Обогрев водосточных систем

Назначение антиобледелительных 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 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:

• Исключить образование наледи и сосулек при сравнительно невысоких капитальных затратах и незначительном энергопотреблении;
• Обеспечить работоспособность системы организованного водостока в течение зимы и межсезонья;
• Исключить протечки, повреждение фасадов и водосточных труб.

Общие свойства антиобледенительных систем

     Осадки в виде снега, находясь на кровле, не представляют собой особой 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.

     Источниками теплоты являются:

1. 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 добавляется 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.
2. Собственное тепловыделение кровли. 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 проектировщиками 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 его плавление, 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 -15-20°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 более 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 системы.
     На горизонтальных частях кровли суммарная удельная мощность на единицу площади поверхности обогреваемой части (лоток, желоб и т.п.) должна составлять не менее 180-250 Вт/кв.м. Линейная мощность нагревательных кабелей 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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 входа в коллектор ниже глубины промерзания.
4. 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:

1. 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, элементы снегозадержания, взаимодействующие с нагревательными элементами.
2. 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.
3. 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 обогревательные зоны

     К типовым обогреваемым зонам системы относятся:

1. Водосточные трубы на всю длину.
2. Водосточные желоба.
3. Водосточные лотки.
4. Водосточные воронки.
5. Узлы входа желобов в водосточные трубы.
6. Ендовы (линии стыка плоскостей крыши), другие примыкания к плоскости кровли — мансардные окна, фонари, аттики.
7. Водометы и водометные окна в парапетах.
8. Карнизы крыш.
9. Капельники.
10. Водосточные воронки на плоской кровле и зоны вокруг них площадью около 1 м2.
11. Поверхности плоских крыш и бетонных водосточных лотков.
12. Дренажные и водосборные лотки в грунте под водосточными трубами.

     На рисунке приведен пример типовых обогреваемых зон.

Нагревательные кабели — классификация и особенности

     Нагревательные кабели — основной элемент антиобледенительных систем, обеспечивающий обеспечивающий их эффективность и надежность.

     Нагревательные кабели для антиобледенительных систем должны удовлетворять следующим требованиям:

• быть стойкими к атмосферным осадкам, солнечной радиации, воздействию отрицательных и положительных температур, которые могут достигать -40°С зимой и +90°С летом
• обладать достаточно высокой механической прочностью, чтобы противостоять нагрузкам от снега и льда
• иметь линейную тепловую мощность, достаточную для эффективного плавления снега (не менее 20 Вт/м)
• отличаться высокими электроизоляционными свойствами, с целью обеспечения электрической безопасности систем.

Нагревательные кабели, устанавливаемые на кровлях, в обязательном порядке должны иметь двухслойную теплостойкую электрическую изоляцию и металлический экран с сопротивлением не более, чем у медной жилы сечением 1 мм2.

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 - линейное тепловыделение такого кабеля меняется от 6 до 90 Вт/м.  
     Таким образом, максимум выделения тепла приходится на наиболее холодные участки обогреваемой поверхности. Плоское сечение саморегулирующегося кабеля обеспечивает хороший контакт с поверхностью, что также уменьшает нерациональное расходование тепла. Такие кабели стоят в несколько раз дороже резистивных, но окупают первоначальные расходы в процессе эксплуатации за счет экономии электроэнергии. Примером такого кабеля может служить электрическая нагревательная лента 31HLR2-CT производства ООО "ПК ХИТ ЛАЙН", входящая в систему электрообогрева  "Heatline-Антилёд".

                                             Низкая              Нормальная         Высокая
                                                    температура        температура       температура
              
                                              Много                Меньше                Мало
                                                  проводящих          проводящих        проводящих
                                                         путей                  путей                    путей                                 

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 50 до 100 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 3 раз), что должно быть учтено в типах пускорегулирующей аппаратуры и указано в сопроводительной документации на систему. Саморегулирующиеся кабели значительно дороже резистивных, однако при разумном проектировании первоначальная стоимость  систем на их основе превышает стоимость систем на резистивных кабелях на 35-50%, при этом необходимо меньше распределительных кабелей и весьма экономно используется греющий кабель. Кроме того, эти системы надежны и экономичны. Антиобледенительные системы на саморегулирующихся кабелях в настоящее время завоевали абсолютное первенство.

Примером 

Резистивные  кабели

     Тепловыделяющий элемент — металлические жилы, изолированные жестким и теплостойким пластиком. Тепловыделение данного кабеля не зависит от окружающей среды, в которой он работает, и является постоянным на всей длине кабеля, как правило, 20-30 Вт/м.
     Резистивные кабели  достаточно хорошо зарекомендовали себя, но имеют  ряд  важных недостатков. Поставляется такие кабели, как правило, в виде готовых заводских секций. Секции такого  кабеля  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. Кроме того, при эксплуатации резистивного кабеля необходимот следить за тем, чтобы среда вокруг кабелябыла однородной, так как резкое ухудшение условий теплоотдачи (грязь, мусор, опавшие листья) может привести к выходу кабеля из строя. На основании вышеизложенного резистивные кабели, еще несколько лет назад достаточно широко использовавшиеся на кровлях (в том числе и благодаря их дешевизне), сегодня применяются реже. Примером таких нагревательных кабелей могут служить электрические нагревательные кабели марок ECOFLOOR 23ADPSV20 производства Fenix Trading S.r.o.

Этапы проектирования

     Проектирование антиобледенительных  систем  состоит из нескольких этапов:

1. Получение от заказчика чертежей зданий и сооружений с обозначением обогреваемых участков крыши и водостоков, с указанием конкретного назначения проектируемой системы обогрева.
2. Фотосъемка и измерение отдельных фрагментов обогреваемых участков кровли.
3. Классификация этих участков с последующим выделением характерных зон и опасных сточки 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 водосточным воронкам.
   • Ендовы (стыки плоскостей разных участков кровли), мансардные окна, фонари.
   • Водометы.
   • Карнизы крыш.
   • Капельники.
4. Определяются высота здания, длина, высота и ширина крыши, уклон кровли, длина и диаметр водосточных труб, длина и размеры лотков, желобов.
5. 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, при необходимости уточняется алгоритм работы системы.
6. Рассчитывается потребное количество нагревательного кабеля, обогреваемых воронок и общая электрическая мощность системы.
7. Оценивается возможность срыва с поверхности крыши ледяных глыб и сосулек, сползания сугробов снега, намечаются решения по их предупреждению, установки элементов снегозадержания, работающих согласованно с системой антиобледенения.
8. Определяются тип, количество и параметры нагревательных секций и предварительные схемы их раскладки. Уточняются мощностные параметры системы обогрева в целом. Выбираются крепежные элементы из типового набора. Cм. рисунок. 3
9. Вычерчиваются схемы раскладки нагревательных секций.
10. Проектируются система управления с учетом требований фазирования.
11. Разрабатывается комплект сметной документации, если это предусматривается договором с Заказчиком.

    Обогрев водосточной трубы большого диаметра и желоба:

1 — водоприемная воронка;
2 — водосточная труба;
3 — нагревательный кабель;
4 — крепежный зажим;
5 — трос;
6 — усиленный обогрев отмета;
7 — отмет;
8 — водосборный желоб;
9 — кронштейн, крепящий кабель к желобу;
10 — направляющий лоток;
11 — поворотный элемент, обеспечивающий плавный изгиб кабеля;
12 — концевая муфта

Система автоматического управления

     Алгоритм управления антиобледенительными системами соответствует физическим процессам образования наледи на кровле.
     Контроллер, входящий в состав системы, отслеживает температуру окружающей среды, наличие атмосферных осдков и талой воды в водосточной системе, что позволяет включать и выключать систему только в то время, когда существует опасность образования наледи. Обогрев водосточной системы работает при наличии сигнала с датчиков осадков и (или) талой воды в температурном диапазоне от -15 до +5°С (диапазон регулируется).
     Распределительная и информационная сети снабжают нагревательные секции электроэнергией и передают сигналы от датчиков к регулирующей аппаратуре, расположенной в шкафу управления. При снижении температуры окружающего воздуха до минус 10-15°С таяние снега на кровле прекращается, образование наледи не происходит, и система управления автоматически отключает питание нагревательных секций, что позволяет значительно уменьшить затраты на электроэнергию.

Требования безопасности

     Основные требования предъявляются с точки зрения пожаро- и электробезопасности.

     Для их удовлетворения выполняются несколько условий:

• В состав системы входят только нагревательные кабели, имеющие соответствующие сертификаты соответствия техническим регламентам Таможенного союза.
• Нагревательная часть системы защищена УЗО или дифференциальным автоматом с током утечки не более 30 мА.

Испытания системы и оценка эффективности

     Испытания антиобледенительных систем можно разделить на две группы: приемо-сдаточные и периодические.
     Приемо-сдаточные испытания, 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, а также отключение обогрева.
     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 контроллеров производится рабочее включение системы, и она остается работать в «ждущем» режиме.