XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание условий, предотвращающий образование и нарастание сосулек и наледи на крышах зданий
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Образование сосулек и наледей на крышах зданий и сооружений в осенне-зимне-весенний период является одной из проблем в странах с холодным климатом, в том числе и в России. Этот период в Северо-западном регионе России, особенно в Санкт-Петербурге, характеризуется значительными перепадами температуры, а также выпадением большого количества осадков. Такие погодные условия способствуют интенсивному образованию на крышах наледи, разрушающей кровлю, и сосулек, которые создают реальную опасность для жизни людей [1].
В настоящее время существуют различные механические и электрические приборы и устройства для борьбы с сосульками и наледью путём обогрева свесов кровель и водоотводящих устройств или электроимпульсного сбивания сосулек. Это оборудование обходится очень дорого не только при установке, но и в процессе его эксплуатации. Срок службы этого оборудования невелик [2].
Крыши Петербургских домов с жесткой кровлей предполагают оборудовать так называемыми «холодными чердаками». Считают, что такая технология позволит наледи и сосулькам не образовываться на крышах.
Целью работы является не совершенствование существующих методов борьбы с сосульками и наледью, а создание таких условий, чтобы они не образовывались.
Результат работы: предлагается техническое решение, в котором осуществляется естественная вентиляция только кровли здания наружным атмосферным воздухом.
1. Образование сосулек и наледи на кромке крыши
зданий и методы борьбы с ними
1.1. Физика процесса образования сосулек и наледи
на кромке крыши
Причины образования сосулек и наледи на крышах зданий и сооружений хорошо известны [1,2]. Крыши некоторых зданий, особенно старой постройки, имеют плохую теплоизоляцию. В этом случае кровля крыши снаружи взаимодействует с холодным атмосферным воздухом, а изнутри – с нагретым воздухом чердачного помещения (рис. 1). Свес кромки кровли удаляют от стены здания, чтобы вода не попадала на стену и не разрушала её. Нижняя часть свеса кровли, выступающая за фасад здания, взаимодействует с окружающей атмосферой и имеет отрицательную температуру. При выпадении снега
Рис. 1. Схема образования сосулек и наледи
1 – снег, 2 - лёд, 3 – вода, 4 – сосулька.
создаются условия для таяния снега на кровле крыши, так как кровля тёплая. Снег плохо проводит тепло, и поверхность крыши остаётся тёплой под слоем снега. Снег, соприкасающийся с кровлей, тает, и талая вода стекает по кровле вниз. При большой толщине слоя снега на крыше этот процесс протекает эффективно и при очень низких температурах. Свес кромки кровли, выступающий за фасад здания, взаимодействует с окружающей атмосферой и имеет отрицательную температуру. Это приводит к образованию наледи у нижней кромки кровли и образованию сосулек. Образование наледи на нижней кромке кровли препятствует стеканию талой воды и приводит к постепенному увеличению размеров наледи: толщины и её протяжённости. При низких температурах атмосферного воздуха наледь у нижней кромки крыши имеет хорошее сцепление с кровлей. При повышении температуры окружающего воздуха отвод тепла от свеса кромки кровли, выступающей за фасад здания, уменьшается. Сцепление наледи с кровлей нарушается, и наледь вместе с сосульками падает вниз.
1.2. Методы борьбы с сосульками и наледью
Существуют различные методы борьбы с сосульками, которые можно разбить на следующие группы.
1. Наиболее известны механические методы, которые предполагают удаление сосулек и наледи. К таким методам следует отнести дворника с лопатой, топором и ломом. К ним относятся устройства, включающие упругие элементы, расположенные вдоль карниза крыши, связанные с источником механических колебаний [3]. Эти устройства периодически сбивают нарастающие сосульки. Устройства [4], включают листообразное тело, которое выступает за кромку крыш. Это листообразное тело обладает свойствами гибкости и упругости. При нарастании льда выступающее листообразное тело изгибается, сосульки скалываются и падают на землю. Это препятствует нарастанию больших сосулек.
2. Электрические методы основаны на использовании нагревательных элементов, установленных на краю кровли и водостоков. Например, в [5] предлагается оборудование для дополнительного управляемого подогрева.
3. Методы, предполагающие нанесение противообледенительных покрытий, препятствующих сцеплению льда и снега с кровлей.
4. Наибольший интерес представляют методы, заключающиеся в поддержании определённого температурного режима чердачного помещения, при котором не происходит нарастание наледи и образование сосулек.
Тепловыделение, приводящее к образованию талой воды между снегом и кровлей, имеет место на любой кровле. В меньшей степени это происходит на кровлях с проветриваемым или холодным чердаком.
По принципу теплопередачи выделяют два типа крыш [1].
1. «Холодная крыша» представляет собой крышу с хорошей изоляцией потолочного перекрытия и достаточной вентиляцией чердачного помещения. Крыша имеет минимальный коэффициент теплопотерь через поверхность кровли. Такие крыши имеют проветриваемый чердак. Образование сосулек и наледи происходит в результате таяния снега при температуре не ниже 5 0С. Незначительное обледенение на такой крыше происходит под действием теплоты, поступающей от солнца, когда снег периодически подтаивает, а желоба и водостоки забиты.
2. «Тёплая крыша» представляет собой недостаточно изолированную от чердачного помещения крышу, когда утечка теплоты через её конструкции создаёт положительную температуру на поверхности кровли под слоем снега. Таяние снега происходит при минимальной температуре (- 5) – (- 10) 0С. Вода при таянии снега стекает вниз к кромке крыши и образует наледь и сосульки. К этому типу относят большинство крыш старых зданий с тёплым чердаком.
Устранение причин образования сосулек и наледи на крышах зданий заключается в создании условий, при которых в холодное время года кровля имела бы температуру, соответствующую температуре окружающей среды. В работе [2] отмечается, что при создании в чердачном помещении температурного режима, при котором разница температур наружного воздуха и воздуха в чердачном помещении составляет не более 2 0С, подтаивание снега не происходит, а значит, не происходит образование наледей и сосулек.
Такие условия достигаются при обеспечении эффективной вентиляции чердачного помещения. В работе [2] указывается на то, что важно получить полное омывание наружным воздухом всего подкровельного пространства. Это техническое решение требует больших материальных затрат на переоборудование крыш зданий старой постройки. Это дополнительное утепление потолочного перекрытия, теплоизоляция трубопроводов, расширительных баков, вентиляционных и канализационных стояков, расположенных в чердачном помещении. Немалые затраты необходимы для оборудования эффективной вентиляции чердачного помещения. Это работы по оптимальному размещению вентиляционных отверстий, работающих на приток и вытяжку.
2. Предлагаемые изменения в конструкции
крыши здания
Устранение причин образования сосулек и наледи на крышах зданий заключается в создании условий, при которых в холодное время года кровля имела бы температуру, соответствующую температуре окружающей среды. Для осуществления этих условий можно использовать техническое решение «холодная крыша», которое требует значительных материальных затрат.
Предлагаемое техническое решение заключается в создании условий для естественной вентиляции только кровли здания атмосферным воздухом. Для реализации этих условий необходимы минимальные материальные затраты на незначительные изменения в конструкции крыши здания, не затрагивающие их внешний вид.
Вентиляция кровли здания осуществляется с помощью системы наклонных прямоугольных вентиляционных каналов, с боковых сторон ограниченных стропильными балками. Верхняя «холодная» стенка канала представляет собой кровлю. Нижняя «тёплая» стенка канала представляет собой теплоизолирующие пластины, которые крепятся снизу к стропильным балкам. Щели между пластинами заполняются непроницаемым для воздуха материалом. В нижней части крыши по всей её длине располагается входное технологическое отверстие в вентиляционный канал, которое необходимо для поступления наружного атмосферного воздуха. В верхней части крыши, где устанавливается конёк, по всей его длине располагается выходное технологическое отверстие, которое необходимо для выхода нагретого воздуха из вентиляционного канала. Конёк имеет ребра жесткости, которые ограничивают размеры щели между коньком и кровлей, через которую воздух истекает в атмосферу. Предлагаемая конструкция крыши здания приведена на рисунке 2. Крыша имеет стропила 1, несущие кровлю 2. К нижней поверхности стропил крепятся теплоизолирующие пластины 3. В нижней части крыши расположено входное технологическое отверстие 4, предназначенное для поступления холодного атмосферного воздуха. В верхней части крыши в месте расположения конька имеется выходное технологическое отверстие 5. Конёк 6 имеет рёбра жесткости, ограничивающие размеры выходного отверстия между коньком 6 и кровлей 2, через которую воздух истекает в атмосферу.
Холодный атмосферный воздух поступает через нижнее технологическое отверстие 4 в ограниченное пространство между кровлей 2 и теплоизолирующими пластинами 3 и далее через выходное технологическое отверстие 5 между коньком 6 и кровлей 2 истекает в окружающую атмосферу. Естественная вентиляция кровли холодным атмосферным воздухом создаёт условия для поддержания температуры кровли, соответствующей температуре атмосферного воздуха. Для реализации условия вентиляции кровли здания атмосферным воздухом необходимы минимальные материальные затраты на изменения в конструкции крыши здания.
Рис. 2. Конструкция крыши здания
1 – стропила, 2 – кровля, 3 – утепляющий слой, 4 – входное технологическое
отверстие, 5 – выходное технологическое отверстие, 6 – конёк
3. Модель течения атмосферного воздуха в прямоугольном
наклонном канале с нижней нагреваемой стенкой
Свободной или естественной конвекцией, которая неотделима от тепло- и массопереноса, называется движение жидкости или газа, вызванное исключительно силой Архимеда, возникающей при неоднородности плотности. Причиной неоднородности плотности может быть температурная неоднородность среды [6].
В [6] рассмотрена свободная ламинарная конвекция в слое шириной 2h между параллельными стенками в координатных направлениях x и z (рис. 3). Температуры стенок: - Т1 – отрицательная температура верхней стенки и + Т2 - положительная температура нижней стенки. Стенки имеют наклон относительно вертикального направления: угол между направлением g и осью z равен φ.
Рис. 3. Ламинарная конвекция в слое шириной 2h между наклонными
параллельными стенками [6].
Рассмотренная методами вычислительной гидродинамики задача смешанной конвекции в наклонном слое с граничными условиями: х = + h; х = - h и заданной температурой стенок: при х = - h и Т = - Т1 ; при х = h и Т = + Т2 имеет следующее решение (рис. 4) [6].
Рис 4. Распределение скорости W (сплошная линия) и температуры Т
(штриховая линия) в наклонном канале с нижней нагреваемой стенкой.
Выводы, которые следуют из рассмотренной в [6] задачи свободной конвекции в канале с нижней нагреваемой стенкой.
1. Линейное распределение температуры поперёк наклонного слоя свидетельствует о чисто диффузионном характере переноса тепла между стенками.
2. Профиль скорости в наклонном слоем имеет форму, близкую к параболе. Восходящий конвекционный поток ускоряется около наклонной стенки и тормозится возле холодной стенки. Торможение, как видно из рисунка 4, может привести к появлению обратного течения. При этом также сохраняется заданный конвекцией расход.
4. Расчёт параметров течения атмосферного воздуха в канале
прямоугольного сечения с нижней нагреваемой стенкой
Постановка задачи. Рассмотрим канал прямоугольного сечения высотой d= 0,2 м (ширина стропильной балки), длиной l = 10 м (длина стропильной балки). Ширина канала составляет b= 1,5 м, которая определяется расстоянием между стропильными балками. Угол наклона канала определяется высотой чердачного помещения h = 3 м. Учитывая профиль распределения скорости течения воздуха в таком канале (рис. 4) примем реальное значение высоты канала d1= ¾ d= 0,15 м, в котором происходит восходящая конвекция. Нагревание поступающего в канал атмосферного воздуха происходит за счёт диффузионного нагрева от нижней стенки канала. Непосредственного касания нагретого восходящего потока с холодной стенкой канала не происходит (рис. 4). При выполнении расчётов примем: температура нижней (нагретой) стенки составляет: Т2 = 17 0С (290 К), а температура верхней наружной (холодной) стенки кровли, равная температуре атмосферного воздуха, составляет Т1 = - 10 0С (263 К). Из этого канала нагретый воздух истекает в атмосферу. Одновременно внутрь канала снизу поступает атмосферный холодный воздух. Давление в канале и на выходе их него равно атмосферному давлению.
Определить следующие параметры течения:
- время течения нагретого воздуха по каналу t1;
- скорость воздуха на выходе из канала υ1;
- ускорение, с которым движется воздух в канале a;
- расход нагретого воздуха через канал Q.
Решение. Естественная конвекция или тяга Тh возникает под действием силы Архимеда , [7] и определяется уменьшением плотности воздуха при нагревании его в канале:
,
где ρ – плотность газа, g = 9,82 м/с2 – ускорение свободного падения; V – объём газа; S - площадь поперечного сечения канала.
Определим плотность воздуха при атмосферных условиях Т1 = - 10 0С (263 К) и плотность воздуха в канале Т2 = 17 0С (290 К). Из уравнения Клапейрона – Менделеева [8] выразим плотность воздуха:
.
При Т1 = 263 К, ρ1 = 1,30 кг/м3; при Т2 = 290 К, ρ2 = 1,16 кг/м3.
Учитывая, что высота наклонного вентиляционного канала составляет h = 3 м, определим величину силы тяги:
.
Соответственно сила Архимеда в этом случае равна:
Зная величину силы, действующей на тело, из второго закона Ньютона определим величину ускорения, с которым движется нагретый воздух в канале:
.
Используя уравнения кинематики [8]:
и
Определим время течения нагретого воздуха по вытяжному каналу t1 и скорость движения воздуха на выходе из канала υ1 . С учётом начальных условий: х0 = 0; υ0 = 0, получим:
; .
Из первого уравнения выразим t1 и подставим во второе:
- время движения в канале;
- скорость течения воздуха на выходе из канала.
Зная скорость течения атмосферного воздуха на выходе из канала υ1 , площадь поперечного сечения канала S и плотность нагретого атмосферного воздуха ρ можно определить массовый расход атмосферного воздуха через вытяжной канал:
Основные параметры течения
-
1. Время течения по вентиляционному каналу t, с
4,1
2. Скорость воздуха на выходе из канала υ1 , м/с
1,48
3. Ускорение, с которым воздух движется в канале а, м/с2
0,36
4. Расход нагретого воздуха через канал Q , кг/с
0,39
При таких параметрах течения достигаются условия, при которых температура кровли зданий соответствует температуре окружающей среды. При этом подтаивание снега на кровле не происходит, а значит, не происходит образование наледей и сосулек.
Выводы
1. Наиболее перспективными методами борьбы с сосульками и наледью являются методы, заключающиеся в поддержании определённого температурного режима чердачного помещения, при котором не происходит нарастание наледи и образование сосулек. Это соответствует условию «холодная крыша», при котором температура кровли соответствует температуре атмосферного воздуха.
2. Такой же эффект достигается при создании условий естественной вентиляции только кровли здания атмосферным воздухом. Для реализации этого метода необходимы минимальные материальные затраты на незначительные изменения в конструкции крыши здания, которые не затрагивают внешний вид здания.
Литература
1. Дружинин П.В., Юрчик Е.Ю. Механизм образования наледей и сосулек на крышах домов. //Технико-технологические проблемы сервиса. 2012.- № 1 (19). - С. 66-71.
2. Желинский В. Как избавиться от сосулек и предотвратить их образование на кровле. //Электронный журнал «Городское хозяйство и ЖКХ» 16 января 2017, 1139.
3 Патент RU № 2169245. Опубликован 20.06.2001. Устройство для удаления льда с карнизов крыш зданий и сооружений /Анисимов Г.И., Кокосадзе А.Э., Ярошенко Д.Г.
4. Патент RU № 2406807. Опубликован 20.12.2010. Устройство для обеспечения безопасности при образовании сосулек на выступающих деталях крыш и фасадов зданий и сооружений и предотвращение падения крупных сосулек, наледи и снега с этих деталей /Протасов В.П.
5. «Интеллектуальная» крыша без сосулек // «Мир климата». 2006.-№ 2. - Архив № 35.
6. Абрамов А.Г., Иванов Н.Г., Рис В.В. Течение жидкости в полях объёмных сил. Ламинарные режимы и устойчивость свободноконвективных течений.-Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020.-114 с.
7. Физический энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М. Прохоров.-М.: Сов. Энциклопедия, 1983.-928 с.
8. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учебник.- М.: Просвещение, 2019.-432 с.