Проектирование кровельных конструкций с озеленением для тепловой защиты

М. А. Разаков, ведущий инженер-проектировщик систем отопления и вентиляции АО НПО «Энергомаш им. академика В. П. Глушко», старший преподаватель НИУ МЭИ, инженер ФГБУ НИИСФ РААСН

Ю. В. Кудрявцева, старший преподаватель Национального исследовательского Московского энергетического института

В работе рассмотрена методика расчета тепловых потерь кровельных ограждающих конструкций с озеленением, предположительно установленных на кровле здания общежития в городе Краснодаре. Приведены современные направления развития в области зеленого строительства в Российской Федерации и иных странах. Авторы провели анализ современных нормативных документов, где приведены данные и методики расчетов, связанные только с экологичными конструкциями. В работе рассмотрены тепловые потери через типовые кровельные конструкции с озеленением. Авторы актуализировали проектную методику расчета тепловых потерь в холодный период года применительно к кровельной конструкции с озеленением согласно нормативным требованиям Российской Федерации. Также приведена методика расчета теплового баланса с использованием экологичных конструкций для теплого периода года, которая также может быть актуальной и для промышленных зданий. Выполнено сравнение тепловых потерь типовых ограждающих кровельных конструкций с озеленением при различных исходных условиях.

Ключевые слова: тепловой баланс; тепловая защита зданий; зеленая архитектура; методика проектирования; ограждающие конструкции с озеленением.

Введение

Современные тенденции загрязнения природной среды требуют от человека уменьшения негативного влияния антропогенного воздействия на экологию. Единение с природой является одним из приоритетных направлений в развитии крупных городов многих стран мира. Развитие экологического строительства в наши дни становится одним из самых популярных методов в решении проблемы отрицательного воздействия жизнедеятельности человека на микроклимат городов и окружающую среду [1–4]. Задачами, решаемыми внедрением зеленого строительства, являются снижение энергопотребления и эмиссии вредных выбросов от производств, повышение комфорта и создание благоприятного климата в городской среде [5–8].

В работе Yang J., Rong H. и других авторов описан благоприятный эффект повышения экологичности в одном из районов г. Нью-Йорка на психоэмоциональное и физическое состояние человека [9]. Дополнительно в исследовании также проанализирована стоимость аренды жилья и офисов в данном экологичном районе города.

Зеленые ограждающие конструкции играют важную роль в решении задач экологического строительства [1, 2, 4]. В этой работе будут рассмотрены три основных вида кровельных ограждающих конструкций с озеленением [2]:

• сплошные кровельные конструкции с озеленением в виде основного покрытия (рис. 1);
• модульные кровельные конструкции с озеленением (рис. 2);
• сплошные встраиваемые кровельные конструкции с озеленением в виде дополнительных покрытий (рис. 3).
• 

Рис. 1. Сплошная кровельная конструкция с озеленением в виде основного покрытия:

I — растительный покров; II — грунтовый покров; III — фильтрующая мембрана; IV — дренажная система с корневым и гидроизоляционным барьером; V — теплоизоляционный слой; VI — гидроизоляционный слой; VII — основной конструктивный элемент кровли

Рис. 2. Модульные кровельные конструкции с озеленением:

I — растительный покров; II — грунтовый покров; III — фильтрующая мембрана; IV — дренажная система с корневым барьером; V — гидроизоляционный и пароизоляционный слои; VI — теплоизоляционный слой; VII — основной конструктивный элемент кровли; VIII — модуль

Рис. 3. Сплошные встраиваемые кровельные конструкции с озеленением в виде дополнительных покрытий:

I — растительный покров; II — грунтовый покров; III — фильтрующая мембрана; IV — дренажная система с корневым барьером; V — гидроизоляционный и пароизоляционный слои; VI — теплоизоляционный слой; VII — основной конструктивный элемент кровли

Существует еще один вид кровельного озеленения, который редко включают в данный список типовых конструкций, — оранжереи. Несмотря на то, что аналогами оранжерей являются теплицы, расположенные на земле, данные конструкции применяют и в качестве дополнительных помещений на крыше сооружения. Они имеют свой собственный микроклимат, который поддерживается для сельскохозяйственных культур и насаждений различных видов [10–14].

Оранжереи на крышах имеют меньшие трансмиссионные тепловые потери через пол из-за тепловых поступлений от здания, но при этом добавляются дополнительные потери теплоты от инфильтрующегося воздуха и потери от ограждающих конструкций.

В работе Chang N. B., Rivera B. J., Wanielista M. P. представлен охлаждающий и энергосберегающий эффект от стандартных кровель с озеленением в штате Флорида (США). Также в работе проведено исследование оптимальной площади с озеленением для частного жилого дома [15].

Использование же системы кровельного озеленения для охлаждения здания известно с древних времен. В работе А. Г. Рымарова подробно описана система охлаждения дворца. На рис. 4 приведена принципиальная схема охлаждения данного сооружения [16].

Рис. 4. Система охлаждения здания (Висячие сады Семирамиды):

1 — окружающий воздух; 2 — система озеленения здания; 3 — внутренние помещения в здании дворца; 4 — объем вокруг здания; 5 — каналы с охлажденным и увлажненным воздухом

При расположении здания у водной экосистемы в умеренном климатическом поясе возможно возникновение дополнительного эффекта — повышение тепловых потерь через конструкцию. Для условий Гонконга данный эффект был определен в работе Jim C. Y. и Tsang S. W. Несмотря на данный факт, возможен и случай, при котором не будет наблюдаться эффект снижения характеристик тепловой защиты для определенных типов здания и климатических условий [17].

Методы

Для моделирования и проектирования зданий и сооружений необходимо использование региональных норм проектирования и требований. Для Российской Федерации в первую очередь это следующие обязательные нормативно-технические документы: межгосударственные стандарты (ГОСТ), санитарные нормы (СН), санитарные правила и нормы (СанПиН), гигиенические нормативы (ГН) и своды правил (СП). Последние обычно составляются на основании всех вышеперечисленных обязательных нормативных документов. Тепловые явления, возникающие в здании и ограждающих конструкциях, также должны моделироваться с опорой на действующую нормативно-техническую документацию т. к. они являются неотъемлемой частью жизненного цикла сооружения [18–20]. Современные мировые и отечественные «зеленые» стандарты, к сожалению, могут быть использованы только для оценки экологичности здания, но не для проектирования тепловой защиты сооружения [21–24]. При проектировании тепловых потерь ограждающих конструкций с озеленением необходимо использование СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» и СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей».

Необходимо отметить, что по рекомендациям из самого СП 230.1325800.2015 данные, которые указаны в нем, можно использовать и для научных исследований. Также необходимо уточнить, что для зданий с большим сроком эксплуатации для снижения риска возникновения аварийных ситуаций и неблагоприятного влияния возможных последствий процесса реконструкции, согласно новым нормативным требованиям, возможно применение более ранних версий данных нормативных документов [25].

Для расчета трансмиссионных тепловых потерь через кровельные ограждающие конструкции необходимо использование стандартной формулы Ньютона-Рихмана с учетом типовых точечных и линейных тепловых включений для кровельных ограждений с озеленением. В выражении (1) приведена данная обобщенная формула согласно СП 50.13330.2012.

где: Δt — разность средней температуры воздуха внутри здания и температуры наружного воздуха, ^oC;

F — площадь кровельной поверхности, м²;

α_кi — конвективная составляющая теплоотдачи i и i+1 поверхности, Вт/м^{2 о}С;

α_лi — лучистая составляющая теплоотдачи i и i+1 поверхности, Вт/м^{2 о}С;

λ_i — коэффициент теплопроводности материала i слоя кровельной конструкции, Вт / м К;

δx_i — толщина материала i слоя кровельной конструкции, м;

l_j — протяженность линейной неоднородности j-го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м/м²;

ψ_j — удельные потери теплоты через линейную неоднородность j-го вида, Вт/(м·°С);

n_k — количество точечных неоднородностей k-го вида, приходящихся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, шт/м²;

χ_k — удельные потери теплоты через точечную неоднородность k-го вида, Вт/°С;

a_i — площадь плоского элемента конструкции i-го вида, приходящаяся на 1 м² фрагмента теплозащитной оболочки здания, или выделенной ограждающей конструкции, м²/м².

U_i — коэффициент теплопередачи однородной i-ой части фрагмента теплозащитной оболочки здания, Вт/м^{2 о}С.

На рис. 5 и 6 представлены внешний вид и термограмма одного из типовых тепловых включений, которое влияет на характеристики сопротивления теплопередачи кровельной ограждающей конструкции [26].

Рис. 5. Внешний вид типового теплового включения (трубопровод от инженерной системы)

Рис. 6. Термограмма типового теплового включения (трубопровод от инженерной системы)

Возможно также учитывать суммарные тепловые поступления от солнечной инсоляции, которые состоят из поступлений от прямой, рассеянной и отраженной составляющих (отраженной естественной и отраженной от ограждающих конструкций, близлежащих зданий и сооружений). В выражении (2) приведена данная модель с добавлением дополнительных членов, характеризующих кровельную систему с озеленением [27].

Q_{П = Qпр — Qзат + Qр + Qот +- Qтмо}

где: Q_пр — тепловые поступления от прямой солнечной инсоляции, Вт;

Q_зат — тепловые поступления от прямой солнечной инсоляции, не попадающие на поверхность перекрытия, вследствие затенения от элементов системы озеленения и конструктивных элементов здания, Вт (возможно принять равным в диапазоне 1–5% от тепловых поступлений прямой солнечной инсоляции);

Q_р — тепловые поступления от рассеянной солнечной инсоляции, Вт;

Q_от — тепловые поступления от отраженной солнечной инсоляции, Вт;

Q_тмо — тепломассообменные процессы, возникающие между воздухом и влагой в грунте, Вт (в зимний период ее можно принять равной 0).

В работе Е. В. Коркиной приведена методика расчета последней составляющей тепловых поступлений от солнечной инсоляции [28]. Для проектного стационарного режима также возможно использование модели тепловых поступлений через горизонтальные покрытия, предложенной В. Н. Богословским, Б. А. Крупновым и В. И. Мошкиным [27]. Актуализированная модель для кровельных покрытий с озеленением представлена в выражении (3):

где: K_пер — коэффициент теплопередачи перекрытия, Вт / м^{2 o}C;

ρ_пер — коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью перекрытия (можно принимать равным 0,9 или 1, т. к. почти вся солнечная радиация попадает на ограждающую конструкцию);

q^г_ср — среднее суточное количество теплоты прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на поверхность перекрытия, Вт/м² [принимается по табл. 2.12 ч. 3 данных В. Н. Богословского, Б. А. Крупнова и В. И. Мошкина [27] или данным из рис. 7 и формуле (4)];

At_н — суточная амплитуда температуры наружного воздуха (принимается по приложению 11 СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». При определении суммарного количества теплоты за сутки необходимо принимать максимальное значение, при определении суммарного количества теплоты за час необходимо принимать минимальное значение), ^оС;

β₂ — коэффициент, учитывающий гармоническое изменение температуры наружного воздуха (принимается по табл. 2.9 ч. 3 данных В. Н. Богословского, Б. А. Крупнова и В. И. Мошкина при ε = 0 [27]);

β_II — дополнительный коэффициент, учитывающий наличие в конструкции воздушной прослойки (β_II = 1 при отсутствии прослойки и β_II = 0,6 при наличии воздушной прослойки);

t^пер_в — принятая температура внутреннего воздуха в помещении под перекрытием, ^оС (принимается по ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные» или иным отраслевым нормативным документам);

ν_пер — значение затухания колебаний температуры наружного воздуха в конструкции перекрытия (принимается по данным В. Н. Богословского и Б. А. Крупнова из ч. I гл. 2.2 [27]);

S_г — количество прямой солнечной радиации в каждый час с учетом периода запаздывания температуры колебаний, Вт/м² (принимается по табл. 2.10 данных В. Н. Богословского, Б. А. Крупнова и В. И. Мошкина [27] ч. 3 — примечание к обозначениям в таблице: прямая/рассеянная);

D_г — количество рассеянной солнечной радиации в каждый час с учетом периода запаздывания температуры колебаний, Вт/м² (принимается по табл. 2.10 данных В. Н. Богословского, Б. А. Крупнова и В. И. Мошкина [27] ч. 3 — примечание к обозначениям в таблице: прямая/рассеянная);

ε — период запаздывания, ч;

F_пер — площадь перекрытия, м²;

α^г_н — суммарный наружный коэффициент теплоотдачи поверхности перекрытия, Вт/м^{2 о}С [принимается по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» или формуле (5)].

Рис. 7. Среднее суточное количество теплоты прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на поверхность перекрытия, по данным В. Н. Богословского, Б. А. Крупнова и В. И. Мошкина

где: x — географические координаты расположения здания (широта).

При моделировании нестационарной теплопроводности необходимо использование переменного αн, изменение которого можно вычислить с помощью зависимости αн от средней скорости ветра (5):

где: V — скорость воздуха, м/с (при стационарном режиме принимается по СП 131.13330.2020 «Строительная климатология», при нестационарном режиме принимается по фактическим измеренным данным).

Итоговые тепловые потери через перекрытия с озеленением определяются по формуле (6):

Q_I — Q_II = Q_тп

При расчете тепловых поступлений в темное время суток возможно принять, что Q_II = 0 и Q_I = Q_тп.

На проектные тепловые потери здания через ограждающие конструкции влияет и принятая температура воздуха, которую необходимо обеспечить системе отопления. В сооружениях различного назначения будут наблюдать отличные друг от друга тепловые режимы. В работах Е. Г. Малявиной, Д. Г. Титкова и О. Д. Самарина приведены данные для сооружений гражданского и промышленного назначения [29–33].

Результаты и обсуждения

В качестве примера применения данной актуализированной методики расчета кровельных покрытий с озеленением рассмотрены четыре варианта перекрытий для здания общежития в городе Краснодаре: базовая конструкция без системы озеленения и три вида зеленой кровли, которые были описаны выше (рис. 1–3).

Кровля имеет площадь, равную 546 м². При строительстве использовались железобетонные панели размером 1490 х 5980 мм согласно ГОСТ 28042-2013. Суммарная длина швов в местах стыков железобетонных панелей равна 318 метров. Тепловые потери через стыки между парапетом и покрытием ограждающей конструкции, согласно СП 230.1325800.2015, рекомендовано относить к тепловым потерям от вертикальных ограждающих конструкций (наружные стены здания). На кровельной конструкции установлены две вентиляционные шахты и два вентиляционных трубопровода системы канализации. В качестве креплений отдельных элементов конструкции (например, пароизоляции или текстильного слоя) использовались 2440 дюбелей со стальным сердечником. На крыше также имеются два люка с периметром 12 метров и четыре выхода с кабелями.

В качестве модульных элементов системы озеленения кровли использовались модули диаметром 0,5 метра [4]. Их суммарное количество — 714 шт. Суммарная площадь, занятая модулями, — 357 м².

Температура наружного воздуха принята равной –15 ^оС согласно СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». Температура внутреннего воздуха принята равной +24 ^оС согласно ГОСТ 30494-2011. Основные теплофизические данные материалов характерных элементов конструкций приведены в табл. 1–4. Базовая конструкция без системы озеленения приведена в табл. 1 и 5. Основные точечные и линейные тепловые включения для характерных конструкций приведены в таблицах 5–8.

Таблица 1. Основные теплофизические характеристики материалов стандартного кровельного покрытия без озеленения

* При условиях эксплуатации Б.

 Таблица 2. Основные теплофизические характеристики материалов кровельного покрытия с озеленением (вид № 1 по рис. 1)

* При условиях эксплуатации Б.

Таблица 3. Основные теплофизические характеристики материалов кровельного покрытия с озеленением (вид № 2 по рис. 2)

* При условиях эксплуатации Б.

Таблица 4. Основные теплофизические характеристики материалов кровельного покрытия с озеленением (вид № 3 по рис. 3)

* При условиях эксплуатации Б.

Таблица 5. Основные тепловые включения стандартного кровельного покрытия без озеленения

* При разрыве утеплителя в местах сопряжения панелей.

Таблица 6. Основные тепловые включения кровельного покрытия с озеленением (вид № 1 по рис. 1)

* При разрыве утеплителя в местах сопряжения панелей.

При использовании модульных элементов их необходимо относить к однородной конструкции кровельного покрытия. Заполнение межмодульных пространства может быть выполнено с помощью грунта или наружного воздуха (при отсутствии защиты). Поэтому рекомендуется разделять расчет площади кровельного покрытия с озеленением и без него. СП 230.1325800.2015 не располагает данными и информацией для расчета кровельных покрытий с озеленением. В работе принято, что межмодульное пространство заполнено наружным воздухом.

Таблица 7. Основные тепловые включения кровельного покрытия с озеленением (вид № 2 по рис. 2)

* При разрыве утеплителя в местах сопряжения панелей; кровельная конструкция без озеленения.

Таблица 8. Основные тепловые включения кровельного покрытия с озеленением (вид № 3 по рис. 3)

* При разрыве утеплителя в местах сопряжения панелей.

Итоговые тепловые потери при отсутствии солнечной инсоляции и значимые характеристики представлены в табл. 9.

Таблица 9. Результаты сравнения конструкций с различными видами кровельных конструкций с озеленением

Заключение

Выстроена методика расчета тепловых потерь через типовые кровельные ограждающие конструкции с озеленением согласно требованиям отечественной нормативной базы. При расчете тепловых потерь здания через кровельную конструкцию с озеленением были выявлены недостатки современных нормативных документов в Российской Федерации. Данные конструкции в различном исполнении возможно использовать в южных климатических регионах России. Наиболее эффективным по предварительным проектным оценкам является модульное исполнение кровельной конструкции (вид № 2), которая занимает 65% от всей площади кровли здания при толщине грунта в модуле 0,5 метра. Для дополнительного снижения тепловых потерь модули необходимо установить над стыками железобетонных панелей. Суммарные тепловые потери через сплошную кровельную конструкцию (вид № 1) при толщине слоя грунта 0,3 метра составили 7540 Вт. Необходимо отметить, что слой утеплителя при этом равен 0,05 метра. При устройстве сплошной встраиваемой кровельной конструкции с озеленением в виде дополнительного покрытия (вид № 3) способно снизить тепловые потери через ограждающую конструкцию. При толщине дополнительного слоя 0,2 метра суммарные тепловые потери составили 7790 Вт.

Литература

1. Liu K. Engineering performance of rooftop gardens through field evaluation, in: RCI 18th International Convention and Trade Show (Tampa, Florida, 3/13/2003). Pp. 1–15.
2. Oberndorfer E., Lundholm J., Bass B., Coffman R.R., Doshi H., Dunnett N., Gaffin S., Köhler M., Liu K.K.Y., Rowe B. Green roofs as urban ecosystems: Ecological structures, functions, and services // BioScience. 2007. No Pp. 823–833.
3. Korol E., Shushunova N., Nikitina M., Shushunova T. Modular greening technologies for buildings // E3S Web of Conferences. 2021. No P. 04031.
4. Korol E., Shushunova N. Innovative modular greening system for modern buildings // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. No 1030(1). P. 012062.
5. Eng P., Gerwing D. H. GHG reduction and economics of scaleable concentrating solar co-generation systems // EIC Climate Change Conference. 2006. Vol. 1 and 2. IEEE Ottawa. CANADA. Pp. 567–
6. Chester M. V., Nahlik M. J., Fraser A. M., Kimball M. A., Garikapati V. M. Integrating life-cycle environmental and economic assessment with transportation and land use planning // Environmental science & technology. 2013. No47(21). 12020–12028.
7. Досмухамедов Н. К., Каплан В. А., Жолдасбай Е. Е., Досмухамедов Д. Н., Любомирский И. Разработка способа очистки отходящих газов тепловых угольных электростанций от серы // Уголь. 2015. № 8(1073). С. 106–113.
8. Korol E. A., Kiselev I. Ya., Shushunova N. S. Reconstruction of enterprises of textile industry with use of green roof covering systems // Proceedings of higher education institutions. Textile industry technology. 2018. No 3 (375). Pp. 294–
9. Yang, J., Rong, H., Kang, Y., Zhang, F., & Chegut, A. 2021. The financial impact of street-level greenery on New York commercial buildings // Landscape and Urban Planning. No P. 104162.
10. Sheryazov S. K., Popova S. A. Light and Temperature Control for Greenhouse Plant Growth // Inzhenerernyye tekhnologii i sistemy [Engineering Technologies and Systems]. 2021. No 31(1). Pp. 8– DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.202101.008-020.
11. Olle M., Viršile A. (2013). The effects of light-emitting diode lighting on greenhouse plant growth and quality // Agricultural and food science. No 22(2)/ 223–234.
12. Went F. W. Plant Growth Under Controlled Conditions. I. The Air-Conditioned Greenhouses at the California Institute of Technology. American Journal of Botany. 1943. No 30(2). Pp. 157–163. https://doi.org/10.2307/2437258.
13. Бодров В. И., Бодров М. В. Термодинамические процессы в воздушном объеме теплиц в теплый период года // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 2(27). С. 169–
14. Рымаров А. Г., Савичев В. В. «Зимний сад» и регенеративная система вентиляции // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2013. № 6(138). С. 64–65.
15. Chang N. B., Rivera B. J., Wanielista M. P. Optimal design for water conservation and energy savings using green roofs in a green building under mixed uncertainties // Journal of Cleaner Production. 2011. No 19(11). Pp. 1180–1188.
16. Рымаров А. Г., Смирнов В. В., Савичев В. В., Титков Д. Г. Висячие сады Семирамиды — это древний кондиционер? // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 6. С. 75–
17. Jim C. Y., Tsang S. W. Biophysical properties and thermal performance of an intensive green roof // Building and Environment. 2011. No 46(6). Pp. 1263–1274.
18. Kats V., Volkov A. Optimization of the features extraction method in cyber physical systems of monitoring energy infrastructure facilities // E3S Web of Conferences. No 152. P. 02002. DOI 10.1051/e3sconf/202015202002.
19. Ginzburg A. Sustainable Building Life Cycle Design // MATEC Web of Conferences 2016. No 73. P. 02018. DOI 10.1051/matecconf/20167302018.
20. Tabunshchikov, Yu. A., Brodach M. M. Optimization Problems of Mathematical Modeling of a Building as a Unified Heat and Power System // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2020. Vol. 16. No 1. Pp. 156–161. DOI 10.22337/2587-9618-2020-16-1-156-161.
21. Telichenko V., Benuzh A., Eames G. [et al.] Development of Green Standards for Construction in Russia // Procedia Engineering. Vol. 153. Pp. 726–730. DOI 10.1016/j.proeng.2016.08.233.
22. Korol E., Shushunova N. Green roofs: standardization and quality control of processes in green construction // MATEC Web of Conferences. 2017. No 106. P. 06014.
23. Куликова Е. Н., Чукин Е. А., Тагиров Т. А, Тускаева З. Р. Зеленое строительство: сегодня и завтра // Инновации и инвестиции. 2021. № 2. С. 175–
24. Saiz S., Kennedy C., Bass B., Pressnail K. Comparative life cycle assessment of standard and green roofs. Environmental Science and Technology. 2006. No 40 (13):4312-6. DOI 10.1021/es0517522.
25. Баранова Т. Н., Разаков М. А. Применение энергосберегающих мероприятий в жилых малоэтажных домах с длительным периодом эксплуатации // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2018. № 12(204). С. 84–
26. Santamouris M., Pavlou C., Doukas P., Mihalakakou G., Synnefa A., Hatzibiros A., Patargias P. Investigating and analysing the energy and environmental performance of an experimental green roof system installed in a nursery school building in Athens, Greece // Energy. 2007. №. 9 (32). Pp. 1781–1788.
27. Справочник проектировщика // Под ред. Н. Н. Павлова, Ю. И. Шиллера. М.: Стройиздат, 1992 (1975 и 1991). 416 с.
28. Korkina E. V., Shmarov I. A. Analytical method of calculation of the diffuse solar radiation received on a vertical surface with partially obstructed sky // News of higher educational institutions. Technology of the textile industry. 2018. No 375 (3). Pp. 230–236.
29. Samarin O. D. Thermal mode of a room with integrated regulation of cooling systems // Magazine of Civil Engineering. 2021. No 3(103). P. 10312. DOI 10.34910/MCE.103.12.
30. Malyavina E. G., Lomakin A. G. Calculating the load on the room cooling ceiling panel at solar heat gains // Journal of Physics: Conference Series. 2020. No 1614. P. 012063. DOI 10.1088/1742-6596/1614/1/012063.
31. Титков Д. Г. Натурные исследования теплового режима подземного коллектора для инженерных коммуникаций // Приволжский научный журнал. 2020. № 1(53). С. 100–107.
32. Хлебникова В. В., Макарычев С. В., Шишкин А. В. Тепловые и общефизические свойства черноземов под насаждениями декоративных культур в дендрарии // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2020. № 3(185). С. 69–
33. Злобина И. В., Бекренев Н. В., Павлов С. В. Исследование теплофизических характеристик стекло-, углепластиков и материалов, сформированных на основе аддитивных технологий по технологиям 3DP и FDM // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2018. № 2(44). С. 26– DOI 10.18323/2073-5073-2018-2-26-33.

Скачать PDF-версию статьи «Проектирование кровельных конструкций с озеленением для тепловой защиты»

Пожаротушение в банях сухого жара

В. И. Воронова, главный инженер проекта в компании ООО «НТД Реставрация»

Введение

Бани сухого жара стали частью досуга современного человека. Ни один крупный фитнес-клуб не может обойтись без парильной. Баня сухого жара — это отдельное помещение в составе спортивного комплекса с водными процедурами для спорта и оздоровления, предназначенное для принятия горячих сухих воздушных ванн в сочетании с последующим чередующимся охлаждением под душем или в купели. И зачастую в современных гостиничных комплексах, СПА-отелях такие парильные обустраиваются дренчером или металлической трубой по периметру парильной комнаты с отверстиями с определенным шагом. Такая конструкция из трубы называется «перфорированный сухотруб», а дренчер — это ороситель с одним открытым выходным отверстием. Все эти конструкции предназначены для тушения пожара в парильной.

Как данные мероприятия объясняются с точки зрения пожарной безопасности и инженерного проектирования? На что опираться проектировщику систем пожарной безопасности, а также проектировщику водопровода?

Обратимся к нормативному регулированию, к действующим и некоторым недействующим на данный момент документам и письмам. Согласно СП 54.13330.2022 (пункт 6.2.3.16) сауны в многоквартирных домах могут быть заложены проектом и реализованы в жизни. «При проектировании саун в квартирах многоквартирных жилых зданий следует предусматривать объем парильни в пределах от 8 до 24 м³ и использовать:

— нагревательные приборы по ГОСТ IЕС 60335-2-53 с автоматическим отключением при достижении температуры 130 °С, а также через 8 ч непрерывной работы;

— оборудование вентиляционного канала противопожарным клапаном в соответствии с СП 60.13330, СП 7.13130;

— оборудование дренчером или сухотрубом, присоединенным за пределом парильни к внутреннему водопроводу.

Диаметр сухотруба определяют, исходя из интенсивности орошения не менее 0,06 л/с на 1 м² поверхности стены, угла наклона струи воды к поверхности перегородок 20–30° и наличия в сухотрубе отверстий диаметром 3–5 мм, расположенных с шагом 150–200 мм».

В большинстве случаев проектировщики встречаются с вопросами проектирования бань сухого жара в общественных зданиях. Согласно СП 117.13330.2011 Общественные здания административного значения, пункт 6.3.9. требование подпункта 5, помещение парильной следует оборудовать по периметру дренчерным устройством (из перфорированных сухотрубов, присоединенных к внутреннему водопроводу) с управлением перед входом в парильную. Использование для обшивки парильной смолистой древесины не допускается.
К сожалению, он не действует, а нынешний СП 118.13330.2022 такого разъяснения не содержит.

Был также любопытный документ «Анализ пожарной опасности и путей ее снижения для финских бань и других помещений с повышенной начальной температурой».
Из него: «сухотруб из стальных водопроводных труб прокладывается по периметру парильного помещения сауны (под потолком). Диаметр труб следует принимать по расчету, принимая интенсивность орошения не менее 0,06 л/с на 1 м² потолка и боковой поверхности стен, с отверстиями 3–5 мм и шагом 150–200 мм. С целью обеспечения эффективности орошения струи воды должны быть направлены под углом 20–30° под углом к орошаемой поверхности. Сухотруб подключается к общей системе внутреннего водоснабжения. Вода на орошение подается открытием вентиля, расположенного в доступном месте, за пределами помещения сауны в специальном ящике».

Также интересно мнение, что в здании, которое полностью оборудуется АУП (автоматические установки пожаротушения), парильная также является помещением, которое должно оборудоваться средствами автоматического пожаротушения. В таких случаях парильную некоторые проектировщики оборудуют спринклерами с установленной температурой колбы на 141 °С в своих проектах. Верно ли такое предположение или это очередная нормативная коллизия, которую пока нет времени устранить?

По моему мнению, это ловушка требований пожарной безопасности по автоматическим средствам пожаротушения и логического предположения, что должно быть не только тушение водой по площади помещения, а должно осуществляться именно тушение обшивки стен, потолка, что примечательно. Ради охлаждения водой обшивки и устраивается перфорированный трубопровод с отверстиями под углом к обшивке потолка и стен, а тушение самой площади пола уже вторично и имеет место быть при проектировании автоматического пожаротушения всего здания. Добавление дренчера над дверью входа и выхода из парильной является дополнительной мерой ограждения выхода из парильной от ядовитой смеси дыма и газов. Поэтому возникают большие сомнения в правильности выбранного решения с тушением только с помощью спринклеров, пусть и рассчитанные на высокую температуру. Возникают также вопросы о закипании воды в водозаполненной системе спринклерной сети под потолком парильной, об автоматическом срабатывании системы при том, что люди могут находиться внутри помещения.

Заключение

Проведя анализ различных документов и статей по данному вопросу, прихожу к выводу, что описание пожарной безопасности бань сухого жара требует уточнения и единообразия в действующей нормативной базе для общественных зданий.

Деревянная обшивка огнеопасна, и некоторые неточности проектирования и строительства, а также нарушения противопожарной защиты при эксплуатации могут приводить к ее возгоранию. Чтобы снизить вероятность возникновения пожаров, такие помещения, на мой взгляд, должны оборудоваться обязательно дренчером или сухотрубом, присоединенным к внутреннему водопроводу за пределами парильной. В систему перфорированных сухотрубов, предусмотренных по периметру парильного помещения, подавать чистую холодную воду питьевого качества, которая орошает деревянную обшивку, понижая ее температуру и смачивая деревянное покрытие. Диаметр сухотруба надо определять, исходя из интенсивности орошения не менее 0,06 л/с на 1 м² поверхности стены, с углом наклона струи воды к поверхности перегородок 20–30° и наличия в сухотрубе отверстий диаметром 3–5 мм, расположенных с шагом 150–200 мм. Сухотруб применять из нержавеющей стали или иных коррозионностойких материалов.

Важно, что данная система не должна подключаться к автоматической системе пожаротушения, а подключаться к хозяйственно-питьевой системе холодного водопровода и имеет ручное управление. То есть воздухозаполненный трубопровод выходит из помещения парильной и опускается на удобное расстояние от пола, имеет отключающую арматуру — вентиль с удобной ручкой для быстрого открытия (рис. 3), и только после вентиля система водозаполненная и находится под давлением обычной системы ХВС (холодное водоснабжение) здания. Открывается вентиль быстро вручную после того, как люди будут исключены из помещения с возгоранием. Таким образом будут выполнены меры противопожарной защиты в парильных.

Рассмотрим пример одного из объектов общественного здания с баней сухого жара.

Как видно из чертежей, мы имеем небольшую женскую парильную (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент плана и разрез по помещению сауны

Проектные данные с чертежа мы применяем для расчета расхода и подбора диаметра перфорированного сухотруба.

Делая выводы, принимаем диаметр подающей трубы к парильной не менее Ду32 мм, так как скорость воды в таком трубопроводе будет менее 3 м/с, а вот при применении трубы менее Ду32 мм скорость будет выше 3 м/с, что нам не подходит.

Рис. 2. Изометрическая схема перфорированного сухотруба

Рис. 3. 3д-вид перфорированного сухотруба в парильной

Рис. 4. Узел перфорированного сухотруба

Рекомендации к дальнейшей работе с нормативными документами

С точки зрения проектировщика важно понимать не только сам факт, что нужно предусмотреть тушение помещения, а также:

• описать смысл мероприятия устройства или дренчера над дверью парильной или перфорированного сухотруба по периметру обшивки, а возможно, и того и другого;
• прояснить необходимость выведения патрубка для подключения пожарной техники на фасад здания, вблизи парильной, а также указать диаметр, количество патрубков и высоту их установки, в случае если система ХВС не работает;
• закрепить нормативно интенсивность подачи воды и откуда данная вода приходит, какого качества и температуры;
• закрепить ручной пуск подачи воды и каким образом он может реализоваться, при каких условиях;
• разъяснить необходимость устройства автоматического пожаротушения в помещении бани сухого жара, не исключая описанной системы с сухотрубом;
• рекомендовать применение для отделки парильного помещения лиственные породы древесины.

На данный момент тема пожаротушения бань сухого жара носит характер легенд, передающихся из уст в уста, что ранее делали сухотрубы, но чем это подтверждено, нормативно сейчас не совсем понятно. Есть разумные рекомендации вносить пожелания по сухотрубам в парильных в технические задания на проектирование, обсуждать со специалистами МЧС и дописывать в специальные технические условия по пожарной безопасности.

Литература

1. СП 54.13330.2022. Свод правил. Здания жилые многоквартирные. СНиП 31-01-2003. Минстрой России. — Изд. официальное. — Москва, 2022.
2. СП 117.13330.2011. Свод правил. Общественные здания административного значения. СНиП 31-05-2003. Минстрой России. — Изд. официальное. — Москва, 2011.
3. СП 118.13330.2022. Свод правил. Общественные здания и сооружения. СНиП 31-06-2009. Минстрой России. — Изд. официальное. — Москва, 2022.
4. Анализ пожарной опасности и путей ее снижения для финских бань и других помещений с повышенной начальной температурой. ГУ ГПС МВД РФ, 1993.
5. Пожарная опасность камеры сухого жара в банях финского типа. Методические рекомендации. УПО ГУВД Мособлисполкома, 1987.
6. СП 456.1311500.2020. Свод правил. Многофункциональные здания. Требования пожарной безопасности. — Изм. официальное. — Москва, 2020/