Влияние нагревания крыши солнечными лучами на температуру гидроизоляции и теплоизоляции

Наверное, каждый человек, хоть раз в жизни обжигался об поверхность, нагретую солнцем. В интернете достаточно роликов, когда на раскаленном асфальте или крыше, например, жарят яйца, как на сковородке. Что в это время происходит с материалами кровельного пирога? До какой температуры они нагреваются и способны ли сохранить свои эксплуатационные качества?

Кровельный пирог состоит из паро- и гидроизоляции, теплоизоляции, а также настила и конструкционных элементов. Особый интерес вызывает гидроизоляция и теплоизоляция, так как при проектировании настила кровли и конструктивных элементов учитывают противостояние высоким температурам. Устойчивости гидроизоляции и теплоизоляции к температурным воздействиям не уделяется должное внимание, считается достаточной принадлежность к определенному классу горючести.

Весной и летом на кровельные материалы критическое влияние оказывают сразу два негативных фактора:

• высокая температура нагрева;
• резкие перепады температуры в течение суток.

Материалы гидроизоляции и теплоизоляции при нагреве до довольно значительных температур не должны потерять первоначальные эксплуатационные свойства, деформироваться из-за температурных расширений и, тем более, воспламеняться.

Материалы гидроизоляции и теплоизоляции кровли

В кровельном пироге традиционно используют одни и те же материалы, так как это удобно и привычно проектировщикам, строителям, обслуживающим и ремонтным компаниям. Материалы гидроизоляции и теплоизоляции понятны, их слабые места давно известны. Новым материалам и технологиям непросто пробивать себе путь, так как не все хотят изучать новые технологии, изменять методику работы.

Для гидроизоляции кровли чаще всего используют:

• Битум и материалы на его основе. Бутумные материалы бывают рулонными или заливочными. Их разогревают и в один или несколько слоев наносят на кровлю. Швы герметизируют тем же битумом или битумной мастикой. При +130-160˚С битум становится жидким, а начинает размягчаться уже при +45-60˚С. Мягкий битум легко повреждается при механических нагрузках. На наклонных кровлях есть риск стекания, изменения толщины покрытия. Для повышения порога текучести в битум добавляют различные присадки, но они часто снижают другое свойство – морозостойкость.
• Полимочевина и другие покрытия на основе полиуретана. Относительно недавно появившиеся на российском рынке материалы. Наносятся на изолируемую поверхность заливкой, сплошным слоем. После застывания образуют монолитное бесшовное гидроизоляционное покрытие, свойства которого зависят от состава смеси. Обычно состоят из двух компонентов, которые в заданных пропорциях смешивают в месте нанесения без предварительного разогревания. Существуют гидроизоляционные мастики и герметики на основе полиуретана, которые применяют для герметизации швов и стыков практически любых кровельных материалов. Стоят дороже битумных материалов. Эксплуатировать полиуретановые материалы можно при температурах до +250˚С.

Для теплоизоляции крыш применяют:

• Пенопласт и пенополистирол – схожие по характеристикам материалы. У пенополистирола выше эластичность, с ним легче работать, но он дороже. Пенопласт – один из самых дешевых утеплителей. Оба материала обладают отличными теплоизоляционными характеристиками, долговечностью и формостабильностью, не подвержены температурным расширениям. Однако температура эксплуатации не должна превышать +85˚С. При нагревании начинают выделять вредные для человека вещества.
• Пенополиуретан используют в напыляемом виде или в промышленно изготовленных сэндвич-панелях. Для напыления требуется не только специальное оборудование, но и предварительное обучение или привлечение профессионалов. Пенополиуретан теряет свои качества при эксплуатации при частом прямом попадании солнечных лучей, поэтому нуждается в защите – зашивке или покраске. В зависимости от используемых в системе компонентов пенополиуретан можно эксплуатировать при температурах 110-220˚С.

Минеральную вату и другие гигроскопичные материалы использовать для утепления кровли строительными стандартами и нормативами не рекомендуется. Внутри здания теплый влажный воздух понимается к крыше, где влага конденсируется и может попасть в утеплитель. При повреждениях настила кровли вода проникает в теплоизоляцию сверху. Несмотря на гидроизоляцию и пароизоляцию, со временем риск намокания утеплителя увеличивается. Повышение содержания влаги снижает теплоизоляционные свойства минеральной ваты и других гигроскопичных утеплителей. Решить проблему можно только полной заменой теплоизоляции, просушить минвату невозможно.

Исследование температуры теплоизоляции и гидроизоляции при нагревании крыши солнцем

В кровельном пироге задача теплоизоляции – не допустить теплопотерь зимой и чрезмерного нагрева летом. Если гидроизоляция находится под теплоизоляцией, она защищена от температурных воздействий утеплителем. Однако крыши городских многоэтажных зданий часто делают инверсионными, то есть гидроизоляция у них располагается над теплоизоляцией, защищая ее от попадания влаги. В этом случае гидроизоляция подвергается максимальному температурному воздействию в жару.

Чтобы изучить изменение температуры внутри кровельного пирога и максимальные температуры теплоизоляции и гидроизоляции, было проведено исследование из двух этапов:

• Моделирование: расчет температурного градиента для различных слоев типичного кровельного пирога с использованием расчетной модели, имитирующей возможные изменения нескольких климатических параметров.
• Проверка на практике: на двух разных крышах измерены реальные температуры теплоизоляции и гидроизоляции, чтобы доказать правильность модели.

Этап 1: Теоретический анализ температуры в кровельном пироге

Для анализа была использована расчетная модель HEAT-2 – программное обеспечение, совместно разработанное сотрудниками Лундского Университета (Швеция) и Массачусетского технологического института (США). Заложенная в программу методика позволяет моделировать теплообмен в многослойных структурах из различных материалов, чтобы определить точную температуру в каждом из слоев.

При создании модели вводят данные, относящиеся к материалам кровельного пирога: толщина теплоизоляции и гидроизоляции, теплопроводность, плотность, теплоемкость, а также конкретные климатические условия: интенсивность солнечного излучения, температура воздуха, влажность. 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 – месяце максимальной солнечной активности. Средние данные для Трапани, Рима, Венеции и Лондона взяты из литературных источников. За июль 2003 года для Венеции и июль 1984 года для Цюриха в распоряжении исследователей были точные статистические данные.

Для анализа теплового потока был выбран временной интервал в 7 дней. Оценены различные изоляционные материалы. 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 теплоизоляции 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

Расчеты показали, что плоская крыша с внешней гидроизоляцией подвергается значительному разогреву. Температура теплоизоляции в месте контакта с кровельным покрытием может достигать 70 °С даже в климатических зонах с умеренным солнечным излучением. Гидроизоляция 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 гидроизоляции и верхнего слоя теплоизоляции до температуры 90 °С.

Температуры внутри теплоизоляции на расстоянии около 3 мм от верхней поверхности панели, полученные путем математического моделирования, приведены на графиках:

Расчетные температуры в течение дня в период максимального солнечного излучения часто выше максимально допустимых температур ряда материалов, применяемых для гидроизоляции и теплоизоляции, особенно для жарких климатических зон. То есть температура – фактор риска для целостности и стабильности размеров слоев кровельного пирога. 

Этап 2: измерение реальных температур теплоизоляции и гидроизоляции в нагретой солнцем кровле

После 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 использованных для расчета параметров: коэффициент поглощения, коэффициент излучения и т.д.

Измерения проводили на крыше офисного здания, расположенного в промышленной зоне города Падуя. Контроль осуществлялся на участках крыши различной конфигурации:

1. плоская крыша: кровельный пирог с внешним битумным покрытием, аналог использованного при моделировании;
2. изогнутая крыша: сэндвич-панели с наружной поверхностью из алюминиевого листа толщиной 7/10 мм, окрашенного в красный цвет, теплоизоляционным слоем пенополиуретана толщиной 40 мм, внутренней поверхностью из оцинкованного гофрированного стального листа толщиной 4/10 мм.

Чтобы измерять температуру на верхней поверхности, а также во внутреннем слое теплоизоляции было установлено девять термопар: 4 на плоской крыше и 5 на изогнутой.

плоская крыша:

• 1 – на поверхности с правой стороны;
• 2 – 3 см в глубину теплоизоляции с правой стороны;
• 3 – на поверхности с левой стороны;
• 4 – 3 см в глубину теплоизоляции с левой стороны;

изогнутая крыша:

• 5 – на поверхности в нижней части крыши;
• 6 – 3 см в глубину теплоизоляции нижней части крыши;
• 7 – 3 см в глубину теплоизоляции верхней части;
• 8 – на поверхности в верхней части;
• 9 – 3 см в глубину теплоизоляции в нижней части крыши с восточной стороны. 

Температуры регистрировались непрерывно и собирались на многоканальный самописец, связанный с термопарами. В непосредственной близости к термопарам была установлена метеорологическая станция для регистрации солнечного излучения, температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, данные с которой также собирались непрерывно. Измерения проводились в течение нескольких месяцев 2005 года и весь 2006 год.

Результаты измерений

На 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

Анализ и сравнение результатов замеров и моделирования

Летом 2006 года погода была изменчивой, жаркие периоды были короче, чем летом 2003 года, максимальное значение температур приблизилось к типичной средней величине. Измерения показали сильные колебания температуры не только в летние месяцы: внутри изоляционного материала диапазон колебаний температуры близок к 40 °C, а на поверхности – к 50 °C.

Максимальная зарегистрированная температура на плоской крыше составила 70 °C и оставалась неизменной в течение 3 часов. Температура на изогнутой крыше достигла максимума в 67 °С и оставалась неизменной в течение 3 часов. 

Сравнение результатов практических измерений и расчетов с помощью модели HEAT-2 показало высокую степень соответствия друг другу обоих методов. На основе полученных опосредованно данных было проведено моделирование для города Трапани. Результаты представлены на графике:

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, близкая к 80 °С. Это подчеркивает важность выбора материала гидроизоляции и теплоизоляции с гарантированной функциональностью при температурах, значительно превышающих средние расчетные значения температуры эксплуатации крыши.

Выводы

Исследования показали, что пики температуры, измеренной в теплоизоляции, которая на плоских крышах находится в контакте с гидроизоляцией, в период высокой солнечной активности достигают 70 °С, а в горячем средиземноморском климате южной Европы – 80 °С. Температуры на изогнутых крышах в более умеренных климатических зонах достигают 67 °C. Суточные колебания температуры близки к 40 °C внутри теплоизоляции и к 50 °C на гидроизоляции.

Такие температурные пики превышают максимальные функциональные температуры битумных материалов, пенопласта, пенополистирола. В целях обеспечения качества и долговечности кровельного пирога инженеры, строители и архитекторы должны учитывать влияние высоких температур на стабильность материалов гидроизоляции и теплоизоляции.

Исследование выявило несколько важных аспектов, которые следует принимать во внимание при выборе материала изоляции для кровель:

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

Следует отметить, что коэффициент поглощения, использованный для моделирования, относится к битумному покрытию серо-черного цвета, которым была покрыта и реальная крыша, на которой проводили измерения. На поверхностях покрытий более темных цветов температура будет выше.

• Во всех климатических условиях за короткий временной период зарегистрированы сильные перепады температур.

Следовательно, при выборе теплоизоляции и гидроизоляции для крыш важно оценивать уровень стабильности эксплуатационных характеристик и физических свойств материалов на всем диапазоне возможных температур, а также при регулярных резких перепадах в пределах зафиксированных значений.

В результатах исследования, проведенного в Европе, говорится о соответствии с согласованным Европейским стандартом hEN 13165 физических и механических характеристик жестких пенополиуретанов (PUR-PIR), что гарантируют их пригодность для использования в самых жарких климатических условиях.

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

8 часов  – +70 °C

Компания Экотермикс производит под маркой Ecotermix на основе полимеров напыляемую пенополиуретановую теплоизоляцию, полимочевину и другие гидроизоляционные материалы. Вся продукция, предназначенная для использования в кровельном пироге или для наружной гидроизоляции крыш, в течение срока службы полностью сохраняет эксплуатационные и физические характеристики на всем диапазоне возможных температур нагрева солнечными лучами, а также при резких многократных перепадах. Использование полимерных материалов для защиты кровли существенно снижает трудоемкость и стоимость эксплуатации, а также увеличивает интервалы между плановыми ремонтами.