Алгоритм образования зимнего льда на крышах, тротуарной плитке, ступенях и других поверхностях одинаков. Выпавший снег по какой-либо причине (из-за паразитного домового или иного техногенного тепла, внезапной оттепели и т.д.) вдруг подтаивает и превращается в воду. Вернувшиеся морозы или просто суточные колебания температуры, в свою очередь, превращают ее в лед. Если данный процесс имеет периодический характер, то он сопровождается нарастанием ледяной массы в месте ее появления.
В качестве методов борьбы напрашиваются мероприятия по блокированию превращения воды в лед, т.е. удаление воды с поверхности до того момента, когда она успеет стать льдом, или недопущение нарастания снега пластом, в котором затем начнут происходить льдообразующие процессы. Конечно, хорошо спроектированная и по всем правилам смонтированная кровля, в которой учтены обязательные теплоизоляционные и вентиляционные требования, меньше подвержена воздействию паразитического тепла, но от сюрпризов погоды все же и она не застрахована. Да и образования снежной подушки на крыше зимой вряд ли удастся избежать.
Несмотря на то что убирать наземные площадки всегда легче, чем заснеженные скаты крыш, незащищенные дворовые дорожки и открытые ступени наружных лестниц все равно покрываются ледяной коркой, поскольку процесс подтаивания снега хоть раз в сезон да будет запущен в действие метеорологическими напастями, после чего льдообразование становится устойчивым явлением. А защитить крыши и открытые площадки помогают кабельные системы обогрева. На крышах подобные устройства помогают удерживать появившуюся от таяния снега воду в талом состоянии до ее удаления через систему водостоков (водосточные воронки, желоба и трубы также охватываются нагревательными кабелями). С их помощью подогреваются снизу дороги, лестницы, тротуары, не позволяя льду образоваться на поверхности. Системы снеготаяния существенно уменьшают затраты на обслуживание названных объектов в зимнее время, позволяя избежать замерзания трубопроводов и сохраняя тротуарные покрытия и ступени наружных лестниц в целости и без повреждений, неминуемых при скалывании льда вручную. Кроме того, кабельные системы являются гарантией здоровья людей, предотвращая потенциальные опасности взаимодействия человека со скользким льдом и сосульками. Незаметно выполняя свою работу, они почти не требуют специального обслуживания (кроме моментов предсезонной проверки и профилактики, а также послесезонного отключения). Две разновидности кабельного прогрева — кровельная и наземная — отличаются друг от друга кабелями разной мощности, способами их укладки и нюансами в управлении, выполняя, по сути, одну и ту же задачу.
Кабель укладывают на крыше зигзагами с шагом в 60 см. Размах зигзага для кабеля, выкладываемого по краю крыши, зависит от степени нависания ската. Чем скат больше, тем вероятнее замерзание талой воды. Для ската без нависания размах составляет 30 см, а при нависании в 90 см размах кабельной «змейки» нужно довести уже до 120 см.
Транспортирующие тепло
В кабельных системах снеготаяния используются резистивные и саморегулирующиеся кабели. У резистивных нагревательных кабелей общее сопротивление увеличивается с ростом длины кабеля, а с ее уменьшением падает. Нужную длину кабеля отрезают от бобины исходя из известной величины удельной мощности и расчетной мощности системы одним куском или же набирают ее из отрезков строительной длины. Резистивные кабели выделяют тепло равномерно по всей длине за счет нагревающейся металлической жилы независимо от того, что происходит на поверхности крыши, покрытой кабелем: наличествует ли по факту в данном месте льдообразование или нет. Поэтому проблема перегрева для резистивных кабелей является актуальной. Для ее решения предназначены специальные терморегулирующие блоки.
Среди преимуществ резистивных кабелей — простота конструкции, умеренно низкая стоимость, высокая скорость монтажа, а также хороший тепловой контакт с обогреваемой поверхностью за счет плоского сечения двухжильного кабеля. Резистивные кабели применяются для устройства теплых полов, систем снеготаяния на дорогах, трубопроводах, тротуарах.
Другой вид кабелей называется саморегулирующимся. Он состоит из множества элементов, содержащих вкрапления токопроводящего материала. Элементы расположены между двумя жилами, образуя своеобразную линейную матрицу. Таким образом, к каждому из элементов подводится одинаковое напряжение, вызывающее выделение тепла. А вот его количество в каждом из элементов разное, поскольку оно зависит от сопротивления элемента, которое, в свою очередь, меняется в зависимости от его температуры: лежит матричный элемент на льду, который надо растопить, — ток идет, вызывая выделение тепла. А если сам элемент в тепле, то его сопротивление слишком велико, чтобы ток вызвал выделение существенного тепла.
То есть саморегулирующийся кабель самостоятельно в зависимости от конкретной ситуации реагирует подачей тепла или его «притормаживанием». При этом функционирование кабеля в каждой точке его длины не зависит от его работы в других точках. Более того, если часть элементов матрицы будет уничтожена, это не повлияет на работу оставшихся элементов. Подобный кабель не перегревается и не перегорает, его можно резать на отрезки любой величины. Саморегу-лирующий кабель в составе противообледенительных систем повышает тепловыделение в снегу и талой воде в 1,5–2 раза.
К недостаткам кабеля-саморегулятора можно отнести большое значение стартового тока при низкой температуре окружающей среды, в 1,5–2,0 раза превышающее номинальный рабочий ток системы обогрева, что заставляет вносить коррективы в схемы питания и защиты сети. Основное применение саморегулирующиеся кабели находят в защите от обледенения кровель и водостоков. Является единственным видом кабеля, который можно использовать для обогрева и во взрывоопасных помещениях.
Помимо наиболее часто употребляемой схемы снеготаяния для открытых площадок с применением нагревательных кабелей используются также и установки с обогревательными трубами вместо кабеля, которые монтируются в грунт. По трубам циркулирует незамерзающая жидкость, а над ними устраивается песчаная подушка, на которую укладывается тротуарная плитка или в качестве варианта — асфальт (бетон). Система включается при наступлении холодов и отключается по весне, не требуя никакого ухода.
Нагревательный кабель расплавляет лед в радиусе 5–7 см при температуре воздуха от минус 10 до 2°С (при более низких температурах радиус плавления уменьшается). Водосточные трубы разных диаметров имеют разные потребности в обогреве: при диаметре до 100 мм можно обойтись одной линией кабеля, а при поперечном сечении в 130 мм нужно сложить его вдвое, разместив в трубе получившуюся петлю.
Замурованное тепло
В случае применения кабельной системы на открытых площадках кабель укладывают в бетонную стяжку, которая затем покрывается тротуарной плиткой или закатывается асфальтом. Чтобы быть готовым к механическим нагрузкам от проезжающего автомобиля, кабель должен быть в бронированной оплетке. Систему можно использовать в режиме ручного или автоматического управления. «Умные» блоки управления включают обогрев, когда идет снег, не давая ему собираться на площадке: талая вода тут же сбегает в дренажные водосборники. Система автоматического управления имеет в своем составе специальный контроллер, взаимодействующий с комбинированным датчиком, совмещающим работу датчиков температуры, наличия снега и влажности. Данный блок контролирует не только температуру, но и наличие снега на поверхности.
В системах, борющихся с обледенением на небольших площадках, допустимо использование более простой системы управления, обходящейся только датчиком температуры. Работа системы осуществляется по термостатному принципу с автоматической поддержкой только значения температуры поверхности без контроля наличия снега, что позволяет все же предотвращать возможный перегрев нагревательного кабеля в случае внезапного потепления.
Специалистами рассчитана мощность, которая необходима для оптимального снеготаяния 1м² снежного покрова. За основу при расчетах была взята толщина снежного слоя, соответствующая 5 мм водных осадков. Мощность, как и следовало ожидать, будет разной — в зависимости от начальной температуры снега (поскольку сначала тепло тратится на нагрев снега до 0°С, а затем — на его превращение в воду). Чтобы растопить снег при минус 20°С, нужна мощность в 521 Вт/м², при минус 10°С — 492 Вт/м⊃2, при минус 5°С — 477,5 Вт/м². Чтобы превратить в воду снег, имеющий температуру 0°С, необходима мощность 463 Вт/м². На практике работа систем снеготаяния зависит не только от метеоусловий, но и характера теплоизоляции площадки, на которую выпал снег, и многих других факторов. Обычно в расчеты закладывают расход энергии в 200–300 Вт•ч/м², что позволяет учесть многие нюансы.
Борьба на наклонной поверхности
На крыше есть места, которые особенно склонны к процессу обледенения. Они должны быть выявлены в каждой конкретной ситуации комплексным исследованием, которое проводит специалист с целью определения необходимой мощности кабельной установки и особенностей размещения кабеля. Но существуют и закономерности распределения температуры под кровлей, исходя из которых можно просто «вычислить» места, подлежащие обязательному охвату кабелем. Так, температура у края крыши всегда меньше, чем в середине. Поэтому именно здесь замерзает сбегающая талая вода, образуя слой льда наибольшей толщины. Нижняя часть ендовы тоже просится под теплый кабель, поскольку здесь скапливаются снежные массы. Водосточные трубы также требуют дополнительного обогрева в районе входной воронки и нижней — выходной — части. К потенциально опасным в ледовом отношении местам относятся также водосточные желоба и лотки.
Кабели на крыше должны располагаться так, чтобы талая вода имела возможность беспрепятственно пройти весь путь от места возникновения до самой земли. В зависимости от вида кровли и характера образования наледей нагревом охватываются разные в процентном отношении доли кровельной площади. Если накопления снега с превращением его в лед не прогнозируется (например, из-за крутого ската, малого выноса крыши над стеной), то край крыши можно и не обогревать, укладывая кабель только в желобах и трубах водосточной системы.
