具有除冰功能的樓體排水系統的設計

楊波 喬明

摘 要：目前我國東北地區隨著冬季的到來，建筑物頂上經常有掛冰的現象，這使得人民生命安全和財產安全受到威脅。為了消除此隱患，提出了以石墨烯地暖薄膜為材料的改造方案，通過石墨烯地暖薄膜發熱來消除樓頂冰雪造成的危害，并根據節能理論設計了控制電路。

關鍵詞：除冰;排水系統;控制電路

1.引言

目前在我國東北地區大部分多層建筑的樓房雨雪水的排放還是采取樓體外層排放方式，每當冬季雨雪天氣的到來，都會產生樓頂掛冰的現象，這是由于暖和的時候樓頂的積雪會有部分融化，經排水槽和排水管流出，但是由于晝夜溫差大，排水槽和排水管中的水就會被凍在里面，長期就會被冰堵住，導致樓頂積水過多，產生冰凍現象，嚴重時墻體凍裂、墻體掛冰、給人民財產造成較大損失，給居民人身安全帶來威脅。為了解決現有排水不具有除冰功能而被凍壞或堵住的問題，提出了一種具有除冰功能的排水系統。

2.地熱膜高性能加熱材料

地熱膜（遠紅外低溫輻射地熱膜，也叫電熱膜）是由透明聚酯薄膜和石墨烯經高溫熱壓而制成的加熱元件，加熱元件通過電流產生熱量。由于電熱膜為純電阻元件，故其轉換效率高，除一小部分損失（2%），絕大部分（98%）被轉換成熱能且受熱均勻。

石墨烯是從石墨材料中提煉出來的，碳原子與碳原子之間依靠共價鍵相連接而形成蜂窩狀結構。石墨烯具有優異的導熱性能（3×103W/（m.K））和力學性能（1.06×103GPa）。石墨烯具有非常好的導電性能，還具有很強的強度。在石墨烯中，電子能夠高效的移動，由于電子和原子的相互碰撞和摩擦而產生的熱量，并以遠紅外輻射和對流的形式對外傳遞熱量，其中遠紅外輻射的熱能達65%以上，傳導的熱能達30%以上。石墨烯一直是材料中強度和硬度最高的晶體結構，其抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa。石墨烯的強度極限為42N/m2，理想石墨烯的強度是普通鋼的100倍，面積為1m2的石墨烯層片可承受4Kg的質量。石墨烯的室溫熱導率是室溫下銅的熱導率的10多倍，導熱系數高達5300W/m.K。這種產品具有高效、節能、經濟、無污染和溫度可控等特點。利用石墨烯的特殊結構，突出的導熱導電性能很多公司開發研究出來了石墨烯地暖薄膜，并在很多領域得到應用。

3.樓體排水系統的除冰功能改造方案

（1）樓體排水管的改造方案

具有除冰功能的排水管，如圖1所示。該排水管包括排水管帽1、m節排水管2、排水管接頭3和排水管彎頭4。

下面分別介紹各段管線的改造方法：

1）排水管帽：在排水管帽引水口的內底板到管帽接口處，涂上聚酯膠，然后將相應長度的石墨烯地暖薄膜貼到內壁上，電源接線一端從樓裙導水口引到樓裙內，下端由排水管帽梯形兩側引出（通過在無薄膜處鉆孔孔洞），再用膠堵住孔洞并做好接頭絕緣。

2）排水管：首先在排水管內壁均勻涂抹膠，然后用長臂工具把石墨烯地暖薄膜送進管內并貼牢，在管頭兩端各5cm處兩側打孔（不要打在薄膜上），把電源線分上下兩端引出，再用膠堵住孔洞并做好接頭絕緣。

3）排水管彎頭：首先在排水管彎頭內壁均勻涂抹膠，然后用工具把石墨烯地暖薄膜送進管內并貼牢，在管頭上端5cm處兩側打孔（不要打在薄膜上），把電源線引出，再用膠堵住孔洞并做好接頭絕緣。

上述工作完成后，把各段管材連接起來，再把電源線接頭擰緊，整體固定到相應的位置即可。

（2）樓裙內或導水槽除冰排水方案

多層建筑樓頂結構有分為有裙結構和無裙結構。在有裙結構的樓頂鋪設方案可以是全部面積鋪設，這種方案除雪效果較好，可以一次性完成全部除雪工作，但費用較高。另一方案是只在樓裙內側（或導水槽）四周鋪設，工作量小，費用較低，缺點是不能清除樓頂全部積雪。鋪設時首先打好底膠，然后把石墨烯地暖薄膜平滑貼牢，擰緊鏈接頭，做好接頭絕緣。

上面工作完成后，用電纜線接好各部份引出頭，電纜的另一端接入控制器。

4.加熱控制電路設計

現在各小區或單位一般由多棟樓房組成，冬季樓頂積雪情況有所不同，為了節約能源，采取分別控制方案，控制電路如圖2所示。

控制電路包括電壓表V、自耦變壓器（TS）、多路空氣開關（SBn）、多路保險管（FUn）和多路指示燈（HLn）。 多路負載（R2n）是指多個樓的石墨烯地暖薄膜負載。

自耦變壓器（TS）的輸入端通過單相空氣開關連接單相電源，自耦變壓器、單相空氣開關的容量可根據所帶負載大小來決定，自耦變壓器電壓調節范圍在220V到110V之間，其作用是為了節約能源，控制負載的電壓來達到控制溫度。每個空氣開關（SBn）控制一路負載，其型號選擇是根據各路負載的大小來決定。當合上此開關時相應負載工作，打開時相應負載停止工作。一個樓體的加熱負載可以分為幾路負載，可根據現場實際來決定。某路負載工作時相應指示燈（HLn）點亮，某路負載不工作時相應指示燈（HLn）熄滅，用以顯示各路的工作狀態。電壓表V測量自偶變壓器的輸出電壓值，用以顯示負載所加的電壓大小。保險管用以雙層過流保護，保護電流的大小由該路負載決定。控制箱體結構如圖3所示，QK為電源空氣開關，SBn為一路負載空氣開關，7為自偶變壓器調節旋鈕，V電壓表顯示屏。

5.結束語

具有除雪除冰功能的樓體排水系統通過實驗，其效果良好，可以很好的解決東北地區樓頂積冰和掛冰的問題。此系統工程施工簡單，造價較低，容易維護，使用費用也不高，可以推廣應用在較寒冷地區的多層建筑中。控制臺可對不同樓體分別加熱，實現了對不同樓體有效的除冰，同時對一個整體排水系統進行控制，避免了電能的浪費。

參考文獻：

[1]張長富.電路[M].北京：中國電力出版社，2008，

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