УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ КРОВЛИ ОТ НАЛЕДЕЙ И СОСУЛЕК

Полезная модель относится к области жилищно-коммунального хозяйства, а именно, к устройствам для предотвращения образования сосулек и их удаления по периметру кровли здания.
Проблема борьбы с сосульками, образующимися на крышах домов, является весьма актуальной и до настоящего времени не нашла практического решения. Это обусловлено тремя основными факторами:
- высокой сложностью предлагаемых технических решений,
- сложностью эксплуатации предлагаемых устройств,
- высокой стоимостью предлагаемых устройств.
По официальным данным только в Санкт-Петербурге от падения сосулек в 2012 г. погибли и получили тяжелейшие травмы сотни человек. От падения сосулек и наледи в центре Санкт-Петербурга были повреждены десятки автомобилей. Материальный ущерб от падения сосулек на людей и технику составил 45,0 млн. рублей.
Из патента RU 2408760 известен «Способ удаления льда и наледи с различных поверхностей». Данный способ основан на применении СВЧ-излучения с использованием передвижной установки, включающей узлы подвески с энегоблоком и электрическими связями. СВЧ- излучение воздействует на зону сцепления ледяной корки и очищаемой поверхности.
Кроме вышеперечисленных недостатков данный способ и реализующее его устройство имеют еще один принципиальный недостаток: они очищают поверхность от уже образовавшихся сосулек, но не предотвращают их образование.
Известно также устройство по патенту №2301311 «Устройство для предотвращения образования сосулек». Устройство содержит тепловые трубы, зоны испарения, которые расположены в вентиляционном канале (воздуховоде) вытяжного воздуха, а зоны конденсации тепловых труб закрепляются под водостоком и желобами крыши. Таким образом, скапливающиеся снежные массы осуществляются предотвращение образования сосулек и наледей.
Недостатком данного устройства являются необходимость доработки инженерных коммуникаций жилого дома, что требует дополнительных согласований и значительно повышает стоимость внедрения устройства.
Наиболее близким к настоящей полезной модели является устройство, раскрытое в опубликованной заявке RU 2010146117, публикация 20.05.2012 на «Устройства защиты кровли от наледей и сосулек».
Данное устройство включает магистраль подвода теплоносителя, образующую замкнутый контур, испаритель и теплоноситель, при этом магистраль подвода теплоносителя состоит из подающего газопровода конденсации и конденсатопровода, газопровод конденсации выполнен с возможностью теплообмена с элементами кровли или с элементами системы водостока. Данному устройству также присущи все указанные недостатки. Оно представляет собой сложное сооружение и требует значительных технических доработок. Эффективность этого устройства невысока, не гарантирует полное и надежное удаление сосулек и предотвращение их образования.
Учитывая актуальность рассматриваемой проблемы, потребность безотлагательного ее урегулирования и отсутствие на сегодняшний день технических средств для эффективного ее решения, перед авторами встала задача разработать дешевое в производстве, при монтаже и в процессе эксплуатации, универсальное устройство, обеспечивающее надежное предотвращение образования сосулек и их удаления по периметру кровли здания, обеспечивающее функционирование в течение длительного времени (не менее 7 лет) и легко заменяемое, например, по окончании гарантийного срока эксплуатации.
Технический результат, получаемый при использовании настоящей полезной модели, - надежное предотвращение образования сосулек и удаление их по периметру кровли здания в течение длительного времени в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Указанный результат достигается за счет того, что в устройстве для защиты кровли от наледей и сосулек, включающее магистрали подвода и циркуляции теплоносителя, образующие замкнутый контур и выполненные с возможностью теплообмена с элементами кровли и водостока, магистраль циркуляции теплоносителя совмещена с желобом для стока воды, установленным по периметру кровли, при этом в желобе для стока воды по всей его длине выполнены продольные каналы для циркуляции теплоносителя, а в магистраль для подвода теплоносителя введена система подогрева теплоносителя.
Технический результат усиливается за счет того, что магистраль подвода теплоносителя и желоба для стока воды выполнены из полимерного материала.
Количество каналов, толщину, ширину и материал желоба подбирают путем расчета, исходя из климатических условий минимизации энергетических потерь.
Система подогрева теплоносителя выполнена с возможностью автоматического и/или ручного управления.
В качестве теплоносителя используют незамерзающую при температуре по крайней мере - 40°С жидкость.
Признаки, отличающие настоящую полезную модель от ближайшего аналога, следующие:
- совмещение магистрали подвода теплоносителя с желобом стока воды по периметру кровли,
- в желобе для стока воды по всей его длине выполнены продольные каналы для циркуляции теплоносителя,
- дополнительное включение в замкнутый контур для циркуляции теплоносителя системы подогрева теплоносителя.
Дополнительную эффективность настоящей полезной модели придает использование незамерзающей жидкости (не горячей воды от обратного ходя системы теплоснабжения или отходов канализационных жидкостей, что предлагается в ряде решений аналогичного назначения), что позволяет исключить большое количество согласований при установке устройства надзорными органами, т.к. устройство по настоящей полезной модели будет функционировать автономно от инженерных коммуникаций зданий и сооружений.
Сущность полезной модели поясняется дальнейшим описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства, на фиг.2 представлена фотография фрагмента устройства. На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - желоб стока воды по периметру кровли, совмещенный с магистралью подвода и циркуляции теплоносителя,
2 - продольные каналы для циркуляции теплоносителя, выполненные в материале желоба по всей его длине.
3 - магистраль подвода теплоносителя.
4 - система подогрева и циркуляции теплоносителя
5 - магистраль циркуляции теплоносителя
Устройство для защиты кровли от наледей и сосулек включает магистрали 3, 5 подвода и циркуляции теплоносителя, образующие замкнутый контур и выполненные с возможностью теплообмена с элементами кровли и водостока. Магистраль 5 циркуляции теплоносителя совмещена с желобом 1 для стока воды, установленным по периметру кровли. В желобе 1 для стока воды по всей его длине выполнены продольные каналы 2 для циркуляции теплоносителя. В магистраль 3 для подвода теплоносителя введена система подогрева теплоносителя 4. Магистраль 3 подвода теплоносителя и желоба для стока воды выполнены из полимерного материала. Таким материалом может быть прозрачный поликарбонат. При таком выполнении жидкий теплоноситель на солнечной стороне крыши разогревается солнечным излучением. Количество каналов 2, толщину, ширину и материал желоба подбирают путем расчета, исходя из климатических условий минимизации энергетических потерь. Система подогрева теплоносителя 4 выполнена с возможностью автоматического и/или ручного управления. В режиме ручного управления подогрев теплоносителя включается вручную тумблером на блоке управления. Возможно дистанционное включение с использованием смартфона или другого подобного устройства связи. В автоматическом режиме используется система регулирования, в которую включен датчик температуры. В качестве теплоносителя в устройстве используют незамерзающую при температуре по крайней мере - 40°С жидкость, например, жидкость, используемую в автономных отопительных системах, так называемый антифриз.
В таблице 1 приведены сравнительные технические и эксплуатационные характеристики заявляемого устройства и устройства, принятого в качестве прототипа.
Устройство работает следующим образом.
Желоб для стока воды 1 устанавливается по периметру здания и выполняет функцию его предшественника - металлического желоба. Формируется замкнутая система, включающая желоб 1, систему подвода теплоносителя 3, систему циркуляции теплоносителя 5 и систему подогрева теплоносителя 4.
В продольные каналы 2, которые проходят по всему замкнутому контуру заливается незамерзающая жидкость.
В теплое время года система не функционирует, и желоб выполняет свои функции - сбор воды с кровли и подача ее в водосток.
В зимнее время, когда возрастает вероятность образования сосулек и наледей, включается система подогрева теплоносителя 4.
Благодаря этому, по продольным каналам 2 начинает циркулировать теплоноситель. Вследствие того, что желоб выполнен из полимерного материала, имеющего низкую теплопроводность, резко повышается эффективность его функционирования как конденсатора тепловой энергии.
Поверхность желоба постоянно подогревается, и это не позволяет образовываться сосулькам, что и решает поставленную задачу.
Оптимизация расположения и параметров каналов производилась на основе физико-математической модели. Для создания оптимальной конструкции устройства были оптимизированы параметры каналов циркуляции теплоносителя путем решения оптимизационной задачи на основе математического моделирования процесса теплопередачи и режимов его функционирования:
где,
вых
Т - температура теплоносителя на выходе магистрали,
G - расход теплоносителя,
- вектор параметров каналов,
г
С - цена устройства (стоимость материалов, изготовления и т.п.).
Для моделирования процесса работы и режимов устройства он был условно разбит по длине на «N» участков (n=1, 2, 3, … N). Для каждого участка сформировано дифференциальное уравнение на основе теплового баланса.
Таким образом, система дифференциальных уравнений (N уравнений), описывающая процесс и режимы работы устройства, имеет вид:
где
в
K=Gc/M,,
f=aL/N,
a=H/M,
L - протяженность каналов вдоль протока теплоносителя,
в
С - теплоемкость теплоносителя,
Н - ширина желоба,
М - количество каналов, с учетом их расположения в теле устройства,
i
T - температура на i-м участке,
вых
N
=
T T;
s
q - плотность теплового потока Солнца,
ά - коэффициент конвективной теплоотдачи,
K - коэффициент теплопередающей способности между n и n+1 участками,
n - номер участка,
c
Т - температура окружающей среды,
вх
Т - температура воды на входе контура устройства,
в
ρ - плотность теплоносителя,
м
c - теплоемкость материала,
м
ρ - плотность материала,
с - теплоемкость n-го участка желоба,
δ - толщина желоба,
s
λ - теплопроводность материала желоба.
В качестве примера, оптимизированы параметры каналов и желоба в заявляемом устройстве для климатической зоны С-Петербурга:
- количество каналов n=4,
- диаметр каналов d=4,3 мм.
Проектная цена продажи предлагаемого устройства составляет при протяженности желоба 200 м - не более 50000,0 руб.
Стоимость монтажа на одном доме занимает не более 3 дней и составляет 9000,0 руб.
Таким образом, оснастив предлагаемым устройством в первую очередь наиболее «опасные» дома, например, их количество не будет превышать 1000 шт. расходы составят не более 59,0 млн. руб.
Срок окупаемости составит не более 2 лет.
Проведен расчет необходимой энергии для обеспечения функционирования предлагаемого устройства в зимний период.
С учетом оптимизированных характеристик каналов (см. выше) их объем составляет и длины периметра одного здания 1=200 м:
2
2
3
V=lxnxπxd/4=200 м × 4 × 3,14 × 0,0051/4=0,016 м (=16 л).
Элементарный теплотехнический расчет показывает, что для подогрева такого количества незамерзающей жидкости на 60° (температура окружающего воздуха в зимний период (-30°), температура подогретой жидкости (+30°)) необходимо не более 3 Квт энергии в течение 2-3 часов.
Это практически не скажется на энергетике здания, но решит задачу ликвидации сосулек.
Таблица1.
Сравнительные технические и эксплуатационные характеристики предлагаемого устройства и устройства, принятого в качестве прототипа.
№ п/п
Наименование характеристики
Численные значения характеристики
прототип
Предлагаемое устройство
1
Цена (200 м периметра кровли, включая материалы и монтаж), тыс. руб.
144,0 (экспертная оценка)
59,0
2
Необходимость согласования с контролируемыми организациями
да
нет
3
Производительность монтажа
10 дней/объект
3 дня/объект