Топим… крышу? Антиобледенительная система против сосулек, льда и снега на кровле

Лента с красными полосами, перегораживающая тротуар, старая автовышка и работник ЖКХ в желтом жилете, который ломом сбивает наледь и сосульки с карнизов. Именно так до сих пор выглядит очистка крыш от снега и льда в большинстве случаев, хотя антиобледенительная система для кровли была придумана еще в конце 20-го века. Описанный метод неудобен, неэффективен, вредит кровельному покрытию и просто опасен. Но когда коммунальщиков волновали такие мелочи?

Другое дело частные дома и офисные здания. Все больше их владельцев делают обогрев кровли и водостоков, чтобы защитить крыши от наледи. И, несмотря на дополнительные расходы, такой подход часто выгоднее, чем регулярная физическая чистка снега, поскольку он увеличивает срок службы кровельного покрытия и водостоков. Особенно если крыша сложной формы.

Содержание

Что такое система обогрева кровли

Самая простая система обогрева крыши или система снеготаяния — это греющий кабель, проложенный по карнизу кровли, который подключен к обычной бытовой сети 220 В или 380 В и включается вручную рубильником. Когда по кабелю пускают ток, он начинает выделять тепло. Немного, но достаточно, чтобы снег и лед, которые соприкасаются с греющим кабелем или находятся рядом с ним, начали таять и стекать с кровли уже в виде воды в водосточную систему и дальше — в коллекторы. В результате карнизы очищаются от наледи и сосулек щадящим способом без риска повредить кровельное покрытие или погнуть водосточный желоб.

Конечно, современная антиобледенительная система устроена намного сложнее: включением и выключением нагрева управляет контроллер в автоматическом режиме, состояние контролируют датчики и многочисленные узлы безопасности. Но общий принцип работы остается тем же. Разве что работает такая система обогрева кровли и водостоков уже больше превентивно — она в принципе не дает воде смерзаться в ледяную корку в уязвимых участках крыши и плавит снег сразу же, как он выпал.

Зачем нужен подогрев кровли и водостоков

Начнем от обратного: антиобледенительные системы для обогрева кровли и водостоков нужны не всегда. Ведь толстый слой льда на карнизах и угрожающего вида сосульки образуются далеко не на каждой крыше, а только при соблюдении определенных условий.

Физика обледенения крыши проста: тонкий слой снега, лежащий непосредственно на кровельном покрытии, при дневном повышении температуры или из-за плохой термоизоляции кровли начинает таять, стекать к холодному карнизу и по водосточным желобам, где при понижении температуры ночью замерзает. Так повторяется день за днем, наледь на карнизе утолщается, водосток забивается льдом, вода начинает переливаться через желоб и застывать сосульками.

Поэтому на крышах простой формы без мансардных окон и кукушек с уклоном скатов больше 35° лед практически не нарастает. Просто потому, что сходу воды со скатов ничего не мешает, а из-за сравнительно большого уклона она стекает быстрее, чем успевает замерзать. Следовательно, на домах с простой односкатной, двускатной или вальмовой крышей с большим углом наклона монтаж системы обогрева кровли обычно не нужен. За исключением зданий, построенных в районах, для которых характерно чередование оттепелей и морозов, а также большая разница между дневной и ночной температурой. В этом случае от наледи может не спасти даже крутой скат.

А вот при монтаже на дома с пологими скатами или с кровлями сложной формы система обогрева водостоков и карнизов:

• эффективно препятствует образованию сосулек и снежных навесов, обеспечивая безопасный проход под карнизами дома;
• предотвращает появление наледи на карнизах, на ендовах, в местах примыкания кровли к стенам и трубам, защищая кровлю от протечек и деформации кровельного покрытия;
• освобождает водостоки ото льда, обеспечивая эффективный водоотвод с крыши;
• препятствует повреждению и срыву водосточных желобов из-за обледенения.

Проще говоря, отопление крыши в сочетании со снегозадержателями или снегорезами снижает вероятность повреждения кровли зимой даже при очень неблагоприятных климатических условиях. Но это не значит, что можно обойтись без чистки крыши вообще — греющий кабель укладывают на карнизах, ендовах и в других «сложных» местах кровли, на остальных участках снег остается лежать. Поэтому в северных регионах и в центральной части страны после обильных снегопадов убирать снег с кровли все равно нужно.

Из чего состоит система антиобледенения

Современная система обогрева кровли и водостоков включает:

• нагревающие кабели и крепления к ним;
• распределительно-информационную сеть, в которую входят силовые кабели и провода, передающие данные от датчиков на щит управления;
• систему управления, состоящую из контроллера, датчиков, коммутаторов и защитного оборудования.

Большую антиобледенительную систему разбивают на несколько участков, каждый из которых управляется автономно. В этом случае появляется четвертая часть системы — центральный щит управления, который нужен для контроля работы всей системы в целом.

Нагревательные кабели

Греющий кабель — ключевой элемент обогрева кровли. Поскольку их укладывают на скат крыши, который летом может буквально раскаляться на солнце, у нагревательных кабелей сложная многослойная структура, которая обеспечивает:

• устойчивость к длительному воздействию ультрафиолетового излучения;
• высокую прочность как защитной оболочки, так и всего кабеля;
• химическую стойкость;
• температурную устойчивость в диапазоне как минимум от -40°С до +60°С.
• тепловыделение от 20 Вт на метр длины.

Все это нужно, чтобы пласт снега, сходящий с крыши, не разорвал греющий кабель, а его изоляцию не повредил ультрафиолет или растворенные в дождевых каплях едкие вещества.

Для антиобледенительной системы разработаны два вида кабелей: резистивный и саморегулирующийся.

Резистивный нагревательный кабель

Резистивный греющий кабель — это одна или две тепловыделяющих токопроводящих жилы с внутренней изоляцией из фторполимера, металлической оплеткой и внешней оболочкой из стойкого к УФ-лучам ПВХ. Одножильный кабель дешевле, но организовать подогрев кровли с его помощью сложнее: его нужно проложить так, чтобы в конце укладки свести оба конца кабеля в одну точку. Двужильный кабель существенно дороже, но при его монтаже не нужно создавать замкнутый круг, поэтому его легче укладывать без опыта в электромонтажных работах.

У резистивного кабеля есть четыре основных недостатка:

1. Кабель нельзя резать. Кабель продается в бухтах фиксированной длины, и его нужно полностью уложить на кровлю, даже если участок обогрева совсем небольшой.
2. Постоянное электропотребление. Отопление на крыше дома будет всегда потреблять одинаковое количество электроэнергии, независимо от температуры на улице и количества снега. Например, если крыша покрыта снегом не полностью, некоторые участки кабеля вообще будут работать вхолостую.
3. Кабели нельзя перекрещивать. Резистивный кабель очень чувствителен к перегреву, поэтому при перекрещивании он может легко сгореть, как лампочка накаливания.
4. Недопустимы ветки и опавшие листья. Как и в случае с перекрещиванием, любой мусор, попавший на резистивный кабель, может привести к его перегреву и даже возгоранию.

Некоторые резистивные кабели можно подключать прямо к сети, без блока управления. В этом случае монтаж антиобледенительной системы сильно упрощается, а ее стоимость уменьшается. Зато значительно возрастают расходы на электроэнергию, поскольку обогрев крыши включают вручную. При таком монтаже кабель обязательно укладывают в медный или алюминиевый кожух, который будет эффективно отводить тепло и препятствовать перегреву.

Саморегулирующийся нагревательный кабель

В отличие от резистивных кабелей, саморегулирующиеся меняют количество выделяемой теплоты в зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Саморегулирующийся нагревательный кабель — это «умная» полупроводниковая матрица, которая подстраивается под внешние условия на каждом участке за счет включения в работу разных сегментов, соединенных параллельно. Грубо говоря, при низкой температуре в работу включается сегмент матрицы с наибольшей проводимостью и максимальным тепловыделением, при относительно высокой — сегмент с минимальным количеством проводящих путей и низким тепловыделением. И все это работает на более низком уровне, по сравнению с системой управления, дополняя ее и позволяя в 1,5-2 раза снизить электропотребление.

Например, если снег на крыше лежит очагами — около ендов, вентиляционных и печных труб, с наветренной стороны, — то резистивный кабель будет греть везде с одинаковой мощностью, в то время как саморегулирующийся будет нагревать в полную мощность только те участки, где есть снег, и работать со значительно меньшей мощностью там, где снега нет.

Конструктивно саморегулирующийся нагревательный кабель — это две токопроводящие жилы, соединенные полупроводниковой адаптивной матрицей и заключенные в армированную изоляцию и оболочку из термопластика. Получается проводник-лента, который можно резать в любом месте. Минимальная длина саморегулирующегося греющего кабеля всего 0,2 м, максимальная — 150-200 м в зависимости от бренда и марки. К тому же такой кабель без проблем можно перекрещивать, он невосприимчив к опавшей листве и другому мусору, который может оказаться на скатах кровли, выдерживает значительные перепады напряжения и лучше гнется.

Обогрев кровли и водостоков антиобледенительными системами на основе саморегулирующихся кабелей имеет только два недостатка:

1. Выше цена. Даже при грамотном проектировании системы она будет дороже на 15-25%.
2. Высокие пусковые токи. Токи при запуске такой системы в 2-4 раза выше, чем номинальные, поэтому при проектировании автоматики и подборе защитного оборудования нужно оставлять существенный запас.

Хотя монтаж обогрева кровли на базе саморегулирующихся кабелей дороже, на дистанции эти расходы окупаются за счет меньшего энергопотребления. Как правило, срок окупаемости составляет 2-3 года для частных домов и 1-1,5 года для коммерческих объектов.

Питающая и информационная сеть

В эту часть системы антиобледенения входят все коммуникации:

• силовые кабели для подключения системы к сети 220 В или 380 В;
• информационные провода, которые прокладывают к датчикам, а также к коммутаторам в сложных многоуровневых системах;
• распределительные коробки.

Для прокладки распределительно-информационной сети используют специальные гофры и муфты, которые обеспечивают защиту от внешних условий для кабелей, не предназначенных для наружного монтажа. Кроме того, герметичность разводки снижает риск возникновения коротких замыканий и ошибок при считывании данных с датчиков, даже если для их подключения использовались провода защищенной серии.

Система управления

С одной стороны, система управления — одна из важнейших частей отопления крыши. Именно она отвечает за своевременное включение и отключение нагрева. С другой стороны, при монтаже резистивного кабеля и некоторых видов саморегулирующего, без нее можно обойтись, хотя это и приведет к повышенному энергопотреблению и увеличенным расходам. Впрочем, даже если не устанавливать контроллер, защитное оборудование все равно нужно, иначе работа системы антиобледенения может продлиться очень недолго — до первого попадания мусора на резистивный кабель.

Управление системой обогрева кровли обычно осуществляется с помощью контроллера-термостата, хотя могут использоваться метеостанции или даже многофункциональные контроллеры с настраиваемой программой. В любом случае контроллер считывает информацию с датчиков и включает систему в работу при температуре от +5°С до -15°С. При температуре ниже -15°С система обогрева обычно не нужна — снег при таких температурах рассыпчатый, не спрессовывается в пласты и, тем более, не тает. Отключают систему антиобледенения только при устойчивой плюсовой температуре — от +5°С и выше.

Кроме температуры, на контроллер подается сигнал от датчиков влажности — если греющий кабель погружен в воду, то система работает на полную мощность, чтобы не допустить его вмерзания в лед при резком похолодании. Кроме того, высушивание влаги на крыше снижает вероятность протечки.

Вторая часть системы управления обогревом кровли — это защитное оборудование. Для защиты антиобледенительной системы используют:

• устройство защитного отключения (УЗО);
• автоматический выключатель;
• защиту нагревательной цепи;
• магнитный пускатель;
• защитный автоматический выключатель для контроллера (может быть встроенным).

Для автоматизации управления системой обогрева кровли в щит автоматики могут добавлять таймеры, реле защиты по напряжению с выдержкой по времени, программируемые контроллеры. Но при монтаже антиобледенительной системы на крыше частного дома лучше делать максимально простую автоматизацию. Как правило, при бытовом применении не нужны сложные алгоритмы работы, поэтому такой подход одновременно и снижает вероятность ошибок, и уменьшает стоимость обслуживания системы.

Монтаж системы обогрева кровли

Система отопления крыши и водостоков — мощный электропотребитель, поэтому устанавливать ее должны только квалифицированные электромонтеры. Рекомендации ниже предназначены для специалистов, у которых есть опыт выполнения электромонтажных работ, но они раньше не сталкивались с монтажом антиобледенительных систем. Если ваш максимум — замена розетки или светильника, не пытайтесь выполнить электромонтаж самостоятельно, это может привести к пожару или поражению электрическим током. Кроме того, рекомендации по установке системы обогрева кровли будет полезно изучить заказчикам, чтобы знать, на что смотреть при проверке и приемке работ.

Требования к системе

Монтаж системы обогрева кровли выполняется в соответствии с правилами устройства электроустановок (ПУЭ) и инструкциями производителя. Также во время монтажа нужно соблюдать правила:

1. Большинство видов греющих кабелей не должны касаться обогреваемых поверхностей, особенно ондулина и других битумных кровельных материалов. Для этого их монтируют в гофре или на выносных крепежных элементах.
2. Для эффективного снеготаяния для крыши нужно обеспечить мощность обогрева 200-350 Вт/м2, а для водостока 20-50 Вт/м. Зависит от угла наклона кровли, ее сложности и климата.
3. Если трубы отопления на крыше не утеплены или плохо утеплены, греющий кабель также нужно прокладывать на участке между карнизом и нижним примыканием трубы. При этом ширина обогреваемого участка должна быть на 15-20 см больше ширины трубы с каждой стороны.
4. Антиобледенительную систему монтируют в солнечную погоду при температуре не менее +5°С.
5. Для корректной работы системы антиобледенения на крыше должна быть установлена водосточная система.
6. Перед монтажом кровельное покрытие и водостоки тщательно очищают от мусора, грязи и пыли.
7. Подогреваемая кровля при подключении к одной фазе сети 380 В не должна потреблять больше 5-6 кВт номинальной мощности, иначе возникает перекос фаз. Если площадь обогрева большая, антиобледенительную конструкцию разбивают на три участка одинаковой мощности, и каждый из них подключают к своей фазе.

Все элементы системы, которые устанавливают на улице, должны быть защищены по стандарту IP55 и выше.

Планирование укладки греющего кабеля

Некоторые владельцы укладывают греющий кабель по всей площади крыши, но это редкость из-за высокой стоимости монтажа и большой мощности такой системы антиобледенения. В большинстве случаев нагревающий кабель укладывают на проблемных участках:

1. Карнизный свес. Греющий кабель крепят зигзагом, закрывая им весь карниз и еще 150-300 мм прилегающей кровли.
2. Ендова. Нагревательный кабель укладывают в виде петли так, чтобы обогревалось как минимум 1/3 длины ендовы. Если рядом с ендовой на крыше есть труба отопления или примыкание, обогревают всю ее длину.
3. Водосточные желоба и стояки. Греющий кабель прокладывается петлей по всей водосточной системе, причем часть водостока, уходящая в коллектор или канализацию, обогревается отдельным кабелем до глубины промерзания.
4. Воронки на плоских крышах. Греющий кабель в виде квадрата укладывают на водосточные воронки для кровли с подогревом прилегающего к ним участка крыши площадью около 1 м2.
5. Мансардные окна, трубы, зенитные фонари. Нагревательный кабель прокладывают по их контуру и в 1-2 ряда по направлению стока к карнизу.
6. Парапеты. Для обогрева достаточно одной нити греющего кабеля в углу между парапетом и кровельным покрытием.
7. Водометы. Обогревают 1 м2 крыши около них и сами трубы.
8. Места примыканий кровли к стенам. Достаточного греющего кабеля по длине в один ряд.
9. Капельники. Греющий кабель прокладывают, только если конденсата выпадает много. Обычно достаточно одного ряда кабеля.

Укладку нагревательного кабеля желательно распланировать на схеме. Крепить его нужно так, чтобы он образовывал замкнутый контур и не перекрещивался.

Если кабель для обогрева кровли получается слишком длинным, то его уменьшают, последовательно исключая из схемы мансардные окна, зенитные фонари, примыкания, капельники, парапеты. Обязателен монтаж нагревательного кабеля только на карнизах и водостоках.

Крепление кабеля для обогрева кровли

Греющий кабель укладывают только с помощью оригинальных крепежей производителя. Это может быть алюминиевые кронштейны, пластиковые зажимы, специальная монтажная или клейкая лента. В частности, для кровель из металлочерепицы, профнастила и фальца выпускают монтажные ленты из меди, нержавеющей и оцинкованной стали, чтобы избежать гальванической коррозии из-за контакта разных металлов. В вертикальных стояках водостока кабель для обогрева кровли фиксируется тросиками, цепями или распорками.

Некоторые крепежи устанавливаются с повреждением кровельного покрытия. В этом случае места их установки обязательно герметизируют. При этом кабель укладывают без провисаний, но и не натягивают его — это может привести к залому и повреждению изоляции. Особенно к заломам чувствительны саморегулирующиеся нагревательные кабели, в которых так можно деформировать полупроводниковую матрицу.

Правила подключения силового кабеля

Силовой кабель прокладывают в специальной гофре и заводят в распределительную коробку, защищенную от попадания влаги и пыли. Если установку антиобледенительной системы планируют на этапе проектирования здания, то для укладки силового кабеля лучше предусмотреть штробы в стене доме так, чтобы он был полностью скрыт в конструкциях здания или выходил за их пределы только там, где это критически важно. Это минимизирует вероятность короткого замыкания из-за случайного попадания влаги.

Сечение силового кабеля подбирают по мощности системы. При использовании саморегулирующихся кабелей необходимо обеспечить большой запас, учитывая высокие пусковые токи. Если открытый монтаж силового кабеля неизбежен, его нужно укладывать так, чтобы исключить вероятность его обрыва или повреждения при сильном ветре или сходе снежной массы с кровли.

Монтаж системы управления

Управление системой обогрева кровли работает по простому принципу: как только температура наружного воздуха попадает в установленный диапазон, включаем греющий кабель, как только выходит за его пределы — выключаем. При добавлении в систему датчика влажности она начинает работать чуть сложнее: на включение начинает влиять не только температура, но и количество влаги на скатах кровли — если температура подходящая, но влаги нет, то греющий кабель выключается.

Следовательно, чтобы система управления работала так, как надо, необходимо установить:

• датчик температуры на северной стороне здания на 30-50 см ниже карниза;
• датчики влажности на ключевых участках кровли: внизу ендов, около изломов крыши, в водостоках;
• контроллер или термостат с обязательной настройкой и тестированием его работы;
• защитное оборудование: УЗО, автоматы.

При правильно смонтированной системе управления обогрев крыши работает в автоматическом режиме с минимальным расходом электроэнергии. Современные контроллеры с адаптивными программами экономят до 25-30% электроэнергии без потери эффективности. Впрочем, стоят они значительно дороже обычных термостатов, поэтому перед покупкой необходимо тщательно рассчитать срок их окупаемости по сравнению с обычным оборудованием.

Подведем итоги

Антиобледенительная система помогает избежать появления наледи и сосулек на крыше. Она растапливает снег и лед, не позволяя им накапливаться на «уязвимых» участках. В результате снижается нагрузка на кровлю и сводится к нулю риск травм и повреждения имущества из-за падения сосулек.

Система обогрева водостоков и кровли состоит из греющего кабеля, контроллера, датчиков и проводов для их подключения. Управление включением и выключением системы позволяет снизить ее суммарное электропотребление за сезон, хотя оно все равно остается существенным. Но, несмотря на большие затраты на установку антиобледенительной системы и ее эксплуатацию, это все равно выгодное вложение, поскольку обогрев крыши повышает срок службы водостоков и кровельного покрытия.

---