趙嵩穎 徐 鵬

(1:吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;2:吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

我國(guó)北方每年新竣工的建筑面積為12億m2，屋面及天溝內(nèi)雪荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大影響.以100m2的平面屋頂為例，積雪一尺厚(相當(dāng)于33cm)，結(jié)構(gòu)就會(huì)承受超過3t～5t的重壓，這等于一只成年大象的重量，從而極容易造成暴雪天房屋倒塌事故.同時(shí)，冰雪融化時(shí)，屋檐經(jīng)常出現(xiàn)掛冰溜現(xiàn)象，冰溜長(zhǎng)度可達(dá)到一米，重十幾公斤，冰溜斷裂墜下十分常見，經(jīng)常危及屋檐下行人的生命安全，僅靠人力進(jìn)行建筑屋頂融雪既不安全也不現(xiàn)實(shí)，且浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力資源.太陽能是一種高能量、綠色、環(huán)保的新型能源，如充分、有效地用太陽能進(jìn)行建筑屋頂融雪，既可減少因屋頂雪荷載對(duì)建筑物的危害，又可保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，是一種高效節(jié)能的新技術(shù).

1 屋頂太陽能融雪技術(shù)

屋頂太陽能融雪技術(shù)是將發(fā)熱電纜敷設(shè)于屋頂，利用太陽能光伏發(fā)電裝置，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再把電能由發(fā)熱電纜轉(zhuǎn)化為熱能，即：太陽能→電能→熱能三者之間的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到融雪的目的，圖1為太陽能發(fā)熱電纜融雪圖.

1.1 太陽能融雪技術(shù)參數(shù)選擇

在保證電纜安全工作的前提下，既要提高屋頂融雪效果，又要節(jié)約能源，北方屋頂電纜的鋪設(shè)間距可設(shè)為50mm ,單位面積鋪裝發(fā)熱電纜的功率250W/m2～400W/m2(220V)，同時(shí)，由于冬季屋頂?shù)谋逼旅嬉资芾淇諝饧帮L(fēng)力影響，可在發(fā)熱電纜下鋪設(shè)隔熱材料，這樣，即可降低運(yùn)行費(fèi)用，又能縮短加熱時(shí)間[1].

發(fā)熱電纜型號(hào)選用DCR-17型，此種電纜可用于坡道的融雪化冰,具有較高的安全性，為單導(dǎo)可裁式電纜，表面最高溫度為65℃，線性負(fù)荷為17W/m(220V).其結(jié)構(gòu)組成為發(fā)熱導(dǎo)線(兩端為冷導(dǎo)線)、絕緣層、接地線、全封閉鉛屏蔽層及外護(hù)套.圖2為DCR-17型可裁式發(fā)熱電纜結(jié)構(gòu)示意圖(圖中：① 為PVC護(hù)套；② 為金屬屏蔽護(hù)套；③ 為交聯(lián)聚乙烯絕緣層；④ 為合金發(fā)熱絲).

1.2 施工步驟

發(fā)熱電纜融雪技術(shù)的施工步驟包括：隔熱保溫層的鋪設(shè)、反射層的鋪設(shè)、低碳鋼絲網(wǎng)的鋪設(shè)及發(fā)熱電纜的鋪設(shè).其施工圖見圖3.

隔熱保溫層可以保證單向傳遞熱量，最大限度的減少熱量損失；反射層的鋪設(shè)使熱量向上傳遞，高效融雪；在反射層上鋪設(shè)低碳鋼絲網(wǎng)，一方面加固發(fā)熱電纜；另一方面可以阻止發(fā)熱電纜嵌入到絕熱材料中，影響融雪效果.發(fā)熱電纜的鋪設(shè)是屋頂融雪技術(shù)的關(guān)鍵，施工過程中各專業(yè)緊密配合，避免與土建、水暖、電氣等專業(yè)發(fā)生沖突，也不能與屋頂?shù)慕娱W帶、排水管等發(fā)生沖突.

圖1 太陽能發(fā)熱電纜融雪 圖2 DCR-17型可裁式發(fā)熱電纜結(jié)構(gòu) 圖3 發(fā)熱電纜融雪施工示意圖

2 太陽能融雪技術(shù)的可行性分析

2.1 太陽能采集可行性研究

屋頂太陽能融雪技術(shù)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是太陽能的有效采集.吉林、遼寧、天津及北京等地為太陽能輻射量三類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為2 200h～3 000h，每年接受太陽的輻射總量為5 016MJm2～5 852MJ/m2，相當(dāng)于170kg～200kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量.

影響太陽能采集效率的因素主要有：① 太陽能接收板與屋頂?shù)膴A角；② 太陽能接收板的受熱面積；③ 太陽輻射強(qiáng)度,即單位面積的表面,在單位時(shí)間內(nèi)獲得的太陽輻射能量；④ 太陽光線對(duì)于地平面的交角,即太陽在當(dāng)?shù)氐难鼋牵?dāng)?shù)氐牡乩砭暥?

以吉林省平板型太陽能集熱器為例，對(duì)最佳方位角的確定進(jìn)行分析.

地表水平面太陽輻射強(qiáng)度：

GS=(τB+τD)Gonsinα

(1)

地表傾斜面上太陽輻射強(qiáng)度的計(jì)算：

(2)

式中，G為傾斜面上太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Rb=cosβsinφsinδ+cosβcosφcosω+sinβsinγcosδsinω+sinβsinφcosδcosωcosγ-sinβcosγsinδcosφ；Rb為傾斜面與水平面上受到的直射輻射量的比，稱為修正因子；φ為該地地理緯度；γ為集熱器的方位角；β為集熱器的傾斜角.

某一段時(shí)間(τ2-τ1)內(nèi)，地表傾斜面上晴天太陽輻射量：

(3)

如僅以吉林省為算例， 通過以上公式數(shù)據(jù)計(jì)算分析可得出如下結(jié)論：平板型集熱器最佳朝向?yàn)槟铣?，冬季采用太陽能集熱系統(tǒng)，最佳傾角在(55°，75°)范圍內(nèi)[2].

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

為達(dá)到理想的融雪效果，屋頂單位面積鋪裝發(fā)熱電纜功率應(yīng)為300W/m2(220V)，選用DCR-17型發(fā)熱電纜，其發(fā)熱功率為17W/m(220V).以一個(gè)100m2的屋頂為例，屋頂融雪技術(shù)共需30熱功率，1 765m長(zhǎng)的發(fā)熱電纜.單導(dǎo)可裁式發(fā)熱電纜17元/m2，敷設(shè)100m2的屋頂發(fā)熱電纜總造價(jià)為Z=17×1 765=30 000元左右.30kW的太陽能光伏發(fā)電裝置，市場(chǎng)價(jià)格為40 000元左右.故敷設(shè)一套太陽能發(fā)熱電纜融雪裝置的造價(jià)為750元/m2左右，且循環(huán)使用，造價(jià)低且維護(hù)費(fèi)用極低.

據(jù)我國(guó)民政部門統(tǒng)計(jì)，僅多層建筑，如遇到屋頂融雪垮塌事故，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2萬/m2.故安裝屋頂融雪系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)上是可行的.

2.3 荷載分析

市場(chǎng)上各種品牌17W/m的發(fā)熱電纜重量不超過1kg/m，據(jù)此得出一個(gè)100m2的屋頂，敷設(shè)可以達(dá)到理想效果的發(fā)熱電纜，重量不會(huì)超過1 800kg(1.8t)，而配套太陽能集熱器的重量約為1 000kg(1t)，重量總和遠(yuǎn)小于突降暴雪時(shí)3t～5t的重壓，大大降低冬季屋頂?shù)暮奢d.

3 結(jié)語

吉林省屋頂采用太陽能融雪技術(shù)，太陽能集熱器朝南向放置，平板型集熱器的傾角最佳范圍為55°～75°內(nèi)；發(fā)熱電纜型號(hào)選用DCR-17；該融雪技術(shù)可應(yīng)對(duì)北方地區(qū)突降暴雪，可大大降低屋頂荷載，減少屋頂垮塌事故；屋頂太陽能融雪系統(tǒng)造價(jià)為750元/m2，可循環(huán)使用，維護(hù)費(fèi)極低，經(jīng)濟(jì)效果顯著.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 高劍英.關(guān)于發(fā)熱電纜坡道融雪施工工藝的探討[J].中小企業(yè)管理與科技,2011(1):197.

[2] 劉 慶,婁佳兵,劉春生.吉林地區(qū)平板型太陽能集熱器最佳位置的確定[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2007,33(4):42-43.