Рекомендации по применению противообледенительных устройств

Предисловие


1. Разработаны ОАО "Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ОАО ЦНИИЭПжилища). 

Авторский коллектив: д.т.н. Николаев С.В. (руководитель работы), д.т.н. Граник Ю.Г. (научно-техническое руководство), инж. Ставровский Г.А. (общая редакция и конструкция системы), к.т.н. Граник М.Ю. (методика проектирования противообледенительных устройств), инж. Штейман В.И. (вопросы эксплуатации устройств), инж. Канулина Ю.Л. (вопросы конструкции устройств). 

С участием ООО "Специальные системы и технологии": инж. Бабаков А.А. и Рязанов К.В. (конструктивные решения противообледенительных устройств, материалы и изделия для них). 

2. Подготовлены к утверждению и изданию Управлением перспективного проектирования, нормативов и координации проектно-изыскательских работ Москомархитектуры. 

3. Утверждены указанием Москомархитектуры от 27 февраля 2004 г.

1. Общие положения


1.1. Атмосферные осадки в виде дождя, попадая на кровлю, как правило, беспрепятственно удаляются с неё через имеющуюся систему организованного водостока. Снег, попадая на кровлю, не удаляется и постепенно происходит его утяжеление и уплотнение вследствие перекристаллизации и влагонакопления. Под воздействием атмосферного тепла и собственного тепловыделения здания через кровлю происходит его плавление и превращение в воду. При отсутствии возможности отвода образовавшейся воды и при падении температуры ниже нулевой отметки она замерзает и превращается в лед. Из-за различных теплофизических характеристик снега и льда скорость их плавления существенно разнится. Когда вода может периодически замерзать и оттаивать, происходит увеличение ледяных пробок и сосулек. 

При колебаниях температуры от +3 - +5 °С днем до -6 - 10 °С ночью создаются наиболее благоприятные условия для образования наледи. Поверхности снега и льда обычно отражают большую часть солнечного излучения, но при возникновении даже незначительного налета грязи резко увеличивается коэффициент поглощения. Кроме того, солнечная радиация активно нагревает оголенные участки кровли, и плавление происходит с внутренней (нижней) части слоя. Из-за этого в весенний период образование наледи идет более интенсивно. 

1.2. Образование наледей и сосулек на крыше может стать угрозой жизни и здоровью людей, а также, в результате механических повреждений и накопления воды на отдельных участках, вызвать протечки и привести к снижению сроков службы кровли. 

Антиобледенительные системы для крыш признаны эффективным средством, предохраняющим крышу от образования наледей, сосулек и закупорки устройств (желобов, внешних и внутренних водостоков и др.), отводящих воду с крыши. К настоящему времени противообледенительными системами оснащено более 2000 зданий, в том числе здания Мэрии Москвы и Московской Городской Думы, редакции газеты "АиФ" и другие. 

1.3. Основным элементом антиобледенительной системы является электрический греющий кабель, укладываемый на путях удаления воды с кровли, выделяемое им тепло не позволяет образоваться ледяным пробкам. 

Для экономного расходования электроэнергии система снабжена датчиками и пускорегулирующими устройствами, включающими греющий кабель только при наличии условий (осадки и температура воздуха), при которых могут образоваться наледи. 

1.4. Для каждого индивидуального объекта требуется своя, специально для него рассчитанная и запроектированная антиобледенительная система, техническое решение которой будет зависеть от типа крыши (скатная, плоская, внешние или внутренние водостоки), ее размеров и конфигурации, вида кровельных материалов и других факторов. 

1.5. "Рекомендации по применению противообледенительных устройств на кровлях с наружными и внутренними водостоками для строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданий" являются методическим и справочным пособием для специалистов, работающих в области строительства, и содержат следующие данные: 
- конструкции различных крыш существующих и строящихся в г. Москве; 
- конструкции антиобледенительных систем для крыш различных типов; 
- техническая характеристика материалов и изделий, применяемых в антиобледенительных системах; 
- методика расчета и проектирования антиобледенительных систем; 
- основные положения по монтажу и приемке систем в эксплуатацию; 
- привила эксплуатации антиобледенительных систем; 
- технико-экономические показатели, связанные с устройством и эксплуатацией антиобледенительных систем. 

1.6. Настоящая работа в значительной степени базируется на разработках и опыте работы московских предприятий ООО "Специальные системы и технологии" ("ССТ") и "Российский сервис-центр шведской компании "KIMA" - ООО "ДОМО+". Кроме того, в работе использованы некоторые чертежи и схемы ООО "ССТ". 

2. Типы крыш зданий и их элементы, обеспечивающие организованный водосток с кровли


2.1. Холодные и теплые крыши. Теплая крыша в отличие or холодной включает слой теплоизоляционного материала (насыпного, легкобетонного, плитного и т.п.), благодаря которому в помещениях, расположенных непосредственно под крышей (чердачных или жилых), можно создать необходимую положительную температуру. 

2.2. Крыши бывают с чердаком и без него. Бесчердачные крыши называют совмещенными, поскольку эта конструкция одновременно является и крышей и перекрытием над жилыми или служебными (в случае гражданских зданий) помещениями. Одним из видов совмещенной крыши является крыша мансардного этажа. 

2.3. Все перечисленные выше крыши могут быть скатными и плоскими. 

2.3.1. Скатные кровли могут быть односкатными, двускатными, четырехскатными и более сложными. В нижней части каждого ската располагаются водоприемные желоба или лотки. Желоба и лотки выполняются с уклоном в сторону воронки водосточной трубы, куда они должны направить поток воды. Скатные крыши чаще выполняют с внешними водосточными трубами, но бывают и с внутренним водостоком. Нижняя часть кровли, выходящая за габариты наружных стен, называется свесом, а ее нижняя кромка - капельником. На скатных крышах сложной конфигурации в местах сопряжения двух разных поверхностей образуется своеобразный желоб, называемый "ендова". Элементы скатной кровли показаны на рис. 2.1. 

2.3.2. Плоские крыши, как правило, выполняются с внутренними водостоками, расположенными в центральной части здания. Несущими конструкциями плоской кровли чаще всего являются сборные железобетонные конструкции - кровельные плиты и лотки, покрытые различными рулонными битумно-полимерными материалами. Движение воды к приемной воронке внутреннего водостока по кровельным плитам и лоткам организовано за счет выполнения плит и лотков с уклоном (по плите в сторону лотка, а по лотку в сторону воронки) - 1 ? 3 %. 

С внешних сторон по периметру наружных стен над кровлей возвышается парапет, что исключает возможность попадания воды и образование наледей и сосулек на наружных стенах. Схема плана плоской кровли тоже показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема скатной и плоской крыш с элементами организованного водостока. 

3. Принципиальное решение и комплектующие элементы антиобледенительных систем


3.1. Для обеспечения свободного движения воды на всем пути ее удаления с кровли греющие кабели следует устанавливать: 
на скатной крыше с внешними водостоками 
- в лотках и желобах; 
- в приемных воронках водосточных труб и рядом с ними; 
- в ендовах; 
- на свесах и капельниках; 
- в водосточных трубах по всей высоте; 
- в приемных колодцах ливневой канализации на глубину возможного замерзания воды в случаях расположения колодца рядом с водосточной трубой. 
на плоской крыше с внутренним водостоком 
- на участках крыши, примыкающих к лоткам; 
- в лотках; 
- на участке крыши, примыкающей к воронке; 
- в воронке водосточной трубы; 
- в верхней части водосточной трубы на глубину возможного замерзания воды; 
- на площадке кровли размером 1 ? 1 м рядом с водометом. 

3.2. Кроме греющих кабелей в антиобледенительной системе применяются силовые и управляющие кабели; датчики температуры, воздуха, атмосферных осадков и воды; управляющее оборудование; изделия и детали для крепления на кровле всех элементов системы. 

3.3. Для того, чтобы избежать неоправданного расхода электроэнергии система посредством управляющего оборудования (терморегулятора) и датчиков автоматически включается при определенном сочетании внешних условий: температуры наружного воздуха в диапазоне от +5 °С до -10 °С, наличия осадков и воды на соответствующих элементах кровли. Также система автоматически выключается, если одно из этих условий не выполняется. 

3.4. Для нагрева участков кровли, где нужно не допустить образования наледи и удалить воду, применяются различные нагревательные кабели мощностью 25 ? 30 Вт/м с температурой нагрева 60 - 130 °С. Все применяемые кабели достаточно долговечны за счет многослойной изоляции, предохраняющей кабели от влаги, механических повреждений и ультрафиолетовых излучений. Нагревательные кабели бронированы, при этом броня не только защищает кабели от механических повреждений, но и перераспределяет тепло, что помогает избавиться от локальных перегревов. В антиобледенительных системах применяются кабели резистивные, которые независимо от внешних условий выделяют неизменное количество тепла, и кабели саморегулирующиеся, у которых количество выделяемого тепла зависит от температуры среды, в которой они находятся. Для антиобледенительных систем используются как кабели отечественного производства, так и поставляемые из-за рубежа.* Поскольку резистивные кабели рассчитаны на определенную суммарную с учетом всей длины кабеля мощность, они выпускаются отдельными секциями разной длины, при этом, нагревательная жила в каждой секции рассчитана так, чтобы мощность, приходящаяся на 1 м.п. составляла 25 ? 30 Вт. 

* Отечественные нагревательные кабели и другие комплектующие элементы противообледенительных систем выпускает ООО "ССТ", приведенные в тексте кабели КIМAпоставляются фирмой КIМA (Швеция). 

В настоящее время выпускаются следующие отечественные резистивные кабели: 
ТДОЭ с одной нагревательной жилой секцией длиной 34, 39, 52, 62 и 72 м. 
ТСОЭ с одной нагревательной жилой секцией длиной 37, 43, 57, 68 и 82 м. 
ТСБЭ с двумя нагревательными жилами секциями длиной 14, 21,27 и 36 м. 

Эти нагревательные кабели рассчитаны на напряжение 220 В. Выпускаются аналогичные кабели для напряжения 380 В. Саморегулирующиеся кабели типа FSLE (Фризстол Лайт экстра) рассчитаны на напряжение 220 В. Этот кабель может нарезаться на любые длины, соответствующие длине обогреваемого элемента или участка кровли. 

В качестве примера зарубежных греющих кабелей можно привести резистивный кабель KIMA Armor Д мощностью 28 Вт/м, который поставляется секциями длиной 10,3; 13,5; 18,3; 22,8; 27; 33; 40,5; 47,5; 56,6; 63,5; 72,5; 91; 135,5; 147; 181 м и KIMA ArmorStronq мощностью 30 Bт/м, поставляемый секциями 43, 53, 67, 83, 100 и 133 м, а также саморегулирующийся кабель KIMA К-3 мощностью 38 Вт/м при 0 °С и 17 Вт/м при +4 °С. 

Саморегулирующиеся нагревательные кабели имеют следующие преимущества относительно резистивных: 
- греющие элементы кабеля автоматически изменяют тепловыделения в зависимости от температуры воздуха и влажности - тепловыделения уменьшаются при повышении температуры и уменьшения влажности окружающей среды: 
- секции кабеля могут иметь любую длину, что позволяет создавать более эффективные схемы раскладки греющих кабелей на элементах кровли; 
- кабели не перегреваются даже при пересечении друг с другом, что повышает надежность и безопасность системы; 
- секция кабеля всегда подключается с одной стороны, благодаря чему можно сократить количество питающих холодных кабелей. 

К недостаткам саморегулирующихся кабелей относится их стоимость, примерно в 4 раза превышающая стоимость резистивных кабелей. 

3.5. Силовые холодные токоподводящие кабели, которые вместе с греющими кабелями размещаются на кровле, тоже бронированы и защищены от ультрафиолетовых излучений. Распределительные и управляющие кабели подбираются из имеющихся в продаже и отвечающих расчетным параметрам соответствующих участков системы, а также условиям их эксплуатации. 

3.6. В антиобледенительных системах применяются датчики, распределительное и управляющее оборудование отечественного производства, в том числе многофункциональные контроллеры РТ200Е ТЕПЛОСКАТ и PTOO7S, датчики температуры TST01 и TS105, датчик осадков TSP01, датчик воды TSW01 и другое оборудование, а также зарубежное - например терморегулятор Термостат DTR 3102 (Германия) с датчиками температуры и влажности. Терморегуляторы настроены так, что нагревательные кабели включаются автоматически только если температура наружного воздуха находится в заданном рабочем диапазоне температур. Практика показала, что для антиобледенительных систем рабочим диапазоном является температура от -10 °С до +5 °С. Включение системы происходит, когда датчик осадков покажет их наличие или датчик воды, покажет наличие воды в лотках и приемных воронках водостоков. Отключение системы происходит, когда датчики воды показывают ее отсутствие. 

3.7. Для крепления на кровле элементов антиобледенительной системы выпускаются соответствующие крепежные детали: металлические зажимы, различные кронштейны, полосы, накладки и другие детали. Для этой же цели применяются монтажные ленты из оцинкованной стали и медные зарубежной поставки. Кроме того, для монтажа системы потребуется шкаф управления, распределительные и распаячные коробки. 

4. Методика проектирования антиобледенительных систем


4.1. Определение количества греющих кабелей 

При проектировании антиобледенительной системы конкретного здания необходимо провести анализ возможных мест скопления воды и образования наледи. 

На основании имеющихся чертежей, фотографий и замеров, выполненных на объекте, водосточная система подразделяется на характерные элементы. Для каждого участка в зависимости от его размеров, формы (линейная, площадь) и наиболее удобного распределения мощностей по группам подсчитывается общее количество и типы кабельных нагревательных секций. 

Расчет мощности и необходимого количества нагревательных кабелей для отдельных элементов водосточной системы имеет свои особенности. 

Расчет длины кабеля в водосточных трубах. 

В водосточных трубах (рис. 4.1) номинальная удельная мощность саморегулирующихся и резистивных нагревательных кабелей в отсутствии воды колеблется от 20 до 60 Вт/м. Она зависит от длины и диаметра трубы. При применении саморегулирующихся кабелей, способных увеличить теплоотдачу при наличии воды в 1,6 - 1,8 раза, эффективность работы системы резко возрастает. 

В общем случае расход кабеля (L, м) для водосточных труб определяется по формулам: 

Для труб с водосточными воронками в верхней части: 
L = высота здания х 1,05 (5 % запас) + 1,5 м (обогрев нижней части) + В м (изгиб трубы) + 1,5 м (обогрев верхней части - кегля, воронка) - с монтажными концами; 
L = высота здания х 1,05 (5 % запас) + 2 м (обогрев нижней части) + В м (изгиб трубы) + 1,2 м (обогрев верхней части - петля, воронка) + 1 м - без монтажных концов. 

Для труб с непосредственным примыканием к лотку: 
L = высота здания х 1,05 (5 % запас) + 1,5 м (обогрев нижней части) + В м (изгиб трубы) - с монтажными концами; 
L = высота здания х 1,05 (5 % запас) + 2 м (обогрев нижней части) + В м (изгиб трубы) + 1 м - без монтажных концов; 


Рис. 4.1. Обогрев водосточной трубы большого диаметра и желоба. 

Расчет длины кабеля в желобе (лотке). 

При обогреве водосточных желобов и лотков (рис. 4.2) линейная номинальная мощность греющего кабеля зависит от площади водосбора, лежащей выше этих желобов, и определяется через площадь водосбора, приходящуюся на 1 м желоба (лотка). Если площадь водосбора менее 5 м2, то мощность обогрева может не превышать 20 Вт/м лотка, для чего достаточно одной нитки кабеля. Увеличение площади водосбора до 25 м2 и более требует повышения удельной мощности греющих кабелей до 50 Вт/м желоба (лотка), и соответственно двух ниток кабеля. 

В общем случае расход кабеля (L, м) для лотка (желоба) определяется по формулам: 
Lкаб= Lлотка х 1,05 (5 % запас) х N ниток - с монтажными концами, 
Lкаб = Lлотка х 1,05 (5 % запас) х N ниток + 1 м - без монтажных концов. 

Нагревательные секции с холодными концами применяются в тех случаях, когда нет возможности или не допускается устанавливать распределительные коробки вблизи нагревательных секций. 

Для обогрева кровли за парапетами необходимо принимать мощность кабелей на 30 % больше, чем для желобов, так как парапеты выполняют роль направляющих желобов, но одновременно они способствуют накоплению снега и льда. 

Расчет длины кабеля в ендовах. 

Ендовы (рис. 4.3) рекомендуется обогревать не менее чем на 1/3 их длины. Для предотвращения накопления снега и наледи нагревательные секции выполняются из двух ниток тем же кабелем, что и для обогрева желобов. На схемах раскладки нагревательных секций обогрев ендов обычно объединяется с обогревом желобов. 

Расход кабеля для ендов (L, м) определяется по формуле: 
L = L обогрев. части ендовы х 05 (5 % запас) х 2 нитки - с монтажными концами или 
L = L обогрев. части ендовы х 05 (5 % запас) х 2 нитки + 1 м - без монтажных концов. 

В местах примыкания кровли к вертикальным стенам также может накапливаться снег, из-за чего возможны протечки. Поэтому обогрев примыканий целесообразно выполнять в 1 или 2 нитки в зависимости от общей схемы укладки секций. 


Рис. 4.2. Обогрев карниза и водосборного лотка. 


Рис. 4.3. Пример обогрева ендовы и нижней части ската. 

Для исключения образования наледи в водометах парапетов необходимо обогревать дно водомета и площадку перед водометом не менее 1 м2, исходя из мощности 300 Вт/м2. 

Обогреваемые воронки для внутренних водостоков могут быть готовыми изделиями с мощностью около 50 Вт, которые встраиваются в водоприемные воронки. Чтобы предотвратить промерзание верхней части водосточной трубы эти воронки снабжаются нагревательными секциями, обеспечивающими прогрев трубы до теплой зоны. 

Для обогрева участков плоских кровель можно использовать бронированные резистивные кабели с удельной мощностью 250 - 350 Вт на 1 м2 покрытия. Причем с увеличением высоты снежного покрова (заноса) соответственно возрастает и удельная мощность. Стандартный шаг укладки бронированных кабелей составляет от 80 до 100 мм. 

На краях кровли, которые располагаются ниже желобов, также скапливаются снежные и ледяные массы. Их целесообразно удалять, размещая нагревательные кабели вдоль карниза (при ширине карниза менее 300 мм) или по всей его площади. Для этих целей могут использоваться нагревательные кабели любого указанного выше типа. 

Расчет длины кабеля на капельнике. 

Капельники, в зависимости от их размеров и конструкции, обогреваются одной или двумя нитками саморегулирующегося или резистивного кабеля. 

В общем случае расход кабеля (L, м) на капельник определяется по формулам: 
Lкаб = Lкапельника х 1,05 (5 % запас) х 2 нитки - с монтажными концами 
или 
Lкаб = Iлотка х 1,05 (5 % запас) х 2 нитки + 1 м - без монтажных концов. 

При монтаже одна нитка капельника крепится под капельник, вторая - вдоль края кровли. 

Разбивка нагревательного кабеля на секции. 

Для снижения общего числа нагревательных секций целесообразно одной секцией обогревать несколько зон, например: лоток - труба, поток - ендова - труба, ендова - труба. Для удобства раскладки нагревательную секцию удобно начинать напротив примыкания водосточной трубы к лотку. 

Затем составляется таблица, в которой указываются параметры нагревательных секций: номера, маркировка и длина. 

Расчет номинальной мощности системы. 

Суммарная номинальная мощность системы определяется по формуле: 


где: Pip - рабочая линейная мощность кабеля i-го типа, Вт/м; 
Li - суммарная длина кабеля i-го типа, м; 
Psp - рабочая поверхностная мощность обогрева участков плоской кровли, Вт/м2; 
S - площадь обогреваемых участков плоской кровли, м2; 
PBP - рабочая мощность обогреваемой воронки, Вт/м; 
NB - количество обогреваемых воронок, шт. 

Суммарная установленная мощность (Pуст) определяется, исходя из номинальной мощности и коэффициента К,указывающего во сколько раз расчетный ток превышает номинальный. Коэффициент К равен: 
2 - для саморегулирующихся кабелей; 
1,2 - для резистивных кабелей. 

При этом следует учитывать, что пусковой ток может превышать номинальный для саморегулирующихся кабелей в 3 раза, а для резистивных кабелей - в 1,2 - 1,4 раза. 

По мере прогрева кабеля пусковой ток быстро падает до номинальной величины. Обычно время установления номинального тока составляет 3 - 5 минут. 

Сечение силовых кабелей рассчитывают, исходя из величины суммарного номинального тока с коэффициентом запаса 1,25: 


где: I - длительный максимально допустимый ток, А; 
Pном - номинальная потребляемая мощность, Вт; 
U - напряжение питания, В. 

Коммутационные, пусковые и защитные аппараты подбирают, исходя из величины суммарного пускового тока с коэффициентом запаса 1,5 и времени спадания пускового тока: 


где: Iпуск - максимальный пусковой ток, А; 
Руст - установленная мощность, Вт; 
U - напряжение питания, В. 

Расчет и выбор вводного защитного автомата следует выполнять по изложенной ниже методике: 
1. Рассчитать пусковой ток для каждой нагревательной секции по формуле: 


где Iпуск,i - пусковой ток для нагревательной секции Ni, А; 
Li - длина нагревательной секции N, м; 
К - коэффициент, зависящий от типа нагревательного кабеля и характеризующий его удельную мощность принимается по таблице 1. 

Таблица 1* 

Тип кабеля нагревательных секций

23-ССКЭ2

31-ССБЭ2

25-ТДОЭ2

20-ТСОЭ2

30-ТСНЭ2

К

60

98

35

28

42



* Данные предприятия-изготовителя нагревательных кабелей ООО «ССТ». 

2. Для трехфазной силовой цепи сгруппировать полученные токи на три примерно равные части (для фаз А, В и С). Полученные цифры не должны отличаться друг от друга более чем на 15 % (в соответствии с требованиями ПУЭ). 

3. По максимальной из трех цифр выбрать уставку защитного автомата с запасом до ближайшего стандартного значения 10 А, 16 A, 20 А, 25 А, 40 А или 63 А. 

Далее, с учетом системы автоматического управления, выбирается шкаф управления по каталогам фирмы-производителя. 

4.2 Монтажная схема 

Монтажные схемы, как правило, выполняются на планах кровли и включают схемы раскладки нагревательных секций и разводки силовых кабелей и кабелей управления с обозначением основных габаритных размеров. 

На этой схеме помимо расположения самих нагревательных секций (СН) и их номера указываются распределительные коробки (В) и шкаф управления (ШУ), в котором обычно установлен терморегулятор. 

Схема разводки силовых кабелей (М) и кабелей управления (КУ) дополнительно содержит места установки распределительных коробок (В), датчиков температуры (ДТ), осадков (ДО) и воды (ДВ). 

Кроме вышеуказанных обозначений на схемах могут присутствовать и другие, например: концевые и соединительные муфты, монтажные концы, точка опуска. 

4.3. Примеры монтажных схем для разных крыш 

Пример 1. Монтажная схема и методика расчета антиобледенительной системы для коттеджа с 4-х скатной крышей, расположенного в деревне Брикет (рис. 4.4, 4.5) Московской области *. 

* Монтажная схема выполнена ООО «ССТ». 

Расчет длины нагревательных секций 
Длина: лотков L = 41 м; водосточных труб L = 26 м; ендов L = 28 м; 
количество водосточных труб - 4 шт. 

Для проектирования антиобледенительной системы применяется саморегулирующийся кабель марки 23FSLe2-CT. 

1. Расчет длины кабеля в лотке (желобе). 

Так как ширина обогреваемого лотка больше 50 мм, число ниток кабеля в лотке принимается равным 2. 

Для данного примера применяются секции с холодными концами длиной по 6 м: 
Lкa6 = 41 м х 1,05 х 2 = 86,1 м 

2. Расчет длины кабеля в водосточных трубах. 

Так как диаметр обогреваемой трубы находится в пределах 100 - 150 мм, число ниток кабеля принимается равным 2. 

В данном случае труба непосредственно примыкает к лотку, также используются секции с холодными концами: 
Lкaб = (6 м х 1,05 х 2 + 1,5 м) х 4 шт. = 56,4 м.
Читать далее >>>