Панели на плоской кровле: балласт, угол наклона и расстояние между рядами
На плоской кровле панели обычно не привинчивают, а пригружают. Опорные рамы стоят на кровельном ковре, а от ветра их удерживает балласт — бетонные блоки или плитка. Гидроизоляция остаётся целой. Ряды при этом ставят под небольшим углом, 10–15°, и на расстоянии, которое считают по высоте зимнего солнца. Три вопроса решают всё: выдержит ли перекрытие, сколько нужно балласта и как далеко разнести ряды.
Почему балласт, а не анкеры
Плоская кровля держит воду сплошным ковром — битумным или из полимерной мембраны. Каждый анкер сквозь него означает узел, который нужно герметизировать и за который кровельщик потом не отвечает. Балластная система ковёр не трогает: опоры стоят на защитных подкладках, которые не дают раме протереть мембрану и не мешают воде уходить к воронкам.
У балласта своя цена — вес. Если перекрытие его не несёт, остаётся анкерное крепление к плите или к несущим конструкциям с герметизацией каждой точки. Эту работу делают вместе с кровельщиком и по проекту. Системы обоих типов собраны в разделе крепежа для плоской кровли.
Откуда берётся вес балласта
Балласт противостоит ветру: он не даёт ряду сдвинуться и опрокинуться. Сколько его нужно, зависит от:
- ветрового района по СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия» и высоты здания;
- места на кровле: в углах и вдоль краёв отрыв сильнее, чем в середине;
- высоты парапета — высокий парапет прикрывает крайние ряды;
- угла наклона панелей: чем круче ряд, тем больше он «парус»;
- наличия задней ветровой стенки, которая не пускает ветер под панель;
- трения между опорой и кровельным ковром.
Готовой цифры «столько-то килограммов на панель» нет, и брать её из чужого проекта нельзя. Производители балластных систем выдают план балластировки: для каждой опоры — свой вес, у краёв больше, в середине меньше. Прикинуть порядок нагрузки можно в калькуляторе ветровой нагрузки, а о зонах кровли подробно рассказано в статье про ветер и крепление панелей.
Выдержит ли перекрытие
Сами панели лёгкие: типичная панель 1,72 × 1,13 м весит около 22 кг, это 22 ÷ 1,94 ≈ 11 кг на квадратный метр её площади. С рамами и балластом нагрузка на кровлю вырастает в несколько раз, причём приходит она не равномерно, а через опоры.
Перекрытие уже несёт собственный вес, утеплитель, стяжку и расчётный снег. Запас сверх этого бывает разным: у железобетонных плит жилых домов он обычно есть, у лёгких покрытий из профнастила по металлическим фермам — часто минимальный. Поэтому для любой станции на плоской кровле, кроме пары панелей на гараже, нужен ответ конструктора: какую дополнительную нагрузку допускает покрытие.
Есть и второй эффект. Ряды панелей задерживают снег: за ними и между ними образуются сугробы там, где раньше снег сдувало. Это тоже учитывают при проверке.
Почему 10–15°, а не оптимальный угол
По данным PVGIS оптимальный угол для Москвы — 41°, для Краснодара — 36°. На плоской кровле так почти никогда не ставят, и причины практические:
- крутой ряд сильнее нагружается ветром — нужно больше балласта;
- высокий ряд отбрасывает длинную тень, ряды приходится разносить, и на крышу помещается меньше панелей;
- высокую раму видно с земли, а кабель и опоры сложнее обслуживать.
Малый угол стоит части выработки: при 10–15° с каждого киловатта панелей получается примерно на 5–10 % меньше, чем при оптимальном наклоне, — меньше теряет юг, больше север. Зато панелей на той же крыше помещается заметно больше, и суммарная выработка кровли выходит выше. Опускать угол ниже 10° не стоит: дождь перестаёт смывать пыль, а у нижней кромки рамы копится грязь. Подробнее о потерях от наклона — в статье про угол и ориентацию панелей.
Расстояние между рядами: расчёт
Передний ряд не должен затенять задний. Длину тени считают так: высота верхнего края панели над нижним краем следующего ряда, делённая на тангенс высоты солнца. Высота солнца в полдень равна 90° минус широта плюс склонение; в день зимнего солнцестояния склонение равно −23,44°.
Для Москвы (широта 55,75°): 90 − 55,75 − 23,44 = 10,8°. Для Краснодара (45,04°) — 21,5°. Для Санкт-Петербурга (59,94°) — 6,6°. Панель шириной 1,13 м, положенная горизонтально, при наклоне 15° поднимает верхний край на 1,13 × sin 15° = 0,29 м.
| Угол наклона | Подъём верхнего края | Тень в Краснодаре | Тень в Москве | Тень в Санкт-Петербурге |
|---|---|---|---|---|
| 10° | 0,20 м | 0,50 м | 1,03 м | 1,69 м |
| 15° | 0,29 м | 0,74 м | 1,53 м | 2,52 м |
| 30° | 0,57 м | 1,43 м | 2,96 м | 4,87 м |
Это длина тени в полдень 22 декабря — самая короткая за этот день; в десять утра и в два часа дня тень ещё длиннее. Таблица наглядно показывает, почему на севере угол держат малым: при 30° в Москве между рядами пришлось бы оставить три метра пустой кровли.
На юге ряды действительно разносят по декабрьской тени. В средней полосе и севернее так не делают, и вот почему. В Москве на декабрь приходится 19,1 кВт·ч из 973 кВт·ч годовой выработки с киловатта — это 2 %, а на декабрь и январь вместе — около 5 %. Ради этих процентов терять треть площади кровли невыгодно. Проектировщик выбирает компромисс: ряды не затеняют друг друга с весны по осень, а зимой частичная тень допускается. В день равноденствия солнце в Москве поднимается на 90 − 55,75 = 34,25°, и тень от ряда под 15° составляет всего 0,29 ÷ tg 34,25° ≈ 0,43 м.
Если зимняя тень допущена, важно, как соединены панели. Тень, которая ложится на нижний край всего ряда, меньше вредит, когда панели лежат горизонтально: байпасные диоды отключают только нижнюю треть каждой панели. Как это работает — в материале о затенении панелей.
Раскладка «восток — запад»
Альтернатива южным рядам — панели «домиком»: одна смотрит на восток, соседняя на запад, обе под 10°. Проходы между рядами почти не нужны, ветер обтекает низкие пары легче, балласта требуется меньше. С каждого киловатта такая раскладка даёт меньше, чем южный ряд, но киловатт на крышу помещается больше, а график выработки получается шире: меньше пик в полдень, больше энергии утром и вечером. Для зданий, которые потребляют весь день, — магазинов и складов — это часто лучший вариант; пример разобран в статье о станции для склада и холодильника.
Отступы, проходы и кабель
- От края кровли и парапета отступают: у края сильнее ветер, а парапет сам даёт тень. Ширину зоны определяет расчёт.
- Воронки водостока, аэраторы и люки остаются доступными; опоры не перегораживают путь воды.
- Между блоками рядов оставляют проходы для обслуживания и для пожарных.
- Кабель не кладут на мембрану: его ведут в лотках на подставках, с защитой от солнца.
- Под каждую опору кладут защитный коврик — без него рама за несколько лет протирает кровельный ковёр.
Частые вопросы
Можно ли всё-таки поставить панели под оптимальным углом?
Технически можно, если перекрытие несёт увеличенный балласт или допустимо анкерное крепление. Но панелей поместится меньше, и общая выработка крыши, как правило, окажется ниже, чем при плотной раскладке под 10–15°. Крутой угол оправдан, когда кровля большая, а станция маленькая.
Не сдует ли балластную систему в шторм?
Если балласт разложен по плану производителя для вашего ветрового района и высоты здания — нет. Сдувает системы, где вес взяли «как у соседей», убрали ветровые стенки или поставили ряды вплотную к краю.
Что будет со снегом между рядами?
Низкие ряды зимой заносит, и до оттепели они могут не работать. Для средней полосы это небольшая потеря: декабрь и январь дают около 5 % годовой выработки. Нижний край панели всё же приподнимают над кровлей, чтобы талая вода и первый снег не закрывали нижний ряд ячеек.
Нужен ли расчёт для небольшого частного дома с плоской крышей?
Нужен хотя бы в простом виде: что за перекрытие, какую нагрузку оно допускает, сколько балласта требует система. В частных домах плоские кровли нередко сделаны по деревянным балкам, и запас у них небольшой.