Система обогрева кровли и водостоков: принцип действия, расчеты и монтаж

Зачем утепляют крышу

Перед тем, как отвечать на подобные вопросы, потребуются небольшие уточнения. Нужно понимать, зачем вообще утепляются скатные крыши и оборудуются мансарды. Также следует разобраться в том, по каким причинам к вопросу утепления крыши нужно относиться как можно более серьезно. Ознакомиться более детально о системах обогрева кровли можно по адресу https://al-teh.ru/page_uslugi/obogrev-krovli/

При оборудовании мансарды полезное пространство в частном доме может быть увеличено примерно на 40%. Также для этого потребуются сравнительно небольшие затраты.

Мансардная крыша, кроме обыкновенной функции кровли по защите здания от ветра и всевозможных осадков, создает специальные условия для более удобного проживания. Прежде всего, эта часть здания помогает защититься летом от жары, а зимой от морозов. Конструкция мансарды считается легкой, если сравнивать их с перекрытиями или стенами. Основная причина в сравнительной легкости используемой конструкции мансарды.

Зачастую примерно 30% потери тела в здании приходится именно на крышу. Следовательно, благодаря достаточно эффективному утеплению удастся снизить потерю тепла примерно на 30%. Достаточно эффективное утепление кровли обеспечивает прямую экономию расходов на содержание здания посредством снижения общих затрат платежных средств на отопление помещения.

Нужно всегда помнить о том, что теплый воздух может подниматься вверх. В итоге под потолком температура воздушной массы примерно на 2 градуса выше по сравнению с пространством в средней части помещения. Следовательно разница между температурами в здании и за его пределами возле потолка будет выше, чем возле стен. Таким образом потеря тепла через крышу жилого здания значительно увеличивается.

Недостаточное утепление кровли приводит в зимний период к формированию сосулек и наросту ледяной корки на составляющих элементах крыши и различных водосточных трубах. Обледенение может повредить целостность кровельного покрытия. После этого обязательно будут появляться протечки, когда лед начнет таить.

Если утепляющая прослойка будет недостаточно эффективной, подкровельное пространство со временем начнет отсыревать. При повышенной влажности образуется плесень и грибок. Стропильная конструкция из дерева может разбухать, что в результате может повлечь за собой снижение продолжительности эксплуатационного периода кровли.

Нагревательный кабель – основа эффективного обогрева кровли

В отличие от бытовых обогревательных приборов, максимальной температуры кабеля для крыши недостаточно для расплавления или деформации кровельных покрытий, однако хватает для эффективного растапливания снега и льда. Всего применяются два типа кабелей – резистивный и саморегулируемый.

1. Резистивный кабель имеет наиболее простую конструкцию и отличается от аналогов невысокой стоимостью. Его жилы изготавливаются из нихромового сплава, используемого во многих нагревательных приборах. Для изоляции применяются полимерные материалы, стойкие к высокой температуре. Экранирование кабеля обеспечивает медная оплетка. Наружная оболочка изготовлена из высокопрочного полимера, выдерживающего любые атмосферные воздействия.

Электрическое сопротивление такого кабеля постоянно по всей длине, что приводит к равномерному нагреву независимо от удаленности места подключения. Максимальная рабочая температура определяется длиной проводов, поэтому однажды рассчитанный и приобретенный кабель нельзя укорачивать, чтобы не вызвать перегрева.

2. Саморегулирующийся кабель отличается большей стоимостью и эффективностью при неравномерном обледенении крыши, позволяя снижать расход электроэнергии. Отличия конструкции от резистивного кабеля заключаются в наличии токопроводящего элемента (обычно на основе сажи), сопротивление которого зависит от температуры.

В месте контакта со льдом температура кабеля падает и вызывает уменьшение сопротивления, приводящее к повышению силы тока и степени нагрева. После плавления льда температура и сопротивление кабеля увеличиваются, снижая интенсивность нагрева. Такой принцип работы полезен при прокладке во впадинах и внутренних углах, в которых происходит повышенное накапливание осадков и образование талых вод.

Проектирование и расчёт системы антиобледенения

Разработать систему обогрева крыши — задача далеко не самая простая, тем более что в каждом конкретном случае подход требуется индивидуальный. Заниматься проектированием должны специалисты. Но с общими положениями расчёта будущему владельцу ознакомиться всё-таки следует. Хотя бы для того, чтобы не стать жертвой недобросовестного поставщика, пытающегося продать неоправданно дорогую систему.

Итак, в общем случае делают примерно следующее:

Разрабатывают схему укладки греющего кабеля. Если крыша «холодная» (то есть хорошо утеплена) и пологая, можно ограничиться подогревом водосточной системы. На «тёплой» крыше обогреву подлежит ещё и край кровли, граница которого определяется следующим образом: вверх по скату откладывают 30 см от линии пересечения плоскостей наружной стены и ската. На крышах со значительным уклоном ввиду высокой вероятности обрушения снежной массы эту границу нужно отнести ещё выше на 15–20 см. Если крыша плоская, то кабель укладывают вдоль периметра и у сливных воронок. При большом угле наклона скатов предусматривают также укладку греющего кабеля зигзагом между кромкой кровли и снегозадержателем, который на такой крыше должен устанавливаться в обязательном порядке (ввиду высокой вероятности соскальзывания снежной массы)

Особое внимание следует обратить на места, где стыкуются две части ската с разным уклоном — это долины (сточные грани) на плоских кровлях и ендовы на двускатных. То же можно сказать и про то место, где крыша примыкает к стене

Здесь наледи образуются особенно часто. Кабель нужно укладывать в виде вытянутой петли на 2/3 высоты ендовы или долины. В случае примыкания крыши к стене кабель нужно укладывать в 5 – 8 см от последней, при этом расстояние между нитками вытянутой петли должно составлять 10 – 15 см. Если крыша водостоком не оборудована, кабель на её кромке располагают по схеме «капающая петля» (при большом уклоне) или «капающая грань» (при малом уклоне). Идея состоит в следующем: петлю подвешивают так, чтобы вода с неё капала прямо на землю. Для укладки по схеме «капающая петля» кабель должен иметь припуск 5 – 8 см. Вдоль жёлоба шириной до 15 см укладывают одну линию кабеля. Лежащий в жёлобе кабель должен быть заведён «капающей петлёй» длиной 30 – 40 см в воронку водосточной трубы. Так же поступают и при монтаже системы на плоской кровле. В водосточную трубу также запускают одну или две нитки в зависимости от её диаметра.

В нижней части водосточной трубы число витков следует увеличить, поскольку она является более холодной, чем верхняя. На кровле кабель укладывается зигзагообразно. Шаг зигзага определяется так: для мягкой кровли из расчёта необходимой удельной мощности (Вт/кв. м), для жёсткой — в соответствии с рисунком кровельного покрытия. Если средств на закупку саморегулирующегося кабеля в нужном количестве недостаточно, можно применить его только в части системы. Наиболее уместным можно считать использование такого кабеля для обогрева водостока, кровельную же часть можно оснастить дешёвым нерегулируемым кабелем. Далее выбирают местоположение монтажных (соединительных) коробок, так чтобы они были доступны для технического обслуживания. Чаще всего их располагают на кровле рядом с греющим кабелем. Этот элемент можно закрепить где-нибудь под козырьком или на ограждении (на парапете). При наличии чердака можно поместить коробки туда. Определяют необходимую погонную и общую мощности.

Ориентировочная мощность обогрева для различных элементов кровли составляет:

• для жёлоба шириной до 150 мм: на «холодной» крыше — 30 – 60 Вт/м, на «тёплой» — 100 Вт/м;
• для жёлоба шириной свыше 150 мм: 200 Вт/кв. м;
• на кровле (карнизный свес): на «холодной» крыше — до 150 Вт/кв. м, на «тёплой» — 200 – 250 Вт/кв. м;
• в ендовах: 250 – 300 Вт/кв. м;
• на плоских кровлях вокруг сливных лотков, расположенных в зоне примыкания к парапету: 40 – 80 Вт/кв. м.

Если водосточная система собрана из пластмассовых деталей, обогревающие её кабели могут иметь суммарную погонную мощность не более 17 Вт/м. Для крыш с мягким кровельным покрытием максимально допустимая погонная мощность составляет 20 Вт/м.

Далее подсчитывают общую длину греющего кабеля и определяют количество цепей с учётом того, что длина одной цепи не может превышать 120 – 150 м (зависит от марки кабеля). Каждая цепь должна подключаться через отдельное УЗО.

В последнюю очередь проектируют щит управления с учётом количества цепей и потребляемой ими электрической мощности

Как производится монтаж

Крепление кабеля на кровле и в желобах достаточно простое. Для этого можно применять виниловые хомутики, металлические хомуты и скобы и другие крепежные элементы. Хорошо зарекомендовала себя самоклеящаяся строительная крепежная лента. Почти все изготовители кабелей предлагают в широком ассортименте свои крепежные детали и элементы, которые стоят немало. Однако никаких существенных выгод перед обычным крепежом они не дают (некоторые фирменные, в лучшем случае, упростят процесс крепления).

Когда все необходимые материалы приобретены, следует приступить к раскладке кабеля. Его выкладывают вначале в трубы и желоба. Их желательно обеспечить теплом с 2 сторон, поэтому укладку делают на некотором расстоянии (зависит от ширины желоба и диаметра труб) от бортов. Для этого длину окружности делят на 8 частей и через каждые 2 прокладывают нить.

На кровле провод раскладывают буквой «М» на глубину прокладки и с шагом от 1 до 2 метров (наиболее эффективная длина).

Крепеж осуществляют согласно ПУЭ с шагом в 40 см. При этом можно использовать любые элементы

Важно соблюдать аккуратность и стараться не повредить кровлю и трубы

Устройство систем обогрева

Несмотря на выдвинутую некогда мэром Питера инициативу срезать ледяные наросты лазером, эта идея не прижилась. Свое право на существование подтвердила многолетней практикой использования куда более простая в реализации схема — укладка во всех проблемных областях герметично изолированного нагревательного кабеля.

Текущий через проводник с высоким сопротивлением электрический ток обеспечивает нагрев оболочки — слабый, абсолютно безопасный для любых кровель, включая рубероидные, но достаточный для таяния льда и снега.

Зоны укладки

Где монтируются системы обогрева кровли?

1. По краю крыши. Греющий кабель не дает образовываться на нем ледяным наростам: они превращаются в воду и безвредно удаляются через водостоки. Нагревательный элемент может прокладываться одной линией вдоль края или змейкой.

Понятно, что первый вариант эффективнее; но и потребность в электрической мощности будет заметно выше.

Полезно: уложенный на краю ската кабель часто защищают от случайных повреждений и мусора оцинкованным стальным листом и другими кровельными материалами с достаточно высокой теплопроводностью. Решение вполне рациональное, но часть мощности при этом рассеивается впустую.

1. 22222222Сами водостоки, разумеется, тоже нуждаются в обогреве — и горизонтальные, и вертикальные участки. Иначе постепенно намерзающая вода быстро сузит их просвет до нуля.
2. Еще одно проблемное место — ендовы ( внутренние углы между смежными скатами). И там зачастую образуются опасные для состояния кровли ледяные наросты.

На фотографии — ендова с работающей системой обогрева.

Типы кабеля

Если принцип действия одинаков у всех греющих кабелей, то в деталях их устройство может различаться довольно заметно.

Резистивные

Эта реализация наиболее проста: одна или две проводящих жилы защищены изоляцией — вот и все устройство.

Резистивный греющий кабель довольно дешев; однако при его покупке стоит учесть несколько нюансов.

• Двужильный кабель имеет фиксированную длину и подбирается по требуемой электрической мощности. Резать его нельзя: вы лишите нагревательный элемент перемычки между двумя жилами, и восстановить его с сохранением герметичности будет непросто.
• При изменении длины одножильного кабеля будет меняться и его электрическое сопротивление, а вслед за ним — ток при постоянном напряжении и степень нагрева.
• Резистивный кабель греет с постоянной мощностью по всей длине. При перехлесте (например, при сходе большого количества снега и повреждении крепления) он может перегореть.

Саморегулирующиеся

Этот тип нагревателей заметно дороже; однако их качества окупают разницу в стоимости с лихвой. Как устроен саморегулирующийся кабель?

Внутри герметичной оплетки две токоведущих жилы разделены по всей длине вставкой из смеси полимера с высоким коэффициентом температурного расширения и угольной пыли.

Устройство саморегулирующегося кабеля.

При нагреве вставка расширяется; при этом благодаря увеличению расстояния между частицами токопроводящего угля ее сопротивление растет, а текущий через нее ток уменьшается. Вслед за ним уменьшается и тепловая мощность данного участка. При охлаждении процесс инвертируется.

Что мы получаем благодаря такому устройству?

• Экономичность. Кабель греется сильнее там, где холодно. Участки, находящиеся в тепле, существенно снижают потребляемую мощность.
• Отказоустойчивость. При перехлесте или просто хорошей теплоизоляции участок кабеля просто перестанет греться.

Удельная мощность

На какие значения электрической мощности стоит ориентироваться?

• Для поверхности кровли с хорошей теплоизоляцией достаточно мощности в 250-350 Вт/м2.
• Для «теплой» крыши удельная мощность вырастает до 400 Вт/м2: льда на ней образуется куда больше.
• Для водостоков кровель с хорошей теплоизоляцией потребность в тепловой мощности равна 30 — 40 ваттам на погонный метр.
• У «теплых» крыш значения больше: 40-50 ватт для пластиковых водостоков и 50-70 — для металлических.

Кроме того, потребность в тепловой мощности растет с увеличением диаметра водостока. При необходимости используется кабель повышенной мощности или два параллельных кабеля. 

Обратите внимание: не стоит пугаться чрезмерного расхода электроэнергии. Обогрев крыши в среднем работает не больше трех недель за год

При использовании саморегулирующегося кабеля и систем термоконтроля средняя потребляемая мощность значительно ниже номинальной.

Коммунальные районы

Вспоминаем любой городской пейзаж в зимние месяцы — массивные глыбы льда в районе ливнестоков и частокол сосулек по краю крыши. Почему на одних крышах они есть даже в сильные морозы, а на других появляются только во время оттепелей?

Знакомая картина большинству горожан.

Причина проста:

1. Утечка тепла через чердак. Снег на таких крышах тает даже при минус 10°С. Это явление присуще не только для плоской кровли — на наклонной этот процесс происходит более интенсивно;
2. Суточные колебания температуры. В дневное время снег тает, в ночное — интенсивно замерзает.

Какую опасность представляет лед на кровле жилого дома?

Падение вниз ледяных наростов и сосулек. Это самое очевидное и опасное следствие обледенения для открытых площадок перед домами;

Лед может упасть не только на автомобиль, но и на прохожего.

Разрушение водостоков и удерживающих ее элементов. На одном доме это несложно, а если речь идет о тысяче зданий, находящихся на балансе городских властей? Крыша без сосулек обойдется значительными суммами;

Разрушенный за зиму водосток придется восстанавливать.

Разрушение кровельных материалов. Замерзшие водостоки препятствуют отводу талой воды, ей некуда деться, в результате она затекает под элементы кровли, уложенные с уклоном. При понижении температуры вода между шиферным или черепичным покрытием, либо в порах и трещинах мягкой кровли предсказуемо замерзнет и увеличится в размерах, что приведет к разрушению и течи.

Периодическая чистка крыш — не панацея от бед.

Средства для обогрева водостока и кровельного свеса

Для предотвращения образования наледей в настоящее время используются различные системы обогрева водостоков и кровли, но в основе практически каждой из них лежит применение специального греющего кабеля и средств автоматики.

Рассмотрим подробнее, какие виды греющего кабеля и регулирующего оборудования существуют, какие из них будут предпочтительнее для выбора.

Какой греющий кабель выбрать

Существует два основных типа греющих кабелей для кровли и водостоков:

Резистивный кабель. На практике представляет собой обычный кабель, состоящий из металлической жилы и изоляции. Резистивный кабель обладает постоянным сопротивлением, постоянной температурой нагрева при эксплуатации и неизменной мощностью. Нагрев кабеля происходит от подключенной к электричеству замкнутой цепи. 

Конструкция (схема) резистивного греющего кабеля

Саморегулирующийся кабель для обогрева водостоков и кровельных свесов более технологичен. Он состоит из греющего саморегулирующегося элемента (матрицы), реагирующего на температуру окружающей среды (водосточной трубы) и меняющего в зависимости от этого свое сопротивление и, соответственно, степень нагрева, а также изоляционной оболочки, оплетки и наружной оболочки.

Каждый из видов греющих кабелей способен обеспечить одинаково эффективный обогрев крыши и водостоков. Однако каждый из них обладает свойственными только ему преимуществами. Так, главным достоинством резистивного кабеля является его намного более низкая цена в сравнении с саморегулирующимся. При этом второй вид более эффективен в плане потребления электроэнергии и неприхотлив к условиям прокладки.

При повышении температуры на улице в матрице кабеля понижается количество проводящих ток путей, благодаря чему мощность и количество потребляемой электроэнергии падает. Температура саморегулирующего кабеля также снижается. Все это позволяет избежать необходимости в использовании датчика температуры, автоматически регулирующего работу кабеля.

Совет от профессионала: Наиболее эффективной по соотношению стоимости и качества принято считать комбинированную систему греющих кабелей. Обычно в кровельной части системы используют недорогие резистивные кабеля, тогда как обогрев водостоков и желобов обеспечивается саморегулирующимися кабелями.

Конструкция (схема) саморегулирующегося греющего кабеля Devi

Что касается расчета энергопотребления и выбора мощности греющих кабелей, то здесь нормой для изделий резистивного типа является кабель мощностью в пределах 18-22 Вт на погонный метр, для саморегулирующихся – 15-30 Вт на метр. Однако следует учесть, что в случае наличия водосточной системы из полимерных материалов мощность кабеля не должна превышать 17 Вт на метр погонный, иначе есть риск повреждения водостока вследствие чрезмерно высокой температуры нагрева.

Состав системы обогрева водостока и кровли

Помимо, собственно, греющих кабелей, системы обогрева также состоят из следующих основных компонентов:

• Крепежных элементов.
• Щита управления, обычно состоящего из:

1. входного трехфазного защитного автомата;
2. устройства защитного отключения, как правило, 30мА чувствительностью;
3. четырехполюсного контактора;
4. однополюсных автоматов защиты на каждую фазу;
5. автомата защиты цепи управления термостата;
6. сигнальной лампы.

Компонентов распределительной сети:

1. силовых кабелей, служащих для питания греющих кабелей;
2. сигнальных кабелей, соединяющих датчики термостатов с блоком управления;
3. монтажных коробок;
4. муфт, обеспечивающих герметичность соединений и законцовок всех типов кабелей.

Схема подключения греющего кабеля

Терморегулятора. Регулировка работы кабельной системы обогрева может осуществляться при помощи устройств двух типов:

1. Собственно, терморегулятора. Данный прибор призван включать в работу систему обогрева в заданном диапазоне температур. Обычно рабочий диапазон устанавливается в пределах -8..+3 градуса.
2. Метеостанции. Помимо определенного диапазона температур, метеостанция способна осуществлять контроль наличия осадков и их таяния на крыше. В состав станции входит не только температурный сенсор, но и датчик влажности, а некоторые метеостанции оснащены одновременно и сенсором осадков, и сенсором таяния (влажности).

При использовании в кабельной системе обычного терморегулятора, пользователю потребуется самостоятельно включать систему в работу при наличии осадков и выключать при их отсутствии. Метеостанция же позволяет полностью автоматизировать процесс работы системы и даже запрограммировать задержки ее отключения по времени. В прочем, по стоимости обычные терморегуляторы существенно более выгодны.

Проектирование

Монтаж системы обогрева

Кроме самой нагревательной основы еще понадобятся некоторые компоненты:

1. Датчик температуры. Лучшим вариантом будет небольшая метеорологическая станция. Она сможет отслеживать не только температуру, но и влажность, а также уровень осадков.
2. Терморегулятор. Для таких целей преимущество отдается электронному изделию. Он более точно отслеживает колебания и выдерживает достаточные нагрузки.
3. Холодный кабель. Обычно берется в двойной оплетке. Он будет служить силовым для подключения нагрузки. Сечение подбирается в зависимости от общего потребления системы.
4. Сигнальные кабеля. Применяются для датчиков температуры и влажности.
5. Автоматический выключатель. Количество полюсов будет зависеть от входящей сети.
6. Монтажные коробки. Одна понадобится для терморегулятора, одна для автомата, если он не будет установлен в общем щите и еще одна для метеостанции.
7. УЗО. Обязательный элемент. Это устройство позволит отслеживать малейшие утечки и сразу же прекращать подачу электрического тока, чтобы защитить всех жителей дома.
8. Муфты для герметичного подключения кабелей. Крепежный материал в виде саморезов, дюбелей, скоб для провода.

Теперь необходимо вычислить, какая длина греющего кабеля потребуется. Для этого нужно измерить длину всех горизонтальных и вертикальных участков. Обычно в водосточный желоб укладывается две нитки, поэтому полученный результат нужно умножить на два

Для вертикальной водосточной трубы также две, но нижнюю часть важно дополнительно утеплить, т. к

она находится ближе к земле и может сильнее промерзать. К получившемуся результату следует прибавить около 10% запаса. Он уйдет на то, чтобы сделать дополнительные витки в воронках. Длина отрезка, который будет находиться на крыше, зависит от того, какой способ монтажа будет выбран. Он может осуществляться в несколько ниток или змейкой. Высота петли змейки подбирается согласно рисунку уложенного настила, но она не должна быть меньше ширины, на которую обычно образуется наледь (в среднем это значение достигает 35‒40 см). Если на крыше есть внутренний угол (ендова), то в него также обязательно укладывается греющий кабель. Минимум его нужно на ⅔ ее длины в две линии.

Мощность кабеля для каждого конкретного случая рассчитывается индивидуально, но есть несколько усредненных значений:

• В нормальных условиях за отправную точку берется мощность в 22 Вт для резистивного и 30 Вт для саморегулирующегося кабеля на 1 погонный метр.
• Для мягкой кровли и пластиковых стоков мощность на один погонный метр не должна превышать 17 Вт.
• При возможности сильного обледенения для металлического желоба допускается применение двух ниток с мощностью в 50 Вт на погонный метр.
• При большой ширине канавки могут укладываться не две, а три и больше линий.
• Если чердак холодный, то хватит 70 Вт/м2. В случае когда чердак используется под мансарду, тогда количество витков и линий рассчитывается так, чтобы получилось от 200 Вт/м2.

Теперь, зная общую протяженность всей магистрали и мощности каждого проводника, можно высчитать общее потребление. В соответствии с этим значением выбирается автоматический выключатель, сечение холодного кабеля и терморегулятор.

Использование систем с резистивными кабелями

Обычно подогрев кровли осуществляется с использованием в системе резистивных кабелей, так как подобный вариант достаточно эффективен и отличается невысокой ценой. Принцип работы резистивного кабеля заключается в том, что токопроводящая металлическая жила нагревается за счет возникновения внутреннего сопротивления. Такая жила имеет покрытие в один или два слоя изоляции, далее идет стальной либо медный экран.

Жил-проводников может быть несколько. При использовании одножильного кабеля необходимо предварительно провести греющий контур.

Электрический подогрев кровли при помощи таких кабелей отличается следующими преимуществами:

• относительно невысокая цена системы;
• непродолжительный монтаж;
• отсутствие стартовых токов;
• постоянная мощность.

Но в последнем плюсе имеется и минус, так как на различных участках кровли и желобов может требоваться разная мощность, а в этой системе она стабильна, теплоотдача кабеля одинакова. Это может приводить к тому, что на одних участках будет наблюдаться перегрев, тогда как на других мощности просто не хватит. Да и резать такой кабель при монтаже нельзя, может сильно снизиться его теплоотдача.