Вентиляция чердаков для ликвидации сосулек на карнизах кровли

W. Tobiasson, исследовательская лаборатория проблем холодных регионов (CRREL), Ганновер, Нью-Гемпшир, США

J. Buska, CRREL

A. Greatorex, CRREL, otvet@abok.ru

Введение

Несколько зданий, расположенных на севере штата Нью-Йорк, были оборудованы средствами для определения влияния температуры воздуха на чердаке на образование сосулек. В ходе исследований удалось обнаружить, что обледенение происходит весьма медленно, если наружная температура становится выше –5,5 °C. Также мы выяснили, что образование льда можно избежать, если осуществлять достаточное проветривание, а когда необходимо, то и механическую вентиляцию чердака, с тем чтобы поддерживать в его пространстве температуру –1 °C при наружной температуре –5,5 °C.

Вода, которая скапливается за ледяными заторами, может проникать внутрь здания, поскольку большинство скатных крыш имеют конфигурацию, обеспечивающую немедленный сброс воды, то есть не рассчитаны на то, чтобы вода задерживалась.

На рис. 1 изображены крыши двух зданий, расположенных вблизи города Уотертауна, штат Нью-Йорк. Обе фотографии сделаны одновременно (с разницей в минуту). Здания конструктивно выполнены одинаково, однако для одной кровли характерны большие сосульки, другая – свободна ото льда. В чем же дело? Снег сверху дымовой трубы на одной из крыш – в этом и заключается разница режимов использования обоих зданий: одно из них не отапливалось, а в другом поддерживалась нормальная температура.

Рисунок 1. Две кровли одинаковой конструкции (сфотографированы одновременно). Здание без сосулек не отапливалось

Этот пример служит иллюстрацией того, что главной причиной образования сосулек является теплота, поступающая изнутри здания, а не солнце. Безусловно, какие-то сосульки могут формироваться в неотапливаемых зданиях и за счет солнечного тепла, но они обычно невелики, возникают редко и не являются причиной постоянных проблем.

В некоторых работах на данную тему делается заключение о том, что к уменьшению ледяных пробок приводит комбинация изоляции, вентиляции чердака и «продуманной конструкции здания». В других исследованиях предлагается использовать «холодные» чердаки для уменьшения льдообразования на карнизах, а также отмечается, что обледенение может быть уменьшено путем увеличения угла наклона кровли, с тем чтобы снег соскальзывал с нее. При этом отпадает необходимость в водосточных желобах и уменьшается вылет карниза. Однако отсутствие на кровлях водосточных желобов, а также малый вынос карниза могут приводить к переувлажнению стен в подкарнизной части и к образованию льда на них. Вылет карниза в 300 мм для холодных регионов довольно часто можно считать приемлемым компромиссом. Кроме того, свободное сползание снега с кровли иногда становится опасным. На таких скользких кровлях, скорее всего, понадобятся ограждения для снега.

Ситуация на севере штата Нью-Йорк

В Форте Драм, находящемся рядом с городом Уотертауном, несколько лет тому назад был возведен ряд новых зданий. Все они имеют металлические фальцевые кровли над вентиляционными чердаками. Такие кровли, когда они используются в холодных регионах, обладают как достоинствами, так и недостатками. Немногие из них остаются свободными от сосулек и ледяных отложений (рис. 2). Для некоторых таких кровель проблема образования сосулек возникает в «средней» (допустимой) степени (рис. 3), в других же она становится весьма серьезной (рис. 4). Диапазон эксплуатационных характеристик связан со способностью вентиляционных систем чердаков отводить теплоту, поступающую из расположенных ниже помещений здания, и теплоту от размещенного на чердаках оборудования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Рисунок 2. Наличие снега на кровле и отсутствие сосулек на карнизах

Мы разрабатываем рекомендации для решения этих специфических проблем и пытаемся лучше понять, как и когда формируются сосульки. В течение зимы проводились наблюдения над четырьмя зданиями, для того чтобы определить их характеристики прежде, чем вносить какие-либо изменения с целью улучшения вентиляции чердаков. Диапазон выбранных для исследования зданий в части степени обледенения находился в пределах от «средней» до «серьезной». Под «средним» мы понимаем относительно небольшое льдообразование на основной части карниза и значительное – в некоторых местах кровли, таких, например, как ендовы (рис. 3). Соседнее здание, для которого проблема льдообразования отсутствовала, также обследовалось в качестве контрольного.

В настоящей статье описываются полученные результаты и приводятся рекомендации по их использованию для совершенствования вентиляции с целью исключения льдообразования на карнизах крыш.

Рисунок 3. Относительно небольшие сосульки вдоль карнизов и существенное обледенение в нижней части ендов

Рисунок 4. Недопустимо большие сосульки вдоль карнизов здания столовой

Измерения

Температура наружного воздуха измерялась под защищенными от воздействия погоды навесами в непосредственной близости от обследуемых зданий. Температура воздуха на чердаке фиксировалась в средней его части. Для измерения температуры использовались термисторы. Температурные измерения проводились ежечасно с 1 ноября по 10 апреля.

Данные наблюдений

Наблюдения, проведенные нами и другими авторами, показывают, что льдообразование редко нарастает, если наружная температура становится выше –5,5 °C.

Графики зависимости температуры воздуха на чердаке от температуры наружного воздуха представлены на рис. 5, 6 и 7 соответственно для зданий без льдообразования и зданий со «средним» (допустимым) и недопустимо большим льдообразованием. На рис. 6 нанесены кроме того данные, полученные для зданий другого цикла наблюдений, которые также можно отнести к категории со «средним» льдообразованием. Для оценки результатов удобно использовать метод наименьших квадратов, коэффициент корреляции (r²) приведен на каждом рисунке. Горизонтальная и вертикальная линии на всех рисунках соответствуют температуре воздуха на чердаке –1 °C и температуре наружного воздух –5,5 °C. Графики, которые расположены справа от вертикальной линии –5,5 °C, соответствуют условиям более теплым, чем те, которые характерны для обледенения. Часть же графиков ниже горизонтальной линии –1 °C также лежит за пределами «зоны обледенения», так как на чердаке при этом настолько холодно, что снег на кровле не тает за счет теплоты здания.

Выбор для горизонтальной линии температуры –1 °C вместо 0 °C предполагает наличие на чердаке мест, в которых могло быть теплее, чем там, где расположены термисторы.

Из четырех квадрантов на рис. 5, 6 и 7, которые образуются в результате деления графиков вертикальной (-5,5 °C) и горизонтальной (-1 °C) линиями, верхний левый квадрант представляет собой проблемную зону (то есть «зону обледенения»).

Для кровель, на которых проблем обледенения нет (рис. 5), только немногие экспериментальные точки, в порядке исключения, попадают в «зону обледенения». Для кровель с так называемым «средним» обледенением (рис. 6) около 6 % результатов наблюдений располагается в «зоне обледенения». Для кровель с недопустимо большим обледенением (рис. 7) 23 % данных наблюдений (то есть 23 % времени зимнего периода) попадает в пределы «зоны обледенения».

Рисунок 5. Температура на чердаке в зависимости от температуры наружного воздуха для кровли, на которой обледенение отсутствует

Рисунок 6. Температура на чердаке в зависимости от температуры наружного воздуха для кровли со «средним» обледенением

Рисунок 7. Температура на чердаке в зависимости от температуры наружного воздуха для кровли с недопустимо большим обледенением

Отдельный ряд точек в левом нижнем углу графика (рис. 7) соответствует пятидневному периоду, когда в отопительной системе здания имели место механические повреждения. Эти точки служат еще одним доказательством того, что теплота здания является главной причиной появления обледенения, а внезапное охлаждение вывело его за пределы «зоны обледенения».

На рис. 8 сплошные линии хорошо иллюстрируют условия эксплуатации рассмотренных трех типов кровель. Прерывистые линии соответствуют тем типам кровель (из другого цикла наблюдений), которые мы отнесли к «среднему» типу обледенения. Полученная информация свидетельствует о том, что обледенения можно избежать выбирая вентиляционную систему, способную поддерживать на чердаке температуру воздуха –1 °C, когда температура на улице становится равной –5,5 °C.

Рисунок 8. Аппроксимационные графики для трех типов крыш (рис. 5, 6 и 7) и такие же графики (пунктиром) для кровель (из иной серии) со «средним» обледенением

Тепло, поступающее от отапливаемой части здания в чердачное пространство, нетрудно определить, зная термическое сопротивление перекрытия, температуру внутреннего воздуха и температуру воздуха на чердаке. К ним необходимо добавить тепловыделения от оборудования систем ОВК и трубопроводов, расположенных там же. Если при этом предположить, что при расчетных условиях кровля покрыта изолирующим слоем снега, который уменьшает теплопотери чердака практически до нуля, то вся теплота, поступающая в его пространство, должна быть удалена вентиляционным воздухом. В таком случае может быть использовано следующее уравнение [8]:

Q = 0,00077 Н (t_а – t_о),   (1)

где Q – количество воздуха, требуемого для удаления теплоты, м³/с;

Н – количество удаляемой теплоты, Вт;

t_a – температура внутри чердака, °C;

t_o – температура снаружи, °C.

В приведенном выше уравнении приняты: удельная теплоемкость воздуха 1 000 Дж/кг · °C и его плотность 1,3 кг/м³ для температуры –1 °C.

Когда температура воздуха на чердаке и снаружи становится соответственно равной –1 и –5,5 °C, то приведенное выше уравнение упрощается до:

Q = 0,000171 Н. (2)

Если воздушный поток формируется естественной тягой, когда холодный воздух входит на чердак вдоль карниза и выходит вдоль конька кровли, то количество воздуха, поступающего в его объем при равенстве приточных и вытяжных отверстий, можно определить следующим образом:

Q = 2,04 А [h (t_a – t_o) (t_a + 273)] 0,5,(3)

где Q – определяемый естественной вентиляцией расход воздуха, м³/с;

А – свободная площадь отверстий, м²;

h – разность отметок приточных и вытяжных отверстий, м.

В уравнении коэффициент расхода принят равным 0,65, а ускорение силы тяжести 9,81 м/с².

Когда температура воздуха на чердаке и на улице соответственно составляет –1 и –5,5 °C, последнее уравнение упрощается до

Q = 0,262 A h 0,5.(4)

Для определения площади отверстий, обеспечивающих охлаждение чердака за счет естественного проветривания, приравняем уравнения (2) и (4). Тогда

А = 0,00065 Н/h 0,5.(5)

В том случае, когда конструктивно можно обеспечить требуемую площадь приточных и вытяжных отверстий, естественное проветривание обеспечит поддержание на чердаке условий, достаточных для предотвращения обледенения. Если же требуемые площади отверстий обеспечить невозможно, появляется необходимость в дополнительной механической вентиляции.

На чердаке (рис. 7), существует серьезная проблема обледенения. Однако только 23 % всего зимнего периода потребуют использования естественного проветривания или механической вентиляции.

На этом чердаке мы не смогли обеспечить достаточную площадь приточных отверстий, для того чтобы полностью решить проблему обледенения средствами естественного проветривания. Поэтому вблизи конька кровли были установлены несколько вентиляторов. При этом регулирующие клапаны на них не предусматривались. Последнее позволило через отверстия с установленными в них вентиляторами обеспечить более эффективную естественную вытяжку и таким образом уменьшить время использования механической вентиляции.

Для необходимости включения вентиляторов мы установили соответствующие приборы. Очевидно, что вентиляторами следует управлять термостатически, тогда их включение окажется довольно редким. Таким образом нам удалось определить, что подобного рода система работает только тогда, когда температура на чердаке превышает –1 °C, а наружная температура опускается ниже –5,5 °C.

Предварительные исследования показали, что даже при неработающих вентиляторах на чердаке стало намного холоднее, чем было раньше. Было бы интересно точно определить, насколько мала или велика потребность в вентиляторах.

Вывод

В статье определены подходящие значения температуры для разработки систем вентиляции чердаков, исключающих обледенение, путем обследования нескольких зданий. Для всех этих зданий, кроме одного, характерной является проблема обледенения.

При наружной температуре выше –5,5 °С обледенение, если оно вообще имеет место, развивается очень медленно. Оценив допустимые колебания температуры внутри чердака, мы пришли к выводу, что его проектирование следует основывать на значении этой температуры –1 °С.

Для исключения обледенения чердаков мы рекомендуем проектирование вентиляционных систем, которые должны обеспечивать внутреннюю температуру –1 °C при наружной температуре –5,5 °C.

Литература

1. Cold Climate HVAC’94/Сб. докладов: Пер. В. Д. Коркина. – Финляндия, 1994.