействий на вентиляцию чердака приводит к повышению температуры на чердаке, а следовательно, и к сосулькам. Выполнение вышеперечисленных условий решает проблему только в части недопущения конденсации влаги на металле кровли со стороны чердака. Даже если температура чердака совпадает с температурой наружного воздуха, т.е. соблюдается тепловлажностный режим, в солнечные морозные дни происходит процесс льдообразования и появление сосулек. Даже при идеальном исполнении теплоизоляции и наличии снежного покрова всего до 10 см температурный перепад между наружным воздухом и поверхностью кровли составляет порядка 6°С, т.е. при внешней температуре -5°С уже возможно таяние снега и льдообразование. При интенсивном солнечном облучении поверхности снега на кровле или интенсивном поступлении тепла из чердачного пространства снегу на кровле передается большое количество тепла, и он начинает таять даже при минусовых температурах наружного воздуха.
В.П. ПРОТАСОВ, директор ООО «Спецтеплохимзащита»
Не надо бороться с сосульками, надо сделать так, чтобы они не появлялись!Несколько лет назад мы поставили перед собой задачу сделать надежными и безопасными скатные металлические кровли с настенными желобами. Были проанализированы сотни патентов, изучена техническая и нормативная документация.
В результате:
– исключены все лежачие фальцы на рядовой кровле (выполнено более 20 000 м2 кровли по данной технологии);– разработана технология устройства крыш, на которых не образуются сосульки. Для этого применен комплекс мероприятий, включающий: использование отходящего теплого воздуха для обогрева кровли и отвод талой воды с кровли в так называемую зимнюю воронку; оклейку карниза рулонным материалом, предотвращающим произвольный сход снега и льда с выступающих частей фасада зданий (козырек, свесы, оконные отливы, покрытие балконов и т.п.) и препятствующим образованию сосулек на фасадных частях здания.
На основе разработанных технологий сформированы:
– стандарт организации «Кровли скатные металлические фальцевые, устройства, исключающие образование сосулек, общие технические требования», который внесен в реестр технических условий на проектирование, строительство и реконструкцию многофункциональных зданий и сооружений (протокол Москомархитектуры);
– технологическая карта на устройство кровель;
– альбом узлов и пояснительная записка по технологии обследования и выдачи технических решений по внедрению технологии «Надежная и безопасная кровля».
Отработав и испытав отдельные элементы системы «Надежная и безопасная кровля», в 2011 г. были проведены работы по устройству опытной части кровли на жилом доме, длина ската – более 40 м и две «Зимние воронки». Результаты эксплуатации в течение всего зимнего и весеннего периода показали надежность данной системы и выявили некоторые особенности эксплуатации. Например: нельзя ходить зимой около настенного желоба. Это приводит к образованию ледяных пробок, мешающих отводу талой воды (при нахождении на крыше рабочих, выполняющих определенные работы – установка рекламных щитов, антенн и др., – под тяжестью веса их тел в районе настенных желобов происходит точечное уплотнение снега, что ведет к формированию ледяных «ям» и «пробок», которые мешают отводу воды). Если будут неплотные фальцы в настенном желобе, талая вода может поступать на карниз и могут образовываться небольшие сосульки. Внесение требований к наблюдению за кровлей и качеству монтажа позволяет исключить нежелательные моменты в зимний период.
При данной технологии:
– нет протечек кровли (если только не сделать дырку в ней);
– нет сосулек, угрожающих человеку, и невозможно падение снега или льда с карниза кровли (весной возможно появление сосулек весом 10–20 г, которые днем тают);– нет необходимости очищать кровлю от снега (он сдувается ветром, происходит таяние и возгонка. Если в очень сложной конструкции кровли могут образовываться снежные мешки (наносы), угрожающие обрушению кровли, их надо разбросать по всей поверхности крыши).
Следует заметить, что температурный режим чердака очень далек от идеала, что зафиксировано тепловизионной съемкой и замерами параметров тепловлажностного режима в течение всего зимне-весеннего периода (вентиляция при наличии прикарнизных щелей и флюгарок практически не работает в безветренное время и при слабом ветре до 1,5 м/с). В зависимости от финансового состояния заказчика предполагаются три варианта решения проблем с сосульками, протечками, вентиляцией и утеплением чердака (для соблюдения положений об энергосбережении) и с очисткой кровель от снега, которая становится ненужной (см. таблицу).
Первый вариант – минимальные переделки кровли, позволяющие или отказаться от очистки кровли вообще, или значительно уменьшить трудозатраты по эксплуатации кровли в зимний период. Второй вариант – демонтаж и монтаж от 20 до 50% кровельного покрытия, устройство «зимней воронки», покрытие карнизных свесов рулонным гидроизоляционным материалом и устройство снегозадержания для снижения нагрузки на желоб. Третий вариант – полная замена всего металла и частичный ремонт обрешетки. Утепление чердака, вентшахт и инженерного оборудования является отдельным мероприятием и не связанно с ликвидацией причин возникновения сосулек. Чем теплее чердак, тем меньше вероятность образования сосулек при применяемой нашей технологии, но энергосбережение никто не отменял, и обогревать небо – слишком большая роскошь. Применяемая технология не нуждается в обогревательных элементах, но их применение в некоторых случаях возможно в объеме 1–3% от рекомендуемого при обогреве труб, карнизных свесов и желобов. Проработаны варианты для любого выноса карнизного свеса, на больших выносах система будет работать также надежно. Кроме того, проработано решение ликвидации образования сосулек на пятиэтажках с полупроходным чердаком, мягкой кровлей и организованным наружным водостоком.
Обычно независимо от уклона кровли при температуре наружного воздуха около +4°С устанавливается режим теплового равновесия, а затем по мере улучшения погоды тепло начинает поступать в пространство чердака снаружи. Элементарное приведение в порядок тепло- и пароизоляции чердачного перекрытия способно уменьшить появление сосулек, что значительно дешевле активно рекламируемых способов решения проблемы с помощью нагревающих карниз электрокабелей. Однако полностью решить проблему только выполнением этих мероприятий нельзя.Третье направление – снижение массы снега, который может накапливаться на свесах кровли, – заключается в разработке мероприятий по снегозадержанию или нагреву различных элементов и участков крыши. Снижению массы снега на карнизах крыш способствует большой уклон, но при этом увеличиваются теплопотери здания. Для того чтобы не образовывались сосульки, следует или убирать снег после каждого снегопада (что и выполняется в настоящее время в Москве по распоряжению Департамента коммунального хозяйства), или нагревать водосточные пути, включая карнизы, водосточные желоба, трубы, выходы из водостоков. Уборка снега и очистка карнизов зданий приводит к разгерметизации фальцев, пробоинам, вмятинам, т.е. к протечкам и снижению долговечности кровли. Подогрев всех отводящих талую воду путей (некоторые фирмы рекомендуют, кроме желобов, размещать кабели еще по периметру кровли и в нижней ее части) – слишком дорогой способ. Кроме того, кабели прокладывают в ендовах, вокруг выступающих конструкций (труб, мансардных окон) и в других местах наибольшего обледенения кровли, что, естественно, увеличивает затраты на электроэнергию. Более того, если не выдерживается тепловлажностный режим чердака, то кабель не спасет стропила и обрешетку от гниения. Обледенение карнизов металлических крыш зданий определяется наличием на них снега и изменчивостью во времени свойств снега (воды) в зависимости от внешних условий, из которых следует выделить, прежде всего, температурно-влажностные условия: температуру наружного воздуха, температуру в чердачном пространстве, вентиляцию подкровельного пространства и ветровые воздействия окружающей среды, а также состояния изолирующих слоев кровли. В этих слоях происходят значительные изменения и колебания влажности и температуры. Их концентрация и накопление приводят к обледенению карнизов. На процесс таяния верхнего слоя снега влияют повышение температуры наружного воздуха от 0°С и выше или солнечные лучи при температуре ниже 0°С. Солнечное тепло вносит значительный вклад в процесс таяния снежного покрова. Как уже сказано, одной вентиляцией кровли проблема наледи и сосулек не решается. При таянииснега от солнечной радиации и в периоды перехода температуры через нуль снизить интенсивность льдообразования можно путем вентиляции чердачного помещения. Однако весной и в осенне-зимний период это не дает заметных результатов. Важно отметить специфику развития рассматриваемых процессов в переходный период, т.е. когда днем уже плюсовые температуры, а ночью (причем раньше в зоне карнизного свеса, а затем – с определенным временным шагом – по плоскости ската кровли) температура опускается ниже нуля. В это время масса снега, тающего на верхней и нижней поверхности снежного слоя на кровле (соответственно, примерно 1,27 и 0,28 кг/м2.ч), практически не зависит от кратности воздухообмена в чердачном пространстве, что подтверждает неэффективность вентиляции при определенных условиях.
При солнечном облучении поверхности кровельного покрытия снег начинает таять и при низкой температуре наружного воздуха под действием теплоты нагретого стального листа кровли. Несмотря на то, что чистый снег хорошо отражает солнечное излучение, любые загрязнения приводят к резкому падению коэффициента отражения. Кроме того, части кровли, свободные от снега, могут иметь очень низкий коэффициент отражения, и активное таяние может происходить на границе снегового покрова. При этих условиях снег намокает, а намокание и подтаивание снежного покрова являются причиной изменения его теплотехнических характеристик (увеличения плотности снега), из-за чего изменяется его теплопроводность. Теплопроводность снега зависит от плотности, которая изменяетсявследствие уплотнения при увлажнении и замерзании снега. На процесс таяния нижнего слоя снега влияет тепло, поступающее изнутри здания. Необходимые условия для таяния или скорости таяния льда и снега различны. При следующем кратковременном и не повсеместном действии источника теплоты возможно не таяние, а напротив, увеличение ледового нароста. Под поверхностью лежащего на кровле снега (представляющего собой хороший теплоизолятор) идет постоянное медленное подтаивание снега, причем этот процесс проявляется на всей поверхности кровли, кроме самых ее краев. Независимо от тепловыделений кровли в результате суточных колебаний температур, когда днем наступает оттепель, а к ночи подмораживает, растаявшая вода не успевает уйти, образуя ледяные заторы. Существуют причины техногенного и природного характера, которые создают условия льдообразования – это солнечная радиация, которая создает неравновесные условия по температуре (для средней полосы это наиболее проявляется в весенние месяцы), и суточные колебания температуры с переходом через 0°С. Совокупность самых разных факторов, таких как тепловыделения кровли, ориентация здания относительно сторон света, уклон, локальная роза ветров, рельеф, наличие экранирующих объектов (высокие деревья или близстоящие дома), – оказывает значительное воздействие и на количество снега на крыше, и на процесс его таяния. Даже у симметричной кровли потребность в количестве тепла, необходимого для таяния льда, может оказаться разной для, казалось бы, одинаковых участков.
Предлагаются различные инновационные методы и технологии борьбы с сосульками:
– предупреждающие, профилактические, препятствующие образованию наледей и сосулек: теплоизоляция чердаков и кровель различного конструктивного решения, включая способ «парник наоборот», реконструкция кровель и водостоков, применение антиобледенительных покрытий, нагрев карнизов крыш и водостоков (электрический, водяной, паровой воздушный);
– фактически удаляющие образующиеся на свесах кровли сосульки и наледи: с помощью лазера, перегретого пара парогенератором, использование термокарниза по периметру из металлопластиковых труб, электроимпульсного, ультразвукового, механического («бритва для сосулек», «кишка» полимерная с воздухом, вибротросы, виброшиберы, резиновые шланги, карнизная тележка) способов. Все предложения по таким методам на практике показали себя неэффективными, сложными, дорогими, энергозатратными и быстро выходящими из строя. Еще одно из направлений по борьбе с сосульками – применение антиобледенительных покрытий в виде обмазки или оклейки карнизов крыш.
Карнизные свесы, покрытые рулонным материалом
Для увеличения эксплуатационного ресурса и повышения надежности конструкций начали внедряться новые технологии и материалы. При взаимодействии воды с поверхностью кровли происходит ее смачивание. При краевом угле смачивания более 900 поверхность станет гидрофобной, и вода быстро стечет с нее. Кроме того, при шероховатой поверхности материала с небольшим коэффициентом теплопроводности силы поверхностного натяжения будут меньше, что также способствует антиобледенению. По данным Международной академии холода, сила сцепления водного льда с разными материалами весьма велика (так, для металла ст. 3 – более 0,16 МПа, бетона – более 0,22 МПа, оцинкованного покрытия – более 0,08 МПа), и при испытаниях на отрыв разрушалась внутренняя структура льда, а его остатки прочно сохранялись на поверхности намороженного кровельного материала. В то же время адгезионная прочность льда с некоторыми антиобледенительными покрытиями составляет менее 0,02 МПа. Кроме того, сухой, легкий, пушистый снег имеет плотность около 100 кг/м3 и низкий коэффициент теплопроводности – около 0,047 Вт/(м . °С. Например, при наружной температуре -20°С необходим слой снега толщиной около 0,5 м, чтобы достичь на нижней поверхности покрова температуры таяния 0°С. Однако значительная часть предложений по нанесению различных покрытий на карнизы имеет недостатки, так как срок службы их значительно отличается от срока службы самого металла кровли, поэтомув течение жизнеспособности металлической кровли придется многократно наносить эти дорогостоящие покрытия. В ООО «Спецтеплохимзащита» совместно с кафедрой технической эксплуатации зданий МГСУ ведутся исследования, охватывающие широкий круг технических, организационно-технологических и экономических вопросов, комплексная оценка которых дает путь к принятию решений по антиобледенению карнизов как сложных, зависящих от многих факторов, систем.
Разработаны способы локального улучшения температурного режима карнизного свеса:
– уменьшение его вылета (из-за малого вылета свеса карниза его температура не отличается так сильно от температуры кровли, характерной для рекомендуемого нормами размера 500–600 мм);
– использование более массивных конструктивных решений карниза, обеспечивающих повышение тепловой инерции узла в целом.
Повышение же термического сопротивления кровли скатных покрытий экономически необоснованно. Решающее влияние на тепловой баланс покрытия оказывает количество тепла, поступающее сквозь толщу чердачного перекрытия и конструктивные неплотности в нем (примыкания люка, дверного полотна, технологические проницания). Вопреки распространенному мнению, что вентиляция чердака является решающим фактором формирования теплового баланса покрытия, кратность воздухообмена влияет в весьма ограниченной степени. Обычно устройство окон (жалюзийных решеток) во фронтонах для просушивания чердачного пространства обеспечивает кратность воздухообмена 1/2 в час. При более сложных схемах вентилирования обеспечивается кратность воздухообмена от 3 до 5 в час. Более высокие показатели могут быть реально обеспечены только средствами принуди-тельной вентиляции чердачного пространства. Не менее важен тот факт, что влияние кратности воздухообмена в нем на процесс таяния снега на кровле носит ограниченный характер. Например, зимой (при среднесуточных минусовых температурах) уже при кратности воздухообмена близкой к 2 ч-1, количество тающего на кровле снега становится равным нулю. Эффективность вентилирования чердачного пространства ограничена. Оно действительно уменьшает количество талой воды (но не в переходный период). Тем самым, улучшая влажностный режим чердака, вентиляция одновременно увеличивает теплопотери здания. Целесообразной величиной кратности воздухообмена в чердачном пространстве следует считать 2 ч-1.
ООО «Спецтеплохимзащита» предлагает применять комплексное решение по предупреждению образования сосулек на крышах:
– введение дополнительных элементов по сбору влаги в зимних условиях;
– использование подогрева системы водоотвода с энергосберегающим решением путем утилизации теплого воздуха здания и применение специальной оклейки карнизов для решения проблемы несанкционированного схода снежных массивов.
Это самый малозатратный способ, так как при смене или капитальном ремонте кровли добавляется только лишь прокладка и врезка трубы диаметром 100-150 мм в канализационную вытяжку и установка металлического лотка с зимней воронкой на кровле. Срок службы крыши зависит от долговечности двух составляющих: кровли и несущей ее конструкции. Все элементы крыши неразрывно связаны друг с другом, так что потеря свойств одним из них обязательно отразится на долговечности крыши в целом. При широком внедрении данного метода будут решаться вопросы его оптимизации, например, определение эффективной максимальной удаленности вентиляционной шахты на чердаке от зимней воронки во избежание охлаждения теплого воздуха, проходящего по вновь проложенному трубопроводу. Таким образом, сделана попытка ухода от вентиляции подкровельного пространства к использованию конструктивных решения отвода воды после подтаивания снега. При плановой смене старой металлической кровли это практически не удорожает стоимость ее укладки. Данный способ опробован на крыше здания в СВАО в течение 2011/2012 зимнего периода. Эксперимент показал при полном отсутствии уборки снега с крыш после снегопадов отсутствие обледенения карнизов. Массовое внедрение данного способа на всех металлических скатных крышах обеспечит безопасность жителям и их имуществу и продлит срок службы самой кровли.
С.Д. СОКОЛОВА, профессор,
И.А. ПОПОВ, студент, МГСУ