Системы снеготаяния

Системы снеготаяния

I. Причины образования наледей.

Прежде чем рассматривать технические решения систем снеготаяния необходимо понять с чем нам предстоит бороться, то есть необходимо понять механизм образования наледей и сосулек.

Основная причина образования наледей - это перепад температуры между центральной частью кровли и краем крыши с расположенными на нем водостоками, который может возникать по нескольким причинам.

Причина техногенного характера: паразитный подогрев центральной части Рис. 1, который усугубляется следующими обстоятельствами:

1) Отсутствием проветриваемых чердачных помещений.
2) Расположение в подкровельном пространстве технических этажей с отоплением, а также мансард.

При этом возникает технологическая задача изготовления так называемой совмещенной крыши [1]. Теплотехническая сторона этой задачи довольно сложна, но основной вывод сводится к необходимости вентилирования наружным воздухом подкровельного пространства в конструкции, что, кстати, установлено в нормативных документах ВСН-35-77. Это требование, однако, выполняется очень редко (Рис. 2).

3) Расположением на чердаках тепловыделяющего оборудования (коллекторов отопления, расширительных бачков и другого) без должной теплоизоляции, которое часто дает локальное ухудшение "ледовой" обстановки на кровле.
4) Устойчивым снежным покровом на кровле, который значительно улучшает теплоизолирующие свойства покрытия кровли.

снега=0,16 Вт/м оC
Формированию снежного покрова способствуют небольшие уклоны кровли, ее сложная форма: наличие внутренних углов (ендов), горизонтальных площадок, выступающих "воротников" кровельных окон и так далее.

Все эти моменты необходимо учитывать при проектировании и монтаже систем снеготаяния. Кроме привнесенных причин, которые могут быть либо устранены, либо сильно ослаблены правильным проектированием крыш, существуют причины природного характера, которые создают условия льдообразования даже на идеальной крыше.

(Яркий пример - навесы над заправочными станциями). Наиболее важная - это солнечная радиация, которая создает неравновесные условия по температуре (для средней полосы это наиболее проявляется в весенние месяцы) и суточные колебания температуры с переходом через 0oС.

Хотя чистый снег хорошо отражает солнечное излучение, малейшие загрязнения приводят к резкому падению коэффициента отражения. Кроме того, части кровли, свободные от снега, могут иметь очень низкий коэффициент отражения, и активное таяние может происходить на границе снегового покрова.

По данным метеонаблюдателей за прошедшую зиму зафиксировано около 70 переходов температуры через 0oС.

Суточные колебания температуры с переходом через 0oС вечером приводят к быстрому охлаждению воздуха и, соответственно, водостоков, тогда как массы снега на кровле, вместе с элементами самой кровли, могут сохранять положительную температуру еще некоторое время, создавая, таким образом, перепад температуры между водостоками и центральной частью, приводящий к активному льдообразованию.

Это хорошо известные весенние сосульки, которые наблюдаются практически на всех крышах в весеннее время. Соединение же техногенного и природного факторов делают льдообразование возможным в течение всего зимнего сезона.

















































Итак, предпосылки установки системы снеготаяния понятны, как понятна и ее основная задача: сопроводить образующуюся на крыше воду до уровня Земли, не дав ей замерзнуть на элементах кровли и водостоков.

Очевидно, что мощность системы обогрева будет тем выше, чем ниже температура воздуха, при которой возможно таяние снега или льда на кровле, то есть именно минимальная температура таяния является параметром, определяющим качество крыши в теплотехническом отношении.

К сожалению, этот параметр можно получить только из систематических наблюдений за поведением кровли в зимнее время.

Таких данных нет в проектной документации, и при проектировании системы снеготаяния приходится пользоваться косвенными данными и интуицией.

Условимся разделять все крыши, как это предложено в ДЕВИ, на холодные, с возможностью таяния снега на кровле при температуре не ниже -5oС, теплые - с минимальной температурой таяния снега -5 - -10oС (к этому типу относится большинство крыш старых административных зданий с чердаком), горячие (очень теплые) - ниже -10oС.

Для холодных крыш система подогрева если и требуется, то минимальной мощности (соответствующей западноевропейским рекомендациям).

Для теплых крыш необходимо полномасштабная система снеготаяния, причем желательно использовать кабели повышенной мощности (25-35 Вт/м).

Наконец, для горячих крыш проектирование и монтаж кабельной системы представляет значительные трудности, и успех далеко не всегда предопределен. Рассмотрим механизмы теплопередачи для разных режимов работы системы снеготаяния и основные соображения, которыми приходится пользоваться при оценке мощности.

II. Установка кабеля на кровле.

Вообще, возможны разные варианты в зависимости от типа кровли, но для оценок выберем наиболее распространенный для города тип железной кровли с организацией стока с помощью отбойника.

Для кабельной дорожки водостоков с отбойником теплопотери можно оценить по СНИПовским величинам коэффициентов теплоотдачи–наружное.

Для внешней поверхности крыши можно грубо считать н=23 Вт/м2 K. Для внутренней стороны н=17 Вт/м2 K Итого общие теплопотери такой дорожки составляют порядка 40 Вт/м2 К. Это очень большая величина!

Обычно, если система выполнена кабелем с удельной мощностью 18-20 Вт/м с шагом 5 см, то удельная мощность на 1 м2 составляет 360-400 Вт/м2 и, соответственно, минимальная температура, при которой такая система работоспособна, не ниже -10oС (это теплая крыша).

Отдельный и довольно сложный вопрос о ширине дорожки (Рис.3). Ширина определяется несколькими моментами.
1) Одна нитка не выдерживает критики при сколько-нибудь заметном снежном покрове. Такая система легко перекрывается снегом с образование снежной пещеры и процесс идет выше кабеля и водостока. (Рис. 4)













































Из этих соображений кажется, что ширина дорожки должна быть сравнима с высотой снежного покрова. Из нашего опыта следует, что обычно достаточно четырех-шести ниток. Бывают осложняющие обстоятельства.

Например, при большом выносе края крыша под стеной, точка замерзания талой воды может оказаться в зоне, где отсутствует кабель. Такая ситуация не приводит к забиванию льдом водостоков, но создает ледяной валик с подпором воды и последующими протечками. (Рис. 5).

В этом случае ширина обогреваемой дорожки должна быть значительно увеличена, практически до уровня стены здания. Отдельный вопрос - дополнительные нитки кабеля по капельнику.

Если посмотреть на устройство металлических крыш, то можно увидеть, что зачастую водосток отстоит от края кровли на метр и более.

На площади вне водостока обычно находится некоторое количество снега, но он не вызывает особых беспокойств, так как эта часть кровли не имеет паразитного подогрева (Рис. 6).

















































Иногда могут появляться маленькие сосульки, в период оттепели которые также не представляют серьезной опасности. Ситуация, однако, сильно ухудшается, если имеются протечки в водоотбойнике. В этом месте образуется громадная сосулька, которая растет все время, пока работает система снеготаяния.

С одной стороны это вроде бы не вина фирмы-установщика системы снеготаяния, но заказчик бывает недоволен и такие ситуации нужно оговаривать на стадии проектирования системы.

В значительной степени положение спасает нитка кабеля, пущенная по капельнику, то есть по линии отрыва воды на краю крыши.

Форма капельника может быть разная, поэтому нужен элементарный эксперимент с поливом водой и наблюдением точки отрыва капель для конкретной конструкции (Рис. 7).

Рассмотрим попутно и такой момент. Открытая дорожка на крыше подвержена воздействию сходящих масс снега (это аналог лавины в горах).

Для предотвращения механических повреждений, кабель очень желательно защитить. Это делается либо установкой дополнительного снегоотражателя выше кабельной дорожки, либо путем накрывания кабеля листами, аналогичными покрытию кровли.

Последний вариант нам кажется более предпочтительным, так как позволяет защитить кабель не только от механических повреждения, и от действия солнечного ультрафиолета, а также значительно облегчить процесс очистки кабельных дорожек от листьев и семян деревьев.

Итак, мы получили некие обобщенные рекомендации по установке кабеля на кровле в водостоках с отбойником. Какие еще варианты встречаются на практике? Второй по распространенности тип установки - это крыша с подвесным водостоком (Рис. 8).

В подавляющем большинстве случаев система обогрева устанавливается только в желобе. Для желобов с характерным размером 100 мм (стандартные системы большинства западных кровельных фирм) достаточно двух ниток кабеля мощностью 20-30 Вт/м.

При больших размерах желобов количество ниток соответственно увеличивается. Но все же основным вопросом в этой ситуации остается вопрос: делать или не делать обогрев края кровли.

Однозначно ответить на это можно только путем наблюдений за такой кровлей в течение зимнего сезона (что опять таки не всегда приемлимо и не всегда возможно).

Косвенными признаками являются угол уклона кровли (чем он больше, тем меньше вероятность накопления снега и образования наледей на краю) и вынос края крыши над стеной (чем он больше, тем больше вероятность намерзания талой воды с отрицательными последствиями для работы системы снеготаяния). Следующим типом крыши, который мы рассмотрим, будет мягкая кровля. (Рис. 9).

Обычно это кровля с малыми уклонами и внутренними водостоками, проходящими через теплое помещение. В такой конструкции обмерзанию подвержены участки, непосредственно примыкающие к водосливным воронкам и сами воронки.

Ситуация разрешается путем обогрева площадки, примыкающей к сливу. При этом кабель либо закладывается в стяжку (аналог теплого пола) с удельной мощностью 300-400 Вт/м2 и площадью около 1м2, либо укладывается сверху на кровлю, выдерживая примерно те же параметры по мощности и площади.

В трубу опускается обычно одна-две петли кабеля так, чтобы они гарантировано доставали до теплого помещения.

Определенные проблемы при такой конструкции создают два момента:
- во-первых, если кабель уложен в стяжке над гидроизоляцией, то выход его петли сквозь гидроизоляцию для обогрева" трубы требует специальных мероприятий по герметизации этого места;

- во-вторых, если слив, проходя сквозь теплое помещение, выходит в конце концов на улицу, то возникает проблема обогрева этого выходного патрубка, удаленного от крыши, где находится основная система обогрева.

В этой ситуации приходится либо устанавливать отдельный кабель, либо прокидывать кабель по длине трубы через теплое помещение (при этом приемлемым вариантом может считаться установка саморегулирующегося кабеля, так как условия по длине трубы меняются очень сильно).











































Кроме этих основных типов крыш могут встречаться и другие варианты или сочетания различных вариантов в одной конструкции. Еще одно замечание относится к обогреву внутренних углов (так называемых ендов).

В принципе, подход к обогреву этих элементов такой же, как и водостоков на кровле. Геометрия площадок подверженных обогреву определяется местами накопления снега. Обычно обогревать ендовы по всей длине не имеет смысла, так как место скопления снега находится в нижней половине ендовы или даже в нижней трети по длине.






















III. Водосточные трубы.

Вертикальные водосточные трубы являются наиболее напряженными элементом в системе снеготаяния.

Это объясняется тем, что трубы совершенно лишены паразитного подогрева, хорошо обдуваются ветром и, кроме того, талая вода, по мере продвижения вниз, теряет запас тепла.

Обычно замерзание водостоков начинается именно с труб. Сделаем оценку мощности подогрева для стандартной трубы на теплой крыше (Рис. 10):
Qm - массовый расход воздуха (при конвективном течении) кг/с
Qm = pSv, где р - плотность воздуха, S - сечение трубы, v - скорость конвективного течения.

,
g = 9,8м/с2 - ускорение свободного падения.

Формулу для а легко получить, если вспомнить, что выталкивающая сила:
,
то есть изменению плотности нагретого воздуха.

Тогда:
,

и окончательная формула:- полная мощность, необходимая для поддержания конвективного потока при данном перепаде. Принимая для оценки
р = 1,3 кг/м3
d = 150 мм (S = 0,018 м2)
T =10К
Т = 273 К
h = 25м

Получаем Р = 700 Вт или удельная мощность на метр трубы: р = 30 Вт/м Заметим, что эта величина получена без учета теплопотерь через боковые стенки. Потери через боковые стенки по порядку величины:




где Sбок. пов.- боковая поверхность трубы,
н - коэффициент теплоотдачи для наружных поверхностей, взятый из СНиПа. При наших параметрах эти величина составляет уже около 1350 Вт или 54 Вт на каждый метр трубы.




















Из полученных данных видно, что уже для теплых крыш поддержание водосточных труб в незамерзающем состоянии представляет проблему. Величины удельной мощности мы оценивали в среднем, однако, условия по высоте неравномерны и наиболее напряженным местом трубы является ее нижняя часть. Опыт также показывает, что, как правило, замерзание труб начинается снизу.

Исходя из этих соображений, предложено и активно используется следующее решение. Изготовляется гильза из кровельного железа длиной 0,5 м, на которую с шагом 5 см намотана петля кабеля, заложенного в трубу. Гильза устанавливается в прямолинейном участке внизу. (Рис. 11).

Кроме этого полезно сделать постоянную или съемную заглушку, ограничивающую сечение трубы и уменьшающую тем
самым конвективный унос тепла вверх (Рис. 12). Сочетание этих двух мер, как показывает опыт, делает работу труб намного эффективней.

Рассмотрим теперь аварийную ситуацию, когда по каким-либо причинам лед в трубе уже возник. (Временное отключение электроэнергии, по ошибке выключенная система снеготаяния и так далее).

Условия работы системы снеготаяния в этом случае усугубляются тем обстоятельством, что лед имеет очень хорошую теплопроводность = 2,3 Вт/м К и активно отводить тепло от поверхности кабеля.





















Постановка задачи при это следующая (Рис. 13):
Р - линейный источник тепла, Вт/м
2а - диаметр кабеля
2R - диаметр трубы, заполненной льдом
Тo - температура наружного воздуха.
Из независимости теплового потока в предположении бесконечной длины по оси
следует хорошо известное решение: (см. например [2])
,
где Т - температура поверхности кабеля,
- удельная теплопроводность льда.

Считая, что для таяния необходимо, чтобы Т = 0oС (это не совсем так), и добавляя перепад температуры между внешней стенкой трубы и наружным воздухом, определяемый коэффициентом теплоотдачи н = 23 Вт/м2К, получаем окончательно выражение для критической температуры наружного воздуха, при котором еще возможно таяние на поверхности кабели и система может самостоятельно стартовать.



На рис. 14 приведены графики этой зависимости (как параметр задается удельная мощность кабеля Р, Вт/м). Видно, что для обычного кабеля, мощностью 18-20 Вт/м и труб обычно используемого диаметра возможности старта системы из аварийного состояния ограничиваются -6oС -7oС.

То, что используется не одна, а две или больше ниток кабеля для данной ситуации несущественно и практически не меняет критическую температуру.

Из рассмотрения полученных данных следует несколько интересных выводов. Если мы хотим обеспечить надежную работу системы для "обычных" крыш, то должны увеличить удельную мощность кабеля до 30-35 Вт/м при стандартной конструкции системы снеготаяния.

Если же мы хотим достичь того же результата при используемых сейчас кабелях 18-20 Вт/м, то необходимо существенно менять конструкцию системы водослива.

Зададимся вопросом: зачем в зимнее время держать свободным ото льда сечение трубы диаметром 150-200 мм, рассчитанное на слив потока воды от летних ливней? Зимние потоки неизмеримо меньше и для их отвода вполне достаточно трубы сечением 20-30 мм.

Если же подставить такое значение диаметра в наши оценочные формулы, ситуация с критическими параметрами системы снеготаяния меняется коренным образом.

Например, величина мощности, необходимая для поддержания конвективного потока из рассмотренного ранее примера при замене диаметра 150 мм на 30 мм будет составлять 28 Вт, то есть 1,1 Вт/м, а оценка потерь через боковую поверхность будет: 270 Вт или около 10 Вт/м.

Такие параметры легко обеспечить "обычным" кабелем. Кроме того, критическая температура старта системы при 20 Вт/м возрастает до -20oС, что достаточно, практически, для любой крыши. Конструкцию, основанную на этой идее, назвали "зимняя труба". Рис. 15.

Две подобные системы смонтированы и успешно отработали первую зиму. Основные трудности при монтаже "зимней трубы" связаны с согласованием потоков воды для "зимней" и обычной труб и опасностью засорения тонких "зимних" труб. Однако, эти трудности не имеют принципиального характера.

Еще один сдерживающий фактор - не традиционность решения, что вызывает недоверие к такой системе со стороны заказчиков. Кстати, о засорении труб.

Основной неприятностью для систем снеготаяния является засорение листьями и семенами деревьев. Наблюдалось несколько случаев выхода из строя в результате перегрева нагревательных кабелей в желобах и горизонтальных участках водосточных труб, заполненных листьями и сосновыми иголками.

Способы борьбы с подобным злом:
- закрывание кабельных дорожек металлическим листом
- использование в трубах саморегулирующегося кабеля
- периодическая прочистка водостоков после осенних листопадов

IV. Несколько замечаний об используемом оборудовании.

Учитывая все выше сказанное, выясняется, что в настоящее время нет подходящего универсального типа кабеля для установки на крышах.

- кабель типа DSOT, который начал поставляться год назад, не подходит для открытой установки по пожарным соображениям.

- кабели DTIP18 и DSIG20 не обеспечивают необходимой мощности.

- кабель DSVG в настоящее время снят с производства.

В идеале хотелось бы иметь кабель с самозатухающей (по крайней мере!) внешней оболочкой, стойкой к солнечному ультрафиолету и внешним условиям, позволяющий получать погонную мощность 30-35 Вт/м.

Вопрос о широком использовании саморегулирующегося кабеля требует специального рассмотрения. Кроме высокой стоимости этого кабеля есть сомнения в его работоспособности при низких температурах.

С другой стороны есть и положительные примеры использования саморегулирующегося кабеля в системах снеготаяния на крышах.

Система управления на основе devireg 810 кроме высокой стоимости вызывает ряд нареканий:
- наблюдаются довольно частые выходы из строя датчиков влажности и температуры
- для условий российской зимы недостаточная мощность системы подогрева датчика, (таяние снега на датчике влажности происходит при температурах не ниже -5oС)
- кроме того неудачна форма датчика и рекомендации по его расположению на крыше.

Сам процессорный блок достаточно надежен и к его работе замечаний практически нет.
В целом можно сказать, что благодаря приобретенному опыту надежность работы систем снеготаяния на крышах значительно возросла по сравнению с первыми установками.

Появились критерии оценки параметров кабельных систем, необходимых для обеспечения работы на данной крыше. Ряд трудностей, которые остались и которые все же пока делают проектирование системы снеготаяния на крыше скорее искусством, чем ремеслом, обусловлены объективной сложностью данного объекта.

Системы снеготаяния для крыш. Выводы.

Системы кабельного обогрева, устанавливаемые на крышах, являются наиболее сложными с точки зрения проектирования и оценки их основных параметров. Тому есть несколько причин.

1. Во-первых, существует достаточно много видов конструкций крыш и еще больше схем их исполнения, что создает разные условия работы кабельной системы на таких крышах.

2. Условия работы кабеля и, в частности, теплоотвод с его поверхности, зависит от погодных факторов, наличия снега, льда или воды в элементах водоотводной системы и, поэтому, подвержены сильным изменениям в течение рабочего сезона.

3. Очень часто невозможно получить объективную информацию о теплотехнических параметрах конструкции крыши.

4. Практически всегда отсутствуют наблюдательные данные о поведении кровли зимой, наличии наледей, местах их наибольшего скопления, температурных условиях начала обмерзания водостоков и так далее.

Таким образом, при проектировании систем снеготаяния для крыш практически всегда требуется выезд на объект, тщательное обследование и обмер конструктивных элементов.