Физические процессы, происходящие в конструкциях крыш

Теплофизические процессы в утепленной крыше

Утепленная крыша эксплуатируется в сложных условиях, она подвергается воздействию атмосферных осадков: дождя и снега, воздействию ветровых нагрузок, солнечной радиации, звуковых нагрузок. Изнутри на нее воздействуют пары воды, образовавшиеся в помещении мансарды. Температура и влажность атмосферного воздуха имеют сезонные колебания, условия внутри жилой мансарды, в частности температура и влажность воздуха, меняются мало.

В наших условиях наибольшая разница температуры воздуха внутри мансарды и вне нее достигается зимой. Соответственно, процесс теплопередачи из мансарды наружу максимален зимой. В этот же период разница парциального давления паров воды в мансарде и снаружи наибольшие, в это время условия для переноса влаги из помещения в атмосферу наилучшие.

Конструкция утепленной скатной крыши может включать следующие элементы:

1. кровельное покрытие,
2. контробрешетка и обрешетка,
3. подкровельный вентилируемый зазор,
4. гидроизоляция кровли,
5. второй вентилируемый зазор (над утеплителем),
6. межстропильный утеплитель,
7. пароизоляция кровли,
8. подстропильный слой утеплителя,
9. внутренняя облицовка.

Не все элементы конструкции крыши являются обязательными: может отсутствовать один из слоев утеплителя, обычно подстропильный, не во всех конструкциях существует контробрешетка, вентилируемый зазор может быть один. Порой обсуждается даже, всегда ли является обязательной гидроизоляция кровли.

Функционально центральными элементами утепленной крыши служат слои утеплителя, обеспечивающие теплоизоляцию мансарды. Минеральная вата, которую обычно используют в качестве утеплителя, при увлажнении теряет свои основные свойства, поэтому ее защищают с внутренней стороны пароизоляция кровли, с наружной – гидроизоляция кровли.

Разница парциального давления водяного пара по обе стороны утепленной крыши приводит к перемещению влаги через слои утеплителя. У этого переноса есть два механизма: конвекционный перенос пара и диффузия пара. Из них наиболее существенным является конвекционный перенос влажного воздуха через повреждения пароизоляции кровли, которые возникают в процессе ее монтажа и эксплуатации. Единственным путем минимизации проникновения влаги из мансарды в утеплитель является применение прочных, долговечных материалов для пароизоляции, у которых низкая паропроницаемость. Другое условие – качественное, профессиональное выполнение монтажа.

Чем же опасно попадание паров в утеплитель? Все зависит от совокупности факторов. Если перенос влаги ограничивается только механизмом диффузии через пароизоляцию, паропроницаемость которой невелика, тогда негативных последствий не будет, утепленная крыша функционирует в своем обычном режиме. Ситуация меняется, если паропроницаемость мембраны избыточная, если она существенно превышает 60г/м 2 в сутки. Это возможно, если был использован материал, не предназначенный для использования в качестве пароизоляции кровли, или если не была соблюдена (была нарушена) целостность пароизоляции. Тогда если температура снаружи дома заметно ниже комнатной температуры мансарды, возникают условия для увлажнения утеплителя. Дело в том, что количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем большее количество пара может в нем содержаться в виде пара. В холодный сезон давление воздуха в помещении выше, чем на улице. Аналогично парциальное давление пара в мансарде выше, чем вне него, то есть весь влагоперенос происходит в одном направлении.

Негативные последствия начинаются тогда, когда температура атмосферного воздуха снижается ниже «точки росы», то есть такой температуры, при которой начинается конденсация пара. Влага конденсируется, стекается вниз на утеплитель под действием силы тяжести, утеплитель намокает, его теплоизолирующие свойства ухудшаются вплоть до промерзания мансарды. Увлажняются другие элементы конструкции: в деревянных начинается гниение, в металлических – коррозия.

С наружной стороны утеплитель защищается гидроизоляцией кровли. Даже при самом тщательном и профессиональном монтаже гидроизоляции и всей конструкции утепленной крыши в ней возникает конденсат, прежде всего он образуется с внутренней стороны кровельного покрытия. Гидроизоляция может укладываться непосредственно на утеплитель, тогда она должна иметь высокую паропроницаемость с тем, чтобы она не препятствовала диффузии паров через нее. Такую гидроизоляцию часто называют супердиффузионной мембраной. При ее использовании конструкция крыши предусматривает только один вентилируемый зазор. Роль зазора очень велика, он должен быть сконструирован таким образом, чтобы вся влага, проникающая через гидроизоляцию кровли, выводилась из него. Если это условие не будет выполнено, тогда под кровлей будет скапливаться конденсат, что вызовет развитие деструктивных процессов.

Обычно принимается, что площадь вентилируемого зазора между гидроизоляцией кровли и кровельным покрытием составляла не менее 1/500 площади между двумя стропилами, но в любом случае зазор должен быть не менее 2см.

Говоря о вентилируемом зазоре важно отметить, что происходит, если теплоизоляция мансарды оказывается недостаточной. В этом случае будет происходить активный теплообмен между внутренним помещением и пространством между гидроизоляцией кровли и кровельным покрытием. Не будем акцентировать внимание на увеличении затрат на отопление помещений, здесь важнее другое – будет нагреваться воздух в вентилируемом зазоре, вследствие чего прогреется и само кровельное покрытие. Если при этом на крыше лежит снег, то он начнет подтаивать, будет происходить образование сосулек, наледи, станет возможным лавинообразный сход снега. Все это самым негативным образом отразится на надежности крыши и может повлечь дополнительные расходы для обеспечения нормальной эксплуатации кровли.

Хотя диффузионные мембраны все чаще используются в конструкциях утепленных мансард в качестве гидроизоляции кровли (кстати, в качестве пароизоляции тоже), на практике все еще используются паронепроницаемые антиконденсатные пленки и так называемые псевдодиффузионные мембраны с недостаточной паропроницаемостью. При их использовании обязательно создание второго вентилируемого зазора, который обеспечивает отведение пара, проникшего через пароизоляцию кровли и толщу утеплителя. Для создания зазора применяются бруски контробрешетки, которая устанавливается поверх стропил. Возможен вариант создания второго вентилируемого зазора без контробрешетки. Он реализуется, если высота стропил больше толщины утеплителя, тогда полотна гидроизоляции кровли крепится непосредственно поверх стропильных ног.

– выбор долговечной, прочной пароизоляции кровли с низкой паропроницаемостью защитит всю утепленную крышу от паров воды, образующихся внутри мансарды;

– следование рекомендациям по выбору толщины утеплителя сведет к минимуму теплообмен через утепленную крышу;

– правильно рассчитанный вентилируемый зазор отведет пар из подкровельного пространства;

– паропронецаемая и водонепроницаемая гидроизоляция кровли укроет пароизоляцию от конденсата и возможных протечек.

GardenWeb

Физико-химические процессы в слоях кровель

Слои покрытия и крыши подвержены воздействию многих факторов. Наибольшее влияние оказывают тепло, холод, вода, статические нагрузки, химические реагенты (рис. 1, 2).

В летних условиях тепловой поток преимущественно направлен внутрь здания. Слои покрытия и крыши поглощают часть тепла и нагреваются (tK). Массивные слои аккумулируют значительную часть тетла.

Вследствие разности температур и относительной влажности внутреннего и наружного воздуха, а также из-за воздухопроницаемости материалов происходит перенос влаги по слоям. При высокой относительной влажности и перенасыщении воздуха влагой она начинает выпадать в виде капель. Перемещение влаги в слоях происходит посредством диффузии .под влиянием градиента упругости водяного пара во влажном воздухе.

Влажность материала в слоях покрытия и крыши в период регулярной эксплуатации зданий может изменяться и оказывать значительное влияние на тепловой режим. Необходимо использовать такие материалы и такую конструкцию, чтобы предотвратить резкое колебание влажности материалов.

На верхние слои покрытия и крыши оказывают также влияние биологические воздействия.

На внешней и внутренней поверхности покрытия и крыши происходит конвективный и лучистый теплообмен, а в слоях — кондуитивный (теплопроводный). На эти процессы оказывают влияние теплофизические характеристики строительных материалов в слоях и их состояние.

Падающая на крышу и покрытие лучистая энергия частично отражается, частично поглощается материалами крыши, покрытия, а частично проникает внутрь помещений. .Под действием лучистой энергии происходит старение строительного материала в верхних слоях, размягчение и старение мастики. Температура в защитном слое и кровельном покрытии сильно колеблется. Так, в летний период в дневное время температура может подниматься до +50 … +70°С, ночью падать до +- 5… +15 °С. В зимних условиях температура может опускаться до —40…—60 °С. Следовательно, слои покрытия и крыши будут подвержены действию значительных температурных деформаций (Дд.

В слоях -покрытия и .крыши протекают сложные процессы влагапереноса. Благодаря возникновению потенциала влажности и температурного градиента пары влаги диффундируют из одного слоя в другой, а также в пределах слоя.

В зимних условиях пары влаги из помещения проникают в материал совмещенного покрытия и перекрытия над верхними помещениями. Возможен процесс накапливания влаги в порах материала несущей конструкции, утеплителя и выравнивающей стяжки. Все это может привести к выпадению конденсата в толще совмещенного покрытия, как только температура в слое опустится ниже точки росы. Тепловые характеристики конструкции изменяются. Возможно промерзание конструкции и отдельных узлов.

Кроме того, наличие влаги в слоях с растворенными в ней агрессивными реагентами способствует преждевременному разрушению строительных материалов. Проведение тщательного теплотехнического расчета как в рядовой части покрытия, так и в узлах позволит избежать выпадения конденсата.

На покрытии и крыше в зимних условиях может накапливаться снег, что приводит к местным перегрузкам. Своевременное удаление снега ликвидирует опасность перенапряжения в слоях.

Частые оттепели зимой приводят к обледенению участков покрытия и появлению микротрещин в водоизоляцион-ном слое.

Удаление наледи должно производиться паром или горячей водой.

Для уменьшения льдообразования на свесах крыш необходимо обеспечивать естественное вентилирование чердака. На крьгшах устраивают слуховые окна, вентиляционные шахты и щели под карнизом.

Сильный ветер (v12 м/с) может сорвать штучные материалы кровельного покрытия (аебестоцементные листы,, плитки, черепицу), сдуть слабо закрепленные частицы гравия, крупного пеока, детали сливов, свесов, фартуки. Кроме того, на покрытии и крыше возникает отсос воздуха и слои подвергаются воздействию сил отрыва. При определении сил отсоса воздуха на покрытии и крыше учитываются соотношение размеров в плане L/B, отношение высоты здания к ширине Н/В, высота здания, направление ветра.

Воздушный шум (звук), возникающий внутри или вне здания, передается через конструкции покрытия и крыши. Чем тяжелее конструкция, тем меньше передается через нее воздушный шум.

Ударный звук (шум), возникающий в результате ударов, передается по конструкции. Уменьшение уровня ударного звука (шума) достигается путем устройства прослоек из упругого строительного материала и швов.

Деформации в несущих и ограждающих конструкциях, здания могут привести к появлению растягивающих и сжимающих усилий в слоях покрытия и крыши. В связи с этим в процессе эксплуатации зданий необходимо следить за состоянием покрытия и крыши.

При воздействии на здание сейсмических нагрузок в конструкциях покрытия и крыши возникают напряжения сжатия Fc, растяжения и изгиба. Следовательно, при строительстве здания в сейсмических районах конструкции покрытия и крыши рассчитываются на воздействие этих нагрузок.

Особую опасность для покрытий, крыш и кровель представляет огонь (пожар) .на чердаке. Необходимо предусматривать преграды против распространения огня (пожара).

Лекция № 7

Виды покрытий и требования к ним.

Малоуклонные чердачные железобетонные крыши.

Виды покрытий и требования к ним.

2. Малоуклонные чердачные железобетонные крыши.

Виды покрытий и требования к ним.

Крыша – верхняя несущая и ограждающая конструкция здания, предохраняющая его от воздействия окружающей среды.

Роль крыши не ограничивается только защитными функциями. Она еще и важный архитектурный элемент здания, играющий ведущую роль в его художественном решении. Силуэты крыш (скатных, шатровых, вальмовых, мансар-

дных и др.), их пластика и цветовая гамма кровель – архитектурно-конструктивные средства проектирования зданий. Архитектурная выразительность зданий с плоскими крышами может решаться за счет таких элементов как парапеты, карнизы, ограждения эксплуатируемых участков.

Крыша подвергается вертикальным и горизонтальным силовым воздействиям (собственный вес, снег, ветер, кратковременные эксплуатационные нагрузки), а также воздействиям атмосферных осадков, солнечной радиации, переменой температуры и влажности наружного воздуха, воздействиям теплового потока с наружной стороны и потока пара изнутри.

Крыши должны отвечать ряду требований, а именно:

иметь необходимую прочность – выдерживать снеговые, ветровые и дополнительные полезные нагрузки (эксплуатируемые крыши);

иметь достаточную водонепроницаемость и быстрый отвод атмосферной воды;

обеспечивать защиту от ударного (дождь, град) и воздушного шума;

защищать помещения верхних этажей от охлаждения и нагрева;

не допускать образования конденсата на поверхностях конструкции и в ее толще;

быть ремонтнопригодным для обеспечения необходимой долговечности;

обладать эстетическим внешним видом и гармонично сочетаться с основным объемом здания;

быть индустриальными в устройстве и экономичными по первоначальным затратам и эксплуатационным расходам.

В процессе проектирования крыши необходимо учитывать следующие основные предпосылки:

характеристики здания (назначение, этажность, температурно-влажностный режим, степень огнестойкости и др.);

климатические данные района строительства (температура воздуха зимой и летом, инсоляция, скорость ветра, атмосферные осадки);

номенклатура имеющихся строительных материалов и технические возможности строительно-монтажных организаций;

финансовые возможности заказчика.

Классификация крыш. Крыши разделяют по разным признакам.

По материалу несущих конструкций:

комбинированные. По способу выполнения:

По наличию пространства между кровлей и помещениями здания:

По величине уклона скатов:

По теплотехническим характеристикам:

По эксплуатационным характеристикам:

неэксплуатируемые. По виду кровли:

с кровельным слоем;

без кровельного слоя.

По организации водосброса со здания (рис. 1.1):

крыши с наружным водостоком;

крыши с внутренним водостоком;

крыши с совмещенным водостоком.

В целях успешного выполнения крышей своих функций и устойчивости к различным воздействиям, необходимо, во-первых, достаточно корректно выполнить расчет несущей части; во-вторых, найти оптимальный вариант конструкции и, наконец, обеспечить оптимальное сочетание материалов.

В конструкции крыши могут присутствовать следующие слои:

кровля, на которую при необходимости наносится дополнительный слой (посыпка, балласт и т.п.);

гидроизоляционный слой – дополнительно изолирующие внутренние слои крыши от проникновения влаги;

Рис. 1.1. Схемы организации водосброса с крыши здания:

а – по наружному водостоку; б – по внутреннему водостоку; в – совмещенный.

теплоизоляция – обеспечивающая стабильную температуру в помещениях под крышей;

пароизоляция – препятствующая проникновению водяного пара изнутри здания в конструкцию крыши;

основание – обеспечивающее несущую и ограждающую функции.

Кроме того, должны быть предусмотрены меры для свободной циркуляции воздуха (вентиляция).

Только учитывая физические процессы, происходящие в крыше, можно спроектировать и возвести действительно надежную конструкцию, которая будет выполнять все возложенные на нее функции.

Физические свойства крыш

Неся в себе защитное свойство, крыша подвержена влиянию внутренних и наружных процессов.

Погодные условия, снег, дождь, ветер, солнечное излучение, колебание температур; химическое воздействие, механические нагрузки и т.д. Всё это нужно учитывать при выборе кровли из того или иного материала.

Рассмотрим влияние негативных факторов ближе.

Кровля, как верхний слой крыши, первая принимает на себя удар в виде атмосферных осадков. Для препятствия проникновению воды (дождя, талого снега) крыши сооружают с некоторым уклоном. Наиболее подходящим материалом при данных условиях будет мягкая кровля (полимерные мембраны, мастичные и рулонные материалы).

Именно они способны образовать полностью герметичный слой. Что касается иных материалов, – выдержать порывы ветра, проливные дожди, снегопады при условии уклона крыши они не могут. И всё же, если возможность проникновения осадков неизбежна, необходимо создать дополнительную защиту в виде гидроизоляционного слоя. Обратите внимание, что без внутренних и внешних систем водоотвода, вышеперечисленные меры защиты не будут работать в полную силу.

Отдельное слово о «снеговой нагрузке».

«Снеговая нагрузка» – опасный элемент, при расчёте общей нагрузки на здание, учитывать его крайне необходимо. Так скажем в регионах Закарпатья, где большое количество снега не может не оказывать дополнительную нагрузку на конструкцию, скаты крыш рекомендуется делать более отвесными, чтобы снег не задерживался на крыше. На скатных крышах лучше всего устанавливать снегозадерживающие элементы, с тем, чтоб не допустить схода снега лавиной. Учитывайте и то, что снегозадерживающие элементы деформируют фасад самого здания. А в некоторых случаях нарушают работу системы водоотвода. В районах с большим количеством снежных осадков, применение негерметичных кровельных покрытий (металлической кровли, черепицы) приводит к проникновению воды и протечкам. Происходит это от образовавшихся под крышей наледенений, не дающих воде стечь вниз или попасть в желоб.

На конструкцию здания немалое влияние оказывает отрицательное и положительное давление, образующееся от потоков ветра, огибающего само здание. Отрицательное давление может сорвать крышу. Одним из факторов такого давления является ветер, обдувающий здание под углом в 45 градусов. К тому же отрывающая сила ветра нередко повреждает саму кровлю, отрывая части покрытий, приводя к вздутиям и т.п.

Отрицательное давление под крышей и положительное давление в самом здании так же влияет на способность ветра сорвать крышу конструкции. Но, если основание крыши сделать герметичным, а кровельный материал закрепить с помощью дополнительных механизмов крепления – повреждение крыши будет исключено. Понизить отрицательное давление можно с помощью парапетов, однако, низкие парапеты лишь увеличат его.

Под радиацией подразумевается солнечные излучения, вступающие в реакцию с компонентами кровельных материалов. Каждый материал имеет свой порог чувствительности, так керамическая и цементно–песчаная черепица не реагирует на солнечное излучение, сюда же отнести можно и металлические кровли без нанесённых полимеров.

Битумные материалы наоборот, реагируя на солнечное излучение, быстро стареют и выходят из строя. Предотвратить такой процесс можно с помощью нанесения защитного верхнего слоя минеральных посыпок. На сегодняшний день в состав битума добавляют разного рода модификаторы, замедляющие процесс старения материалов.

Выбирая материал для кровли, должное внимание уделяйте характеристике теплостойкости, особенно, если выстраиваемое здание находится в южном регионе. Помните, что отдельные виды материалов под воздействием УФ лучей, не только теряют цвет, но и размягчаются.

Кроме вышеперечисленных факторов, на крышу оказывает влияние и колебание температур. Температура нижней поверхности крыши (потолка) соответствует температуре в самом здании, тогда как температура наружной поверхности колеблется от – 35 до +100 градусов Цельсия.

Так как материалы под воздействием температуры растягиваются и сжимаются (деформируются) применяя тот или иной материал в конструкции, необходимо удостовериться, что коэффициент его температурного расширения был аналогичен. Для большей устойчивости плоской крыши к перепадам температур в неё закладываются специальные деформационные узлы.

В областях, где перепады температуры колеблются от + к – деформация и разрушения грозят любому материалу, кроме металлических покрытий. Здесь следует обращать внимание на такую характеристику материала, как водопоглощение. Высокое водопоглощение способствует разрушению материала, т.к. высокие температуры помогают впитывать влагу, а низкие способствуют её замерзанию. Соответственно, материал деформируется и разрушается.

Поскольку крыша должна быть устойчива к резким перепадам температур, необходим своего рода, тепловой барьер. Таким барьером служит слой теплоизолятора.

Внимание! Слой теплоизолятора должен быть сухим. Наличие влажности значительно уменьшает теплоизоляционные способности материала.

На концентрацию пара в подкровельном пространстве оказывает влияние как приготовление пищи и стирка, так и холодное время года, когда температура снаружи и внутри здания высока. Под негативное влияние влажности попадают составляющие конструкции крыши и теплоизоляционный материал.

Немаловажным становится правильный выбор средств для локализации прохождения пара в подкровельное пространство. В таких целях широко используется специальная пленка, имеющая хорошие водоотталкивающие свойства. Укладывается такая пленка непосредственно под слой теплоизоляции. Её использование не означает возможности полного исключения других средств отвода воды. Игнорируя использование плёнки, или специальные водоотводные системы, Вы подвергаете теплоизоляцию крыши утрате свойств и функций. Решение такой проблемы с плоской крышей сводится к креплению кровельного материала к самому основанию крыши. Чтоб удалить влагу в скатной крыше используют вентиляционные зазоры.

Вентиляционные зазоры бывают двух видов:

Верхний – помещается между гидроизоляцией и кровельным покрытием

Нижний – выпускает влагу из внутренних помещений.

Хорошая вентиляция и высококачественная пароизоляция продлевают срок службы деревянных элементов, и не даёт конструкции крыши переувлажняться. Если же Вы решили использовать такой гидроизоляционный материал, как «дышащие мембраны» – ставить нижний вентиляционный зазор не имеет смысла.

По окружающей среде, температуре и влажности внутри самого помещения, несложно вычислить приблизительный уровень конденсации влаги. Поскольку многие фирмы производящие кровельный материал, предложат Вам широкий выбор аэраторов для свесов, вентиляционные решетки и т.д., устранить конденсацию влаги можно гораздо проще и быстрее.

Ещё несколько факторов, влияющих на физику крыш.

Химические вещества воздуха

Так как воздух содержит сероводород, углекислый газ и прочие агрессивные химические вещества, использование материалов, стойких к химическим воздействиям, сделает крышу более надёжной.

Хотим мы того или нет, но деревянные элементы крыши содержат в себе как насекомых, так и разные виды микроорганизмов. Поскольку повышенная влажность это прекрасное условие для их размножения и активной деятельности, нанесение ущерба крыше неизбежно. Во избежание этого для конструкций из дерева используют специальные пропитки.

Различают два вида механических нагрузок:

Постоянные нагрузки – элементы монтажа, насыпка

Временные нагрузки – слой снега, передвижение пешеходов, передвижение техники и т.д.

Чтобы крыша была устойчивой к механическим нагрузкам, следует особое внимание уделять расчёту несущей части. Спроектировать наиболее подходящий вариант конструкции. Правильно выбрать материал для неё.

Обычно конструкция крыши состоит из пяти основных слоёв:

Важно, чтобы воздух внутри крыши свободно циркулировал.

Каждое строение имеет свою функцию, располагается в определённой климатической зоне и подвергается тем или иным воздействиям. С учетом всего этого, укладка пяти вышеперечисленных слоёв будет разной, а количество их варьироваться.

Кровельный материал – элемент, требующий скрупулёзного подхода. В каждом из случаев нужно тщательно изучать такие свойства материала как:

Как ограждающая конструкция, крыши подвергается воздействиям целого ряда факторов-физика крыши

Как ограждающая конструкция, крыши подвергается воздействиям целого ряда факторов, тесно связанных с процессами, происходящими как вне здания, так и внутри него. К числу этих факторов, в частности, относятся:

атмосферные осадки;
ветер;
солнечная радиация;
температурные вариации;
водяной пар, содержащийся во внутреннем воздухе здания;
химически агрессивные вещества, содержащиеся в воздухе;
жизнедеятельность насекомых и микроорганизмов;
механические нагрузки.

Атмосферные осадки

Функция предохранения здания от атмосферных осадков возлагается на самый верхний элемент крыши — кровлю. Для стока дождевой воды поверхности кровли придают уклон. Задача кровли — не пропускать воду в нижележащие слои.

Мягкие кровельные материалы, образующие на поверхности крыши сплошной герметичный ковер (рулонные и мастичные материалы, полимерные мембраны), хорошо справляются с этой задачей. При использовании других материалов атмосферные осадки при небольших уклонах крыши, особенно при неблагоприятных погодных условиях (дождь или снег, сопровождаемые сильным ветром) могут проникать под кровельное покрытие. В таких случаях под кровлей устраивают дополнительный гидроизоляционный слой, являющийся вторым рубежом защиты от атмосферных осадков.

Важной задачей является организация системы водоотвода — внутреннего или внешнего.

Снег оказывает на крышу дополнительную статическую нагрузку (снеговая нагрузка). Она может быть достаточно велика, поэтому ее обязательно учитывают при расчете общей нагрузки на конструкцию крыши. Эта нагрузка зависит от уклона крыши. В снежных районах уклон, как правило, делают больше, чтобы снег не задерживался на крыше. В тоже время на скатных крышах, желательно устанавливать снегозадерживающие элементы, которые не позволяют сходить снегу лавинообразно, угрожая тем самым здоровью прохожих, часто деформируя фасад здания и выводя из строя систему наружного водоотвода.

Одной из значительных проблем в снежных районах является образование на крышах наледей и сосулек. Часто наледи становятся барьером, не позволяющим воде попасть в желоб, водяную воронку или просто стечь вниз. При использовании негерметичных кровельных покрытий (металлические кровли, все виды черепиц) вода может проникать сквозь кровлю, образуя протечки.

Ветер

Потоки ветра, встречая на пути препятствие в виде здания, обходят его, в результате, вокруг постройки образуются области положительного и отрицательного давления (рис. 1).

Величина возникающего отрицательного давления, оказывающего на крышу отрывающее действие, зависит от многих факторов. Наиболее неблагоприятен в этом плане ветер, дующий на здание под углом 450.

План крыши здания, на котором показано распределение отрицательного давления при направлении ветра 450, изображен на рис. 2.

Отрывающая сила ветра может оказаться достаточной для повреждения кровли (образования вздутий, отрыва части покрытий и т.п.). Особенно она возрастает, когда усиливается давление внутри здания (под основанием кровли) из-за проникновения воздуха через открытые двери и окна с подветренной стороны или через щели в конструкции.

В этом случае отрывающая сила ветра обуславливается двумя составляющими: как отрицательным давлением над крышей, так и положительным давлением внутри здания. Поэтому, чтобы исключить риск повреждения крыши, ее основание делают как можно более герметичным (рис. 3). Часто делают дополнительное механическое крепление кровельного материала к основанию.

Для уменьшения отрицательного давления устраивают парапеты. Однако следует иметь в виду, что они могут не только уменьшать, но и увеличивать отрицательное давление. При слишком низких парапетах отрицательное давление может быть даже выше, чем при их отсутствии.

Солнечная радиация

Различные кровельные материалы обладают разной чувствительностью к солнечной радиации. Так, например, солнечное излучение практически не оказывает влияние на керамическую и цементно-песчаную черепицу, а также на кровли из металлов без нанесенных на них полимерных покрытий.

Весьма чувствительны к солнечной радиации материалы на основе битума: от воздействия ультрафиолетового излучения у них ускоряется процесс старения. Поэтому, как правило, они имеют верхний защитный слой из минеральных посыпок. Для защиты современных материалов от старения в состав битума вводят специальные добавки (модификаторы).

Ряд материалов под действием ультрафиолетового излучения со временем теряют первоначальный цвет (выцветают). Особенно чувствительны к этому излучению металлические кровли с некоторыми типами полимерных покрытий.

Солнечная лучистая энергия, попадая на крышу, частично поглощается материалами кровли. При этом верхние слои кровли могут значительно нагреваться (иногда до 100°С), что также влияет на их поведение. Так, например, материалы на основе битума при достаточно высоких температурах размягчаются и в ряде случаев могут сползать с наклонных поверхностей крыши. Чувствительны к высокой температуре и металлические кровельные материалы с некоторыми видами покрытий. Поэтому, выбирая кровельный материал для применения в южных районах, следует удостовериться, что он обладает достаточной теплостойкостью.

Температурные вариации

Как ограждающая конструкция, крыша функционирует в довольно жестком температурном режиме, испытывая как пространственные, так и временные температурные вариации. Как правило, ее нижняя поверхность (потолок) имеет температуру, близкую к температуре в помещении. В тоже время температура наружной поверхности меняется в достаточно широких пределах — от весьма значительных отрицательных величин (в зимнюю, морозную ночь) до величин, близких к 100°С (в летний, солнечный день). Температура наружной поверхности крыши в то же время может быть неоднородной из-за неодинаковой освещенности солнцем разных ее участков.

Но, как известно, все материалы в той или иной степени подвержены термическому растяжению и сжатию. Поэтому во избежание деформаций и разрушения очень важно, чтобы материалы, работающие в единой конструкции, имели близкие коэффициенты температурного расширения. Для повышения сопротивляемости крыши термическим нагрузкам применяют также целый ряд технических решений. В частности, в плоские крыши, для ограничения эффекта горизонтальных подвижек и излишних внутренних напряжений, закладывают специальные деформационные узлы.

Серьезную опасность практически всем кровельным материалам (кроме металлических покрытий) представляют частые, иногда ежесуточные перепады температуры от плюса к минусу. Это, как правило, происходит в районах с мягкой и влажной зимой. Поэтому в подобных климатических зонах необходимо обращать самое пристальное внимание на такую важную характеристику для кровельных материалов как водопоглощение. При высоком водопоглощении влага при положительных температурах проникает и накапливается в порах материала, а при отрицательных – замерзает и, расширяясь, деформирует саму структуру материала. В результате происходит прогрессирующее разрушение материала, приводящее к образованию трещин.

Крыша должна не только быть устойчивой к значительным температурным вариациям, но и надежно ограждать от них внутренние помещения здания, защищая зимой от холода, а летом от жары. Роль теплового барьера в конструкции крыши принадлежит слою теплоизолятора. Чтобы теплоизоляционный материал выполнял свою функцию, он должен быть как можно более сухим. При увеличении влажности всего на 5% теплоизоляционная способность материала уменьшается почти в два раза.

Водяной пар

Водяной пар постоянно образуется во внутренних помещениях здания в результате жизнедеятельности людей (приготовления пищи, стирки, купания, мытья полов и т.д.). Особенно высокая влажность наблюдается в недавно построенных или отремонтированных зданиях. В процессе диффузии и конвективного переноса водяной пар поднимается вверх, и, охлаждаясь до температуры ниже точки росы, конденсируется в подкровельном пространстве (рис. 4). Количество образующейся влаги тем выше, чем больше разница температур снаружи и во внутренних помещениях здания, поэтому в зимнее время влага довольно интенсивно накапливается в подкровельном пространстве.

Влага отрицательно воздействует как на деревянные, так и на металлические элементы конструкции крыши. При переизбытке она начинает стекать во внутренние помещения, образуя протечки на потолке. К наиболее неприятным последствиям приводит накопление влаги в теплоизоляционном материале, что, как уже говорилось, резко снижает его теплоизоляционные свойства.

Существенным барьером на пути проникновения пара в подкровельное пространство является специальная пленка с низкой паропроницаемостью, которую в конструкции крыши помещают непосредственно под теплоизоляцией. Однако никакой пароизоляционный материал не в состоянии полностью исключить поток пара изнутри здания в подкровельное пространство. Поэтому, для того чтобы крыша год от года не теряла свою теплоизолирующую способность, необходимо чтобы вся влага, накапливающаяся в теплоизоляционном материале зимой, летом выходила наружу.

Эта задача решается конструктивными мерами. В частности, для плоских крыш рекомендуется не сплошная, а частичная приклейка кровельных материалов к основанию.

В скатных крышах устраивают специальные вентиляционные зазоры (рис. 5). Как правило, их два – верхний зазор и нижний. Через верхний зазор (между кровельным покрытием и гидроизоляцией) удаляется атмосферная влага, попавшая под кровельное покрытие. Благодаря вентиляции деревянные конструкции (контробрешетка и обрешетка) постоянно проветриваются, что обеспечивает их долговечность. Через нижний вентиляционный зазор удаляется влага, проникающая в утеплитель из внутреннего помещения. Качественное обустройство пароизоляции со стороны внутреннего помещения и наличие достаточного нижнего вентиляционного зазора, исключают переувлажнение конструкции крыши.

Отметим, что при применении в качестве гидроизоляционных материалов дышащих мембран необходимость в нижнем вентиляционном зазоре отпадает.

Для обеспечения хорошей циркуляции воздуха многие фирмы, производящие кровельные материалы для скатных крыш, как правило, предлагают в качестве доборных целый ряд вентиляционных элементов: аэраторы для свеса, аэраторы для конька, вентиляционные решетки, а для черепичных кровель — специальные вентиляционные черепицы.

Наиболее надежная защита от водяного пара особенно необходима в крышах над помещениями с большой влажностью: бассейны, музеи, компьютерные залы, больницы, некоторые производственные помещения и т.д. Защите от пара необходимо уделить также особое внимание при строительстве в районах с экстремально холодным климатом, даже при нормальной влажности внутри помещений. При анализе условий окружающей среды и температурно-влажностного режима внутри помещений можно сделать предположения о возможности конденсации влаги и ее накопления, и, используя различные комбинации компонентов крыши, попытаться предотвратить эти явления.

Химически агрессивные вещества, содержащиеся в воздухе

Как правило, в больших городах или вблизи крупных предприятий в атмосфере наблюдается достаточно высокая концентрация химически агрессивных веществ, например, сероводорода и углекислого газа. Поэтому для всех элементов конструкции крыш и, особенно, для кровель в таких районах необходимо применять материалы, стойкие к химическим веществам, присутствующим в воздухе.

Жизнедеятельность насекомых и микроорганизмов

Существенный ущерб конструкции крыши, особенно деревянным элементам, способны нанести различные насекомые и микроорганизмы. Особенно благоприятной средой для их жизнедеятельности является повышенная влажность. Для защиты деревянных конструкций используют специальные пропитки, защищающие материал от микроорганизмов.

Механические нагрузки

Конструкция крыши должна сопротивляться механическим нагрузкам, как постоянным (статическим) – от насыпки и элементов монтажа, так и временным — снеговым, от движения людей и техники и т.д. Нагрузки, связанные с возможными подвижками между крышей и узлами здания, также относятся к временным.

Итак, для того, чтобы крыша надежно выполняла свои функции и была устойчивой к различного рода воздействиям (перечисленным выше), необходимо: во-первых, достаточно корректно выполнить расчет несущей части; во-вторых, найти оптимальный вариант конструкции; и, наконец, в-третьих, обеспечить оптимальное сочетание конструкционных материалов.

Из всего сказанного следует, что в конструкции крыши могут присутствовать следующие основные слои (рис. 6):

кровельный материал, на который при необходимости наносится дополнительный слой (посыпка, балласт и т.п.);
гидроизоляционный слой (на пологих крышах) — дополнительно изолирует внутренние слои крыши от проникновения атмосферной влаги;
теплоизоляция — обеспечивает достаточно стабильную температуру воздуха в помещениях;
пароизоляция — препятствует проникновению водяного пара изнутри здания в конструкцию крыши;
основание.

В конструкции крыши должны быть предусмотрены меры для свободной циркуляции воздуха (вентиляция).

Необходимость тех или иных слоев и их расположение зависят от типа здания и тех воздействий, которым оно будет подвергаться. При выборе необходимо также учитывать технические характеристики применяемых материалов: коэффициенты температурного растяжения и сжатия; пределы прочности при растяжении, сжатии и сдвиге; характеристики паропроницаемости и абсорбции влаги; характеристики старения, в т.ч. увеличения хрупкости и потери термического сопротивления; эластичности; огнестойкости. Степень важности всех выше перечисленных технических характеристик определяется каждым конкретным случаем.

Физические процессы происходящие в отопительной панели

Запись дневника создана пользователем evraz, 13.01.18
Просмотров: 978

Физические процессы происходящие в отопительной панели
От понимания устройства и принципов расчетов отопительных панелей зависит правильность принятых технических решений, даже на стадии предварительной оценки объекта.

В конструкциях систем водяной теплый пол происходит распределение и передача тепловой энергии, которые зависят от тепловой нагрузки, геометрических и теплофизических параметров греющей панели, материала и диаметра труб контуров водяного теплого пола, материала чистового покрытия и т.п. (рис. 1).

Рис. 1 Разрез отопительной панели системы водяной теплый пол бетонного типа.

где:
T воздуха[°С] – требуемая температура воздуха в помещении. Диапазон регламентируется по СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» и по техническому заданию в зависимости от назначения помещения.
T пола[°С] – температура поверхности пола. Регламентируется в СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» в зависимости от назначения помещения.
S[м²] – площадь, занимаемая напольной отопительной панелью.
[Вт/м*°С] – теплопроводность материалов участвующих в процессе теплопередачи. Зависит от типа материала, его толщины и его физико-технических свойств. Часть данных имеется в СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» и/или указывается производителем материалов. Частично данные приведены в таблице ниже.
[м] – толщина материалов участвующих в процессе теплопередачи.
Ci[м] – расстояние между трубами контуров системы водяной теплый пол (шаг укладки). Выбирается? исходя из требуемой тепловой нагрузки на систему, а также назначения помещения.

Теплопроводность некоторых материалов
Материал Теплопроводность
[Вт/м*°С]
Линолеум 0.23
Ламинат 0.29
Паркет 0.17
Плитка 2
Клей для плитки 1
Стенофон 0.05
Фанера 0.13
Бумага 0.055
Гипс 0.22
ДСП 0.2
Песок 0.58
Бетон 1.7
Труба PE-RT 0.4

Распределение тепловой энергии происходит за счет движения нагретого теплоносителя по трубам (контурам системы водяной теплый пол), встроенным внутрь греющей панели. Одна из основных задач при расчете и проектировании системы водяной теплый пол – достичь равномерного распределения температуры по поверхности греющей панели, зависящего от расстояния Ci между трубами контуров отопительной панели. Результат решения этой задачи – выбор оптимального шага укладки труб контуров системы водяной теплый пол.

Передача тепловой энергии (теплообмен) в рассматриваемой нами отопительной системе происходит тремя способами: теплопроводность (кондукция), конвекция и излучение.

Теплопроводность (кондукция). Передача тепла в твердых телах происходит от теплого к холодному. В нашем случае, передача тепла происходит непосредственно в самой отопительной панели от труб контуров системы водяной теплый пол к бетону, от бетона к чистовому покрытию. Эффективность процесса зависит от температуры теплоносителя, расхода теплоносителя через греющий контур, а также
суммарного термического сопротивления материалов, участвующих в процессе теплопередачи.

Конвекция. Теплопередача в жидких и газообразных средах происходит за счет движения сред от теплого к холодному. В нашем случае – теплопередача происходит от греющей панели воздуху в нагреваемом помещении. Главная показатель эффективности процесса –
[Вт/м²*°С] – коэффициент теплопередачи при теплообмене конвекцией.

Излучение. Излучение тепла происходит между двумя и более телами, разделенными, хотя бы частично, прозрачной средой, и зависит от температур и свойств поверхностей тел, а также от оптических свойств среды. В случае с системой водяной теплый пол излучение тепла происходит от греющей панели к окружающим предметам (мебель, стены и т.п.). Главная характеристика процесса –
[Вт/м²*°С] – коэффициент теплопередачи при теплообмене излучением.

В общем теплообмене в помещении участвуют все его поверхности, воздушные струи (потоки) и воздух помещения. Этот процесс можно описать только системой большого числа уравнений, что затрудняет «повседневное» решение задачи. Сначала система была приведена к виду А.М.Листовым и М.И.Киссиным для решения системы из двух уравнений общего теплообмена в помещении. Решение системы из двух уравнений, так же как и полной системе, неудобно в инженерной практике, поэтому пошли по пути дальнейшего упрощения расчетной схемы. Теоретическая проработка этого вопроса Шориным С.Н. и решение уравнений на электрической аналоговой модели позволили сделать следующий вывод:
Полное количество тепла , отдаваемое панелью, равно сумме ее лучистой и конвективной составляющих:

где:
Тн.о. температура нагретых ограждающих конструкций.

В соответствии со вторым условием комфортности, на основании гигиенических исследований А.Е. Малышевой, Ф. Кренко, Ф. Миссенара, Е.А. Насонова и Д.И. Исмаиловой, коэффициенты определены по графикам, полученным И.Шаркаускасом методом светового моделирования:

Таким образом, примерно, половина тепла передается за счет теплообмена конвекцией и половина за счет излучения. А если быть точными, то 45% и 55% соответственно.