Приступая к проектированию кровли, заказчик зачастую отталкивается от желания использовать те или иные материалы: проверенные марки, хорошие отзывы коллег, соответствие цены и качества. Но при этом очень часто упускает из виду те погодные условия, при которых предстоит эксплуатировать кровлю. Что хорошо для Москвы – может совершенно не подходить для Хабаровска, равно как совершенно разное устройство кровли требуется, скажем, для Нижнего Новгорода и Ростова- на-Дону. Важнейшее условие для длительной и надежной эксплуатации плоских кровель – правильное их проектирование, которое должно включать расчет температуры поверхности в течение всего года. Понятно, что для каждого региона такой расчет свой. Но как правильно посчитать, обойдясь без дорогостоящих лабораторных исследований? Об этом и пойдет речь в данной статье.
В настоящее время при устройстве плоских кровель наибольшее распространение получили рулонные кровельные материалы – битумные, битумно-полимерные и полимерные. Более современными материалами являются битумно-полимерные и полимерные рулонные кровельные материалы, однако в разговорах об их преимуществах обычно умалчивают важнейшую деталь – стоимость их применения по сравнению с традиционными битумными материалами. Применяя более современный и, соответственно, более дорогой материал, заказчик ожидает, что срок его службы будет намного больше, чем традиционного битумного материала. Но часто эти ожидания не оправдываются, и кровля начинает протекать уже через несколько лет после укладки, что связано в первую очередь с процессами старения, которым тоже подвержены эти современные материалы. Под влиянием неблагоприятных погодных условий, прежде всего высоких летних температур, в битумно-полимерных вяжущих происходят химические и физические превращения, а в полимерах – процессы деструкции. Следствием этих процессов становится ухудшение морозостойкости материалов, которая является в России очень важной характеристикой, так как кровельные материалы должны даже в южных регионах выдерживать экстремально низкие температуры в зимний период. Таким образом, старение кровельных материалов, вызванное, прежде всего, их перегревом в летний период, оказывает решающее влияние на эксплуатационные характеристики и срок службы как традиционных, так и современных кровельных материалов. Для изучения процесса старения кровельных материалов проводят их испытания, как в натурных, так и в лабораторных условиях.
Натурные испытания требуют больших временных и финансовых затрат, так как необходимо изготовить полноразмерный (по составу и толщине материалов) образец покрытия и испытать его в конкретном населенном пункте в период действия максимальных температур. Изменения, которые происходят в материале в процессе старения, достаточно сложно смоделировать в лабораторных условиях, поскольку неизвестна температура,до которой нагревается материал кровли в процессе его эксплуатации в конкретных условиях. Испытания же на ускоренное старение при некоторых «стандартных» температурах, превышающих реальные температурные воздействия, могут привести к отбраковке материалов, которые хорошо поведут себя в конкретных условиях эксплуатации. Именно поэтому режимы испытаний должны соответствовать реальным условиям эксплуатации кровельных материалов. А для этого нужно знать эти реальные условия, прежде всего температуру поверхности кровли. Целью настоящей статьи и является разработка инженерной методики, позволяющей расчетным путем определить температуру поверхности кровли и оценить влияние на нее различных факторов. Знание расчетной температуры данной кровли позволит также перенести положительный опыт эксплуатации конкретных кровельных материалов на новые объекты, строящиеся в населенных пунктах с аналогичными значениями расчетных температур, и прогнозировать их поведение в регионах с другими расчетными температурами кровли.
Расчетные формулы
Для разработки инженерной методики воспользуемся формулами, применяемыми для оценки влияния параметров окружающей среды на здание, т.е. при расчете теплопритоков через ограждающие конструкции здания.
Для расчета теплопередачи через ограждение в условиях совместного воздействия наружной температуры и солнечной радиации используется понятие условной температуры, которая может быть определена по формуле [2]:
где tу – условная температура, °С;
tн – температура наружного воздуха,°С;
p – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью ограждения;
q – интенсивность падающей на поверхность суммарной солнечной радиации, Вт/м2;
αн – суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, Вт/(м2·K).
Условная температура – это такая температура наружного воздуха, воздействие которой на ограждение эквивалентно суммарному воздействию температуры наружного воздуха и солнечной радиации. Суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности кровли является суммой коэффициентов конвективного и лучистого теплообмена и может быть определен для летнего периода по формуле [3]:
где v – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16% и более, но не менее 1 м/с (графа 13 табл. 2 «Климатические параметры теплого периода года» [4]).
Температура наружного воздуха для инженерного расчета может быть определена из того же СНиП [4] как температура воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4 табл. 2 «Климатические параметры теплого периода года»). Интенсивность падающей на поверхность кровли суммарной солнечной радиации может быть определена как максимум суммы прямой и рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Максимальные значения суммарной солнечной радиациизависят от географической широты населенного пункта и определяются по нормативным документам, например по таблице Приложения Г [3]. Коэффициент поглощения показывает долю солнечной радиации, поглощаемой кровлей. Он зависит от материала кровли и приводится в нормативной и справочной литературе для конкретного типа материала (например, в [3]). Так, для рубероида с песчаной посыпкой он равен 0,9, а для стали кровельной оцинкованной – 0,65. Полагаем, что температура наружного воздуха равна tу, а температура внутреннего воздуха – tв. Тогда температура поверхности кровли tn может быть определена по известной формуле для определения температуры в произвольном сечении многослойной стенки (см., например [5]), которая в нашем случае будет иметь следующий вид:
где R – термическое сопротивление покрытия, м2 x K /Вт;
αн – суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, Вт/(м2 · K);
tв – температура внутреннего воздуха, °С.
Температура внутреннего воздуха tв для помещений, в которых находятся люди, регламентируется нормативными документами и должна обеспечиваться в летний период системой кондиционирования и вентиляции. Термическое сопротивление покрытия регламентируется нормативными документами (например, [6]) и определяется расчетным путем по известной формуле [3]:
где δi – толщина i-го слоя покрытия, м; λi – теплопроводность i-го слоя покрытия, Вт/(м · K); αв – суммарный коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности, Вт/(м2 · K).Подставив в (3) значение ty из выражения (1), получим после несложных преобразований следующую формулу для расчета температуры поверхности кровли: где αн определяется по формуле (2).
Сравнение с экспериментальными данными
В [1] приведены экспериментальные данные по измерению температур кровли покрытий по пенополистирольным плитам в г. Ташкент (Узбекистан). Максимальные температуры воздуха в период трехдневных испытаний находились в диапазоне 34,7–37,0°С. Для покрытия с рулонной битумной кровлей (образец№ 1), выполненной по теплоизоляции из пенопласта (толщина 30 мм), уложенного на оцинкованный стальной лист, максимальные температуры поверхности кровли составляли 75–78°С. Для покрытия с дополнительным защитным слоем из мелкого известнякового щебня (образец № 2) максимальные температуры поверхности кровли составляли 62–64°С. Разница температур поверхности при разной толщине изоляции (30 и 80 мм) составляла 2–3°С. Определим максимальные температуры поверхности этих покрытий по формуле (5). Ташкент расположен на 41° северной широты, которой соответствует суммарная солнечная радиация 921 Вт/м2 (горизонтальная поверхность) [3]. Расчетная температура наружного воздуха составляет +37,5°С, расчетная скорость ветра – 1,4 м/с [5]. Коэффициент теплопередачи αн вычисляли по формуле (2) (он равен 19,53 Вт/(м2·K)), коэффициент теплопередачи αв принимали равным 8,7 Вт/(м2·K) [3]. Коэффициент поглощения принимали равным 0,94 (образец № 1) и 0,65 (образец № 2). Термическое сопротивление вычисляли по формуле (4). Так как температура внутреннего воздуха неизвестна, расчеты проводили для двух значений: +25 и +30°С.Приведенные в табл. 1 расчетные значения температуры хорошо совпадают с данными натурных испытаний.
В [7] оценивалось влияние цвета покрытия на температуру ее поверхности. Исследования проводились летом 1996 г. на покрытии действующего торгового центра, расположенного в Кокоа, штат Флорида (США). Покрытие было выполнено из сэндвич-панелей класса R11 (термическое сопротивление – 1,94 м2·K /Вт). Измерения падающей и отраженной покрытием солнечной радиации, температуры поверхности покрытия и температуры внутри помещения проводились до и после окраски покрытия белой краской.
В табл. 2 приведены условия испытаний и измеренные температуры поверхности до и после окраски покрытия, а также вычисленные по формуле (5) значения максимальной температуры наружной поверхности покрытия. Как видно из табл. 2, рассчитанные по формуле (5) значения температуры отличаются от экспериментальных данных примерно на 5%.
Факторы, влияющие на температуру кровли
Как видно из формулы (5), на температуру поверхности кровли влияют следующие параметры:
— коээфициент теплообмена, зависящий только от расчетной скорости ветра;
– температура наружного воздуха;
– интенсивность падающей на поверхность кровли суммарной солнечной радиации;
– температура внутреннего воздуха;
– термическое сопротивление покрытия;
– коэффициент поглощения.
Первые три параметра являются климатическими параметрами, определяемыми для конкретного населенного пункта по нормативным документам. Последние два параметра являются конструктивными и зависят от конструкции и материалов покрытия. Рассмотрим, как влияют указанные параметры на температуру поверхности кровли.
Скорость ветра
Рис. 1. Зависимость температуры
поверхности от скорости ветра
На рис. 1 приведен график зависимости температуры поверхности черной битумной кровли (0,94) от скорости наружного воздуха, полученный по формуле (5) для средней температуры наружного воздуха +28°С, средней интенсивности солнечной радиации 980 Вт/м2, термического сопротивления 2,82 и температуры внутреннего воздуха +24°С.График, полученный по формуле (5), хорошо отражает характер зависимости температуры поверхности кровли от скорости ветра, приведенный в [1]. Существенное уменьшение температуры поверхности кровли при возрастании скорости ветра, т.е. скорости наружного воздуха, открывает возможность целенаправленного воздействия на температуру кровли путем создания принудительной циркуляции воздуха вдоль поверхности кровли. Это реализуется, например, установкой на кровле воздушных теплообменников, оснащенных вентиляторами и обслуживающих системы кондиционирования и/или холодоснабжения (воздушные конденсаторы, охладители жидкостей, моноблочные чиллеры и т.д.).Так как температура кровли достигает максимального значения при безветренной погоде, то для оценки максимально возможной температуры целесообразно принимать v = 1 м/с [3], при этом, в соответствие с формулой (1), коэффициент теплопередачи αн равен 17,4 Вт/(м2·K).
Термическое сопротивление
Рис. 2. Зависимость температуры
поверхности от термического сопротивления
На рис. 2 приведены графики зависимости температуры поверхности от термического сопротивления, полученные по формуле (5) для температуры наружного воздуха +28°С, интенсивности солнечной радиации 980 Вт/м2, коэффициентов поглощения 0,9 (синий цвет) и 0,3 (красный цвет) соответственно и температуры внутреннего воздуха +24°С.Графики, полученные по формуле (5), хорошо совпадают с аналогичными графиками, приведенными в [1]. Как показывает рис. 1, термическое сопротивление не оказывает существенного влияния на температуру поверхности, особенно учитывая тот факт, что оно определяется прежде всего зимними условиями эксплуатации, при этом оно должно быть не менее 2,0 м2 · K /Вт в соответствии с [6].
Коэффициент поглощения
Рис. 3. Зависимость температуры
поверхности от коэффициента поглощения
На рис. 3 приведен график зависимости температуры поверхности кровли от коэффициента поглощения, полученный по формуле (5) для климатических условий Краснодара (q = 887 Вт/м2, tн= 31,1°С, v = 1 м/с) при температуре внутреннего воздуха +24°С и R=2,82. График показывает линейную зависимость температуры поверхности кровли от коэффициента поглощения. При уменьшении коэффициента поглощения с 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой) до 0,2 (высококачественная EPDM-мембрана белого цвета) разность между температурой поверхности кровли и температурой наружного воздуха снижается в данном случае с 44,8 до 9,8°С, т.е. в 4,5 раза. Значительное снижение температуры поверхности кровли при уменьшении коэффициента поглощения подтверждаетсятакже экспериментальными данными, приведенными в [1].
Температура внутреннего воздуха
Рис. 4. Зависимость температуры
поверхности от внутренней температуры
Температура внутреннего воздуха не оказывает значительного влияния на температуру поверхности кровли. На рис. 4 приведен график зависимости температуры поверхности кровли от температуры внутреннего воздуха, полученный по формуле (5) для климатических условий Краснодара при коэффициенте поглощения, равном 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой) и R=2,82. При увеличении температуры внутреннего воздуха с 20 до 30°С расчетная максимальная температура поверхности кровли возрастает с +75,8 до + 76,0°С, т.е. всего на 0,2 градуса.
Влияние наружной температуры и интенсивности солнечной радиации
Так как наружная температура и интенсивность солнечной радиации определяются местоположением населенного пункта, для оценки влияния этих параметров были произведены расчеты по формуле (5) для центров Федеральных округов России при температуре внутреннего воздуха +24°С, коэффициенте поглощения, равном 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой), скорости ветра 1 м/с и R=2,82. Результаты расчетов приведены в табл. 3. Выполненные расчеты показывают, что для одного и того же покрытия, которое эксплуатируется в различных регионах России, разница температур на поверхности кровли может составлять более 10 градусов, при этом температура кровли может превышать температуру воздуха более чем на 40 градусов.
Выводы
1. Формула (5) позволяет расчетным путем определить возможную температуру поверхности кровли в летний период. Результаты расчетов по формуле (5) соответствуют экспериментальным данным, приведенным в [1] и [7], что позволяет рекомендовать ее применение на стадии проектирования для предварительной оценки возможной температуры кровли.
2. Основное влияние на максимальную температуру поверхности кровли оказывают поглощающая способность кровли, напрямую связанная с цветом кровли, и скорость ветра (наружного воздуха) над поверхностью кровли. Существенного уменьшения температуры кровли можно добиться применением современных кровельных материалов, обладающих низкой поглощающей способностью. Некоторое снижение температуры поверхности кровли может быть достигнуто за счет принудительной циркуляции воздуха вдоль поверхности кровли, которая осуществляется, если на кровле размещено теплообменное оборудование, снабженное вентиляторами.
3. Термическое сопротивление покрытия (определяемое главным обрзом материалом и толщиной изоляции кровли) и температура внутреннего воздуха практически не оказывают влияния на максимальную температуру поверхности кровли.
4. Для одного и того же покрытия, которое эксплуатируется в различных регионах России, расчетная разница температур на поверхности кровли может составлять более 10 градусов, при этом температура кровли может превышать температуру воздуха более чем на 40 градусов, что необходимо учитывать при выборе кровельных материалов.
Литература
1. Воронин А.Н., Орлов Ю.Н. Факторы, влияющие на температуру поверхности плоских кровель // КРОВЛИ, №2, 2008.
2. Богословский В.Н. Строительная теплофизика.– М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.
3. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.
4. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
5. Малявина Е. Г. Теплопотери здания: справочное пособие. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. – 144 с.
6. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.
7. Parker D., Sonne J., Sherwin J. Demonstration of cooling saving of light colored roof surfacing in Florida commercial buildings: Retail Strip Mall — Final Report, 1997.
Юрий Владимирович СЕМЕНОВ, технический директор ООО «Нэксен»
Возможные проблемы стандартной кровли
В России традиционными материалами для плоских кровель являются битумные материалы на картонной основе (рубероиды), которые до сих пор широко применяются как в коммерческом, так и в жилищном строительстве, благодаря отработанной технологии и дешевизне, даже несмотря на административные запреты их применения в новом строительстве в некоторых регионах страны. Основной недостаток битумных кровель – их быстрое старение во время эксплуатации, выражающееся в уменьшении эластичности покрытия и увеличении водопроницаемости. Основным фактором, влияющим на старение кровель, являются их ежедневные процессы нагрева- охлаждения в летний период. Темный цвет кровли способствует в летнее время перегреву ее поверхности при воздействии солнечной радиации, что приводит к размягчению, температурным деформациям и последующему растрескиванию битумного вяжущего в поверхностном слое кровли. Особенно чувствительными к этим процессам оказываются рубероиды. В трещинах, которые проникают до картонной основы, скапливаются пыль, влага, создается благоприятная для развития микроорганизмов среда. С ростом трещин, потерей прочности происходит разрушение битумного вяжущего и картонной основы, что представляет собой хорошую питательную среду для грибов. Жаркое лето оставляет на поверхности битумной кровли следы, аналогичные тем, что оставляет на нашем лице проведенный в теплых краях отпуск – красивый загар и новые морщинки. Осенью в трещинки проникает вода, а потом… неожиданно приходит зима. Вода, проникшая осенью в микротрещины, замерзает. Дальнейшие последствия может предсказать даже школьник: при замерзании вода расширяется, что приводит к увеличению трещин. Если наступает оттепель, вода в трещинах тает, проникая все глубже в поверхность кровли. При последующем замерзании она снова увеличивает размеры трещин, и так продолжается всю зиму. К приходу весны кровля может уже иметь сквозные трещины, через которые талая вода беспрепятственно проникает дальше внутрь покрытия, увлажняя и приводя в негодность теплоизоляционные материалы. До поры до времени эти процессы незаметны для обитателей здания, так как на кровлю обычно никто не поднимается, а что происходит с изоляцией – одному богу известно. Проблема осознается только тогда, когда вода проникает в помещения под покрытием, а это может произойти в любой момент, например, следующей зимой после продолжительной оттепели. К этому моменту ясно, что повреждена не только кровля, но и вся изоляция. Так как найти повреждение в кровле достаточно проблематично (место протечки не совпадает с трещиной в кровле), то необходима ее полная замена плюс замена поврежденной изоляции. А замена «пирога» – это совсем другие затраты даже по сравнению с заменой кровли. Для предохранения кровли из битумных рулонных материалов от старения рекомендуется примерно один раз в три года покрывать их битумной мастикой с посыпкой на нее горячего песка, однако это никоим образом не может защитить кровлю от повреждений в период между обработками. Например, проблемы могут возникнуть на второй год после обработки.