Влияние солнечного излучения на температуру теплоизоляционных материалов крыш

Эффективность теплоизоляционных материалов для крыш зависит от термического воздействия солнечного излучения. Это особенно справедливо для плоских крыш, где изоляционный материал находится непосредственно под слоем водонепроницаемого покрытия.

Два наиболее важных аспекта применения теплоизоляционных материалов для крыш:

• высокая температура, вызванная солнечным излучением;
• значительные колебания температуры в разное время суток и года.

В данном исследовании было изучено изменение температуры внутри водонепроницаемого комплекта и максимальные температуры, которые могут быть достигнуты в изоляционном слое.

Исследование состояло из двух этапов:

• Моделирование: с использованием расчетной модели, имитирующей возможные изменения нескольких климатических параметров, был рассчитан температурный градиент для различных слоев типичного водонепроницаемого комплекта.
• Практическая проверка: чтобы доказать правильность модели, на двух разных крышах были измерены реальные условия.

кровельный пирог

Исследования показали, что пики температуры, измеренной в изоляционном слое, который на плоских крышах находится в контакте с внешним водонепроницаемым покрытием, в период высокой солнечной активности могут достигать 70 °С, а в горячем средиземноморском климате южной Европы – 80 °С. Температуры на изогнутых крышах в более умеренных климатических зонах могут достигать 67 °C. Суточные колебания температуры близки к 40 °C внутри изоляционного материала и к 50 °C на поверхности.

Такие температурные пики превышают максимальные функциональные температуры некоторых изоляционных материалов. В целях обеспечения качества и долговечности изоляции крыши инженеры и архитекторы должны быть осведомлены о том, как высокие температуры, достигаемые в зонах интенсивного солнечного излучения, влияют на стабильность размеров изоляционного материала.

Этап 1: Теоретический анализ

Для анализа была использована расчетная модель HEAT-2. Это программное обеспечение – совместная разработка сотрудников Лундского Университета (Швеция) и Массачусетского технологического института (США).

Данная методика позволяет моделировать теплообмен в композитных структурах из различных материалов (в данном случае – водонепроницаемый комплект), чтобы определить точную температуру в каждом из слоев.

После создания модели вводятся данные, относящиеся к материалам водонепроницаемого комплекта (толщина изоляционного слоя, теплопроводность, плотность, теплоемкость водонепроницаемого покрытия и т.д.), и конкретные климатические условия (интенсивность солнечного излучения, температура воздуха, влажность и т.д.). В результате программа предоставляет подробное описание градиента температуры в каждом слое.

Модель учитывает лучистый и конвективный теплообмен в направлении как снаружи, так и изнутри комплекта. Эти два аспекта могут быть причиной значительного отличия расчетных величин и реальных данных.

Был проведен анализ климатических условий различных европейских регионов с учетом пика температуры в июле, который является месяцем наивысшей солнечной активности. Средние данные для Трапани (38°01' с.ш.), Рима (41°53' с.ш.), Венеции (45°26 с.ш.) и Лондона (52° с.ш.) взяты из литературных источников. Также в распоряжении исследователей были точные статистические данные за июль 2003 года для Венеции и июль 1984 года для Цюриха (47°48' с.ш.).

Для анализа теплового потока был выбран временной интервал в 7 дней. Оценены различные изоляционные материалы. Установлено, что для одного и того же значения коэффициента пропускания (разные толщины) различия в температуре незначительны.

Проанализированы различные типы кровель. Наиболее важным с точки зрения достигаемых уровней температуры было рассмотрение плоской крыши с внешней битумной гидроизоляцией.

Таблица 1. Материалы, используемые для тепло- и гидроизоляции плоской крыши

применение	описание	толщина, м	плотность, кг/м3	теплопроводность, Вт/(м×К)	удельная теплоемкость, кДж/(кг×К)
основа	предварительно напряженные железобетонные плиты	0.25	1800	0.90	0.90
грунтовка	битумная эмульсия	0.001	600	0.17	1.80
пароизоляция	битумный слой, армированный алюминиевой фольгой	0.003	1300	0.26	0.88
слой расплавленного битума (1,5 кг/м2), PUR-пена (30 г/м2)		0.004	1300	0.26	0.88
теплоизоляция	PUR/PIR панель (облицовка – стекловолокно)	0.060	35	0.03	1.40
битумное покрытие	битумное покрытие, усиленное полиэфирным волокном	0.004	1125	0.17	1.47
финишное битумное покрытие	финишное битумное покрытие, усиленное полиэфирным волокном	0.004	1000	0.15	1.20

Плоская крыша с внешним водонепроницаемым покрытием подвергается значительному разогреву, и температура изоляционного слоя в контакте с верхних покрытием может достигать 70 °С даже в климатических зонах с умеренным солнечным излучением. Внешний слой (водостойкое покрытие) имеет относительно небольшую массу и толщину, но обладает высоким коэффициентом поглощения (a = 0,95). В «очень горячих» климатических зонах (например, Трапани) это может привести к разогреву изоляционного слоя до температуры 90 °С.

Температуры внутри изоляционного слоя (около 3 мм от верхней поверхности изоляционной панели), полученные путем математического моделирования, приведены на следующих графиках:

Расчетные температуры в течение дня в период максимального солнечного излучения очень часто выше самых высоких функциональных температур ряда изоляционных материалов, особенно для более жарких климатических зон. Как следствие, температура представляет собой фактор риска для целостности и стабильности размеров всего водонепроницаемого комплекта. 

Этап 2: Практическая проверка модели

Проведя процесс моделирования с помощью HEAT-2, исследователи приступили к практическому подтверждению правильности модели, в том числе проверке следующих аспектов:

• воздействие конкретных специфичных условий (вентиляция крыши, факторы затенения и т.д.);
• адекватность параметров (коэффициент поглощения, коэффициент излучения и т.д.), использованных для расчета.

Местоположение объектов

Измерения были проведены на офисном здании, расположенном в промышленной зоне города Падуя (45°19' с.ш.).

Контроль осуществлялся на двух крышах различной конфигурации:

• плоская крыша (1): водонепроницаемый комплект с внешним битумным покрытием (аналог того, что использовалось для моделирования);
• изогнутая крыша (2): изогнутые сэндвич-панели (наружная поверхность: алюминиевый лист, толщина 7/10 мм, окрашен в красный цвет; изоляционный слой: толщина пенополиуретана 40 мм; внутренняя поверхность: оцинкованный гофрированный лист стали, толщина 4/10 мм).

Измерительные инструменты

плоская кровля

Чтобы измерить температуру на верхней поверхности, а также во внутреннем слое (изоляционном материале), было установлено девять термопар (4 на плоской крыше и 5 на изогнутой). Температуры регистрировались непрерывно и собирались на многоканальный самописец, связанный непосредственно с термопарами. В непосредственной близости к термопарам была установлена метеорологическая станция для регистрации солнечного излучения, температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра. Все данные, поступающие от метеорологической станции, также собирались непрерывно.

Период проведения исследования

Измерения проводились в течение нескольких месяцев 2005 года и весь 2006 год.

Результаты измерений

На следующих графиках и в таблицах представлены усредненные данные, полученные с помощью термопар в течение июля 2006 года. В отдельные таблицы вынесены данные, относящиеся к 21 июля, когда была зарегистрирована максимальная температура.

Таблица 2:  плоская крыша, июль 2006 года

	термопара
температура	2	1	2	4
максимальная	70.87	69.91	54.27	46.31
минимальная	12.86	12.64	20.07	24.88
средняя	35.54	35.49	34.23	34.87
D	58.01	57.27	34.20	21.43

Таблица 3:  плоская крыша, 21 июля 2006 года

	термопара
температура	2	1	2	4
максимальная	70.87	69.91	54.27	45.78
минимальная	16.41	16.24	23.27	23.25
средняя	54.46	53.67	30.91	16.41
D	39.17	38.74	36.92	36.76

Таблица 4:  изогнутая крыша, июль 2006 года

	термопара
температура	8	5	6	7	9
максимальная	67.93	65.53	57.82	55.55	52.90
минимальная	12.09	11.92	15.29	17.64	18.91
средняя	33.58	33.94	33.16	33.21	33.22
D	55.84	53.61	42.54	37.90	33.99

Таблица 5:  изогнутая крыша, 21 июля 2006 года

	термопара
температура	8	5	6	7	9
максимальная	67.93	65.53	57.82	55.55	52.90
минимальная	12.09	11.92	15.29	17.64	18.91
средняя	33.58	33.94	33.16	33.21	33.22
D	55.84	53.61	42.54	37.90	33.99

График 1. Плоская кровля

График 2. Арочная кровля

Пояснения к таблицам и графикам:

Плоская крыша:

• термопара 1: температура поверхности (правая сторона),
• термопара 2: внутренняя температура изоляционного слоя (правая сторона, 3 см в глубину),
• термопара 3: температура поверхности (левая сторона),
• термопары 4: внутренняя температуры изоляционного слоя (левая сторона, 3 см в глубину).

Изогнутая крыша:

• термопара 5: температура поверхности (нижняя часть крыши),
• термопара 6: внутренняя температура изоляционного слоя 3 см в глубину (нижняя часть крыши),
• термопара 7: внутренняя температура изоляционного слоя 3 см в глубину (верхняя часть крыши),
• термопара 8: температура поверхности (верхняя часть крыши),
• термопара 9: внутренняя температура изоляционного слоя 3 см в глубину (нижняя часть крыши, восточная сторона). 

Анализ данных

• Лето 2006 года характеризовалось относительно высокой изменчивостью погодных условий. Тепловые волны были короче, чем летом 2003 года, максимальное значение было близко к типичной средней величине.
• Данные показывают сильные колебания температуры не только в летние месяцы, но и весь период измерения: внутри изоляционного материала диапазон колебаний температуры близок к 40 °C, а на поверхности – к 50 °C.
• Максимальная зарегистрированная температура на плоской крыше составила70 °C и оставалась неизменной в течение 3 часов.
  • Температура на изогнутой крыше (угол падения солнечных лучей разный) достигла максимума в 67 °С и оставалась неизменной в течение 3 часов. 

Сравнение практических данных с результатами моделирования

Сравнение данных, зафиксированных на двух крышах различной конфигурации и рассчитанных с помощью модели HEAT-2, показало высокую степень соответствия.

На основе полученных опосредованно данных было проведено моделирование для города Трапани; результаты представлены на следующем рисунке:

Максимальные значения температуры в этом случае оказались на 8-10 °С ниже, чем в моделировании с использованием предыдущих коэффициентов поглощения и излучения. Тем не менее, анализ поверхностных температур позволяет сделать вывод, что в течение ограниченного промежутка времени на крышах достигается температура около 80 °С.

Выводы

Исследование выявило несколько важных аспектов, которые должны быть приняты во внимание проектировщиками при выборе материала изоляции для кровель:

• В районах с теплым климатом температура крыши с водонепроницаемым покрытием может превышать 80 °C.

Следует отметить, что коэффициент поглощения, использованный для моделирования, относится к битумному покрытию серо-черного цвета (таким же битумом была покрыта реальная крыша, на которой проводились измерения). Если будут использоваться покрытия более темного цвета, будет достигнута более высокая температура.

Это подчеркивает важность выбора изоляционного материала, гарантирующего функциональность при температурах, значительно превышающих максимальные значения, которые следует ожидать в условиях эксплуатации.

• Во всех климатических условиях в течение относительно короткого периода времени были зарегистрированы сильные изменения температуры. Из этого следует, что процесс выбора наиболее подходящего теплоизоляционного материала требует расчета стабильности размера, основанной на диапазоне температур, близких к условиям реального использования.

Кроме того, очень важно оценить уровень стабильности всего водонепроницаемого комплекта, чтобы избежать искажения или появления трещин (особенно в местах соединения) в результате теплового стресса.

• В соответствии с согласованным Европейским стандартом hEN 13165 физические и механические характеристики жестких пенополиуретанов (PUR-PIR) гарантируют их пригодность для использования даже в самых суровых климатических условиях, и это подтверждено данными исследованиями.

 

Типичная термостойкость PUR-PIR:	100-110 °C
Температура теста на стабильность размеров в EN 13165:	48 часов – 20 °C

8 часов  – +70 °C