Факторы, влияющие на температуру поверхности плоских кровель

Для оценки долговечности того или иного компонента кровельной системы используются различные методы ускоренных испытаний,которые проводятся в лабораториях.

Отражающая способность кровельной мембраны играет ключевую роль в определении суточных температур кровли. В ясный летний день температура черного кровельного покрытия может легко превысить 70° С, в то время как на кровле, покрытой белой гладкой мембраной, находящейся в идентичных условиях, она может не достигать 40° С. Кровли с лучшей отражающей способностью и, как следствие, с более низкими максимальными суточными температурами имеют больший срок эксплуатации. Очень высокие температуры поверхности кровельной мембраны ускоряют ее разру шение, поэтому таких режимов эксплуатации следует избегать.

Сегодня с помощью компьютера можно довольно точно вычислить температуры на поверхности кровли в случае, если известны характеристики кровельной конструкции и погодные (климатические) условия. Ниже будут рассмотрены факторы, которые в наибольшей степени влияют на поверхностную температуру кровли, а именно:

Для светлых мембран с высокой отражающей способностью разность между температурой на поверхности мембраны и температурой окружающего воздуха будет небольшой. Поэтому и величина быстрых изменений температуры, вызванных погодными условиями, будет гораздо менее резкой для белой кровли, чем для черной.

При прочих равных условиях кровля с более эффективной теплоизоляцией будет отдавать меньшее количество тепла в интерьер, чем кровля с меньшей теплоизоляцией, поэтому она будет нагреваться сильнее. Температура на кровле зависит от толщины (эффективности) теплоизоляции, однако эта зависимость носит ограниченный характер (рис. 2) [3].

Разумеется, это не означает, что на кровле можно обойтись минимумом теплоизоляции: по-прежнему количество теплоизоляции на кровле сильно влияет на энергосбережение здания (и на счета за отопление/ кондиционирование). Например, удвоение толщины теплоизоляции приведет к повышению пиковых дневных температур всего на несколько градусов. Однако теплопо-тери через кровлю действительно снизятся почти вдвое.

Цвет кровли имеет гораздо большее влияние на температуру кровли, чем толщина теплоизоляции,

Несмотря на то, что отражающая способность различных кровельных материалов может отличаться значительно, тем не менее, большинство этих материалов имеют примерно одинаковые показатели тепловой эмиссии, близкие к 0,9.

Поверхность кровли излучает тепловую энергию в атмосферу и на соседние строения. В дневное время эти «потери» с лихвой компенсируются энергией солнца, поэтому кровельная поверхность может нагреться до температур, значительно превышающих температуру окружающего воздуха. Можно сказать, что такой фактор, как тепловая эмиссия кровельной поверхности, малоэффективен днем в теплое время года.

Ночью, в отсутствие солнечного излучения, значение тепловой эмиссии возрастает: температура кровельной поверхности может опуститься ниже температуры окружающего воздуха. Часто при ясной сухой погоде ночью температура на поверхности хорошо утепленной кровли опускается на 10 °С ниже температуры воздуха. Причем эффект ночного охлаждения поверхности кровли одинаков как для темных, так и для светлых мембран (рис. 3) [3].

Если к кровельной поверхности добавить некоторую массу в виде, например, тротуарной плитки или гравийного балласта, кровля приобретет дополнительную тепловую инерцию. Воздействие дополнительной массы на температуру кровли будет проявляться в сглаживании суточных температурных колебаний. Как следствие, это приведет к снижению пиковых дневных температур по сравнению с кровлей без дополнительной массы.

На рис. 4 приведена зависимость температуры кровли от ее поверхностной массы. Из рисунка видно, что максимальная температура поверхности кровли снижается с увеличением поверхностной массы, причем влияние поверхностной массы имеет существенно большее влияние на температуру кровли, чем уровень теплоизоляции.

В 70-е гг. в Советском Союзе проводились исследования температурных режимов, в которых находятся пенополистирольные плиты в покрытиях промышленных зданий [5]. В лабораторных условиях (в климатической камере) исследовались фрагменты кровельных покрытий, а также в натурных условиях Узбекской ССР определялись температурные режимы в слоях кровельных покрытий. Для сравнения отражающей способности тогда испытывались, в частности, следующие кровельные материалы:

Оба типа кровель выполнялись по пенополистирольным плитам.

В табл. 1 приводится сравнение количества дней в период исследования, в течение которых температура мембраны превышала определенное значение. Из таблицы видно, например, что температура эталонной мембраны находилась в диапазоне от 50 °С до 60 °С в течение 219 дней, а превышала 70 °С в течение всего двух дней.

Рис. 8 иллюстрирует суточные флуктуации температуры (разность между максимальной и минимальной температурой) поверхности мембраны на эталонной и «зеленой» кровле, а также температуру окружающего воздуха. Можно видеть, что «зеленая» кровля значительно смягчает флуктуации температуры в весенне-летний период по сравнению с эталонной кровлей. Средние значения флуктуации в летнее время составляют около 45 °С для эталонной кровли и всего 6 °С для «зеленой» кровли.

Следует отметить, что оба испытания в Канаде [6, 7] проводились на географической широте, приблизительно соответствующей Краснодару. Температура окружающего воздуха превышала 30 °С в течение 63 дней (т. е. 10% дней) в период испытаний.

Озеленение кровли значительно снижает температурную нагрузку на кровельную мембрану, уменьшая суточные флуктуации температуры.

Источник

Факторы, влияющие на температуру поверхности плоских кровель

Для оценки долговечности того или иного компонента кровельной системы используются различные методы ускоренных испытаний, которые проводятся в лабораториях.

Часто для этих испытаний выбираются такие температурно-влажностные режимы, которые можно назвать скорее экстремальными, далекими от реальных. Поэтому выводы, которые делаются по результатам испытаний, могут быть некорректными. Важно, чтобы по результатам испытаний на ускоренное старение не отбраковывались те материалы, которые в реальных условиях хорошо себя зарекомендовали. Иными словами, режимы для испытаний не должны быть жестче, чем условия, в которых находятся материалы в реальной жизни. Поэтому нужно знать эти реальные условия, прежде всего температуру кровельной поверхности. К сожалению, в отечественной специальной литературе приводится не так много примеров натурных испытаний, целью которых был бы мониторинг температуры поверхности кровли. Цель настоящей статьи — привести факторы, которые определяют температуру кровельной поверхности, а также на основе отечественного и зарубежного опыта дать представление о реальных максимальных температурах на кровлях.

Энергия солнечного излучения включает в себя 5% ультрафиолетового (УФ) излучения, 45% — видимого света и 50% инфракрасного (ИК) излучения. Часть солнечной энергии, достигающей кровли, отражается, некоторая часть также возвращается в атмосферу в виде тепловой эмиссии. Часть энергии поглощается кровлей и, превращаясь в тепло, передается конвекционным путем воздуху непосредственно над кровельной поверхностью. Остальное тепло передается в здание.

Отражающая способность кровельной мембраны играет ключевую роль в определении суточных температур кровли. В ясный летний день температура черного кровельного покрытия может легко превысить 700 С, в то время как на кровле, покрытой белой гладкой мембраной, находящейся в идентичных условиях, она может не достигать 400 С. Кровли с лучшей отражающей способностью и, как следствие, с более низкими максимальными суточными температурами имеют больший срок эксплуатации. Очень высокие температуры поверхности кровельной мембраны ускоряют ее разрушение, поэтому таких режимов эксплуатации следует избегать.

Сегодня с помощью компьютера можно довольно точно вычислить температуры на поверхности кровли в случае, если известны характеристики кровельной конструкции и погодные (климатические) условия. Ниже будут рассмотрены факторы, которые в наибольшей степени влияют на поверхностную температуру кровли, а именно:
— цвет и текстура кровельной поверхности;
— интенсивность солнечного излучения;
— погодные условия (облака, осадки, ветер);
— кровельная теплоизоляция;
— тепловая эмиссия кровельной поверхности;
— масса кровельного покрытия.

Известно, что мембрана темного цвета поглощает больше солнечной энергии, чем светлая. Например, гладкая (без минеральной посыпки) битумная мембрана или черная ЭПДМ-мембрана поглощают до 94% солнечной энергии [1]. Следствием такого активного поглощения является интенсивный нагрев мембраны и ее деградация (разрушение). Белая ЭПДМ-мембрана поглощает только 20–30% солнечной энергии — это лучший показатель среди кровельных мембран. Часть солнечной энергии отражается от поверхности кровли обратно в атмосферу. Отражающая способность определяется как часть солнечного потока, отраженного поверхностью, выраженная либо в процентах, либо в диапазоне от 0 до 1. Согласно положениям программы Energy Star, разработанной Министерством охраны окружающей среды США, отражающая способность вновь смонтированных плоских кровель должна составлять не менее 0,65 и не более 0,50 спустя три года эксплуатации. Этим требованиям Energy Star удовлетворяют только белые или светло-серые кровли [2]. Такие кровли получили название «прохладные» кровли (cool roof). Сообщается, что максимальные температуры кровельных мембран с очень высокой отражающей способностью выше температуры окружающего воздуха всего на 8–8,5 0С [2]. Кровли с низкой отражающей способностью могут нагреваться до температур, которые на 33–39 0С выше температур «прохладных» кровель. Чтобы защитить гладкую (без посыпки или балласта) битумную мембрану от ускоренной высокотемпературной деградации, следует выбирать легкие, периодически обновляемые кровельные покрытия с высокой отражающей способностью. Для защиты от деградации битумной мембраны с посыпкой следует выбирать для минеральной посыпки светлые тона. Кровельные полимерные термопластичные мембраны имеют, как правило, светлую окраску. Поэтому температура на их поверхности не бывает выше температуры окружающего воздуха более чем на 5–15 0С.

Солнце — основной источник энергии для кровли, которая способна нагреваться выше температуры окружающего воздуха. Количество принимаемого солнечного света меняется в зависимости от времени года, географического расположения (географической широты) объекта и местных погодных особенностей. В общем случае кровли, расположенные ближе к экватору или в горной местности, получают больше солнца, а поэтому сильнее нагреваются при прочих равных условиях. Однако высокая облачность или/и высокая влажность так же влияют на хорошее поглощение солнечной радиации и могут намного снизить количество принимаемого солнечного света.

В жаркий летний день солнце может нагреть черную кровлю до температуры 70 0С и даже 80 0С, причем температура окружающего воздуха будет находиться в диапазоне 25–35 0С. Поскольку масса кровель не очень велика и не может хранить большое количество тепла, такие природные явления, как быстрый ливень, прохладный ветер или даже большая туча, могут привести к снижению температуры кровли и температуры в помещении. Выполнить точное вычисление влияния этих воздействий на конкретную кровлю очень сложно, поскольку такие явления не регулярны и нет постоянных параметров для расчета.

На рис. 1 приведен график, приблизительно иллюстрирующий влияние скорости ветра на температуру поверхности кровли [3]. Максимальная температура кровли с покрытием из черной битумной мембраны в течение одной недели жаркого лета может быть меньше на 3–6 0С, если скорость ветра возрастает от 0 до 15 км/ч, и на 13–16 0С ниже при скорости ветра 30 км/ч.

Для светлых мембран с высокой отражающей способностью разность между температурой на поверхности мембраны и температурой окружающего воздуха будет небольшой. Поэтому и величина быстрых изменений температуры, вызванных погодными условиями, будет гораздо менее резкой для белой кровли, чем для черной.

При прочих равных условиях кровля с более эффективной теплоизоляцией будет отдавать меньшее количество тепла в интерьер, чем кровля с меньшей теплоизоляцией, поэтому она будет нагреваться сильнее. Температура на кровле зависит от толщины (эффективности) теплоизоляции, однако эта зависимость носит ограниченный характер (рис. 2) [3].

Даже небольшое количество теплоизоляции, уложенной под кровельной мембраной, уже окажет действие: температура на кровле несколько поднимется. Однако дальнейшее увеличение толщины теплоизоляции не будет заметно влиять на температуру. Это можно объяснить тем, что на температуру на кровле влияет суммарный теплообмен: с одной стороны — между поверхностью кровли и внутренним пространством, с другой стороны — между поверхностью кровли и внешней средой. Если некоторое количество теплоизоляции уложено, теплообмен с интерьером (кондиционированным пространством) ограничен, и температура на поверхности кровли будет определяться, главным образом, внешними факторами, такими, как солнечная энергия, ветер, дождь и температура окружающего воздуха.

Разумеется, это не означает, что на кровле можно обойтись минимумом теплоизоляции: по-прежнему количество теплоизоляции на кровле сильно влияет на энергосбережение здания (и на счета за отопление/кондиционирование). Например, удвоение толщины теплоизоляции приведет к повышению пиковых дневных температур всего на несколько градусов. Однако теплопотери через кровлю действительно снизятся почти вдвое.

Цвет кровли имеет гораздо большее влияние на температуру кровли, чем толщина теплоизоляции.

Разность расчетных температур на черной и серой поверхности кровли составляет около 8,5 0С, между белой и черной — 15 0С, в то время как разность поверхностных температур между кровлями с утеплением 25 мм и 125 мм составляет всего около 2 0С. Черная кровельная мембрана над теплоизоляцией толщиной 25 мм нагреется на 11 0С сильнее, чем белая мембрана поверх теплоизоляции толщиной 125 мм, и на 5,5 0С сильнее, чем серая мембрана поверх теплоизоляции толщиной 125 мм [4]. Таким образом, объем теплоизоляции влияет незначительно на процесс деградации битумной мембраны по сравнению с влиянием черного цвета кровли на этот процесс.

Коэффициент тепловой эмиссии (излучающая способность в инфракрасном диапазоне излучения) — безразмерный параметр, находящийся в диапазоне от 0 до 1, который характеризует способность объекта «избавляться» от части своего тепла посредством инфракрасного (ИК) излучения. Длина волны такого излучения находится в диапазоне от 5 до 40 мкм. Чем выше коэффициент тепловой эмиссии, тем ниже максимальная температура на поверхности кровли.

Несмотря на то, что отражающая способность различных кровельных материалов может отличаться значительно, тем не менее, большинство этих материалов имеют примерно одинаковые показатели тепловой эмиссии, близкие к 0,9.

Поверхность кровли излучает тепловую энергию в атмосферу и на соседние строения. В дневное время эти «потери» с лихвой компенсируются энергией солнца, поэтому кровельная поверхность может нагреться до температур, значительно превышающих температуру окружающего воздуха. Можно сказать, что такой фактор, как тепловая эмиссия кровельной поверхности, малоэффективен днем в теплое время года.

Ночью, в отсутствие солнечного излучения, значение тепловой эмиссии возрастает: температура кровельной поверхности может опуститься ниже температуры окружающего воздуха. Часто при ясной сухой погоде ночью температура на поверхности хорошо утепленной кровли опускается на 10 0С ниже температуры воздуха. Причем эффект ночного охлаждения поверхности кровли одинаков как для темных, так и для светлых мембран (рис. 3) [3].

Если к кровельной поверхности добавить некоторую массу в виде, например, тротуарной плитки или гравийного балласта, кровля приобретет дополнительную тепловую инерцию. Воздействие дополнительной массы на температуру кровли будет проявляться в сглаживании суточных температурных колебаний. Как следствие, это приведет к снижению пиковых дневных температур по сравнению с кровлей без дополнительной массы.

На рис. 4 приведена зависимость температуры кровли от ее поверхностной массы. Из рисунка видно, что максимальная температура поверхности кровли снижается с увеличением поверхностной массы, причем влияние поверхностной массы имеет существенно большее влияние на температуру кровли, чем уровень теплоизоляции.

Отражающая способность кровли изменяется со временем, и, как следствие, меняется температура кровельной поверхности при прочих равных условиях. Как показывает опыт, черная битумная поверхность становится более отражающей, в то время как светлая кровля — менее отражающей (рис. 5). Эти изменения могут быть как полезными для состояния кровли и энергопотреблением здания, так и вредными. Вероятно, эти изменения связаны с поверхностным загрязнением, химическими реакциями, протекающими в кровельных материалах, и прочими факторами.

В 70-е гг. в Советском Союзе проводились исследования температурных режимов, в которых находятся пенополистирольные плиты в покрытиях промышленных зданий [5]. В лабораторных условиях (в климатической камере) исследовались фрагменты кровельных покрытий, а также в натурных условиях Узбекской ССР определялись температурные режимы в слоях кровельных покрытий. Для сравнения отражающей способности тогда испытывались, в частности, следующие кровельные материалы:
— три слоя рубероида марки РМ-350 (с черной поверхностью) (рис. 6);
— четыре слоя рубероида марки РМ-350 с защитным слоем из мелкого известнякового щебня (рис. 7).

Оба типа кровель выполнялись по пенополистирольным плитам.
Для определения максимальных значений температур поверхности пенополистирольных плит под гидроизоляционным ковром были взяты результаты исследований в Ташкенте и Термезе в течение трех дней в июле 1969 г. Максимальная температура наружного воздуха в Ташкенте в этот период находилась в диапазоне 34,7–37 0С, в Термезе 37–40 0С. Средняя температура воздуха составляла в Ташкенте 28,35–30,3 0С, а в Термезе 30,1–32,75 0С.

У фрагментов покрытий № 1 по основанию из оцинкованного листа температура на поверхности теплоизоляции находилась в пределах 56–59 0С (в Ташкенте) и 65–68,2 0С (в Термезе).

Толщина теплоизоляции, как показано ранее, и в этих исследованиях не играла значительной роли. Разница температур на поверхности пенополистирола во фрагментах, имеющих толщину теплоизоляции 30 мм и 80 мм, составляла всего 2–3 0С.

Испытания битумной кровли в Канаде (г. Оттава) проводились с середины зимы до середины лета 1976 г. [6]. Конструкция кровли состояла из бетонного основания, пароизоляции, плит экструдированного пенополистирола, битумной кровельной мембраны и балласта из гравия. Авторы исследования отмечают, что в летнее время максимальная температура поверхности кровли превышала температуру окружающего воздуха в безоблачный день на 12–17 0С. Абсолютный максимум температуры поверхности мембраны составил 68 0С.

Цель другого долгосрочного исследования — изучить влияние озеленения поверхности кровли на теплотехнические характеристики кровельной конструкции [7]. Экспериментальный участок плоской поверхности кровли площадью около 72 кв. м был разделен на две равные части, разделенные перегородкой. На одной половине поверх синтетической мембраны была смонтирована экстенсивная «зеленая» кровля. Вторая часть использовалась в качестве эталона и представляла собой классическую кровлю с битумно-полимерной изоляцией, покрытой светло-серыми гранулами. Исследования проводилось в течение 660 дней в период с ноября 2000 г. по сентябрь 2002 г. в Оттаве. Результаты показали значительно более высокие температуры кровельной поверхности на эталонной кровле по сравнению с «зеленой» кровлей. В дневное время эти температуры достигали 70 0С и 25 0С, соответственно.

В табл. 1 приводится сравнение количества дней в период исследования, в течение которых температура мембраны превышала определенное значение. Из таблицы видно, например, что температура эталонной мембраны находилась в диапазоне от 50 0С до 60 0С в течение 219 дней, а превышала 70 0С в течение всего двух дней.

Рис. 8 иллюстрирует суточные флуктуации температуры (разность между максимальной и минимальной температурой) поверхности мембраны на эталонной и «зеленой» кровле, а также температуру окружающего воздуха. Можно видеть, что «зеленая» кровля значительно смягчает флуктуации температуры в весенне-летний период по сравнению с эталонной кровлей. Средние значения флуктуаций в летнее время составляют около 45 0С для эталонной кровли и всего 6 0С для «зеленой» кровли.

Следует отметить, что оба испытания в Канаде [6, 7] проводились на географической широте, приблизительно соответствующей Краснодару. Температура окружающего воздуха превышала 30 0С в течение 63 дней (т. е. 10% дней) в период испытаний.

В заключение можно сделать следующие выводы. Температура кровли определяется, главным образом, отражающей способностью кровельной поверхности: чем более светлым является верхний слой, тем меньше нагревается кровля. Отражающая способность светлой кровли снижается со временем, а черной — наоборот, повышается. Зависимость температуры кровли от толщины (эффективности) теплоизоляции незначительна. Влияние погодных факторов (ветер, облачность, дожди) кратковременно, хотя может быть существенным. В жаркую безветренную погоду в южных регионах максимальная температура на поверхности черной битумной мембраны может кратковременно превышать 70 0С. В то же время светло-серая синтетическая мембрана, гравийный балласт или битумная мембрана со светлой посыпкой не нагреваются выше 60 0С.

Озеленение кровли значительно снижает температурную нагрузку на кровельную мембрану, уменьшая суточные флуктуации температуры.

Литература.
1. J. S. Parker et al. (2000). Laboratory Testing of the Reflectance Properties of Roofing Material. FSEC-CR-670-00. Florida Solar Energy Center, Cocoa, FL
2. D. L. Roodvoets, W. A. Miller, A. O. Desjarlais (2004). Long Term Reflective Performance of Roof Membranes.
3. E. I. Griggs, T. R. Sharp, J. M. MacDonald (1989). Guide for Estimating Differences in Building Heating and Cooling Energy Due to Changes in Solar Reflectance of Low-Sloped Roof. ORNL-6527. Oak Ridge National Laboratory.
4. C. W. Griffin. Plug the Energy Leaks in Your Roof, Journal of Building Physics, 1978; 1; 206.
5. «Температурный режим теплоизоляции из пенополистирольных плит в покрытиях промышленных зданий», ЦНИИПрозданий, Труды института, вып. 25, 1973.
6. H. O. Laaly. Temperature of bituminous roofing membrane and its relation to ambient conditions. Symposium on Roofing Technology, Gaithersburg, 21–23 September, 1977.
7. K. Liu, B. Baskaran (2003). Thermal Performance of Extensive Green Roofs through Field Evaluation, NRCC-46412.

Источник

Температура здоровья кровли

Приступая к проектированию кровли, заказчик зачастую отталкивается от желания использовать те или иные материалы: проверенные марки, хорошие отзывы коллег, соответствие цены и качества. Но при этом очень часто упускает из виду те погодные условия, при которых предстоит эксплуатировать кровлю. Что хорошо для Москвы – может совершенно не подходить для Хабаровска, равно как совершенно разное устройство кровли требуется, скажем, для Нижнего Новгорода и Ростова- на-Дону. Важнейшее условие для длительной и надежной эксплуатации плоских кровель – правильное их проектирование, которое должно включать расчет температуры поверхности в течение всего года. Понятно, что для каждого региона такой расчет свой. Но как правильно посчитать, обойдясь без дорогостоящих лабораторных исследований? Об этом и пойдет речь в данной статье.

В настоящее время при устройстве плоских кровель наибольшее распространение получили рулонные кровельные материалы – битумные, битумно-полимерные и полимерные. Более современными материалами являются битумно-полимерные и полимерные рулонные кровельные материалы, однако в разговорах об их преимуществах обычно умалчивают важнейшую деталь – стоимость их применения по сравнению с традиционными битумными материалами. Применяя более современный и, соответственно, более дорогой материал, заказчик ожидает, что срок его службы будет намного больше, чем традиционного битумного материала. Но часто эти ожидания не оправдываются, и кровля начинает протекать уже через несколько лет после укладки, что связано в первую очередь с процессами старения, которым тоже подвержены эти современные материалы. Под влиянием неблагоприятных погодных условий, прежде всего высоких летних температур, в битумно-полимерных вяжущих происходят химические и физические превращения, а в полимерах – процессы деструкции. Следствием этих процессов становится ухудшение морозостойкости материалов, которая является в России очень важной характеристикой, так как кровельные материалы должны даже в южных регионах выдерживать экстремально низкие температуры в зимний период. Таким образом, старение кровельных материалов, вызванное, прежде всего, их перегревом в летний период, оказывает решающее влияние на эксплуатационные характеристики и срок службы как традиционных, так и современных кровельных материалов. Для изучения процесса старения кровельных материалов проводят их испытания, как в натурных, так и в лабораторных условиях.

Натурные испытания требуют больших временных и финансовых затрат, так как необходимо изготовить полноразмерный (по составу и толщине материалов) образец покрытия и испытать его в конкретном населенном пункте в период действия максимальных температур. Изменения, которые происходят в материале в процессе старения, достаточно сложно смоделировать в лабораторных условиях, поскольку неизвестна температура,до которой нагревается материал кровли в процессе его эксплуатации в конкретных условиях. Испытания же на ускоренное старение при некоторых «стандартных» температурах, превышающих реальные температурные воздействия, могут привести к отбраковке материалов, которые хорошо поведут себя в конкретных условиях эксплуатации. Именно поэтому режимы испытаний должны соответствовать реальным условиям эксплуатации кровельных материалов. А для этого нужно знать эти реальные условия, прежде всего температуру поверхности кровли. Целью настоящей статьи и является разработка инженерной методики, позволяющей расчетным путем определить температуру поверхности кровли и оценить влияние на нее различных факторов. Знание расчетной температуры данной кровли позволит также перенести положительный опыт эксплуатации конкретных кровельных материалов на новые объекты, строящиеся в населенных пунктах с аналогичными значениями расчетных температур, и прогнозировать их поведение в регионах с другими расчетными температурами кровли.

Расчетные формулы

Для разработки инженерной методики воспользуемся формулами, применяемыми для оценки влияния параметров окружающей среды на здание, т.е. при расчете теплопритоков через ограждающие конструкции здания.
Для расчета теплопередачи через ограждение в условиях совместного воздействия наружной температуры и солнечной радиации используется понятие условной температуры, которая может быть определена по формуле [2]:

где tу – условная температура, °С;
tн – температура наружного воздуха,°С;
p – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью ограждения;
q – интенсивность падающей на поверхность суммарной солнечной радиации, Вт/м2;
αн – суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, Вт/(м2·K).
Условная температура – это такая температура наружного воздуха, воздействие которой на ограждение эквивалентно суммарному воздействию температуры наружного воздуха и солнечной радиации. Суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности кровли является суммой коэффициентов конвективного и лучистого теплообмена и может быть определен для летнего периода по формуле [3]:

где v – минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, повторяемость которых составляет 16% и более, но не менее 1 м/с (графа 13 табл. 2 «Климатические параметры теплого периода года» [4]).

Температура наружного воздуха для инженерного расчета может быть определена из того же СНиП [4] как температура воздуха обеспеченностью 0,98 (графа 4 табл. 2 «Климатические параметры теплого периода года»). Интенсивность падающей на поверхность кровли суммарной солнечной радиации может быть определена как максимум суммы прямой и рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Максимальные значения суммарной солнечной радиациизависят от географической широты населенного пункта и определяются по нормативным документам, например по таблице Приложения Г [3]. Коэффициент поглощения показывает долю солнечной радиации, поглощаемой кровлей. Он зависит от материала кровли и приводится в нормативной и справочной литературе для конкретного типа материала (например, в [3]). Так, для рубероида с песчаной посыпкой он равен 0,9, а для стали кровельной оцинкованной – 0,65. Полагаем, что температура наружного воздуха равна tу, а температура внутреннего воздуха – tв. Тогда температура поверхности кровли tn может быть определена по известной формуле для определения температуры в произвольном сечении многослойной стенки (см., например [5]), которая в нашем случае будет иметь следующий вид:

где R – термическое сопротивление покрытия, м2 x K /Вт;
αн – суммарный коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности, Вт/(м2 · K);
tв – температура внутреннего воздуха, °С.
Температура внутреннего воздуха tв для помещений, в которых находятся люди, регламентируется нормативными документами и должна обеспечиваться в летний период системой кондиционирования и вентиляции. Термическое сопротивление покрытия регламентируется нормативными документами (например, [6]) и определяется расчетным путем по известной формуле [3]:

где δi – толщина i-го слоя покрытия, м; λi – теплопроводность i-го слоя покрытия, Вт/(м · K); αв – суммарный коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности, Вт/(м2 · K).Подставив в (3) значение ty из выражения (1), получим после несложных преобразований следующую формулу для расчета температуры поверхности кровли: где αн определяется по формуле (2).

Сравнение с экспериментальными данными

В [1] приведены экспериментальные данные по измерению температур кровли покрытий по пенополистирольным плитам в г. Ташкент (Узбекистан). Максимальные температуры воздуха в период трехдневных испытаний находились в диапазоне 34,7–37,0°С. Для покрытия с рулонной битумной кровлей (образец№ 1), выполненной по теплоизоляции из пенопласта (толщина 30 мм), уложенного на оцинкованный стальной лист, максимальные температуры поверхности кровли составляли 75–78°С. Для покрытия с дополнительным защитным слоем из мелкого известнякового щебня (образец № 2) максимальные температуры поверхности кровли составляли 62–64°С. Разница температур поверхности при разной толщине изоляции (30 и 80 мм) составляла 2–3°С. Определим максимальные температуры поверхности этих покрытий по формуле (5). Ташкент расположен на 41° северной широты, которой соответствует суммарная солнечная радиация 921 Вт/м2 (горизонтальная поверхность) [3]. Расчетная температура наружного воздуха составляет +37,5°С, расчетная скорость ветра – 1,4 м/с [5]. Коэффициент теплопередачи αн вычисляли по формуле (2) (он равен 19,53 Вт/(м2·K)), коэффициент теплопередачи αв принимали равным 8,7 Вт/(м2·K) [3]. Коэффициент поглощения принимали равным 0,94 (образец № 1) и 0,65 (образец № 2). Термическое сопротивление вычисляли по формуле (4). Так как температура внутреннего воздуха неизвестна, расчеты проводили для двух значений: +25 и +30°С.Приведенные в табл. 1 расчетные значения температуры хорошо совпадают с данными натурных испытаний.

В [7] оценивалось влияние цвета покрытия на температуру ее поверхности. Исследования проводились летом 1996 г. на покрытии действующего торгового центра, расположенного в Кокоа, штат Флорида (США). Покрытие было выполнено из сэндвич-панелей класса R11 (термическое сопротивление – 1,94 м2·K /Вт). Измерения падающей и отраженной покрытием солнечной радиации, температуры поверхности покрытия и температуры внутри помещения проводились до и после окраски покрытия белой краской.

В табл. 2 приведены условия испытаний и измеренные температуры поверхности до и после окраски покрытия, а также вычисленные по формуле (5) значения максимальной температуры наружной поверхности покрытия. Как видно из табл. 2, рассчитанные по формуле (5) значения температуры отличаются от экспериментальных данных примерно на 5%.

Факторы, влияющие на температуру кровли

Как видно из формулы (5), на температуру поверхности кровли влияют следующие параметры:

— коээфициент теплообмена, зависящий только от расчетной скорости ветра;
– температура наружного воздуха;
– интенсивность падающей на поверхность кровли суммарной солнечной радиации;
– температура внутреннего воздуха;
– термическое сопротивление покрытия;
– коэффициент поглощения.
Первые три параметра являются климатическими параметрами, определяемыми для конкретного населенного пункта по нормативным документам. Последние два параметра являются конструктивными и зависят от конструкции и материалов покрытия. Рассмотрим, как влияют указанные параметры на температуру поверхности кровли.

Скорость ветра

Рис. 1. Зависимость температуры
поверхности от скорости ветра

На рис. 1 приведен график зависимости температуры поверхности черной битумной кровли (0,94) от скорости наружного воздуха, полученный по формуле (5) для средней температуры наружного воздуха +28°С, средней интенсивности солнечной радиации 980 Вт/м2, термического сопротивления 2,82 и температуры внутреннего воздуха +24°С.График, полученный по формуле (5), хорошо отражает характер зависимости температуры поверхности кровли от скорости ветра, приведенный в [1]. Существенное уменьшение температуры поверхности кровли при возрастании скорости ветра, т.е. скорости наружного воздуха, открывает возможность целенаправленного воздействия на температуру кровли путем создания принудительной циркуляции воздуха вдоль поверхности кровли. Это реализуется, например, установкой на кровле воздушных теплообменников, оснащенных вентиляторами и обслуживающих системы кондиционирования и/или холодоснабжения (воздушные конденсаторы, охладители жидкостей, моноблочные чиллеры и т.д.).Так как температура кровли достигает максимального значения при безветренной погоде, то для оценки максимально возможной температуры целесообразно принимать v = 1 м/с [3], при этом, в соответствие с формулой (1), коэффициент теплопередачи αн равен 17,4 Вт/(м2·K).

Термическое сопротивление

Рис. 2. Зависимость температуры
поверхности от термического сопротивления

На рис. 2 приведены графики зависимости температуры поверхности от термического сопротивления, полученные по формуле (5) для температуры наружного воздуха +28°С, интенсивности солнечной радиации 980 Вт/м2, коэффициентов поглощения 0,9 (синий цвет) и 0,3 (красный цвет) соответственно и температуры внутреннего воздуха +24°С.Графики, полученные по формуле (5), хорошо совпадают с аналогичными графиками, приведенными в [1]. Как показывает рис. 1, термическое сопротивление не оказывает существенного влияния на температуру поверхности, особенно учитывая тот факт, что оно определяется прежде всего зимними условиями эксплуатации, при этом оно должно быть не менее 2,0 м2 · K /Вт в соответствии с [6].

Коэффициент поглощения

Рис. 3. Зависимость температуры
поверхности от коэффициента поглощения

На рис. 3 приведен график зависимости температуры поверхности кровли от коэффициента поглощения, полученный по формуле (5) для климатических условий Краснодара (q = 887 Вт/м2, tн= 31,1°С, v = 1 м/с) при температуре внутреннего воздуха +24°С и R=2,82. График показывает линейную зависимость температуры поверхности кровли от коэффициента поглощения. При уменьшении коэффициента поглощения с 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой) до 0,2 (высококачественная EPDM-мембрана белого цвета) разность между температурой поверхности кровли и температурой наружного воздуха снижается в данном случае с 44,8 до 9,8°С, т.е. в 4,5 раза. Значительное снижение температуры поверхности кровли при уменьшении коэффициента поглощения подтверждаетсятакже экспериментальными данными, приведенными в [1].

Температура внутреннего воздуха

Рис. 4. Зависимость температуры
поверхности от внутренней температуры

Температура внутреннего воздуха не оказывает значительного влияния на температуру поверхности кровли. На рис. 4 приведен график зависимости температуры поверхности кровли от температуры внутреннего воздуха, полученный по формуле (5) для климатических условий Краснодара при коэффициенте поглощения, равном 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой) и R=2,82. При увеличении температуры внутреннего воздуха с 20 до 30°С расчетная максимальная температура поверхности кровли возрастает с +75,8 до + 76,0°С, т.е. всего на 0,2 градуса.

Влияние наружной температуры и интенсивности солнечной радиации

Так как наружная температура и интенсивность солнечной радиации определяются местоположением населенного пункта, для оценки влияния этих параметров были произведены расчеты по формуле (5) для центров Федеральных округов России при температуре внутреннего воздуха +24°С, коэффициенте поглощения, равном 0,9 (рубероид с песчаной посыпкой), скорости ветра 1 м/с и R=2,82. Результаты расчетов приведены в табл. 3. Выполненные расчеты показывают, что для одного и того же покрытия, которое эксплуатируется в различных регионах России, разница температур на поверхности кровли может составлять более 10 градусов, при этом температура кровли может превышать температуру воздуха более чем на 40 градусов.

Выводы
1. Формула (5) позволяет расчетным путем определить возможную температуру поверхности кровли в летний период. Результаты расчетов по формуле (5) соответствуют экспериментальным данным, приведенным в [1] и [7], что позволяет рекомендовать ее применение на стадии проектирования для предварительной оценки возможной температуры кровли.
2. Основное влияние на максимальную температуру поверхности кровли оказывают поглощающая способность кровли, напрямую связанная с цветом кровли, и скорость ветра (наружного воздуха) над поверхностью кровли. Существенного уменьшения температуры кровли можно добиться применением современных кровельных материалов, обладающих низкой поглощающей способностью. Некоторое снижение температуры поверхности кровли может быть достигнуто за счет принудительной циркуляции воздуха вдоль поверхности кровли, которая осуществляется, если на кровле размещено теплообменное оборудование, снабженное вентиляторами.

3. Термическое сопротивление покрытия (определяемое главным обрзом материалом и толщиной изоляции кровли) и температура внутреннего воздуха практически не оказывают влияния на максимальную температуру поверхности кровли.
4. Для одного и того же покрытия, которое эксплуатируется в различных регионах России, расчетная разница температур на поверхности кровли может составлять более 10 градусов, при этом температура кровли может превышать температуру воздуха более чем на 40 градусов, что необходимо учитывать при выборе кровельных материалов.
Литература

1. Воронин А.Н., Орлов Ю.Н. Факторы, влияющие на температуру поверхности плоских кровель // КРОВЛИ, №2, 2008.
2. Богословский В.Н. Строительная теплофизика.– М.: Высшая школа, 1982. – 415 с.
3. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.
4. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
5. Малявина Е. Г. Теплопотери здания: справочное пособие. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. – 144 с.
6. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий.

7. Parker D., Sonne J., Sherwin J. Demonstration of cooling saving of light colored roof surfacing in Florida commercial buildings: Retail Strip Mall — Final Report, 1997.

Юрий Владимирович СЕМЕНОВ, технический директор ООО «Нэксен»

Возможные проблемы стандартной кровли

В России традиционными материалами для плоских кровель являются битумные материалы на картонной основе (рубероиды), которые до сих пор широко применяются как в коммерческом, так и в жилищном строительстве, благодаря отработанной технологии и дешевизне, даже несмотря на административные запреты их применения в новом строительстве в некоторых регионах страны. Основной недостаток битумных кровель – их быстрое старение во время эксплуатации, выражающееся в уменьшении эластичности покрытия и увеличении водопроницаемости. Основным фактором, влияющим на старение кровель, являются их ежедневные процессы нагрева- охлаждения в летний период. Темный цвет кровли способствует в летнее время перегреву ее поверхности при воздействии солнечной радиации, что приводит к размягчению, температурным деформациям и последующему растрескиванию битумного вяжущего в поверхностном слое кровли. Особенно чувствительными к этим процессам оказываются рубероиды. В трещинах, которые проникают до картонной основы, скапливаются пыль, влага, создается благоприятная для развития микроорганизмов среда. С ростом трещин, потерей прочности происходит разрушение битумного вяжущего и картонной основы, что представляет собой хорошую питательную среду для грибов. Жаркое лето оставляет на поверхности битумной кровли следы, аналогичные тем, что оставляет на нашем лице проведенный в теплых краях отпуск – красивый загар и новые морщинки. Осенью в трещинки проникает вода, а потом… неожиданно приходит зима. Вода, проникшая осенью в микротрещины, замерзает. Дальнейшие последствия может предсказать даже школьник: при замерзании вода расширяется, что приводит к увеличению трещин. Если наступает оттепель, вода в трещинах тает, проникая все глубже в поверхность кровли. При последующем замерзании она снова увеличивает размеры трещин, и так продолжается всю зиму. К приходу весны кровля может уже иметь сквозные трещины, через которые талая вода беспрепятственно проникает дальше внутрь покрытия, увлажняя и приводя в негодность теплоизоляционные материалы. До поры до времени эти процессы незаметны для обитателей здания, так как на кровлю обычно никто не поднимается, а что происходит с изоляцией – одному богу известно. Проблема осознается только тогда, когда вода проникает в помещения под покрытием, а это может произойти в любой момент, например, следующей зимой после продолжительной оттепели. К этому моменту ясно, что повреждена не только кровля, но и вся изоляция. Так как найти повреждение в кровле достаточно проблематично (место протечки не совпадает с трещиной в кровле), то необходима ее полная замена плюс замена поврежденной изоляции. А замена «пирога» – это совсем другие затраты даже по сравнению с заменой кровли. Для предохранения кровли из битумных рулонных материалов от старения рекомендуется примерно один раз в три года покрывать их битумной мастикой с посыпкой на нее горячего песка, однако это никоим образом не может защитить кровлю от повреждений в период между обработками. Например, проблемы могут возникнуть на второй год после обработки.

Источник