СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВОДООТВОДЯЩИХ СИСТЕМ КРОВЕЛЬ ЗДАНИЙ ОТ ОБЛЕДЕНЕНИЯ
METHOD OF BUILDING ROOF COLLECTING SYSTEMS PROTECTION AGAINST ICING

Изобретение относится к области строительства и ремонта зданий, а именно к способам защиты водоотводящих систем кровель, в том числе с наружными водостоками при обледенении, и может быть использовано в коммунально-бытовой и промышленной сфере при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.
В холодное время года часто происходит изменение температуры окружающей среды относительно нуля градусов. Поскольку эта величина является точкой замерзания воды при прочих нормальных условиях, в местах скопления воды образуются наледи. Среди наиболее неприемлемых мест для возникновения и роста наледей являются водоотводящие системы зданий. Здесь наледи могут привести к полному промерзанию водосточных труб, образованию тяжелых сосулек на краях кровель зданий, деформациям, обрыву, нештатному направлению водослива, потерям основных эксплуатационных качеств кровли, вплоть до ее обрушения и гибели людей. Материальные затраты на поддержание водоотводящих систем кровель зданий и сооружений в рабочем состоянии могут быть весьма значительны.
Известны конструкции так называемых "теплых чердаков", в которых выходы вентиляционных каналов помещений выводятся в подкровельное чердачное пространство (помещение чердаков), откуда воздух выходит по вентиляционной надкровельной трубе с дефлектором. Теплоизоляция кровель в таких чердаках делается уменьшенной (см. "Теплотехника. Теплогазоснабжение и вентиляция". - М.: Стройиздат, 1991 г.).
Однако в этом случае теплоноситель отапливает помещение чердака, а затем, минуя толщу кровли, без обогрева ее наружного покрытия, выбрасывается в атмосферу. При этом основное тепло расходуется нерационально (неэффективно!), т.к. чердачное помещение здания не требует отопления. Кроме того, этот способ не исключает возможности обледенения поверхностей водоотводящих систем кровель, в том числе водосточных труб.
Для исключения в этом способе возможности обледенения критических, с точки зрения образования наледей и скопления снега, участков поверхностей элементов водоотводящих систем кровель требуется дополнительный обогрев этих участков нагретым потоком теплоносителя, контактирующим с поверхностью элементов водоотводящих систем кровель. То есть, для обогрева поверхностей элементов водоотводящих систем кровель требуются дополнительные энергозатраты.
7
Известен способ защиты водоотводящих систем металлических кровель от обледенения, включающий обогрев поверхностных участков кровель и элементов систем водоотвода нагретым потоком теплоносителя. Теплоноситель нагревается подводом к нему внешней энергии (см. описание заявки на изобретение РФ №2003127983, МПК E04D 13/00, E04D 13/076, опубл. 27.03.2005). Недостатком этого способа являются высокие энергозатраты. Тепло, затраченное на нагрев рабочего теплоносителя, безвозвратно рассеивается в открытом пространстве улицы.
Известен способ защиты водостоков, реализованный в антиобледенительном устройстве для водостоков, в котором в качестве теплоносителя применяют теплый воздух, нагретый путем отбора тепла от подвальных тепловых коммуникаций. Недостатками этого способа и реализующего его устройства является то, что для нагрева теплоносителя также необходимы дополнительные энергозатраты, и в этом случае решается только проблема наледей в водостоках. Проблемы, связанные с наледями на наклонных поверхностях желобов и покрытий крыш, остаются нерешенными. Кроме того, в морозную погоду условий для создания естественной тяги будет недостаточно и может возникнуть эффект "обратной тяги".
Наиболее близким техническим решением-прототипом является способ, реализованный в вентилируемом кровельном покрытии, содержащем пароизоляцию, теплоизоляцию, основание под кровлю, опоры этого основания и кровлю, систему защиты от влаги элементов покрытия, включающей гидроизоляционную пленку, расположенную над теплоизоляцией и над опорами основания под кровлю, сборники указанной влаги, расположенные в вентилируемой воздушной прослойке, и внутренний водосточный стояк для ее отвода, при этом пространство между гидроизоляционной пленкой и основанием под кровлю над теплоизоляцией сообщено с источником теплого воздуха (см. RU 31254 U1, кл. E04D 13/00).
Недостатком известного решения является наличие дополнительных энергозатрат, вызванных тем, что для нагрева атмосферного воздуха, подаваемого под кровлю, используется тепло элементов конструкции вытяжной вентиляции, которые нагреваются от проходящего внутри «отработанного» теплого воздуха из отапливаемых помещений (18-26°С), что, во-первых, не обеспечивает достаточную температуру нагрева атмосферного воздуха (кпд теплообмена много меньше 100%, так как основное тепло выбрасывается в атмосферу вместе с «отработанным» воздухом), в то время как температура воздуха, направляемого под кровлю для обеспечения положительной температуры поверхности кровли при обычной средней температуре отопительного периода порядка -15°С, должна быть не менее 18°С, что подтверждается расчетом.
Как показывают расчеты, температура «отработанного» воздуха из вытяжной вентиляции 18-26°С является оптимальной для достаточного нагрева поверхности кровли и водостоков с целью их защиты от снега и наледей, так как при меньшей температуре теплоносителя не достигается гарантированный нагрев поверхности кровли до положительной температуры, а при превышении температуры воздуха, направляемого под кровлю величины 18-26°С, увеличивается тепловая деформация ее элементов, что снижает эксплуатационный ресурс кровли, снижая безопасность использования здания.
Еще одним недостатком известного решения является обязательное наличие внутреннего водосточного стояка для отвода талых вод и конденсата, в отличие от заявленного, в котором водосток можно осуществлять как посредством внутреннего водостока, так и посредством обогреваемого теплым воздухом из вытяжной вентиляции внешнего водостока.
Задачей заявляемого способа и реализующего его устройства является устранение указанных недостатков.
Техническим результатом являются:
1) исключение дополнительных энергозатрат на обогрев водоотводящих систем кровель здания,
2) обеспечение положительной температуры поверхности кровли при использовании теплого воздуха из вытяжной вентиляции в зимних условиях,
3) повышение безопасности и срока эксплуатации здания за счет достижения оптимальной с точки зрения тепловой нагрузки на кровлю при температуре 18-26°С теплоносителя, направляемого в толщу кровли;
4) повышение эффективности использования тепловой энергии, которую содержит теплый воздух из вытяжной вентиляции за счет его направления непосредственно в толщу водоотводящих систем кровель здания по каналам подвода теплоносителя;
5) увеличение срока службы и безопасности эксплуатации конструкции здания за счет равномерного нагрева элементов конструкции кровли здания и уменьшения тепловых деформаций кровли и элементов конструкции здания,
6) исключение операции теплообмена между системой вытяжной вентиляции и теплоносителем,
7) возможность использования внешнего водостока для отвода талых вод и конденсата.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе защиты водоотводящих систем кровель зданий от обледенения, включающем обогрев наклонных поверхностей желобов дождевых и талых стоков и наружных покрытий кровель зданий теплоносителем с последующим удалением дождевых и талых стоков и конденсата с помощью водосточных труб в ливневую или традиционную канализацию, при этом в качестве теплоносителя применяют воздушные потоки из вытяжных систем вентилируемых отапливаемых помещений здания, которые посредством каналов подвода теплоносителя направляют в толщу водоотводящих систем кровель, а воздушные потоки из вытяжных систем вентилируемых отапливаемых помещений зданий перемещают принудительно.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых на фиг.1 изображен продольный разрез кровли здания с подводом теплоносителя в толщу кровли с внутренним стоком, на фиг.2, 4 - разрез здания с подводом теплоносителя как в толщу кровли, так и в полость водосточной трубы, на фиг.3 - сечение водосточной трубы по А-А с фиг.2, на фиг.5 - сечение водосточной трубы по Б-Б с фиг.4.
Способ защиты водоотводящих систем наклонных кровель зданий от обледенения включает обогрев наклонных поверхностей желобов дождевых и талых стоков и наружных покрытий кровель зданий теплоносителем с последующим удалением дождевых и талых стоков и конденсата с помощью водосточных труб в ливневую или традиционную канализацию, при этом в качестве теплоносителя применяют воздушные потоки из вытяжных систем вентилируемых отапливаемых помещений здания, которые посредством каналов подвода теплоносителя направляют в толщу водоотводящих систем кровель, а воздушные потоки из вытяжных систем вентилируемых отапливаемых помещений зданий перемещают принудительно.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что для предотвращения наледей и скопления снега водоотводящих систем кровель здания используются исходящие теплые вентиляционные потоки «отработанного» воздуха из вентилируемых отапливаемых помещений зданий. Содержащаяся в них тепловая энергия, которая в обычных вентиляционных системах вместе с воздухом выбрасывается в атмосферу, направляется непосредственно в толщу водоотводящих систем здания посредством каналов подвода теплоносителя и утилизируется за счет направления на обогрев критических, с точки зрения образования наледей и скопления снега, поверхностей элементов систем кровель.
Наклонная кровля 1 и водосточные трубы 2 водоотводящих систем здания обогреваются теплоносителем в виде воздушных потоков теплого воздуха, направляемых из вытяжных систем 3 отапливаемых вентилируемых помещений здания.
Для этого вытяжные системы 3 зданий соединяют каналами 4 подвода теплоносителя со средствами переноса 5 теплоносителя, расположенными как в полости водосточных труб, так и в толще водоотводящих систем кровель. Далее, отработанный охлажденный воздух удаляется из средств переноса теплоносителя через выпускные коллекторы 6, заканчивающиеся вверху козырьками-оголовками 7. При этом конденсат из охлажденного воздуха через дренажные каналы 8 удаляется в полости водосточных труб 2, с последующим стоком в ливневую или традиционную канализацию 9.
Средства переноса теплоносителя в полостях водосточных труб 10, 11 (фиг.3, 5) могут быть выполнены в виде круговых 12 или кольцевых 13 каналов.
Для подогрева средств переноса теплоносителя в сильные морозы в каналах подвода теплоносителя и/или в средствах переноса теплоносителя дополнительно устанавливаются тепловентиляторы 14 для защиты от замерзания образующегося конденсата.
Воздушные потоки из отапливаемых помещений зданий через впускные коллекторы 15 вытяжных систем 3 могут подниматься по каналам подвода 4 теплоносителя за счет естественной тяги или принудительным путем посредством вентиляторов 16.
Теплоносителем в заявленном способе является воздух, естественным образом нагреваемый в помещении («отработанный» воздух) и через вытяжную вентиляцию, посредством каналов подвода теплоносителя, подаваемый в толщу крыши. Благодаря тому, что требуемая для комфортного пребывания человека температура составляет величину 18-26°С, то теплоноситель нагревается также до этой температуры.
Согласно результатам проведенных испытаний при температуре теплоносителя («отработанного» воздуха) 18°С, кратности обмена воздуха 2 и крыше из наиболее попупулярного материала - оцинкованная жесть, при соотношении площади крыши к объему помещения 0,33 достигается оптимальный с точки зрения безопасности эксплуатации здания нагрев поверхности крыши до температуры около +3°С при температуре окружающего воздуха -15°С - средней температуры отопительного периода средней полосы умеренно-холодного климата нашей страны. Это подтверждается расчетом. Температура +3°С обеспечивает достаточно эффективное таяние наледи, снижая нагрузку на кровлю, и увеличивая ее срок службы. Температура поверхности кровли +3°С обеспечивает некоторый запас по надежности растапливания наледей, позволяя варьировать параметрами конструкции здания. При этом температура менее 18°С недопустима в помещении и с точки зрения жизнедеятельности человека по принятым нормам и правилам.
Если температура теплоносителя ниже 18°С, что может иметь место в системах, выполненных на основе прототипа, то поверхность кровли также нагревается меньше и ее температура может оказаться отрицательной, способствуя накоплению снега и наледи.
При температуре же теплоносителя более 26°С увеличивается деформация материала кровли, вызванная разностью температур теплоносителя и окружающей среды, что приводит к ускоренному износу как кровли, так и элементов, поддерживающих кровлю. Кроме того, при высокой температуре увеличиваются объем конденсата и нагрузка на дренаж.
Таким образом, нагнетая в толщу крыши воздух из помещений, с нормальной для нахождения человека температурой 18-26°С, заявленное решение обеспечивает достижение оптимального с точки зрения безопасности эксплуатации кровли и здания в целом нагрева участков поверхностей элементов водоотводящих систем кровель здания.
С другой стороны, для нагрева холодного атмосферного воздуха с -15°С до +18°С с помощью специальных обогревателей потребовалось бы устройство мощных специальных обогревателей и, как следствие, больших затрат энергии (электроэнергии, углеводородов и т.п.).
Очевидно также, что для оптимального нагрева поверхности кровли недостаточно тепла, выделяемого конструктивными элементами вытяжной вентиляции, в том числе выполненных в виде специальных теплообменников, как это сделано в прототипе, так как кпд такой теплопередачи значительно ниже кпд теплопередачи при перемещении исходящих теплых потоков отработанного воздуха из вентилируемых отапливаемых помещений зданий непосредственно в толщу кровли (большая часть тепла теряется вместе с выбрасываемым в атмосферу «отработанным» воздухом). кпд теплопередачи при нагреве атмосферного воздуха за счет тепла, выделяемого конструктивными элементами вытяжной вентиляции, значительно ниже 100%.
В решениях, характеризующихся подачей в толщу кровли теплого воздуха из пространства так называемого теплого чердака, также низкая эффективность обогрева, так как температура этого воздуха за счет потерь на обогрев чердачного помещения, как уже изложено выше, заведомо ниже температуры исходящих теплых потоков отработанного воздуха из вентилируемых отапливаемых помещений зданий.
3
2
Пример. Здание построено с применением традиционных строительных технологий. Крыша выполнена из оцинкованной жести. Объем помещений здания составляет 1500 м. Площадь крыши составляет 500 м. Согласно предъявляемым требованиям объем воздуха должен обновляться с частотой 2 раза в час. Температура в помещениях составляет 18°С.
Нагретый в помещениях «отработанный» воздух посредством каналов подвода теплоносителя из вытяжных вентиляционных систем поступает в пространство между внешней поверхностью крыши и утеплителем.
При температуре в зимний период, составляющей -15°С поверхность крыши нагревается до +3°С. При этом наледь, образовавшаяся из-за предшествующего теплого периода, сходит за 7 ч. При продолжении подачи теплоносителя («отработанного» воздуха из вытяжных вентиляционных систем) в толщу крыши наледи не образуются, накопление снега не происходит.
Таким образом, заявленное решение обеспечивают исключение дополнительных энергозатрат на обогрев водоотводящих систем кровель здания, а также повышение эффективности нагрева критических, с точки зрения образования наледей и скопления снега, участков поверхностей элементов водоотводящих систем кровель здания, так как при их реализации теплый «отработанный» воздух из вытяжной системы вентиляции направляют непосредственно на обогрев внешнего слоя кровли по специальным каналам - каналам подвода теплоносителя. Указанный результат достигается за счет того, что, во-первых, теплоносителем является сам воздух из помещений, не требующий дополнительного нагрева от дополнительных источников энергии, благодаря чему исключаются потери при теплопередаче от нагревателя к теплоносителю (например, от элементов конструкции систем вентиляции к теплоносителю), и, во-вторых, этот «отработанный» теплый воздух - теплоноситель направляют посредством каналов подвода теплоносителя непосредственно в толщу водоотводящих систем кровель здания, исключая потери на разогрев множества элементов чердачного помещения, и потери, вызванные наличием технологических и нештатных отверстий между пространством чердачного помещения и внешним пространством здания.
Использование заявленного способа обеспечивает достижение оптимального с точки зрения безопасности эксплуатации здания нагрева элементов кровли благодаря тому, что температура теплоносителя равна температуре воздуха в помещении, составляющей, как правило, 18-26°С и являющейся с одной стороны достаточной для эффективного растопления наледи, а с другой стороны тепловые деформации обогреваемой кровли сведены к минимуму. При более высоких температурах теплоносителя, вызванных, например, применением обогревателей тепловые деформации кровли увеличиваются. Таким образом температура теплоносителя - воздуха из помещений 18-26°С является оптимумом, обеспечивающим достижение технического результата.
Еще одним результатом использования заявленного решения является снижение нагрузки на элементы конструкции здания и, как следствие, увеличение срока их службы и безопасности эксплуатации. Это происходит благодаря тому, что в толщу крыши нагнетается именно тот воздух, который нагрелся в помещении до температуры элементов внутренней конструкции здания: стены, потолок, внутренние перегородки, опоры и пр. Так как в толщу крыши подается именно этот воздух, то и внутренние элементы конструкции крыши испытывают воздействие именно этой температуры. В зависимости от конкретной конструкции здания большая или меньшая часть конструкции здания нагревается равномерно и, следовательно, испытывает равномерную тепловую нагрузку. Это особенно актуально для зданий, выполненных из однородного материала, например бетонных или стеклянных внешних поверхностей. Равномерные напряжения, вызванные деформацией, определяемой коэффициентом расширения материала, снижение количества антропогенных деформаций способствуют равномерному износу конструкции здания, удлинению срока его эксплуатации, снижению затрат на капитальный и текущий ремонт.
Исключаются также дополнительные энергозатраты (для энергоснабжения специальных обогревателей) для нагрева теплоносителя (атмосферного воздуха), направляемого в толщу водоотводящих систем кровель здания, с целью предотвращения наледей и скопления снега, за счет использования тепловой энергии, которую содержат исходящие теплые вентиляционные потоки «отработанного» воздуха из вентилируемых отапливаемых помещений зданий.
Обеспечивается достижение максимальной теплопередачи тепловой энергии, которую содержат исходящие теплые вентиляционные потоки «отработанного» воздуха из вентилируемых отапливаемых помещений зданий, направляемые непосредственно в толщу водоотводящих систем кровель здания за счет предотвращения потерь, которые неизбежны при нагреве атмосферного воздуха, направляемого в толщу водоотводящих систем кровель здания, при использовании тепла, выделяемого конструктивными элементами вытяжных вентиляционных систем здания (как это сделано в прототипе).
Кроме того, благодаря тому, что процесс обогрева поверхности кровли осуществляется не через промежуточный обогрев чердачного помещения и утепленных кровельных панелей, а напрямую - посредством каналов подвода теплоносителя непосредственно в толщу водоотводящих систем кровель здания для обогрева критических, с точки зрения образования наледей и скопления снега, участков поверхностей элементов водоотводящих систем кровель здания, заявленное решение обеспечивает повышение эффективности обогрева водоотводящих систем кровель здания, так как исключены потери на обогрев чердачного помещения: обогрев кровли через обогрев чердачного помещения может осуществляться не прямо, а лишь косвенно, из-за того, что обогрев чердачного помещения требует и теплоизоляции между кровлей и чердачным помещением, что дополнительно затрудняет эффективный обогрев поверхности кровли, создавая потери тепла, и за счет неполного отбора тепла выпускаемого наружу воздуха, а также из-за того, что от нагретого пространства чердачного помещения кровля может нагреваться нерационально.
Заявленный способ обеспечивает также снижение нагрузки на элементы конструкции здания и, как следствие, безопасности эксплуатации и увеличение срока их службы за счет равномерного обогрева элементов конструкции здания.
Использование заявленного способа обеспечивает снижение нагрузочной способности несущих конструкций кровель и самого здания и, как следствие, снижение материальных затрат на строительство и ремонт зданий и сооружений, а также обеспечение их безопасной эксплуатации.
Заявленный способ может быть осуществлен с помощью известных в области техники средств и компонентов и соответствуют условию патентоспособности "промышленная применимость".