Антиобледенительные системы Теплоскат на основе нагревательных кабелей
Назначение антиобледенительных систем
Антиобледенительные системы, появившись в арсенале проектировщиков и строителей зданий и сооружений сравнительно недавно, быстро завоевали признание. Использование таких систем позволяет исключить сколько-нибудь заметное образование наледи в водосточных трубах, желобах, на краю кровли и в других местах ее наиболее вероятного появления. Появление наледи опасно по нескольким причинам:
- отрыв достаточно массивных ледовых масс создает реальную опасность для жизни людей и может стать причиной весьма значительного материального ущерба (повреждения автотранспорта, нижележащих архитектурных элементов);
- повышенная механическая нагрузка на элементы кровли из-за накопления льда приводит к сокращению ее срока службы;
- задержка воды на поверхности кровли в осенне-весенний период и при оттепелях из-за закрытости водостоков и желобов, что приводит к протечкам и значительному материальному ущербу; наиболее часто повреждаются жилые этажи непосредственно под кровлей, части фасада здания вблизи водостоков и ендов;
- необходимость механической очистки кровли, из-за которой резко снижается срок службы кровли.
Внедрение антиобледенительных систем на основе нагревательных кабелей при условии правильного проектирования, учитывающего особенности конструкции кровли, позволяет полностью исключить образование наледи при сравнительно невысоких ценах и незначительном энергопотреблении и обеспечить работоспособность системы организованного водостока весь зимний период.
Общие свойства антиобледенительных систем
Механизмы образования наледи
Осадки в виде снега, находясь на кровле, не представляют собой какой-либо опасности. Однако если создаются условия для плавления снега под действием какого-либо источника тепла, он превращается в воду. Если у образовавшейся талой воды отсутствуют пути для быстрого ухода с кровли, то при наступлении отрицательной температуры она замерзает, превращаясь в лед.
Поскольку необходимые условия для плавления (и скорость плавления) у льда и снега весьма различны, при следующем кратковременном и не повсеместном действии источника теплоты возможно не плавление, а, напротив, увеличение ледовой пробки.
Такой механизм образования наледи может приводить к образованию ледяных заторов, пробок и сосулек длиной в десятки метров и весом в сотни килограмм.
Источники теплоты могут быть разные. Например, атмосферное тепло. Суточные температуры воздуха колеблются с амплитудой, достигающей 15°С, и при колебаниях в диапазоне от +3-+5°С днем до -6-10°С ночью создаются наиболее благоприятные условия для образования наледи. Весной к ним можно добавить излучение солнца. Хотя поверхности снега и льда отражают большую часть падающего на них излучения, даже небольшой налет грязи резко увеличивает коэффициент поглощения. Кроме того, быстро нагреваются оголившиеся участки кровли, и плавление идет с внутренней стороны слоя.
Поэтому образование наледи весной идет более интенсивно, чем осенью.
Собственное тепловыделение имеет место на любой кровле. В минимальной степени оно наблюдается на кровлях с проветриваемым чердаком (холодные кровли).
Однако распространившееся в последнее время использование чердачного пространства для проживания (мансарды) или для оборудования технического этажа (где устанавливается большое количество мощного оборудования для отопления, вентиляции и кондиционирования) резко меняет требования к традиционной конструкции кровли, что далеко не всегда учитывается проектантами и архитекторами. Недостаточно эффективная теплоизоляция и отсутствие продухов приводят к тому, что под поверхностью лежащего на кровле снега (представляющего собой неплохой теплоизолятор) идет постоянное медленное плавление снега, причем этот процесс имеет место на всей поверхности кровли кроме самых ее краев. Такие кровли можно назвать теплыми. Для них характерно образование наледи в более широком диапазоне температур воздуха, что фактически может означать опасность сосулькообразования почти весь холодный сезон.
Работа антиобледенительных систем при температурах ниже -18-20°С, как правило, не нужна. Во-первых, при таких температурах не идет образование наледи по первому механизму и резко уменьшается количество влаги по второму. Во-вторых, при этих условиях количество выпадающих осадков в виде снега также уменьшается. В-третьих, на плавление снега и увод влаги по достаточно длинному пути нужны значительные электрические мощности. При разработке и монтаже антиобледенительной системы надо иметь в виду, что проектировщик должен обеспечить воде, появившейся в результате работы системы, свободный путь вплоть до полного увода с кровли и из водостоков.
Существуют также границы установленных мощностей греющей части систем, определенные на основании практики, несоблюдение которых приводит к неработоспособности системы в указанном диапазоне температур, а значительное превышение приводит лишь к перерасходу электрической мощности без какого-либо улучшения работы систем. К ним относятся: линейные мощности нагревательных кабелей, устанавливаемых на горизонтальных частях кровли. Суммарная удельная мощность на единицу площади поверхности обогреваемой части (лоток, желоб и т.п.) должна составлять не менее 180-25O Вт/кв.м. Удельная мощность нагревательного кабеля в водостоках должна составлять не менее 20-30 Вт на 1 метр длины водостока и увеличивается по мере увеличения длины водостока до 60-70 Вт/м.
Все вышесказанное позволяет сделать несколько общих выводов.
Антиобледенительные системы в основном работают в весенне-осенний периоды, а также во время оттепелей. Работа системы в холодный период (-15-20°С) не только не нужна, но может быть вредна.
Система должна быть оснащена датчиками температуры, осадков и воды и соответствующим специализированным терморегулятором, который скорее можно назвать миниметеостанцией.
Он должен управлять работой системы и допускать возможность подстройки параметров температуры с учетом конкретных особенностей климатической зоны, расположения и этажности здания.
Нагревательные кабели должны быть установлены на всем пути талой воды, начиная с горизонтальных желобов и лотков и заканчивая выходами из водостоков, а при наличии входов в ливневую канализацию - вплоть до коллекторов ниже глубины промерзания.
Должны быть выполнены нормативы установленной мощности нагревательных кабелей для различных частей системы - горизонтальных лотков и желобов, и вертикальных водостоков.
Составные части системы
Антиобледенительная система включает в себя:
- греющую часть, состоящую из нагревательных кабелей и аксессуаров для их крепления на кровле и непосредственно выполняющую задачу перевода осадков в виде снега или инея в воду вплоть до полного их удаления. (В состав греющей части могут входить также воронки со встроенным подогревом, некоторые элементы снегозадержания, взаимодействующие с нагревательными элементами.);
- распределительную и информационную сеть, обеспечивающую питание для всех элементов греющей части и проведение информационных сигналов от датчиков до щита системы управления. (В состав системы входят силовые и информационные кабели, соответствующие условиям работы на кровле, распределительные коробки и крепежные элементы);
- систему управления, содержащую шкаф управления, специальные терморегуляторы, датчики температуры, осадков и воды, пускорегулирующую и защитную аппаратуру, соответствующую мощности системы и классу исполнения шкафа управления.
Типовые обогреваемые зоны
К типовым обогреваемым зонам системы относятся: водосточные трубы на всю длину; водосточные желоба и лотки; водосточные воронки и зоны вокруг них площадью около 1м2;; узлы входа желобов в водосточные трубы; ендовы (линии стыка плоскостей крыши), другие примыкания к плоскости кровли - мансардные окна, фонари, аттики; водометы и водометные окна в парапетах; карнизы крыш; капельники; поверхности плоских крыш и бетонных водосточных лотков; дренажные и водосборные лотки в грунте под водосточными трубами.Основные подсистемы
Этапы проектирования
Проектирование кабельной системы Теплоскат состоит из нескольких этапов: получение от заказчика чертежей зданий и сооружений с обозначением обогреваемых участков крыши и водостоков, с указанием, какую роль должна выполнять проектируемая система обогрева; фотосъемка и измерение отдельных фрагментов обогреваемых участков кровли; классификация этих участков с последующим выделением характерных зон и опасных (с точки зрения накопления снега и образования льда) мест.
К опасным местам относятся: водосточные трубы; воронки и отметы водосточных труб; желоба и лотки, особенно в зонах примыкания к водосточньм воронкам; ендовы (стыки плоскостей разных крыш), мансардные окна, фонари; водометы; карнизы крыш; капельники.
Определяются высота здания, длина, высота и ширина крыши, длина и диаметр водосточных труб, длина и размеры лотков, желобов.
Разрабатывается техническое задание на проектирование, в котором, исходя из имеющегося опыта и рекомендаций, определяются обогреваемые зоны кровли, задаются удельные мощности обогрева для всех узлов системы количество ниток и тип нагревательного кабеля, описывается алгоритм работы системы.
Рассчитывается потребное количество нагревательного кабеля, обогреваемых воронок и общая электрическая мощность системы.
Оценивается возможность срыва с поверхности крыши ледяных глыб и сосулек, сползания сугробов снега, намечаются решения по их предупреждению.
Конструируются специальные устройства, предотвращающие накопление снега и льда на опасных участках, и их сочетание с нагревательными секциями. Выбираются крепежные элементы из типового набора.
Определяются тип, количество и параметры нагревательных секций и предварительные схемы их раскладки. Уточняются мощностные параметры системы обогрева в целом.
Вычерчиваются схемы раскладки нагревательных секций.
Проектируются силовая питающая сеть и система управления.
Выпускается полный пакет проектной документации, в который входят чертежи раскладки кабельных нагревательных секций, чертежи прокладки силовой и информационной кабельной сети, схемы подключения секций и воронок, систем автоматики, паспорт на систему кабельного обогрева Теплоскат.
Разрабатывается комплект сметной документации, если это предусматривается договором с заказчиком.
Нагревательные кабели - классификация и особенности
Нагревательные кабели - основной элемент антиобледенительных систем, обеспечивающий их эффективность и надежность. Классификация нагревательных кабелей приведена в табл. 2. Заметим, что в дальнейшем речь пойдет только о нагревательных кабелях, рекомендуемых к применению на кровлях.Таблица 2
Основные требования к нагревательным кабелям
Кабели греющей части и распределительной сети размещены на кровле, что накладывает на них целый ряд специальных требований - стойкость к атмосферным осадкам, солнечной радиации, расширенный диапазон рабочих температур (от -40°С до 90°С), достаточно высокая механическая прочность оболочки и кабеля в целом.
Эти элементы являются токопроводящими, причем, как правило, системы запитываются сетевым напряжением 220 или 380В. Поэтому весьма важно при проектировании всей системы удовлетворить требованиям ПУЭ, в том числе по сопротивлению изоляции всех ветвей, включающих нагревательные и распределительные кабели.
Нагревательные кабели, применяемые на кровле, в обязательном порядке должны иметь двухслойную изоляцию, металлический экран любого исполнения с сопротивлением не более, чем у медной жилы сечением 1 мм, оболочку, стойкую к солнечной радиации и атмосферным осадкам, обладающую достаточной механической прочностью. Те же требования предъявляются к оболочке кабелей распределительной сети.
Лишь выполнение перечисленных требований позволяет создавать совершенно безопасные и весьма эффективные кровельные антиобледенительные системы.
Резистивные кабели
Тепловыделяющий элемент - металлическая жила. Линейное тепловыделение - от 5 до 30 Вт/м жестко фиксировано самой конструкцией. Основные производители - Де-V1(Дания), ССТ (Россия), "Ceilhit" (Испания), "Ensto" (Финляндия), "Alcatel" (Норвегия, Франция).
Особенности применения
Секции кабеля определенной конструкции имеют жестко фиксированную длину, в то время как у кровель размеры лотков и длины водостоков весьма разнятся. Указанное свойство делает проектирование кровельных антиобледенительных систем на резистивных кабелях трудоемким и неэффективным, поскольку при установке систем на кровлю даже незначительное отклонение размеров от указанных на чертежах приводит к необходимости корректировки, а иногда даже полному изменению проекта.
Следует принимать во внимание и особенности функционирования греющего кабеля на реальной кровле. Потребность в теплоте существенно меняется от одного участка к другому - на горизонтальных участках лотков она имеет одно значение, в водостоках - другое, на капельниках - третье. Теплоотдача резистивного кабеля совершенно одинакова. Это приводит к тому, что на одних участках кабель перегревается, на других выделяемого им тепла может быть недостаточно для обеспечения удовлетворительного функционирования системы. На основании вышеизложенного резистивные кабели, еще несколько лет назад достаточно широко использовавшиеся на кровлях (в том числе и благодаря их дешевизне), сегодня почти не применяются.
Саморегулирующиеся кабели
Тепловыделяющий элемент - специальная тепловыделяющая пластиковая матрица. Очень важная особенность саморегулирующихся кабелей состоит в том, что тепловыделение может изменяться по длине секции в зависимости от локальных теплопотерь. Фактически каждый участок кабеля "приспосабливается" к окружающим именно его внешним условиям. Тепловыделение нормируется для стандартизованных условий и обычно входит в наименование кабеля. Основные производители: "Raychem" (США), "HeatTraee" (Великобритания), "Thermon" (США), "Isopad" (Голландия). '
Кабели HeatTrace поставляются на российский рынок под торговыми марками ССТ(Специальные системы и технология) и Alcatel.
Особенности применения
Кабель может быть использован произвольными длинами (от 0,2 м до десятков метров), причем резка может производится на объекте. Ограничение накладывается на предельную длину, которая для разных типов кабелей составляет от 60 до 150 м, что для всех типов кровель достаточно. Тепловыделение кабеля в условиях кровли больше номинального в 1,5-2 раза, поскольку во время работы кабель частично погружен в воду.
В системах на основе саморегулирующихся кабелей следует учитывать существенную разницу между пусковым и номинальным токами (от 2 до 4 раз), что должно быть учтено в типах пускорегулирующей аппаратуры и указано в сопроводительной документации на систему. Саморегулирующиеся кабели дороже резистивных, однако при разумном проектировании стоимость систем на их основе превышает стоимость системы на резистивных кабелях лишь на 15-25%, поскольку необходимо меньше распределительных кабелей и весьма экономно используется греющий кабель. Кроме того, эти системы более надежны и экономичны. Антиобледенительные системы на саморегулирующихся кабелях в настоящее время завоевали абсолютное первенство в Норвегии, Финляндии, Швеции, Канаде.
Зональные кабели
Тепловыделяющий элемент - спирально наложенная на две изолированные токопроводящие жилы проволока из сплава высокого сопротивления. Шаг соединения спирали с токоподводящими жилами - примерно 1 м.
Удельное тепловыделение - от 15 до 70 Вт/м. Жестко фиксировано и не зависит от внешних условий.
Основные производители: HeatTracе(Великобритания), Thermon(CШA).
Особенности применения
Зональные кабели во многом подобны резистивным, но имеют одно из преимуществ саморегулирующихся - их можно резать непосредственно на объекте. Одно из немногих целесообразных применений зональных кабелей на кровлях - использование их в длинных и сверхдлинных водостоках (40 м и более) большого диаметра (200 мм и более), а также в системах, где по условиям необходимо абсолютное отсутствие наледи. В этих случаях жесткая характеристика зонального кабеля становится его достоинством.
Бронированные кабели
Тепловыделяющий элемент - металлическая жила. Имеет двухслойную броню из стальных оцинкованных проволок, которая обеспечивает надежную механическую защиту кабеля и повышенную линейную мощность, Удельное тепловыделение - 20-45 Вт/м. Основной производитель - ССТ (Россия).
Особенности применения
Бронированные нагревательные кабели появились в самое последнее время. По своим характеристикам они близки к резистивным кабелям. Существенным является резкое увеличение допустимой температуры на жиле (до 150°С), механической прочности кабеля и его теплоотдающей способности. Запас работоспособности кабеля позволяет производить определенное изменение длины секции непосредственно на объекте (прирезку) на длину 1-2м. Кабели выпускаются как одно-, так и двухжильными. Механическая прочность брони позволяет опускать кабели в водостоки без использования тросов. Находят широкое применение в антиобледенительных системах для т.н. "перевернутых" кровель и бетонных водоотводных лотков, поскольку являются практически единственным нагревательным кабелем, допускающим укладку непосредственно в бетон. Недороги.
Основы проектирования
На основании имеющихся чертежей, фотографий и замеров, выполненных на объекте, водосточная система подразделяется на характерные элементы. Определяется общее количество и типаж кабельных нагревательных секций, требующихся для обогрева заданных участков крыши, лотков, желобов, ендов, водосточных труб и водометов.
Саморегулирующиеся секции марки ССБЭ используются для обогрева водосточных труб, желобов, лотков, карнизов, капельников, ендов, водометов и площадок между ними.
Бронированные секции постоянной мощности марки ТДОЭ (со средней линейной мощностью 30 Вт/м) используются для обогрева длинных и линейных по форме лотков, желобов, водосточных труб, капельников, в процессе эксплуатации которых возможны значительные механические воздействия на нагревательные секции.
Бронированные секции (со средней линейной мощностью 35-40 Вт/м) используются при обогреве плоских кровель и лотков, когда есть возможность залить секции в стяжку.
Обогреваемые воронки рекомендуется использовать на плоских крышах для обогрева входов в трубы, проходящие по теплым помещениям.
При расчете мощности и потребного количества нагревательных кабелей следует исходить из рекомендаций, приведенных ниже:
Водосточные трубы. Номинальная мощность нагревательных кабелей, устанавливаемых в трубы, в отсутствие воды колеблется от 20 до 60 Вт на 1 погонный метр. Она зависит от длины и диаметра трубы. Особенно эффективно применение саморегулирующихся кабелей, способных увеличить теплоотдачу при наличии воды в 1,6-1,8 раза.
Водосточные желоба и лотки. Линейная номинальная мощность обогрева желобов зависит от площади водосбора, лежащей выше желобов, лотков и может нормироваться через площадь водосбора, приходящуюся на 1 м желоба (лотка). При площади водосбора до 5 м мощность обогрева может не превышать 20 Вт/м, увеличиваясь до 50 Вт/м при площади водосбора 25 м2 и более.
Парапеты, расположенные по краю кровли, выполняют роль направляющих желобов, но одновременно они способствуют накоплению снега и льда. Для обогрева кровли за парапетами рекомендуется принимать мощности как для желобов, но на одну ступень больше.
Ендовы также способствуют наполнению снега, и их рекомендуется обогревать не менее чем на 1/3 их длины. Как правило, по схеме раскладки нагревательных секций обогрев ендов обычно объединяется с обогревом желобов, и с целью предотвращения накопления снега он выполняется в 2 нитки тем же кабелем, который используется для обогрева желобов.
Примыкания кровли к вертикальным стенам накапливают снег и вызывают протечки через стены. В зависимости от общей схемы укладки секций обогрев примыканий рекомендуется выполнять в 1 или 2 нитки.
Водометы в парапетах весьма опасные места, способствующие накоплению льда. Рекомендуется обогревать дно водомета и площадку перед водометом не менее 1 м2, исходя из мощности 300 Вт/м2.
Обогреваемые воронки - готовые изделия, встраиваемые в водоприемные воронки. Они обычно имеют мощность 50 Ватт. В отдельных случаях проходимость воронок обеспечивается пропусканием в них петли кабеля на глубину до теплой зоны.
Плоские кровли, как уже отмечалось выше, рекомендуется обогревать бронированными резистивными кабелями, исходя из удельной мощности 250-350 Вт/м2. Причем большие мощности относятся к кровлям, на которых могут быть большие заносы. Шаг укладки бронированных кабелей колеблется от 100 до 140 мм. Минимальный радиус изгиба одножильного кабеля - 80мм, двухжильного - 120 мм.
Карнизы, расположенные ниже желобов, служат источником снежных и ледяных глыб, срывающихся с крыш. Для удаления снега на карнизах укладку выполняют или вдоль карниза (при ширине карниза до 300 мм) или по всей площади. В этом случае могут использоваться как саморегулирующиеся, так и бронированные кабели.
Капельники, в зависимости от конструкции самого капельника, обогреваются в одну или две нитки саморегулирующимся или бронированным кабелем.
Суммарная номинальная мощность системы определяется по формуле:
Рном = S (Pi ном х Li) + S(Рвном х Ni)
где: Рном - суммарная номинальная мощность, Вт.
Pi ном - линейная номинальная мощность кабеля, Вт/м, Li - длина нагревательной секции, м,
Рв ном - номинальная мощность обогреваемой воронки, Вт, Ni - количество обогреваемых воронок, шт.
Суммарная установленная мощность системы определяется по формуле:
Pycт = S(Pi ycт х Li) + S(Pвycт х Ni)
где: Руст - суммарная установленная мощность, Вт.
Pi уст - линейная установленная мощность кабеля, Вт/м,
Li - длина нагревательной секции, м
Рв уст - установленная мощность обогреваемой воронки, Вт, Ni - количество обогреваемых воронок, шт.
Сечение силовых кабелей рассчитывают по таблицам из ПУЭ, исходя из величины суммарного номинального тока с коэффициентом запаса 1,25:
I ном = 1,25 x Рном / U
где: I - длительный максимально допустимый ток, А,
U - напряжение питания, В.
Коммутационные, пусковые и защитные аппараты выбирают, исходя из величины суммарного пускового тока с коэффициентом запаса 1,5 и времени спадания пускового тока:
I пуск = 1,5 Руст / U
где: I - максимальный пусковой ток, А; U - напряжение питания, В.
Управление системами - основы и аппаратура
Алгоритм управления антиобледенительными системами независимо от применяемой аппаратуры должен соответствовать физическим процессам образования наледи на кровле (п.2). Поэтому выбор аппаратуры производителя определяется прежде всего ее соответствием физическим процессам, возможностью ее настройки на особенности конкретного здания и климатической зоны, надежностью и ценой.
Как правило, в комплект к так называемому "крышному" термостату прилагаются датчик температуры наружного воздуха и датчик осадков. Датчик осадков представляет собой элемент с двумя электродами, оснащенный подогревателем весьма малой (2-5 Вт) мощности. При наличии влаги между электродами состояние датчика изменяется и система получает сигнал о наличии осадков.
В некоторых случаях находят применение датчики присутствия влаги для лотков или водостоков, основанные на том же принципе. Их применение позволяет определить момент ухода воды с горизонтальных частей кровли (лотки и желоба), после чего их можно отключить. Это делает систему весьма экономной в эксплуатации.
Требования безопасности
Основные требования предъявляются с точки зрения пожаро- и электробезопасности. Для их удовлетворения необходимо выполнение нескольких требований.
В состав системы должны входить только нагревательные кабели, имеющие соответствующие сертификаты, в т.ч. обязателен сертификат пожаробезопасности. Как правило, это негорючие кабели или кабели, не поддерживающие горение.
Греющая часть системы должна быть оснащена УЗО или дифференциальным автоматом с током утечки не более 30 мА (для требований электробезопасности - 10 мА).
Сложные антиобледенительные системы необходимо разбивать на отдельные части с токами утечки в каждой части, не превышающими указанные выше значения.
Испытания системы и оценка эффективности
Испытания антиобледенительных систем можно разделить на две группы: приемо-сдаточные и периодические.
Приемо-сдаточные испытания, как правило, начинаются с испытаний сопротивления изоляции нагревательных и распределительных кабелей. Проводится тестирование УЗО (или дифференциальных автоматов).
Составляются соответствующие протоколы с указанием конкретных значений. Наиболее информативными являются испытания на функционирование, в ходе которых проверяется эффективность работы системы. Следует отметить, что антиобледенительные системы не являются системами мгновенного действия. Они предназначены для работы в "ждущем" режиме и включаются сразу при появлении осадков. Если система была включена не в начале сезона и на кровле накопился слой снега, то ей понадобится время от 6 часов до суток для его удаления. Затруднения имеются при сдаче системы в теплое время года. В это время проверяется надлежащее функционирование управляющей аппаратуры, имитируются сигналы с датчиков, проверяется переход системы в режим включения нагрузки, отключения лотков, а затем и отключения водостоков. Периодические испытания проводятся, как правило, в начале осени для проверки технического состояния системы и подготовки ее к работе. Прежде всего проверяется сопротивление изоляции для выявления поврежденных участков, затем проверяется состояние аппаратуры, проводится ее пробное включение.
После проверки настроек терморегуляторов производится рабочее включение системы, и она остается работать в "ждущем" режиме.
Подробную информацию и техническую консультацию можно получить:
ООО "Теплолюкс М"
220040 г.Минск, ул.М. Богдановича, 149А
тел/факс: 234-20-85, тел: 211-34-06
E-mail: teplolux@hotmail.com
Антиобледенительные системы, появившись в арсенале проектировщиков и строителей зданий и сооружений сравнительно недавно, быстро завоевали признание. Использование таких систем позволяет исключить сколько-нибудь заметное образование наледи в водосточных трубах, желобах, на краю кровли и в других местах ее наиболее вероятного появления. Появление наледи опасно по нескольким причинам:
- отрыв достаточно массивных ледовых масс создает реальную опасность для жизни людей и может стать причиной весьма значительного материального ущерба (повреждения автотранспорта, нижележащих архитектурных элементов);
- повышенная механическая нагрузка на элементы кровли из-за накопления льда приводит к сокращению ее срока службы;
- задержка воды на поверхности кровли в осенне-весенний период и при оттепелях из-за закрытости водостоков и желобов, что приводит к протечкам и значительному материальному ущербу; наиболее часто повреждаются жилые этажи непосредственно под кровлей, части фасада здания вблизи водостоков и ендов;
- необходимость механической очистки кровли, из-за которой резко снижается срок службы кровли.
Внедрение антиобледенительных систем на основе нагревательных кабелей при условии правильного проектирования, учитывающего особенности конструкции кровли, позволяет полностью исключить образование наледи при сравнительно невысоких ценах и незначительном энергопотреблении и обеспечить работоспособность системы организованного водостока весь зимний период.
Общие свойства антиобледенительных систем
Механизмы образования наледи
Осадки в виде снега, находясь на кровле, не представляют собой какой-либо опасности. Однако если создаются условия для плавления снега под действием какого-либо источника тепла, он превращается в воду. Если у образовавшейся талой воды отсутствуют пути для быстрого ухода с кровли, то при наступлении отрицательной температуры она замерзает, превращаясь в лед.
Поскольку необходимые условия для плавления (и скорость плавления) у льда и снега весьма различны, при следующем кратковременном и не повсеместном действии источника теплоты возможно не плавление, а, напротив, увеличение ледовой пробки.
Такой механизм образования наледи может приводить к образованию ледяных заторов, пробок и сосулек длиной в десятки метров и весом в сотни килограмм.
Источники теплоты могут быть разные. Например, атмосферное тепло. Суточные температуры воздуха колеблются с амплитудой, достигающей 15°С, и при колебаниях в диапазоне от +3-+5°С днем до -6-10°С ночью создаются наиболее благоприятные условия для образования наледи. Весной к ним можно добавить излучение солнца. Хотя поверхности снега и льда отражают большую часть падающего на них излучения, даже небольшой налет грязи резко увеличивает коэффициент поглощения. Кроме того, быстро нагреваются оголившиеся участки кровли, и плавление идет с внутренней стороны слоя.
Поэтому образование наледи весной идет более интенсивно, чем осенью.
Собственное тепловыделение имеет место на любой кровле. В минимальной степени оно наблюдается на кровлях с проветриваемым чердаком (холодные кровли).
Однако распространившееся в последнее время использование чердачного пространства для проживания (мансарды) или для оборудования технического этажа (где устанавливается большое количество мощного оборудования для отопления, вентиляции и кондиционирования) резко меняет требования к традиционной конструкции кровли, что далеко не всегда учитывается проектантами и архитекторами. Недостаточно эффективная теплоизоляция и отсутствие продухов приводят к тому, что под поверхностью лежащего на кровле снега (представляющего собой неплохой теплоизолятор) идет постоянное медленное плавление снега, причем этот процесс имеет место на всей поверхности кровли кроме самых ее краев. Такие кровли можно назвать теплыми. Для них характерно образование наледи в более широком диапазоне температур воздуха, что фактически может означать опасность сосулькообразования почти весь холодный сезон.
Работа антиобледенительных систем при температурах ниже -18-20°С, как правило, не нужна. Во-первых, при таких температурах не идет образование наледи по первому механизму и резко уменьшается количество влаги по второму. Во-вторых, при этих условиях количество выпадающих осадков в виде снега также уменьшается. В-третьих, на плавление снега и увод влаги по достаточно длинному пути нужны значительные электрические мощности. При разработке и монтаже антиобледенительной системы надо иметь в виду, что проектировщик должен обеспечить воде, появившейся в результате работы системы, свободный путь вплоть до полного увода с кровли и из водостоков.
Существуют также границы установленных мощностей греющей части систем, определенные на основании практики, несоблюдение которых приводит к неработоспособности системы в указанном диапазоне температур, а значительное превышение приводит лишь к перерасходу электрической мощности без какого-либо улучшения работы систем. К ним относятся: линейные мощности нагревательных кабелей, устанавливаемых на горизонтальных частях кровли. Суммарная удельная мощность на единицу площади поверхности обогреваемой части (лоток, желоб и т.п.) должна составлять не менее 180-25O Вт/кв.м. Удельная мощность нагревательного кабеля в водостоках должна составлять не менее 20-30 Вт на 1 метр длины водостока и увеличивается по мере увеличения длины водостока до 60-70 Вт/м.
Все вышесказанное позволяет сделать несколько общих выводов.
Антиобледенительные системы в основном работают в весенне-осенний периоды, а также во время оттепелей. Работа системы в холодный период (-15-20°С) не только не нужна, но может быть вредна.
Система должна быть оснащена датчиками температуры, осадков и воды и соответствующим специализированным терморегулятором, который скорее можно назвать миниметеостанцией.
Он должен управлять работой системы и допускать возможность подстройки параметров температуры с учетом конкретных особенностей климатической зоны, расположения и этажности здания.
Нагревательные кабели должны быть установлены на всем пути талой воды, начиная с горизонтальных желобов и лотков и заканчивая выходами из водостоков, а при наличии входов в ливневую канализацию - вплоть до коллекторов ниже глубины промерзания.
Должны быть выполнены нормативы установленной мощности нагревательных кабелей для различных частей системы - горизонтальных лотков и желобов, и вертикальных водостоков.
Составные части системы
Антиобледенительная система включает в себя:
- греющую часть, состоящую из нагревательных кабелей и аксессуаров для их крепления на кровле и непосредственно выполняющую задачу перевода осадков в виде снега или инея в воду вплоть до полного их удаления. (В состав греющей части могут входить также воронки со встроенным подогревом, некоторые элементы снегозадержания, взаимодействующие с нагревательными элементами.);
- распределительную и информационную сеть, обеспечивающую питание для всех элементов греющей части и проведение информационных сигналов от датчиков до щита системы управления. (В состав системы входят силовые и информационные кабели, соответствующие условиям работы на кровле, распределительные коробки и крепежные элементы);
- систему управления, содержащую шкаф управления, специальные терморегуляторы, датчики температуры, осадков и воды, пускорегулирующую и защитную аппаратуру, соответствующую мощности системы и классу исполнения шкафа управления.
Типовые обогреваемые зоны
К типовым обогреваемым зонам системы относятся: водосточные трубы на всю длину; водосточные желоба и лотки; водосточные воронки и зоны вокруг них площадью около 1м2;; узлы входа желобов в водосточные трубы; ендовы (линии стыка плоскостей крыши), другие примыкания к плоскости кровли - мансардные окна, фонари, аттики; водометы и водометные окна в парапетах; карнизы крыш; капельники; поверхности плоских крыш и бетонных водосточных лотков; дренажные и водосборные лотки в грунте под водосточными трубами.Основные подсистемы
| Подсистема обогрева | Подсистема питания и управления | Распределительная и информационная сеть |
| нагревательные секции | терморегуляторы | силовая кабельная сеть |
| обогреваемые воронки | датчики температуры, осадков и воды | информационная кабельная сеть |
| крепежные и защитные элементы, ' тросы | шкафы управления с пусковыми автоматами, УЗО, реле времени | распределительные и соединительные коробки |
| снегозадерживающие элементы | крепежные элементы | защитные трубы, короба, лотки, крепежные элементы |
Проектирование кабельной системы Теплоскат состоит из нескольких этапов: получение от заказчика чертежей зданий и сооружений с обозначением обогреваемых участков крыши и водостоков, с указанием, какую роль должна выполнять проектируемая система обогрева; фотосъемка и измерение отдельных фрагментов обогреваемых участков кровли; классификация этих участков с последующим выделением характерных зон и опасных (с точки зрения накопления снега и образования льда) мест.
К опасным местам относятся: водосточные трубы; воронки и отметы водосточных труб; желоба и лотки, особенно в зонах примыкания к водосточньм воронкам; ендовы (стыки плоскостей разных крыш), мансардные окна, фонари; водометы; карнизы крыш; капельники.
Определяются высота здания, длина, высота и ширина крыши, длина и диаметр водосточных труб, длина и размеры лотков, желобов.
Разрабатывается техническое задание на проектирование, в котором, исходя из имеющегося опыта и рекомендаций, определяются обогреваемые зоны кровли, задаются удельные мощности обогрева для всех узлов системы количество ниток и тип нагревательного кабеля, описывается алгоритм работы системы.
Рассчитывается потребное количество нагревательного кабеля, обогреваемых воронок и общая электрическая мощность системы.
Оценивается возможность срыва с поверхности крыши ледяных глыб и сосулек, сползания сугробов снега, намечаются решения по их предупреждению.
Конструируются специальные устройства, предотвращающие накопление снега и льда на опасных участках, и их сочетание с нагревательными секциями. Выбираются крепежные элементы из типового набора.
Определяются тип, количество и параметры нагревательных секций и предварительные схемы их раскладки. Уточняются мощностные параметры системы обогрева в целом.
Вычерчиваются схемы раскладки нагревательных секций.
Проектируются силовая питающая сеть и система управления.
Выпускается полный пакет проектной документации, в который входят чертежи раскладки кабельных нагревательных секций, чертежи прокладки силовой и информационной кабельной сети, схемы подключения секций и воронок, систем автоматики, паспорт на систему кабельного обогрева Теплоскат.
Разрабатывается комплект сметной документации, если это предусматривается договором с заказчиком.
Нагревательные кабели - классификация и особенности
Нагревательные кабели - основной элемент антиобледенительных систем, обеспечивающий их эффективность и надежность. Классификация нагревательных кабелей приведена в табл. 2. Заметим, что в дальнейшем речь пойдет только о нагревательных кабелях, рекомендуемых к применению на кровлях.Таблица 2
| Тип кабеля | Основное назначение | Диапазон мощностей, Вт/м | Длина секции | Применимость на кровлях | Цена, $/м |
| Резистивные | Подогрев полов | 5-30 фиксиров. | Фиксированная 10—200м | Ограниченная | 2-3 |
| Саморегулирующиеся | Подогрев трубопроводов, лотков, водостоков | 8-90 перемен. | Любая, до 150м резка по месту | Полная | 7-14 |
| Зональные | Подогрев трубопроводов | 15-70 фиксиров. | Любая,до 150м резка по месту | Подогрев длинных водостоков | 5-12 |
| Бронированные | Подогрев открытых площадей, водостоков | 20-45, фиксиров. с возможностью незначит. коррекции | Фиксиров анная с возможностью прирезки по месту 1-2м | Подогрев длинных водостоков, капельников, бетонных лотков | 3-5 |
Кабели греющей части и распределительной сети размещены на кровле, что накладывает на них целый ряд специальных требований - стойкость к атмосферным осадкам, солнечной радиации, расширенный диапазон рабочих температур (от -40°С до 90°С), достаточно высокая механическая прочность оболочки и кабеля в целом.
Эти элементы являются токопроводящими, причем, как правило, системы запитываются сетевым напряжением 220 или 380В. Поэтому весьма важно при проектировании всей системы удовлетворить требованиям ПУЭ, в том числе по сопротивлению изоляции всех ветвей, включающих нагревательные и распределительные кабели.
Нагревательные кабели, применяемые на кровле, в обязательном порядке должны иметь двухслойную изоляцию, металлический экран любого исполнения с сопротивлением не более, чем у медной жилы сечением 1 мм, оболочку, стойкую к солнечной радиации и атмосферным осадкам, обладающую достаточной механической прочностью. Те же требования предъявляются к оболочке кабелей распределительной сети.
Лишь выполнение перечисленных требований позволяет создавать совершенно безопасные и весьма эффективные кровельные антиобледенительные системы.
Резистивные кабели
Тепловыделяющий элемент - металлическая жила. Линейное тепловыделение - от 5 до 30 Вт/м жестко фиксировано самой конструкцией. Основные производители - Де-V1(Дания), ССТ (Россия), "Ceilhit" (Испания), "Ensto" (Финляндия), "Alcatel" (Норвегия, Франция).
Особенности применения
Секции кабеля определенной конструкции имеют жестко фиксированную длину, в то время как у кровель размеры лотков и длины водостоков весьма разнятся. Указанное свойство делает проектирование кровельных антиобледенительных систем на резистивных кабелях трудоемким и неэффективным, поскольку при установке систем на кровлю даже незначительное отклонение размеров от указанных на чертежах приводит к необходимости корректировки, а иногда даже полному изменению проекта.
Следует принимать во внимание и особенности функционирования греющего кабеля на реальной кровле. Потребность в теплоте существенно меняется от одного участка к другому - на горизонтальных участках лотков она имеет одно значение, в водостоках - другое, на капельниках - третье. Теплоотдача резистивного кабеля совершенно одинакова. Это приводит к тому, что на одних участках кабель перегревается, на других выделяемого им тепла может быть недостаточно для обеспечения удовлетворительного функционирования системы. На основании вышеизложенного резистивные кабели, еще несколько лет назад достаточно широко использовавшиеся на кровлях (в том числе и благодаря их дешевизне), сегодня почти не применяются.
Саморегулирующиеся кабели
Тепловыделяющий элемент - специальная тепловыделяющая пластиковая матрица. Очень важная особенность саморегулирующихся кабелей состоит в том, что тепловыделение может изменяться по длине секции в зависимости от локальных теплопотерь. Фактически каждый участок кабеля "приспосабливается" к окружающим именно его внешним условиям. Тепловыделение нормируется для стандартизованных условий и обычно входит в наименование кабеля. Основные производители: "Raychem" (США), "HeatTraee" (Великобритания), "Thermon" (США), "Isopad" (Голландия). '
Кабели HeatTrace поставляются на российский рынок под торговыми марками ССТ(Специальные системы и технология) и Alcatel.
Особенности применения
Кабель может быть использован произвольными длинами (от 0,2 м до десятков метров), причем резка может производится на объекте. Ограничение накладывается на предельную длину, которая для разных типов кабелей составляет от 60 до 150 м, что для всех типов кровель достаточно. Тепловыделение кабеля в условиях кровли больше номинального в 1,5-2 раза, поскольку во время работы кабель частично погружен в воду.
В системах на основе саморегулирующихся кабелей следует учитывать существенную разницу между пусковым и номинальным токами (от 2 до 4 раз), что должно быть учтено в типах пускорегулирующей аппаратуры и указано в сопроводительной документации на систему. Саморегулирующиеся кабели дороже резистивных, однако при разумном проектировании стоимость систем на их основе превышает стоимость системы на резистивных кабелях лишь на 15-25%, поскольку необходимо меньше распределительных кабелей и весьма экономно используется греющий кабель. Кроме того, эти системы более надежны и экономичны. Антиобледенительные системы на саморегулирующихся кабелях в настоящее время завоевали абсолютное первенство в Норвегии, Финляндии, Швеции, Канаде.
Зональные кабели
Тепловыделяющий элемент - спирально наложенная на две изолированные токопроводящие жилы проволока из сплава высокого сопротивления. Шаг соединения спирали с токоподводящими жилами - примерно 1 м.
Удельное тепловыделение - от 15 до 70 Вт/м. Жестко фиксировано и не зависит от внешних условий.
Основные производители: HeatTracе(Великобритания), Thermon(CШA).
Особенности применения
Зональные кабели во многом подобны резистивным, но имеют одно из преимуществ саморегулирующихся - их можно резать непосредственно на объекте. Одно из немногих целесообразных применений зональных кабелей на кровлях - использование их в длинных и сверхдлинных водостоках (40 м и более) большого диаметра (200 мм и более), а также в системах, где по условиям необходимо абсолютное отсутствие наледи. В этих случаях жесткая характеристика зонального кабеля становится его достоинством.
Бронированные кабели
Тепловыделяющий элемент - металлическая жила. Имеет двухслойную броню из стальных оцинкованных проволок, которая обеспечивает надежную механическую защиту кабеля и повышенную линейную мощность, Удельное тепловыделение - 20-45 Вт/м. Основной производитель - ССТ (Россия).
Особенности применения
Бронированные нагревательные кабели появились в самое последнее время. По своим характеристикам они близки к резистивным кабелям. Существенным является резкое увеличение допустимой температуры на жиле (до 150°С), механической прочности кабеля и его теплоотдающей способности. Запас работоспособности кабеля позволяет производить определенное изменение длины секции непосредственно на объекте (прирезку) на длину 1-2м. Кабели выпускаются как одно-, так и двухжильными. Механическая прочность брони позволяет опускать кабели в водостоки без использования тросов. Находят широкое применение в антиобледенительных системах для т.н. "перевернутых" кровель и бетонных водоотводных лотков, поскольку являются практически единственным нагревательным кабелем, допускающим укладку непосредственно в бетон. Недороги.
Основы проектирования
На основании имеющихся чертежей, фотографий и замеров, выполненных на объекте, водосточная система подразделяется на характерные элементы. Определяется общее количество и типаж кабельных нагревательных секций, требующихся для обогрева заданных участков крыши, лотков, желобов, ендов, водосточных труб и водометов.
Саморегулирующиеся секции марки ССБЭ используются для обогрева водосточных труб, желобов, лотков, карнизов, капельников, ендов, водометов и площадок между ними.
Бронированные секции постоянной мощности марки ТДОЭ (со средней линейной мощностью 30 Вт/м) используются для обогрева длинных и линейных по форме лотков, желобов, водосточных труб, капельников, в процессе эксплуатации которых возможны значительные механические воздействия на нагревательные секции.
Бронированные секции (со средней линейной мощностью 35-40 Вт/м) используются при обогреве плоских кровель и лотков, когда есть возможность залить секции в стяжку.
Обогреваемые воронки рекомендуется использовать на плоских крышах для обогрева входов в трубы, проходящие по теплым помещениям.
При расчете мощности и потребного количества нагревательных кабелей следует исходить из рекомендаций, приведенных ниже:
Водосточные трубы. Номинальная мощность нагревательных кабелей, устанавливаемых в трубы, в отсутствие воды колеблется от 20 до 60 Вт на 1 погонный метр. Она зависит от длины и диаметра трубы. Особенно эффективно применение саморегулирующихся кабелей, способных увеличить теплоотдачу при наличии воды в 1,6-1,8 раза.
Водосточные желоба и лотки. Линейная номинальная мощность обогрева желобов зависит от площади водосбора, лежащей выше желобов, лотков и может нормироваться через площадь водосбора, приходящуюся на 1 м желоба (лотка). При площади водосбора до 5 м мощность обогрева может не превышать 20 Вт/м, увеличиваясь до 50 Вт/м при площади водосбора 25 м2 и более.
Парапеты, расположенные по краю кровли, выполняют роль направляющих желобов, но одновременно они способствуют накоплению снега и льда. Для обогрева кровли за парапетами рекомендуется принимать мощности как для желобов, но на одну ступень больше.
Ендовы также способствуют наполнению снега, и их рекомендуется обогревать не менее чем на 1/3 их длины. Как правило, по схеме раскладки нагревательных секций обогрев ендов обычно объединяется с обогревом желобов, и с целью предотвращения накопления снега он выполняется в 2 нитки тем же кабелем, который используется для обогрева желобов.
Примыкания кровли к вертикальным стенам накапливают снег и вызывают протечки через стены. В зависимости от общей схемы укладки секций обогрев примыканий рекомендуется выполнять в 1 или 2 нитки.
Водометы в парапетах весьма опасные места, способствующие накоплению льда. Рекомендуется обогревать дно водомета и площадку перед водометом не менее 1 м2, исходя из мощности 300 Вт/м2.
Обогреваемые воронки - готовые изделия, встраиваемые в водоприемные воронки. Они обычно имеют мощность 50 Ватт. В отдельных случаях проходимость воронок обеспечивается пропусканием в них петли кабеля на глубину до теплой зоны.
Плоские кровли, как уже отмечалось выше, рекомендуется обогревать бронированными резистивными кабелями, исходя из удельной мощности 250-350 Вт/м2. Причем большие мощности относятся к кровлям, на которых могут быть большие заносы. Шаг укладки бронированных кабелей колеблется от 100 до 140 мм. Минимальный радиус изгиба одножильного кабеля - 80мм, двухжильного - 120 мм.
Карнизы, расположенные ниже желобов, служат источником снежных и ледяных глыб, срывающихся с крыш. Для удаления снега на карнизах укладку выполняют или вдоль карниза (при ширине карниза до 300 мм) или по всей площади. В этом случае могут использоваться как саморегулирующиеся, так и бронированные кабели.
Капельники, в зависимости от конструкции самого капельника, обогреваются в одну или две нитки саморегулирующимся или бронированным кабелем.
Суммарная номинальная мощность системы определяется по формуле:
Рном = S (Pi ном х Li) + S(Рвном х Ni)
где: Рном - суммарная номинальная мощность, Вт.
Pi ном - линейная номинальная мощность кабеля, Вт/м, Li - длина нагревательной секции, м,
Рв ном - номинальная мощность обогреваемой воронки, Вт, Ni - количество обогреваемых воронок, шт.
Суммарная установленная мощность системы определяется по формуле:
Pycт = S(Pi ycт х Li) + S(Pвycт х Ni)
где: Руст - суммарная установленная мощность, Вт.
Pi уст - линейная установленная мощность кабеля, Вт/м,
Li - длина нагревательной секции, м
Рв уст - установленная мощность обогреваемой воронки, Вт, Ni - количество обогреваемых воронок, шт.
Сечение силовых кабелей рассчитывают по таблицам из ПУЭ, исходя из величины суммарного номинального тока с коэффициентом запаса 1,25:
I ном = 1,25 x Рном / U
где: I - длительный максимально допустимый ток, А,
U - напряжение питания, В.
Коммутационные, пусковые и защитные аппараты выбирают, исходя из величины суммарного пускового тока с коэффициентом запаса 1,5 и времени спадания пускового тока:
I пуск = 1,5 Руст / U
где: I - максимальный пусковой ток, А; U - напряжение питания, В.
Управление системами - основы и аппаратура
Алгоритм управления антиобледенительными системами независимо от применяемой аппаратуры должен соответствовать физическим процессам образования наледи на кровле (п.2). Поэтому выбор аппаратуры производителя определяется прежде всего ее соответствием физическим процессам, возможностью ее настройки на особенности конкретного здания и климатической зоны, надежностью и ценой.
Как правило, в комплект к так называемому "крышному" термостату прилагаются датчик температуры наружного воздуха и датчик осадков. Датчик осадков представляет собой элемент с двумя электродами, оснащенный подогревателем весьма малой (2-5 Вт) мощности. При наличии влаги между электродами состояние датчика изменяется и система получает сигнал о наличии осадков.
В некоторых случаях находят применение датчики присутствия влаги для лотков или водостоков, основанные на том же принципе. Их применение позволяет определить момент ухода воды с горизонтальных частей кровли (лотки и желоба), после чего их можно отключить. Это делает систему весьма экономной в эксплуатации.
Требования безопасности
Основные требования предъявляются с точки зрения пожаро- и электробезопасности. Для их удовлетворения необходимо выполнение нескольких требований.
В состав системы должны входить только нагревательные кабели, имеющие соответствующие сертификаты, в т.ч. обязателен сертификат пожаробезопасности. Как правило, это негорючие кабели или кабели, не поддерживающие горение.
Греющая часть системы должна быть оснащена УЗО или дифференциальным автоматом с током утечки не более 30 мА (для требований электробезопасности - 10 мА).
Сложные антиобледенительные системы необходимо разбивать на отдельные части с токами утечки в каждой части, не превышающими указанные выше значения.
Испытания системы и оценка эффективности
Испытания антиобледенительных систем можно разделить на две группы: приемо-сдаточные и периодические.
Приемо-сдаточные испытания, как правило, начинаются с испытаний сопротивления изоляции нагревательных и распределительных кабелей. Проводится тестирование УЗО (или дифференциальных автоматов).
Составляются соответствующие протоколы с указанием конкретных значений. Наиболее информативными являются испытания на функционирование, в ходе которых проверяется эффективность работы системы. Следует отметить, что антиобледенительные системы не являются системами мгновенного действия. Они предназначены для работы в "ждущем" режиме и включаются сразу при появлении осадков. Если система была включена не в начале сезона и на кровле накопился слой снега, то ей понадобится время от 6 часов до суток для его удаления. Затруднения имеются при сдаче системы в теплое время года. В это время проверяется надлежащее функционирование управляющей аппаратуры, имитируются сигналы с датчиков, проверяется переход системы в режим включения нагрузки, отключения лотков, а затем и отключения водостоков. Периодические испытания проводятся, как правило, в начале осени для проверки технического состояния системы и подготовки ее к работе. Прежде всего проверяется сопротивление изоляции для выявления поврежденных участков, затем проверяется состояние аппаратуры, проводится ее пробное включение.
После проверки настроек терморегуляторов производится рабочее включение системы, и она остается работать в "ждущем" режиме.
Подробную информацию и техническую консультацию можно получить:
ООО "Теплолюкс М"
220040 г.Минск, ул.М. Богдановича, 149А
тел/факс: 234-20-85, тел: 211-34-06
E-mail: teplolux@hotmail.com
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 34 за 2001 год в рубрике материалы и технолгии
