Привет, Хабр! Меня зовут Алексей, я инженер из ТЕХНОНИКОЛЬ. Большую часть рабочего времени я провожу на крышах зданий, а не в офисе. Потому что я разрабатываю системы, которые защищают здания и людей от всех погодных испытаний: снега, дождя и сосулек.
Вы наверняка видели эту классическую картину: дождь, магазин, посреди зала — парочка ведер, куда методично капает вода с потолка.
Но проблема не только в том, что кто-то может поскользнуться на мокром полу или товар, техника испортятся. Когда утеплитель намокает, он хуже удерживает тепло. В итоге в здании холоднее, а расходы на отопление растут. На потолке и стенах появляется чёрная плесень, которая опасна для здоровья. А если вода дойдет до электропроводки, то произойдет короткое замыкание. А там и до пожара, и до обрушения потолка недалеко.
Дисклеймер: я сознательно упростил описание, чтобы статья была интересна широкой аудитории.
Почему крыша протекает и чем это опасно
Любая крыша со временем начинает протекать. И дело не только в старении материалов – зачастую виновниками становятся факторы, которые трудно предугадать. Например, баклан, который решил съесть свой обед у вас на крыше.
У нас в ТЕХНОНИКОЛЬ есть Служба качества, которая занимается поиском протечек. Обычно мы обследуем крышу весной и осенью, чтобы предотвратить протечки. Но также нам звонят, когда из потолка уже льёт вода.
За годы работы в отрасли мы собрали внушительную статистику причин протечек:
90% всех проблем возникают из-за ошибок при монтаже материалов;
8% связаны с неправильной эксплуатацией;
2% вызваны ошибками на этапе проектирования.
Некачественный монтаж
Это происходит на моменте строительства или ремонта крыши. Как пример, монтажники неправильно сваривают швы между листами гидроизоляции.
Неправильная эксплуатация
Например, когда работники очищают крышу от снега и льда с помощью металлических лопат и ломов, они повреждают гидроизоляционный слой. Такие микроповреждения невидимы глазу, но через них вода постепенно проникает под кровлю.
Ошибка в проектировании
Бывает, что проектировщики могут неправильно рассчитать нагрузку на кровлю или выбрать неподходящие материалы.
Например, в Мурманской области нельзя делать крыши с углом наклона менее 30° и использовать композитную черепицу. Потому что там выпадает много снега. Он не скатывается самостоятельно с крыши, а композитная черепица трескается при экстремально низких температурах до -40°C. В результате даже качественно смонтированная крыша не справляется с нагрузками и начинает протекать.
Как обычно ищут протечки кровли
Сейчас я расскажу, как мы, да и другие, обычно ищем протечки. А затем, как я с командой разработали новый способ — систему мониторинга протечек.
Визуальный осмотр
Поднимаемся на крышу и внимательно осматриваем её поверхность. Проверяем швы, места примыканий кровли к стенам и другим вертикальным поверхностям, ищем видимые повреждения.
Для более тщательного осмотра используем специальный инструмент – бастарду, пробник шва в форме крючка.
Минус этого способа, что найти трещину можно только в сухую погоду, и если она достаточно большая, чтобы её заметил глаз человека. Поэтому визуальным осмотром мы не обходимся, а еще используем специальные приборы.
Тепловизионная съёмка
Тепловизионную съёмку мы делаем с помощью квадрокоптера, на котором установлен тепловизор. Он показывает разницу температур на поверхности крыши.
Но этот метод работает только при определённых условиях: разница температур внутри и снаружи здания должна быть не меньше 10 градусов, а на улице должно быть пасмурно. Иначе солнце нагреет кровлю и исказит показания.
У нас был случай, когда тепловизионная съемка не выявила утечки тепла, но при вскрытии гидроизоляционного полотна обнаружилось полное намокание утеплителя. В этой ситуации температура на улице была около 0°C, а в помещении +18°C. Оказалось, что намокший утеплитель промерз и не создавал достаточного температурного контраста.
Да и с недавних пор в России так проверить крышу нельзя, так как есть запрет на квадрокоптеры.
Электрический дефектоскоп
Электрический дефектоскоп работает по принципу электрического пробоя.
Детектор влажности TRAMEX
С его помощью мы находим места, где вода уже проникла под гидроизоляцию, но ещё не проявилась в виде видимой протечки в помещении.
По результатам обследования мы составляем детальный акт, в котором указываем план кровли со всеми проблемными местами.
Минус этих методов в том, что их применяют слишком поздно — когда влага уже прошла через все слои крыши. К тому же они не позволяют точно определить место протечки: вода под кровлей перемещается по слоям гидроизоляции, утеплителя и пароизоляции, растекается по плитам перекрытия и может появиться совсем в другом месте, например в 20 метрах от повреждения. Если же вода уже видна на потолке, это значит, что конструкция крыши полностью промокла и ремонт обойдётся очень дорого.
Поэтому я со своей командой решили создать систему, которая будет определять протечку в режиме реального времени и моментально оповещать о проблеме пользователя по уведомлению.
Как мы разрабатывали систему мониторинга протечек
Этап 1: Делаем первый прототип в гараже
Вначале все эксперименты мы проводили в своём гараже, потому что для нашей команды это было скорее хобби.
Начали мы с поиска материала — основы системы. Решили попробовать геотекстиль — обычный нетканый материал, который строители используют как разделительный слой.
Затем на радиорынке купили готовые модули и собрали контроллер.
В итоге получилась такая система.
Работала она по принципу матрицы — верхнее и нижнее полотна замыкались при попадании воды. Мы подавали импульс по нижнему ряду полотна и проверяли, сколько тока доходит до верхнего ряда. Так можно было точно определить координаты протечки – большое преимущество перед традиционными методами поиска.
На практике конструкция оказалась слишком сложной для монтажа. Крыши не плоские — на них есть вентиляционные трубы, дымоходы и другие выступающие элементы. Чтобы обойти эти элементы, нам приходилось резать полотно, а это нарушало целостность проводящих дорожек и делало систему неработоспособной.
Этап 2: Разрезаем геотекстиль на карты
Мы отказались от идеи сплошного полотна и разделили его на отдельные небольшие зоны — карты.
Каждая такая карта отвечает за свой участок крыши и подключается к блоку управления своим отдельным проводом.
Если на крыше возникает протечка, то система точно показывает, где именно искать проблему. Такой подход оказался намного практичнее, особенно на сложных крышах. На фото — тестовые элементы для наглядности.
Но наклеивать скотч на отдельные карты — дольше, чем на единое полотно. Чтобы автоматизировать и ускорить процесс монтажа сенсорных карт, мы собрали станок.
Этап 3: Ищем материалы подешевле
Когда стоимость металлического скотча резко выросла, пришлось искать альтернативы. Иначе система получилась бы слишком дорогой для массового применения.
Мы решили попробовать использовать тонкую проволоку, которая вплавлялась в геотекстиль с помощью нагрева.
Для этого мы собрали еще одно устройство. Оно работало так: проволока проходила через направляющие ролики, и когда касалась полотна, между валами пускался ток. Проволока нагревалась примерно до 120 градусов и вплавлялась в геотекстиль.
К этому времени мы уже переехали из гаража в офис. Тут мы познакомились с ребятами, которые разрабатывали одежду с подогревом. Они использовали специальную углеродную краску, которую наносили на ткань через трафареты. Мы решили попробовать применить эту технологию и в нашей системе. Так вместо скотча или проволоки мы стали наносить проводящие дорожки из углеродной краски прямо на геотекстиль.
Но на этом не остановились. Еще мы познакомились со стартапом, который занимался протечками на трубах, на коммуникациях. Они сделали линейный датчик протечки. Мы попробовали у себя что-то похожее сделать.
Взяли шнурок, внутри которого углеродная нить, а сверху – оплётка из лайсана. В сухом состоянии нить и оплётка не соприкасаются, но при попадании воды происходит замыкание.
В итоге нашли решение у производителя нагревательных элементов для теплых полов. Взяли два слоя сетки с проводящими нитями, а между ними поместили слой геотекстиля как диэлектрик. В сухом состоянии сетки изолированы друг от друга, но при попадании влаги происходит замыкание.
Для соединения карт с контроллером использовали специальные зажимы, похожие на те, что применяются в системах теплого пола.
Затем мы провели испытания на крыше. На тестовом участке разместили разные варианты полотен:
с углеродной краской;
с проволокой;
с использованием сеток.
И дождались, пока пойдет дождь.
Мы остановились на сетке, но тут появилась проблема: соединять всё вручную оказалось слишком долго. Для крыши на 1500 м² нужно было сделать 400 соединений — это несколько дней скучной и монотонной работы. Поэтому мы решили автоматизировать процесс и собрали размотчика.
В строительном магазине мы купили металлический профиль. На Озоне заказали колесики. На 3D-принтере напечатали деталь, на которую наматывается провод. Самое дорогое — это пневматические компоненты. Купили их на АлиЭкспрессе за 1200-1300 евро.
Принцип работы устройства следующий:
Бухта провода устанавливается на специальную катушку.
Оператор задает нужную длину провода (обычно около 8 метров).
Устройство автоматически отматывает заданную длину.
-
Затем происходит самое интересное — размотчик автоматически раскручивает витую пару на два отдельных проводника.
Если раньше на изготовление 800 контактов уходило 35 рабочих дней, то с устройством — 14. Сейчас мы доработали устройство и получается еще быстрее.
Этап 4: Дорабатываем контроллер
Параллельно с полотном мы дорабатывали электронный блок управления (контроллер) — устройство, которое анализирует состояние датчиков и отправляет сигналы о протечках.
Первая версия была очень простой: мы взяли отладочную плату STM и добавили на неё компоненты для измерения влажности.
При тестировании мы обнаружили интересное явление. Если измерять сопротивление сухой и мокрой карты обычным мультиметром, показания получаются нестабильными. Это происходит потому, что вода ионизируется и ведёт себя как маленькая батарейка. Поэтому все измерения нужно проводить на переменном токе, предварительно «взбадривая» молекулы воды быстрыми импульсами.
После успешных тестов мы спроектировали контроллер, который может контролировать уже 20 каналов. А значит, и подключить к одному такому контроллеру мы можем до 20 карт полотна.
В старой версии у нас была проблема, которая связана с базой электротехники. Согласно закону Ома, сопротивление равно отношению напряжения к току (R = U/I). В нашей системе микроконтроллер выдавал постоянное напряжение на карту, но ток, который проходит через нее, мы точно не измеряли.
Получается, что при измерении влажности мы пытались решить уравнение с двумя неизвестными – знали напряжение, но не знали точно ток и пытались вычислить сопротивление. С точки зрения математики, это некорректная задача. На практике это приводит к тому, что показания влажности не всегда точны.
В новой версии контроллера мы устранили эту проблему – измеряем и напряжение, и ток, что позволяет по закону Ома точно вычислять сопротивление и получать более достоверные данные о влажности.
Дальше мы решали вопрос с влажностью на крыше. Чтобы защитить электронику, мы поместили ее в пластиковую трубу для канализации.
А контроллер установили в аэраторе.
Все контроллеры передают данные по радиоканалу на центральное устройство (шлюз), которое отправляет информацию в облачный сервис. Для связи используется протокол LoRa с частотой 868 МГц, обеспечивающий надёжную передачу данных на расстояние до нескольких километров даже при сложных погодных условиях. Это похоже на любительскую радиосвязь – работает практически всегда и везде.
А что сейчас?
Мы уже поставили систему на несколько объектов. Результаты радуют: она без проблем находит даже мелкие протечки от микротрещин в гидроизоляции.
Если кратко, то вот её основные преимущества:
Обнаруживает протечку в момент, когда вода только попала под гидроизоляцию, задолго до появления пятен на потолке.
Точно указывает место протечки благодаря разделению крыши на карты.
Автоматически отправляет уведомления владельцу через мобильное приложение.
Отличает конденсат от реальной протечки по характеру распределения влаги.
Работает в любых погодных условиях и выдерживает механические воздействия.
Если хотите посмотреть систему, заказать или просто задать вопросы — пишите.
А если крыша уже течет, обращайтесь в нашу Службу Качества. Мы проведем обследование, найдем причину протечки и предложим оптимальное решение для ремонта.