科普|天沟融雪电伴热系统

　　1. 引言
 

　　在寒冷及严寒地区，冬季降雪在建筑物屋顶天沟内积聚并转化为冰，由此产生的荷载与冻胀效应可能对建筑结构造成损伤。冰坝形成后，融水在防水层上渗透，导致建筑内部发生渗漏。电伴热系统作为一种主动融雪化冰技术，通过电能转化为热能，直接提高天沟及落水管内温度，防止冰雪堆积，保障排水系统畅通。本文旨在系统阐述天沟融雪电伴热系统的组成、设计计算、安装工艺及运行控制方法。
 

　　2. 系统组成与工作原理
 

　　天沟融雪电伴热系统由发热单元、配电单元、控制单元及保温与防护材料构成。
 

　　2.1 发热单元
 

　　发热单元的核心部件是电伴热带。应用于天沟融雪的电伴热带主要分为两种类型：恒功率电伴热带与自限温电伴热带。
 

　　恒功率电伴热带：其发热芯线电阻恒定，单位长度输出功率稳定，不随环境温度变化。通常需配合温控器使用，防止过热。其特点是功率密度高，适用于高寒、强负荷地区，使用寿命长。
 

　　自限温电伴热带：其发热芯体为高分子聚合物基质与导电微粒组成的并联电阻结构。聚合物受热膨胀，导致导电通路减少，电阻增大，功率自动下降；反之，温度降低时收缩，导电通路增加，功率上升。这种自我调节能力使其能适应天沟内温度分布不均的情况，并具备一定的防过热能力，安装时可交叉重叠。
 

　　2.2 配电单元
 

　　配电单元包括电源接线盒、中间接线盒、尾端接线盒、温度传感器及配电回路保护装置(断路器、漏电保护器)。电源接线盒将主电缆与电伴热带连接；中间接线盒用于伴热带分支或延长；尾端密封盒确保伴热带末端电气绝缘。所有接线盒防护等级不低于IP65，以适应户外潮湿环境。断路器提供过流保护，漏电保护器(额定动作电流≤30mA)提供人身安全与防漏电火灾保护。
 

　　2.3 控制单元
 

　　控制单元根据环境条件自动启停系统，实现节能运行。主要控制策略有：
 

　　温度控制：通过布置在天沟内的温度传感器，当探测到温度低于设定启始值(通常为+2°C至+5°C)且存在降水条件时启动系统，高于设定停止值(通常为+5°C至+8°C)时关闭。
 

　　温度-湿度(积雪)复合控制：在温度控制基础上，增加湿度传感器或雪传感器。当温度低于设定值且传感器检测到湿度升高(预示降雪、冻雨)或直接探测到积雪时，系统才启动。此方式节能效果明显。
 

　　手动控制：作为自动控制的备份或检修模式。
 

　　2.4 保温与防护材料
 

　　电伴热系统产生的热量一部分用于融雪化冰，另一部分会通过热传导、对流和辐射散失。在天沟外侧及落水管外壁敷设保温层(如橡塑保温棉、岩棉管壳)，可有效减少热损失，提高系统能效，降低运行成本。防护材料主要指用于固定电伴热带的铝箔胶带、不锈钢扎带或专用卡扣，以及保护电伴热带免受机械损伤的金属盖板或防护罩。
 

　　3. 设计计算
 

　　科学的设计计算是确保系统有效、安全、经济运行的基础。
 

　　3.1 热损失计算
 

　　维持天沟与落水管内表面温度高于冰点所需的最小加热功率，由补偿其向环境散失的热量决定。单位长度热损失Q(W/m)可按简化公式估算：
 

　　Q = (2πλ(T_m - T_a)) / ln(D_o/D_i) + h_c * π * D_o * (T_s - T_a) + εσπD_o(T_s^4 - T_a^4)
 

　　其中，λ为保温材料导热系数(W/(m·K))，T_m为维持温度(通常取+1°C至+3°C)，T_a为低环境设计温度(℃)，D_o、D_i为保温层外径与伴热带安装管外径(m)，h_c为外表面对流换热系数(W/(m²·K))，T_s为保温层外表面温度(℃)，ε为表面发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。
 

　　实际工程中，常采用经验数据或软件模拟。对于无保温的金属天沟，在特定低温风速下，热损失可达50-100 W/m²；加装保温后，可大幅降低。
 

　　3.2 伴热带选型与敷设设计
 

　　选型：根据计算所得单位长度所需维持功率，选择标称功率密度相匹配的伴热带。通常，天沟内功率密度选型范围为30-50 W/m，落水管内为20-40 W/m。自限温伴热带需注意其启动电流(可为稳态电流的2-3倍)对配电的影响。
 

　　敷设方式：
 

　　天沟内：通常沿天沟底部中心线或两侧单根或多根平行直铺。对于宽天沟(如宽度>300mm)，建议敷设双回路或“之”字形敷设，以确保热量分布均匀，消除冷区。
 

　　落水管内：单根伴热带沿管内壁垂下，或缠绕于排水管内的导流绳上。确保伴热带能直达落水管底部出口，防止出口冻结堵塞。
 

　　回路长度计算：考虑伴热带标称功率、线路电压、启动电流及电压降。单相回路最大允许长度L_max由公式L_max = ΔU * 1000 * V_n / (2 * I * R_0) 限制，其中ΔU为允许电压降百分比，V_n为额定电压，I为回路电流，R_0为单位长度导体电阻。通常，单回路长度不宜超过100米。
 

　　3.3 电气设计
 

　　负荷计算：总功率P_total = Σ(各段伴热带长度 × 功率密度)。计算总电流I_total = P_total / V_n，并考虑同时使用系数(通常取1，因系统可能全部同时启动)。
 

　　配电保护：断路器额定电流I_CB ≥ 1.25 × I_total。对于自限温伴热带，需考虑启动电流，I_CB应大于启动电流。
 

　　接地与等电位联结：所有金属天沟、接线盒外壳、防护罩需可靠接地。必要时，进行局部等电位联结，防雷电感应。
 

　　4. 安装工艺要点
 

　　规范的安装是系统长期稳定运行的保障。
 

　　4.1 安装前检查
 

　　确认天沟、落水管安装牢固，无尖锐毛刺、焊渣。清理内部杂物、灰尘。检查伴热带绝缘电阻，用500VDC兆欧表测量，线芯与屏蔽层间电阻应≥20MΩ。
 

　　4.2 伴热带敷设与固定
 

　　伴热带应紧贴待加热表面(天沟底或管壁)，以加大化热传导。
 

　　使用耐高温铝箔胶带沿伴热带全长粘贴固定，增强热接触并作为机械固定初级层。外层再用不锈钢扎带或专用卡扣每隔300-500mm固定。禁止使用普通塑料扎带，因其易老化断裂且不耐温。
 

　　伴热带可交叉，但禁止重叠(自限温伴热带允许有限重叠)。转弯处弯曲半径应不小于其直径的5倍。
 

　　穿越天沟伸缩缝或建筑结构缝时，应预留“Ω”形伸缩弯，防止因热胀冷缩或结构位移拉断伴热带。
 

　　4.3 电气连接与防护
 

　　在防水接线盒内进行电源连接，确保导线连接牢固，使用符合电流等级的铜接线端子压接。
 

　　做好接线盒的密封，进线口使用橡胶密封圈紧固。
 

　　温度传感器应安装在能代表天沟整体温度状况的位置，远离伴热带直接加热点，通常固定在天沟背阴侧内壁，并用保温材料覆盖传感器本体，仅露感温头。
 

　　所有外露的伴热带、电缆，在可能受机械损伤的部位(如天沟边缘、检查口)，应加装金属套管或防护板。
 

　　4.4 保温层施工
 

　　待天沟融雪电伴热系统安装检测完毕，再敷设保温层。保温层应完整包裹天沟外壁及落水管，接缝严密，并用防水胶带密封，防止水汽侵入降低保温性能。对于落水管，可使用剖分式保温管壳方便安装。
 

　　5. 调试、运行与维护
 

　　5.1 系统调试
 

　　初次送电前，再次测量绝缘电阻。分回路逐次送电，观察启动电流及稳态电流是否与设计值相符。测试控制单元：模拟低温、加湿(或积雪)信号，检查对应回路是否正常启动；温度升高至停止设定值或取消模拟信号后，系统是否正常关闭。检查伴热带表面温度分布，应无明显过热点或冷区。
 

　　5.2 运行监测
 

　　系统通常自动运行。应记录季节性运行时的能耗数据，观察融雪效果。通过监控电流值的变化，可辅助判断系统工作状态：电流持续异常偏低，可能存在伴热带断路或部分损坏；电流异常偏高，可能存在短路或局部过载。
 

　　5.3 定期维护
 

　　每年入冬前：进行预防性检查。清理天沟及落水管内积存的树叶、杂物。目视检查伴热带外护套有无破损、老化，固定件是否松动。测量各回路绝缘电阻。测试控制传感器及执行机构功能。
 

　　融雪季中：巡检系统运行情况，特别是大雪、冻雨天气后，查看关键部位是否有冰雪残留。
 

　　冬季结束后：可关闭系统主电源，但建议保持控制电路通电，以便进行必要的功能测试和气候数据记录。
 

　　故障处理：常见故障包括断路器跳闸(检查短路、过载、漏电)、局部不热(伴热带断路或损伤)、温控失灵(传感器故障或设定错误)。故障定位可使用万用表、摇表和故障定位仪。
 

　　6. 安全与节能考量
 

　　6.1 安全规范
 

　　系统设计安装必须遵守国家电气规范(如GB 50303《建筑电气工程施工质量验收规范》)、防雷接地规范及相关建筑规范。所有电气部件应具备相应的认证(如CE、CCC)。户外部分必须达到规定的防水防尘等级(IP65以上)。金属构件需防腐处理。
 

　　6.2 节能措施
 

　　优化控制策略：优先采用温度-湿度复合控制，避免在低温无降水时无谓运行。
 

　　合理设置温度点：根据当地气候微调启停温度，避免过早启动或过晚停止。
 

　　确保保温质量：高质量的保温是降低系统持续热损失、减少运行时间的关键。
 

　　利用分时分区控制：对于大型建筑，可根据朝向、风速将天沟分区，独立控制，阳光充足或背风区域可延迟启动或提前关闭。