Конструкции и температурно-влажностный режим вентилируемых совмещенных крыш

Влажность материала основания, на котором выполнена кровля, определяет качество и долговечность водоизоляционного ковра. В этой связи в данной статье рассмотрена эволюция конструктивных решений вентилируемых крыш зданий: от чердачных до совмещенных. (Окончание. Начало статьи см. в № 1 (16) 2008.)

При выполнении ремонта вентилируемые каналы легче всего устроить путем раздвижки верхнего слоя плит дополнительной теплоизоляции с укладкой листов сборной стяжки. Задача расчета влажностного режима сводится к определению воздухообмена в каналах и расчету длительности удаления имеющейся в конструкции воды в предположении, что в зимний период влага переместится в верхний слой дополнительной теплоизоляции,
а в летние периоды она будет отводиться в атмосферу через каналы, влагосодержание воздуха в которых на выходе будет приближаться к максимальному.

Если же канал в верхнем слое дополнительной теплоизоляции имеет выход в атмосферу или в вентилируемый наружным воздухом канал только с одного своего торца, а второй торец является «тупиковым», то в нем движение паровоздушной смеси происходит по большей части вследствие разности ее концентраций, и такое движение называется диффузией, а канал — диффузионным. Скорость диффузии в изотермических условиях и при малых (менее 10 %) уклонах кровли по данным [1, 14] составляет приблизительно 0,01 м/с.

Но в летний период, особенно в солнечные дни, происходит нагрев и расширение паровоздушной среды, за счет чего скорость ее движения с учетом конвекции возрастает до 0,015 м/с. Поэтому для зимнего периода скорость диффузии пара в каналах принимается 0,01 м/с, а для летнего – 0,015 м/с. Для материалов с сообщающимися порами с малым сопротивлением паропроницанию, например минераловатных, скорость диффузии водяного пара в нем при отсутствии конденсации может быть приближенно принята из соотношения коэффициентов паропроницаемости воздуха, равного 0,625 мг/(м•ч•Па), и минераловатного утеплителя, например «Руф- Баттс», плотностью 160 кг/м³, равного 0,31 мг / (м•ч•Па). Отношение этих величин составляет: 0,625/0,31~2, поэтому скорость диффузии водяного пара в минераловатном утеплителе в летний период будет = 0,015/2 = 0,0075 м/с.

В качестве примера расчета определим осушающую  способность вентилируемых и диффузионных каналов в конструкции ремонтируемой крыши. Здание имеет размер в плане 36 х 144 м, высота до вентиляционных отверстий 12 м. Выступающие над кровлей части здания отсутствуют. При ширине здания 36 м длина скатов с уклоном 1,5 % составляет 18 м. Окружающая застройка со всех сторон здания отсутствует. Ориентация продольной оси здания СВ-ЮЗ. Климатические характеристики соответствуют данным СНиП по г. Москве. Параметры внутреннего микроклимата:
t_в = 18 °С; = 60 % – для зимних условий и t_в = 20 °C; = 60 % – для летних.

Натурные обследования крыши показали, что кровля не пригодна для дальнейшей эксплуатации и подлежит демонтажу, в стяжке обнаружены сквозные трещины через 3–7 м вдоль и поперек ската, обусловленные отсутствием компенсационных швов при ее устройстве, но, в целом, она может быть отремонтирована.

Пароизоляция выполнена из одного слоя толя на дегтевой мастике. Весовая влажность пенобетона с начальной плотностью 400 кг/м³ составляет от 22 до 40 % при нормативном значении 12 %, однако разрушения материала не обнаружены.

Состояние железобетонных ферм и несущих железобетонных плит вполне удовлетворительное, и нет признаков потери их несущей способности.

Предложено снять старую кровлю, из нескольких многослойных ковров, выполнить ремонт стяжки, дополнительно утеплить крышу двумя слоями минераловатных плит  ( = 160/180 кг/м³)) с прочностью на сжатие не менее 0,45 кгс/см² размером 0,05 х 0,5 х 1,0 м и верхний слой плит раздвинуть с образованием вентилируемых каналов шириной 100 мм через 1,1 м, длиной 36 м вдоль скатов без выходов в коньке, а затем, как вариант, и диффузионных каналов шириной 50 мм через 550 мм поперек скатов; поверх плит утеплителя уложить сборную стяжку из плит ЦСП ( =

12 мм),

предварительно праймированных со всех сторон раствором мастики «Унимаст» в бензине, с установкой комбинированных механических креплений и заделкой швов. Кровлю выполнить из «Элона–Супер» на мастике «Унимаст» (НПО «Гидрол-Руфинг»). Парапет решен по принципу узлов, приведенных на рис. 15 и 16.

Средневзвешенная скорость ветра определялась по формулам (25)–(27), а средняя скорость движения воздуха по каналам вдоль короткой стороны здания за летний период – по формулам (22), (23). Она составила 0,24 м/с. Упругость водяного пара на выходе воздуха из каналов Eпр и воздухообмен определены для каждого из месяцев со средней температурой выше 0 °C и представлены в табл. 5, максимальное влагосодержание выходящего воздуха B₂ определялось по формуле:

Рис. 9. Вентилируемые наружным ветром каналы через 1,1 м (в осях)	Рис. 10. Расчетная схема вентиляции каналов и диффузии водяного пара

Количество влаги, удаляемой из толщи утеплителя с площади крыши 1 м2 через вентилируемые каналы сечением 0,05 х 0,1 м через 1 м (рис. 9), например, за июль месяц без учета воздействия солнечной радиации составляет:

Общее количество влаги, удаляемой через вентилируемые Общее количество влаги, удаляемой через вентилируемые каналы, за весь сезон с положительными температурами наружного воздуха при средней за этот период скорости движения воздуха в каналах 0,24 м/с (см. табл. 5) q1 = 2322 г/м², что явно недостаточно для интенсивной сушки утеплителей. Рассмотрим вариант устройства диффузионных каналов поперек скатов 0,05 х 0,05 м путем раздвижки верхнего слоя минераловатных плит дополнительно к вентилируемым (рис. 10). При скорости диффузии водяного пара в минераловатном утеплителе 0,0075 м/с на участке вентилируемого канала между двумя диффузионными каналами, а всего  таких участков 64, при площади испарения 0,05 х 0,5 х 2 м, среднем значении упругости водяного пара в диффузионных каналах e ~ 0,8E_пр и в предположении, что в них попадает только 50 % испаряющейся влаги (остальные 50 % поступают непосредственно в вентилируемые каналы), количество влаги, поступающей из диффузионных каналов в вентилируемый, например в июле, будет:

Всего за 7 месяцев теплого периода в каждый вентилируемый канал с 1 м² крыши может поступать 12578 г влаги. Проверяем, какое количество влаги способен удалить за тот же период вентилируемый наружным воздухом канал при условии, что на выходе из него упругость водяного пара будет не более 0,9Е_max ~ 0,9E_пр c учетом формул [4, 6]. Так, за июль:

Доля влаги, поступающей в июле из диффузионных каналов: q₂ = 1139 – 487 = 652 г/м².
Всего за теплый период года с помощью вентилируемых и диффизионных каналов из толщи теплоизоляционных материалов будет удалено с каждого квадратного метра 5680 г, или примерно 5,7 кг влаги.
Если при определении средней температуры наружного воздуха t_сум учесть воздействие солнечной радиации [15] по формуле

где – коэффициент поглощения солнечной радиации кровельным материалом;

рад – интенсивность воздействия солнечной радиации на горизонтальную поверхность;

– коэффициент прозрачности атмосферы для широты 55° и условий Москвы = 0,75, то расчетное количество удаляемой влаги увеличивается примерно в 1,5 раза (см. табл. 5).

Для оценки интенсивности диффузии водяного пара из пенобетона в толщу минераловатного утеплителя по методике К.Ф. Фокина построены графики температуры и упругости водяного пара в толще дополнительно утепленной конструкции при средней за зимний период температуре наружного воздуха t_н = -8,7 °C; t_в = 18 °C и = 60 %.

Графики свидетельствуют о том, что плоскость конденсации переместилась с верхней поверхности монолитной стяжки на нижнюю поверхность листов сборной стяжки из ЦСП; общее сопротивление теплопередаче конструкции R₀ = 2,69 м² °C/Вт, температура t_k = — 8 °C, упругость водяного пара E_k= 309 Па, е_в = 1238 Па, температура в средней части пенобетона с учетом его высокой влажности и теплопроводности t = 15,3 °C и упругость водяного пара Е = 1739 Па.

Количество влаги Q₁, которое переместится из толщи пенобетона в верхнюю зону минераловатных плит за зимний период длительностью 151 день, составляет

а количество влаги Q₂, поступившей из помещения в зону конденсации, будет:

Общее количество влаги Q, которое может поступить в зону конденсации за один зимний период, будет:

Q = 4669 + 962 = 5631 г/м²,

что больше, чем количество влаги, содержащейся в пенобетоне при = 22 %, и примерно равно количеству влаги, удаляемой за счет вентиляции и диффузии в каналах. Следовательно, процесс вертикального перемещения влаги зимой не будет сдерживать процесс горизонтального выноса влаги из толщи крыши летом.

Для тех случаев, когда не представляется возможным конструктивно решить вентиляцию каналов наружным воздухом по типу рис. 1; 3 или 4, рекомендуется вентилируемые каналы устраивать вдоль или поперек конька, а вентиляцию одного или нескольких каналов осуществлять путем установки над ними кровельных аэраторов (вентиляционных патрубков с дефлекторами) (рис. 11, 12).

Аэраторы либо должны иметь различную высоту патрубка, либо различные отметки по высоте. Движение воздуха в каналах в летний период будет происходить за счет гидростатического напора, и скорость движения можно определить по формуле (24), в любом случае, движение воздуха в каналах обусловливается различными аэродинамическими коэффициентами по площади крыши, а следовательно, и воздухообменом в патрубках одинакового диаметра под воздействием ветра.

Анализ результатов исследований и расчетов Э.И. Реттера [13] по определению эпюр ветровых давлений и приведенных скоростей движения воздуха над малоуклонными крышами зданий размером в плане до 48 x 144 м и средней отметкой кровли 10 м показывает, что на базе 6–8 м как вдоль, так и поперек линии конька в патрубках аэраторов одинакового диаметра при всех направлениях ветра скоростью 2–5 м/с возникает разность давлений  P, составляющая 0,12–0,14 кг/м², в результате чего в вентилируемых каналах происходит движение воздуха.

Рис. 11. Пример установки кровельного аэратора (вентиляционного патрубка) Alipai над каналом 100 мм на крыше здания администрации президента РФ (проект): 1 – слой стеклоткани на мастике «Унимаст»; 2 – дополнительный слой водоизоляционного ковра; 3 – основной слой ковра; 4 – стяжка сборная из ЦСП; 5 – плиты «Руф-Баттс»; 6 – слой керамзитового гравия; 7 – плиты из пеностекла; 8 – слой пароизоляции из «Гидроизола» на битумной мастике; 9 – затирка из цементно- песчаного раствора; 10 – железобетонная несущая плита

Скорость движения воздуха в канале между двумя аэраторами может быть определена в результате решения уравнения Бернулли [2]. Кроме того, в настоящее время существуют и применяются аэраторы «высокого давления», снабженные встроенными электрическими вентиляторами, способными реверсироваться, создавать давление и работать круглый год как на вход, так и на выход воздуха. Возможно, а скорее даже оптимально, сочетание обычных аэраторов с аэраторами «высокого давления».

Для примера рассмотрим случай, когда над вентилируемым каналом в минераловатном утеплителе сечением 0,05 х 0,1 м через 6 м расположены аэраторы Alipai с внутренними диаметрами патрубков 110 или 160 мм (рис. 12). За счет различных давлений в патрубках, возникающих при воздействии ветра, происходит движение воздуха в канале. Этому движению противостоят силы трения и местные сопротивления.

Таблица 5. Исходные данные и количество влаги, удаляемой из толщи крыши через вентилируемые и диффузионные каналы

Примечание: q₁ = 2322 г/м²; (q₁ + q₂) = 5680 г/м²;
q₁‘ = 5368 г/м²; (q₁‘+ q₂‘) = 8613 г/м² ;
t_пр, E_пр – температура и упругость водяного пара на выходе воздуха из прослойки;
В₁ В₂ — влагосодержание воздуха, входящего и выходящего из прослойки;
Е’_пр, В₂‘ — максимальная упругость и влагосодержание воздуха, выходящего из прослойки при учете воздействия солнечной радиации;
q₁, q₂ – количество влаги, удаляемой из толщи крыши за счет вентиляции и диффузии;
q₁‘, q₂‘ – то же, но с учетом воздействия солнечной радиации.

Рис. 12. План расположения диффузионных, вентилируемых каналов и кровельных аэраторов	Рис. 13. Воздухообмен в аэраторах (патрубках) Alipai

Тогда скорость движения воздуха в канале, средняя за месяц, зимний или летний периоды, может быть определена по формуле:

Обозначения в формуле (31) те же, что и в формуле (22). Средняя температура наружного воздуха за летний период без учета воздействия солнечной радиации в дневные часы – t_н = 11,7 °C, объемный вес воздуха – _н = 1,24 кг/м³, скорость ветра – 3,4 м/с. При этой скорости ветра воздухообмен в патрубке аэратора 110 мм (рис.13) составляет 60 м³/ч, или 0,0167 м³/с, а в патрубке аэратора 160 мм 110 м³/ч, или 0,031 м³/с. Эквивалентная скорость движения воздуха в патрубке аэратора 110 мм c площадью поперечного сечения 0,00785 м² составляет

в патрубке аэратора 160 мм

Температура воздуха t в канале, согласно формуле (4), составляет 12,25 °C, а объемный вес

Тогда давление воздуха в патрубке аэратора 110 мм будет

в патрубке аэратора 160 мм

При коэффициенте сопротивления трению Л = 0,0348, эквивалентном диаметре 0,067 м и 12-ти местных сопротивлений (внезапные расширения через 1 м в обе стороны) = 12 x 3 = 36 средняя за летний период скорость движения воздуха в канале составляет

При условии, что средняя упругость водяного пара наружного воздуха за летний период е = 939 Па, влагосодержание B₁ = 2,168 • 939/(273+11,7) = 7,15 г/м³, максимальная упругость на выходе из аэратора Е = 1489 Па, а влагосодержание B₂ = 2,168 • 1489/(273+18,25) =11,1 г/м³, осушающая способность канала с аэраторами за летний период составляет q = 0,05 • 0,1 • 0,22 • 3600 • 214 • (1,11 — 7,15) = 95590 г, или 95,6 кг воды, однако фактическое количество удаляемой влаги будет определяться интенсивностью диффузии водяного пара из толщи минераловатного утеплителя в диффузионные каналы, а из них – в вентилируемый канал. Если разделить полученное количество воды на площадь, которую обслуживает канал (12 х 36 = 432 м²), то получается, что с каждого квадратного метра крыши за летний период может быть удалено q = 196 г/м² влаги, при увеличении сечения канала до 0,05 х 0,16 м – q 314 г/м².

Рис. 14. Пример решения конька крыши с дополнительным утеплением одним слоем минераловатных плит и объединяющим каналом 100 мм: 1- стяжка из цементно песчаного раствора; 2 – перфорация стяжки; 3 – увлажненный пенобетон; 4 – полоса кровельного материала над стыком асбестоцементных листов; 5 – подкладка под кромки консольной части листов 250 х 200 мм, = 0,8 мм через 500 мм; 6 – асбестоцементные листы, = 10 мм

Рис. 17

При устройстве по обе стороны конька на расстоянии 0,5–0,6 м двух вентилируемых каналов сечением, например, 0,05 х 0,16 м и установке аэраторов 160 мм через 6 м над ними осушающая способность системы за летний сезон составит 664 г/м², а при черном цвете кровельного материала и учете воздействия солнечной радиации – приблизительно 1200 г/м². Для данного примера расчета, когда отсутствуют конструкции, выступающие над кровлей и ее затеняющие, учет влияния солнечной радиации на формирование температурно-влажностного режима совмещенной крыши с диффузионными и вентилируемыми каналами вполне оправдан. Если же имеется достаточно большая площадь затененных участков кровли, образуемых П- или М-образными светоаэрационными фонарями или выступающими частями зданий, то расчет выполняется отдельно для каждого участка с учетом фактической влажности существующего утеплителя и стяжки.

Влагосодержание слоя пенобетона толщиной 100 мм при весовой влажности 22 % составляет 400 • 0,1 • 0,22 = 8,8 кг/м², при этом допустимое влагосодержание (при = 12 %) – 4,8 кг/м².
Следовательно, количество сверхнормативной влаги будет 8,8 – 4,8 = 4 кг/м², для влажности пенобетона 30 % – 7,2 кг/м², а для влажности пенобетона 40 % – 11,2 кг/м².

При укладке минераловатных плит дополнительной теплоизоляции всегда существует вероятность увлажнения их атмосферными осадками, особенно во время обеденного перерыва. В качестве источника увлажнения принимаем 20-минутный дождь (Q20) c вероятностью максимальной интенсивности 50 %, учитывая относительно небольшую площадь крыши и соотношение сторон здания в плане. Так, например, при Q20 = 80 л/с га (г. Москва) дополнительное увлажнение утеплителя может составить 0,5 • 0,12 • 80 = 4,8 кг/м². Время Т в летних сезонах без учета воздействия солнечной радиации, в течение которого влажность пенобетона и минераловатного утеплителя достигнут нормативного значения, составит:

_пен = 22 % T = (4 + 4,8)/5,7 ~ 1,5 летних сезона;

_пен = 30 % T = (7,2 + 4,8)/5,7 ~ 2 летних сезона;

_пен = 40 % T = (11,2 + 4,8)/5,7 ~ 2,8 летних сезона.

При отсутствии затенений кровли и учете влияния солнечной радиации на температуру наружного воздуха и в слоях крыши длительность сушки утеплителя будет:

_пен = 22 % T = (4 + 4,8)/8,6 ~ 1 летний сезон;
_пен = 30 % T = (7,2 + 4,8)/8,6 ~ 1,4 летних сезона;
_пен = 40 % T = (11,2 + 4,8)/8,6 ~ 2 летних сезона.

Для ускорения сушки утеплителя верхний слой минераловатных плит необходимо уложить длинными сторонами вдоль скатов с устройством вентилируемых каналов по 100 мм, ширину диффузионных каналов оставить прежней – 50 мм и принять конструкцию парапета по типу рис. 15 или 16, обеспечив доступ наружного воздуха в продольные каналы, что создаст естественную вентиляцию крыши в двух направлениях и ускорит сушку теплоизоляционных материалов крыши в 3–4 раза.

Рис. 15. Конструкция парапета с использованием древесины, металла для вентилируемой крыши и стен из каркасных плит	Рис. 16. Конструкция парапета с использованием древесины для вентилируемых крыш и стен из каркасных плит

Современные прогрессивные производители минераловатных утеплителей Paroc и Saint-Gobain «ISOVER Oy», хорошо понимая большую вероятность увлажнения плит атмосферными осадками во время устройства совмещенных крыш на больших площадях, выполняют на поверхности плит специальные канавки размером до 15 х 30 или 20 х 30 мм через 200–300 мм. При укладке верхнего слоя плит эти канавки ориентируются, как правило, вдоль скатов, совмещаются, образуя каналы от ендовы до конька. В районе ендовы и конька, параллельно им, выполняются объединяющие каналы высотой 20–40 мм и шириной 80–160 мм вручную или специальными приспособлениями. Объединяющие каналы, как и основные, перекрываются твердыми плитами утеплителя толщиной 20–30 мм. При толщине твердых плит 30–46 мм канавки выполняются на нижних их плоскостях. Над объединяющими каналами устанавливаются кровельные аэраторы: в районе ендов через 4–8 м и в коньке – через 6–10 м.

Такая система обладает меньшей осушающей способностью, чем приведенные выше решения (рис. 9; 12; 14), но при новом строительстве с применением только минераловатных или стекловатных изделий вполне достаточна для удаления «построечной» влаги в первые же летние сезоны эксплуатации крыши и является «подстраховочной» при случайных повреждениях кровли до момента устранения повреждений. Эти системы включены в нормы скандинавских стран и многих стран мира.

Следует учитывать, что в первые же зимние месяцы сушки происходит активное перераспределение влагосодержания утеплителей по площади крыши, в основном от ендовы к коньку, и при недостаточных или неправильно выполненных нахлестках рулонных пароизоляционных материалов и некачественной герметизации стыков несущих плит или профнастила, кратковременные протечки могут появиться там, где их не было до начала сушки и идея благотворного влияния осушающей вентиляции на температурно-влажностный режим крыши может быть незаслуженно опорочена, что неоднократно и случалось на практике. Поэтому в тех случаях, когда нет возможности проверить качество выполненной пароизоляции или ее переделать, необходимо в проекте восстановительного ремонта крыши обязательно предупредить заказчика о возможности кратковременных протечек в помещения в первый зимний период сушки, так как во второй зимний период сушки эти протечки, как правило, уже не возобновляются.

Довольно часто, если утеплитель в ендовах насыщен влагой выше полного водопоглощения, строители по согласованию со службой эксплуатации заказчика выполняют в несущих плитах или профнастилах отверстия и удаляют воду в сторону помещений либо откачивают ее с помощью насосов.

Участок ремонтируемой крыши с верхним слоем из минераловатных плит, диффузионными и вентилируемыми каналами и сборной стяжкой из ЦСП

Дополнительное введение в отечественные и зарубежные нормы требований об обязательной герметизации стыковых соединений рулонных пароизоляционных материалов в целях создания водонепроницаемого барьера и соблюдения этих норм значительно бы уменьшило опасность попадания воды в помещения зданий как во время строительства, так и при их эксплуатации.

На совмещенных крышах, широко применяемых в настоящее время, при новом строительстве и при ремонтных работах кровли целесообразно выполнять из полимерных рулонных материалов, например «Элон-Супер» или «Кровлелон», – долговечных, атмосферостойких, технологичных. Эти материалы разрешены к применению СНиП [10] для выполнения однослойных кровель, а также в качестве верхнего слоя еще более надежных двухслойных кровель (на особо ответственных объектах) с нижним слоем из наплавляемого материала Корпорации «TeхноНиколь». Практический опыт их применения накоплен НПО «Гидрол-Руфинг». Хотелось бы надеяться, что появится новый кровельный материал, совмещающий в себе лучшие качества названных выше материалов, для облегчения тяжелой работы кровельщиков и улучшения качества кровель.

Н.Н. Щербак, канд. техн.наук, действительный член Восточно-Европийского союза экспертов (OSV).

Адрес электроной почты: nikolayshcherbak@yandex.ru