Главная » Статьи » Материалы и технологии » Скатные крыши » Исследование влияния температурно-влажностного режима чердачных помещений со скатными металлическими кровлями на процесс образования наледей и сосулек
Рейтинг: 4.57 / 5 (14)

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

Протасов В.П., Калинин В.М., Аверин Б.Н.

 При проектировании и технической эксплуатации скатных металлических кровель нормативными документами предусматриваются специальные мероприятия, направленные на обеспечение такого тепло-влажностного 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 чердачного помещения и наружной температуры должна быть в пределах 2-4  °С.

Во многих зданиях теплозащитные свойства ограждающих полностью конструкций соответствуют проектным требованиям, однако при этом проблема образования наледей и сосулек на них 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 наружного воздуха и воздуха в чердачных помещениях 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, выполненных на представительных зданиях в 2011 г. (рис.1).

Наблюдения, выполненные в примерно одинаковых условиях при безветренной погоде, показали, что флуктуации температур воздуха в чердачном помещении относительно  среднего значения весьма значительны, а также 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 и к современным требованиям по проектированию и эксплуатации чердачных помещений.

В (4) предложена методика расчета сечения специальных вентиляционных отверстий в чердачных крышах, согласно которой таяния снега не происходит при обеспечении температуры воздуха в чердачном помещении 20С при любой температуре наружного воздуха ниже 00С. 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]:

  (2)

Где tчер и tн – 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 20С, 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 0С, 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 буду 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:

 (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, что расход приточного воздуха изменяется  в пределах 3-4% , в то время как левая часть уравнения (4) изменяется в разы. Не приводя строгого доказательство 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 20С. И такая же разность температур берется между воздухом на чердаке и наружным  воздухом! Т.е. по сути, рассматривается единственный случай, когда температура наружного воздуха равно 0 0С, а температура воздуха на чердаке 2 0С.

Рассмотренные проблемы, по-видимому, 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 изменяющемся перепаде давлений на внутренней и наружной поверхностях ограждающих конструкций. Такой подход будет необходим для решения многих вопросов и, 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 обуславливается следующим:

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

- расчет гравитационного давления в любом случае 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 оборудованием, на процессы аэрации;

- энергия приточных струй также трудно формализуема и будет полагаться, 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 пп оси проема,  без учета изменения разности давлений по высоте проема;

- аэродинамические коэффициенты, в любом случае 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, и смягчение внешних условий априорно обеспечивает успешное решение задачи. Для рассматриваемой же задачи влияние внешних условий рассматриваются с противоположной точки зрения – при их предельных значениях образование наледей невозможно, а по мере их смягчении вероятность их возникновения 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 являются случайными величинами. 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 теплоснабжение 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 сос стороны чердачного помещения будет положительной.

На основании приведенных рассуждений можно сделать следующие 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.

 

Библиография.

1. СП  17.13330.2011 Кровли. Актуализированная редакция СНиП II-26-76

2. МДК 2-03.2003 Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда

3. Э.М. Ариевич. Техническая эксплуатация крыш жилых домов

4.  Временные указания по технической эксплуатации крыш жилых зданий с рулонными, мастичными и стальными кровлями

5. Е.И. Тертичник. К расчету аэрации зданий

6. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные. 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 оборудования и трубопроводов

11. СП-23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий



[1] Размерности и обозначения приведены к современным системам измерения

 

 

Добавить комментарий