УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ КРОВЕЛЬ КРЫШ
DEVICE FOR HEATING OF ROOF ELEMENTS

Изобретение относится к строительству, в частности к инженерному оборудованию зданий, а именно к устройствам для обогрева элементов кровель крыш, имеющих капельники, водосборные желоба, ендовы, направляющие лотки, воронки, водометы и другие электрообогреваемые элементы. Изобретение может быть использовано самостоятельно или в составе антиобледенительных кабельных систем для кровель крыш.
Известна антиобледенительная система для нагревания элементов кровель крыш «Теплоскат» [1], монтируемая на существующих кровлях зданий и сооружений. Используемые в системе «Теплоскат» плоские саморегулирующиеся нагревательные кабели укладываются непосредственно на кровлю в местах наиболее вероятного образования наледей и сосулек. При подаче соответствующего напряжения полупроводящая матрица саморегулирующихся кабелей начинает выделять тепловую энергию, которая через оболочку кабелей передается в окружающую кабели среду (снег, лед, воздух, элементы кровли зданий). Та часть тепла, которая передается от кабелей находящимся на кровле зданий снегу и льду, растапливает последние. Образовавшаяся при этом вода самотеком стекает с крыши по водоотводящим путям.
Недостатками этой системы являются ее большая стоимость, обусловленная высокой ценой саморегулирующихся кабелей, и низкая эффективность работы особенно при скоплении значительного количества снега и льда на кровлях зданий.
Так как электрические саморегулирующиеся кабели в системе «Теплоскат» монтируются непосредственно на внешней поверхности обогреваемых элементов кровель, площадь соприкосновения кабелей со снегом и льдом весьма мала - это поверхность оболочки кабеля. Снег и лед, контактирующие с оболочкой кабеля, растапливаются довольно быстро. Тепловая энергия для растапливания снега и льда, не контактирующих с оболочкой кабеля, передается по телу кровли и других водоотводящих каналов, уже свободных от снега и льда. Поэтому значительная часть тепловой энергии рассеивается в атмосферу, причем, чем дальше от кабеля будут находиться снег и лед, тем больше тепловой энергии теряется в атмосферу. В результате скорость растапливания снега и льда в среднем становится невысокой при соответствующем увеличении энергоемкости этого процесса.
Практика эксплуатации известных электронагревательных антиобледенительных систем для кровель зданий и сооружений также показала, что воздействие снега, льда, перепадов температур, ультрафиолетового излучения солнца и другие внешние воздействия отрицательно сказываются на механической прочности изоляции саморегулирующихся нагревательных кабелей, что приводит к электрическим пробоям изоляции и возникновению коротких замыканий. Кроме того, довольно часто имеют место механические повреждения оболочки кабелей в ходе проведения ремонтных работ на крышах зданий.
Поэтому система «Теплоскат» не обеспечивает эффективный процесс удаления снега и льда с кровли крыши, так как имеет повышенные потери тепла в окружающую среду и соответственно высокую энергоемкость растапливания снега и льда на обогреваемых элементах кровель, невысокую надежность, малый срок службы и не обладает необходимой безопасностью в электрическом и пожарном отношениях.
Ближайшим техническим решением к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для обогрева элементов кровель крыш зданий, включающее по меньшей мере одну нагревательную секцию кабеля коаксиального нагревательного, размещенную в стяжке с рабочей греющей поверхностью над жестко соединенным с кровлей крыши слоем эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом, и источник электропитания [2].
Устройство содержит две нитки кабеля нагревательного коаксиального, первая из которых закреплена у кромки кровли крыши, а вторая - выше первой на наружной поверхности кровли. Первая нитка кабеля размещена в образованной изогнутой вниз кромкой кровли полости, а вторая нитка кабеля закреплена на кровле внутри металлического защитного кожуха. Кожух является стяжкой и его наружная поверхность представляет собой рабочую греющую поверхность. Как и в известных системах обогрева кровель, каждая нитка в зависимости от ее длины (площади обогрева) может состоять из одной или нескольких нагревательных секций. Указанные секции второй нитки кабеля размещены в кожухе (стяжке) над жестко соединенным с кровлей крыши посредством этого кожуха слоем эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом. Нитки подключены к источнику электропитания с возможностью как раздельной, так и совместной работы, то есть каждая из них может являться самостоятельным устройством или частью одного устройства.
Такое выполнение устройства совместно с использованием в качестве нагревательных секций кабеля нагревательного коаксиального, имеющего по сравнению с обычно применяемыми нагревательными кабелями улучшенные технико-экономические показатели, позволяет устранить недостатки аналога. Однако это устройство может быть использовано только в одном из многочисленных обогреваемых элементов кровель крыш - капельнике.
При этом может иметь место повышенный нагрев кабеля от металлического кожуха (стяжки) при относительно высоких дневных положительных температурах, например в летний период, что способствует увеличению суточных и годовых перепадов температур и приводит к снижению срока службы устройства.
Поэтому задачей изобретения является создание универсального устройства, пригодного для использования в самых различных электрообогреваемых элементах кровель крыш и имеющего высокие технико-экономические показатели.
Достигаемый при этом технический результат заключается в расширении области применения при одновременном уменьшении потерь тепла в окружающую среду, снижении энергозатрат, повышении эффективности растапливания снега и льда, электро- и пожаробезопасности и увеличении срока службы устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для обогрева элементов кровель крыш зданий, включающем по меньшей мере одну нагревательную секцию кабеля нагревательного коаксиального, размещенную в стяжке с рабочей греющей поверхностью над жестко соединенным с кровлей крыши слоем эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом, и источник электропитания, стяжка выполнена в виде слоя самоотверждающегося в атмосферных условиях морозостойкого и теплопроводного материала, нижняя часть которого армирована металлической сеткой, жестко соединенной с нагревательной секцией и кровлей.
При этом самоотверждающийся материал стяжки имеет наполнитель в виде смеси механически прочных, морозостойких и теплопроводных твердых мелкодисперсных частиц.
Также по меньшей мере часть рабочей греющей поверхности стяжки выполнена волнистой.
Кроме того, при наличии нескольких нагревательных секций они подключены к источнику электропитания с возможностью последовательного, параллельного и (или) смешанного соединения.
В указанную в самостоятельном пункте формулы изобретения совокупность признаков включены все признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для получения технического результата.
Использованный в устройстве кабель нагревательный коаксиальный, например, по патенту РФ №2236769 С2 [3] имеет существенные преимущества перед нагревательными кабелями, применяемыми в известных антиобледенительных системах для кровель: необходимая гибкость, надежность, долговечность, электро- и пожаробезопасность при меньших расходе электроэнергии, металлоемкости, стоимости изготовления и эксплуатации.
Размещение нагревательных секций в стяжке над слоем эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом, обеспечивает передачу тепла рабочей поверхности стяжки как непосредственно от кабеля, так и от контактирующего с ним и стяжкой отражательного материала, и исключает нагрев кровли под стяжкой, имеющей большую площадь соприкосновения со снегом и льдом, чем площадь внешней оболочки кабеля. Это уменьшает потери тепла в окружающую среду при одновременном повышении эффективности растапливания снега и льда и снижении энергозатрат. Жесткое соединение этого слоя с кровлей крыши облегчает крепление кабеля и стяжки к кровле.
Выполнение стяжки в виде слоя самоотверждающегося в атмосферных условиях материала, то есть имеющего в первоначальный момент времени пластичную консистенцию, позволяет устанавливать стяжку не только на ровных поверхностях кровель крыш, но и на поверхностях, имеющих определенную кривизну, например в устройствах для обогрева ендов, бортиков водосборных желобов и других элементов кровель. Это расширяет область применения устройства и облегчает его монтаж на кровлях крыш. Морозостойкость и теплопроводность этого материала являются необходимыми и достаточными условиями обеспечения нагревания рабочей поверхности стяжки устройства и его работоспособности при отрицательных температурах окружающей среды. Также такое выполнение стяжки защищает внешнюю оболочку кабеля от отрицательного воздействия окружающей среды и позволяет избежать механических повреждений кабеля, например, при проведении профилактических ремонтных работ на крыше, что дополнительно повышает электро- и пожаробезопасность устройства и увеличивает срок его службы. Этому способствует и размещение нагревательных секций кабеля в нижней части стяжки, так как снижает перепады суточных и годовых температур на внешней оболочке кабеля.
Армирование нижнего слоя стяжки металлической сеткой, жестко соединенной с нагревательной секцией (секциями) и кровлей, обеспечивает надежное крепление стяжки и нагревательного кабеля к обогреваемым элементам кровли и повышает прочность стяжки, являясь ее арматурой. Кроме того, это способствует расширению области применения устройства, так как облегчает нанесение слоя стяжки на криволинейные поверхности обогреваемых элементов кровли крыш.
С учетом вышесказанного совокупность всех признаков, изложенных в самостоятельном пункте формулы изобретения, действительно обеспечивает достижение указанного технического результата и решает задачу изобретения.
Введение в состав самоотверждающегося материала стяжки наполнителя в виде смеси механически прочных, морозостойких и теплопроводных твердых мелкодисперсных частиц не только дополнительно повышает морозостойкость и теплопроводность стяжки, но и обеспечивает равномерность распределения компонентов материала стяжки по ее сечению, что приводит к увеличению прочности стяжки после отвердевания материала.
Выполнение по меньшей мере части рабочей греющей поверхности стяжки волнистой уменьшает скорость сползания снежных масс по скату кровли крыши и греющей поверхности стяжки и, следовательно, увеличивает время теплового воздействия на снег. Кроме того, увеличивается площадь контакта снега с этой поверхностью. В результате растапливание снега можно осуществлять при меньшей мощности нагревательных секций кабеля. Также впадины между гребнями волн являются водоотводящими каналами, обеспечивающими максимально быстрое в соответствующих условиях стекание воды, например, из водосборного желоба непосредственно к направляющему лотку, а из него в водосточную трубу, либо из ендовы сразу в водосточную трубу или к водосборному желобу. Это позволяет избежать перегрева воды, что уменьшает энергоемкость растапливания снега и позволяет осуществлять этот процесс при меньшей мощности нагревательных секций кабеля, расположенных в желобе или в ендове.
Подключение нагревательных секций кабеля к источнику элктропитания с возможностью последовательного, параллельного и (или) смешанного соединения дополнительно снижает энергоемкость использования устройства и упрощает его конструкцию за счет регулирования мощности как устройства в целом, так и отдельных нагревательных секций кабеля, без применения специального силового трансформатора. Минимальная мощность будет при последовательном подключении всех секций к источнику электропитания, что необходимо, например, при небольшом снегопаде. При сильном снегопаде в зависимости от его интенсивности и температурных условий целесообразен переход на смешанное или параллельное подключение нагревательных секций к источнику электропитания. В последнем случае мощность устройства и отдельных секций будет максимальной.
На чертежах фиг.1 показывает предложенное устройство для обогрева одного из элементов кровель крыш зданий, а именно водосборного желоба, в поперечном сечении; фиг.2 - то же, вид в плане; фиг.3 - предложенное устройство для обогрева другого элемента кровель крыш зданий - ендовы, в поперечном сечении.
Устройство устанавливают на обогреваемых элементах кровель 1 крыш зданий, например (фиг.1 и 2) в водосборном желобе. Желоб имеет нижние основания 2 и бортики 3, перпендикулярные этим основаниям и образующие своими соседними концевыми частями направляющий лоток 4, под которым расположена водоприемная воронка 5 водосточной трубы.
С кровлей 1 жестко соединен, например, с помощью заклепок (на чертежах не показаны), уложенный на нижние основания 2 и бортики 3 водосборного желоба слой 6 (фиг.1-3) эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом, например алюминиевой фольгой. В этом случае слой 6 выполняют, например, из пенофола, обладающего при малой толщине высокими теплоизоляционными свойствами. К слою 6 прикреплена металлическая сетка 7, например сетка Рабица, жестко соединенная с уложенной на нее по меньшей мере одной нагревательной секцией 8 кабеля нагревательного коаксиального, например по патенту РФ №2236769 С2 [3], и кровлей 1 крыши. На сетку 7 нанесен слой 9 самоотверждающегося в атмосферных условиях морозостойкого и теплопроводного материала. Этот слой является стяжкой, а металлическая сетка 7, расположенная в его нижней части, - арматурой. Наружная поверхность слоя (стяжки) 9, в котором размещены нагревательные секции 8, представляет собой рабочую греющую поверхность 10.
Материалом стяжки (слоя) 9 может быть бетонная смесь на основе цемента, модифицированного полимерными добавками, например марки ЭМАКО 90, с наполнителем в виде смеси механически прочных, морозостойких и теплопроводных твердых мелкодисперсных частиц. В качестве такого наполнителя могут применяться металлические опилки, чистый кварцевый песок, отходы магнитного обогащения руд черных металлов и другие твердые мелкодисперсные частицы.
По меньшей мере часть рабочей греющей поверхности 10 стяжки 9 выполнена волнистой. Гребни 11 волн образуют впадины 12, ориентированные параллельно бортикам 3 водосборного желоба и служащие водоотводящими каналами с выходом в направляющий лоток 4. Концевые наружные поверхности 13 скатов волн асимптотически пересекаются с поверхностью кровли 1.
При наличии в устройстве нескольких нагревательных секций они подключены к источнику электропитания с возможностью последовательного, параллельного и (или) смешанного соединения (на чертежах не показано, так как это осуществляется общеизвестными в электротехнике способами). Устройство может быть оснащено автоматической системой управления с датчиками осадков, воды и температуры (на чертежах также не показана).
Устройство для обогрева ендовы (фиг.3) смонтировано в ее нижней части непосредственно на образующих ендову скатах 14 и 15 кровли. В представленном виде два гребня 11 волн рабочей поверхности 10 стяжки (слоя) 9 параллельны продольной оси ендовы и образуют одну впадину 12 над планкой 16 ендовы нижней. Эта впадина также служит водоотводящим каналом с выходом в соответствующий направляющий лоток и далее в водоприемную воронку 10 или в водосборный желоб. Концевые наружные поверхности 13 скатов волн асимптотически пересекаются с поверхностями скатов 14 и 15 ендовы.
Устройство будет готово к работе после его монтажа на обогреваемых элементах кровли крыши, затвердения материала стяжки (слоя) 9 до заданной прочности и подключения нагревательных секций 8 кабеля нагревательного коаксиального к источнику электропитания с автоматической системой управления. При этом оно работает следующим образом.
В зависимости от погодных условий и показаний датчиков осадков, температуры и воды автоматически или вручную выбирается соответствующее подключение нагревательных секций 8 кабеля к источнику электропитания. Параллельное подключение нагревательных секций обеспечивает их максимальную мощность. Поэтому такое подключение используется либо для всех секций 8 при самых неблагоприятных погодных условиях, либо для части секций, над которыми в данный момент скапливается большое количество снега или начинают образовываться наледи. При более благоприятных погодных условиях применяют последовательное подключение нагревательных секций, обеспечивающее их меньшую мощность, или смешанное, что позволит повысить мощность секций только на необходимых участках кровли. При этом для регулирования мощности устройства не требуется использования специальных силовых трансформаторов.
При подаче напряжения нагревательные секции 8 кабеля, размещенные в слое (стяжке) 9 из самоотверждающегося в атмосферных условиях морозостойкого и теплопроводного материала, нагревают этот слой. Снег или снег и наледи, находящиеся на рабочей греющей поверхности 10 этого слоя (стяжки), растапливаются поступающим теплом. Образовавшаяся вода по водоотводящим каналам (впадинам 12), расположенным между созданными на рабочей греющей поверхности слоя (стяжки) 9 гребнями 11 волн, стекает из водосборного желоба (фиг.1 и 2) непосредственно к направляющему лотку 4 и далее в водоприемную воронку 5 водосточных труб, а из ендовы (фиг.3) - либо к направляющему лотку 4, либо к водосборному желобу.
Так как нагревательные секции 8 кабеля отделены от нижних оснований 2 и бортиков 3 водосборного желоба, а в ендове от скатов 14 и 15 кровли слоем 6 эластичного теплоизоляционного материала, покрытого сверху и снизу отражательным теплопроводящим материалом, на нагрев металлического водосборного желоба кровли крыши и планки 16 ендовы нижней будет затрачиваться минимальное количество тепла, выделяемого нагревательными секциями 8 кабеля. Основное количество тепла через слой (стяжку 9), имеющий высокую теплопроводность, будет передаваться рабочей греющей поверхности этого слоя и соответственно участвовать в процессе растапливания снега и наледи. Быстрое удаление воды с поверхности слоя 9 сводит к минимуму возможность перегрева воды, что положительно сказывается на энергоемкости процесса растапливания снега. Установка нагревательных секций 8 кабеля и на бортиках 3 водосборного желоба позволяет свести к минимуму попадание снега на карниз крыши и образование наледей на поверхности бортиков при неблагоприятных погодных условиях. Относительно большая ширина слоя (стяжки) 9 ликвидирует возможность образования над ним свода естественного равновесия нерастопленного слоя снега.
Устройство выполнено и работает аналогично и на других обогреваемых элементах кровель крыш, например на нижней части ската кровли или крутой крыше с мансардными окнами.
Источники информации
1. Антиобледенительная система для кровель «Теплоскат». Руководство по монтажу. - М., ООО «Специальные Системы и Технологии», 2011 - С.3-28.
2. Патент РФ №2392398 С1, кл. E04D 13/76, с приоритетом от 28.04.2009.
3. Патент РФ №2236769 С2, кл. Н05В 3/56 с приоритетом от 25.07.2002.