1. 引言
 

　　在寒冷及嚴寒地區(qū)，冬季降雪在建筑物屋頂天溝內積聚并轉化為冰，由此產生的荷載與凍脹效應可能對建筑結構造成損傷。冰壩形成后，融水在防水層上滲透，導致建筑內部發(fā)生滲漏。電伴熱系統(tǒng)作為一種主動融雪化冰技術，通過電能轉化為熱能，直接提高天溝及落水管內溫度，防止冰雪堆積，保障排水系統(tǒng)暢通。本文旨在系統(tǒng)闡述天溝融雪電伴熱系統(tǒng)的組成、設計計算、安裝工藝及運行控制方法。
 

　　2. 系統(tǒng)組成與工作原理
 

　　天溝融雪電伴熱系統(tǒng)由發(fā)熱單元、配電單元、控制單元及保溫與防護材料構成。
 

　　2.1 發(fā)熱單元
 

　　發(fā)熱單元的核心部件是電伴熱帶。應用于天溝融雪的電伴熱帶主要分為兩種類型：恒功率電伴熱帶與自限溫電伴熱帶。
 

　　恒功率電伴熱帶：其發(fā)熱芯線電阻恒定，單位長度輸出功率穩(wěn)定，不隨環(huán)境溫度變化。通常需配合溫控器使用，防止過熱。其特點是功率密度高，適用于高寒、強負荷地區(qū)，使用壽命長。
 

　　自限溫電伴熱帶：其發(fā)熱芯體為高分子聚合物基質與導電微粒組成的并聯電阻結構。聚合物受熱膨脹，導致導電通路減少，電阻增大，功率自動下降；反之，溫度降低時收縮，導電通路增加，功率上升。這種自我調節(jié)能力使其能適應天溝內溫度分布不均的情況，并具備一定的防過熱能力，安裝時可交叉重疊。
 

　　2.2 配電單元
 

　　配電單元包括電源接線盒、中間接線盒、尾端接線盒、溫度傳感器及配電回路保護裝置(斷路器、漏電保護器)。電源接線盒將主電纜與電伴熱帶連接；中間接線盒用于伴熱帶分支或延長；尾端密封盒確保伴熱帶末端電氣絕緣。所有接線盒防護等級不低于IP65，以適應戶外潮濕環(huán)境。斷路器提供過流保護，漏電保護器(額定動作電流≤30mA)提供人身安全與防漏電火災保護。
 

　　2.3 控制單元
 

　　控制單元根據環(huán)境條件自動啟停系統(tǒng)，實現節(jié)能運行。主要控制策略有：
 

　　溫度控制：通過布置在天溝內的溫度傳感器，當探測到溫度低于設定啟始值(通常為+2°C至+5°C)且存在降水條件時啟動系統(tǒng)，高于設定停止值(通常為+5°C至+8°C)時關閉。
 

　　溫度-濕度(積雪)復合控制：在溫度控制基礎上，增加濕度傳感器或雪傳感器。當溫度低于設定值且傳感器檢測到濕度升高(預示降雪、凍雨)或直接探測到積雪時，系統(tǒng)才啟動。此方式節(jié)能效果明顯。
 

　　手動控制：作為自動控制的備份或檢修模式。
 

　　2.4 保溫與防護材料
 

　　電伴熱系統(tǒng)產生的熱量一部分用于融雪化冰，另一部分會通過熱傳導、對流和輻射散失。在天溝外側及落水管外壁敷設保溫層(如橡塑保溫棉、巖棉管殼)，可有效減少熱損失，提高系統(tǒng)能效，降低運行成本。防護材料主要指用于固定電伴熱帶的鋁箔膠帶、不銹鋼扎帶或專用卡扣，以及保護電伴熱帶免受機械損傷的金屬蓋板或防護罩。
 

　　3. 設計計算
 

　　科學的設計計算是確保系統(tǒng)有效、安全、經濟運行的基礎。
 

　　3.1 熱損失計算
 

　　維持天溝與落水管內表面溫度高于冰點所需的最小加熱功率，由補償其向環(huán)境散失的熱量決定。單位長度熱損失Q(W/m)可按簡化公式估算：
 

　　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為保溫材料導熱系數(W/(m·K))，T_m為維持溫度(通常取+1°C至+3°C)，T_a為低環(huán)境設計溫度(℃)，D_o、D_i為保溫層外徑與伴熱帶安裝管外徑(m)，h_c為外表面對流換熱系數(W/(m²·K))，T_s為保溫層外表面溫度(℃)，ε為表面發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數。
 

　　實際工程中，常采用經驗數據或軟件模擬。對于無保溫的金屬天溝，在特定低溫風速下，熱損失可達50-100 W/m²；加裝保溫后，可大幅降低。
 

　　3.2 伴熱帶選型與敷設設計
 

　　選型：根據計算所得單位長度所需維持功率，選擇標稱功率密度相匹配的伴熱帶。通常，天溝內功率密度選型范圍為30-50 W/m，落水管內為20-40 W/m。自限溫伴熱帶需注意其啟動電流(可為穩(wěn)態(tài)電流的2-3倍)對配電的影響。
 

　　敷設方式：
 

　　天溝內：通常沿天溝底部中心線或兩側單根或多根平行直鋪。對于寬天溝(如寬度>300mm)，建議敷設雙回路或“之”字形敷設，以確保熱量分布均勻，消除冷區(qū)。
 

　　落水管內：單根伴熱帶沿管內壁垂下，或纏繞于排水管內的導流繩上。確保伴熱帶能直達落水管底部出口，防止出口凍結堵塞。
 

　　回路長度計算：考慮伴熱帶標稱功率、線路電壓、啟動電流及電壓降。單相回路最大允許長度L_max由公式L_max = ΔU * 1000 * V_n / (2 * I * R_0) 限制，其中ΔU為允許電壓降百分比，V_n為額定電壓，I為回路電流，R_0為單位長度導體電阻。通常，單回路長度不宜超過100米。
 

　　3.3 電氣設計
 

　　負荷計算：總功率P_total = Σ(各段伴熱帶長度 × 功率密度)。計算總電流I_total = P_total / V_n，并考慮同時使用系數(通常取1，因系統(tǒng)可能全部同時啟動)。
 

　　配電保護：斷路器額定電流I_CB ≥ 1.25 × I_total。對于自限溫伴熱帶，需考慮啟動電流，I_CB應大于啟動電流。
 

　　接地與等電位聯結：所有金屬天溝、接線盒外殼、防護罩需可靠接地。必要時，進行局部等電位聯結，防雷電感應。
 

　　4. 安裝工藝要點
 

　　規(guī)范的安裝是系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的保障。
 

　　4.1 安裝前檢查
 

　　確認天溝、落水管安裝牢固，無尖銳毛刺、焊渣。清理內部雜物、灰塵。檢查伴熱帶絕緣電阻，用500VDC兆歐表測量，線芯與屏蔽層間電阻應≥20MΩ。
 

　　4.2 伴熱帶敷設與固定
 

　　伴熱帶應緊貼待加熱表面(天溝底或管壁)，以加大化熱傳導。
 

　　使用耐高溫鋁箔膠帶沿伴熱帶全長粘貼固定，增強熱接觸并作為機械固定初級層。外層再用不銹鋼扎帶或專用卡扣每隔300-500mm固定。禁止使用普通塑料扎帶，因其易老化斷裂且不耐溫。
 

　　伴熱帶可交叉，但禁止重疊(自限溫伴熱帶允許有限重疊)。轉彎處彎曲半徑應不小于其直徑的5倍。
 

　　穿越天溝伸縮縫或建筑結構縫時，應預留“Ω”形伸縮彎，防止因熱脹冷縮或結構位移拉斷伴熱帶。
 

　　4.3 電氣連接與防護
 

　　在防水接線盒內進行電源連接，確保導線連接牢固，使用符合電流等級的銅接線端子壓接。
 

　　做好接線盒的密封，進線口使用橡膠密封圈緊固。
 

　　溫度傳感器應安裝在能代表天溝整體溫度狀況的位置，遠離伴熱帶直接加熱點，通常固定在天溝背陰側內壁，并用保溫材料覆蓋傳感器本體，僅露感溫頭。
 

　　所有外露的伴熱帶、電纜，在可能受機械損傷的部位(如天溝邊緣、檢查口)，應加裝金屬套管或防護板。
 

　　4.4 保溫層施工
 

　　待天溝融雪電伴熱系統(tǒng)安裝檢測完畢，再敷設保溫層。保溫層應完整包裹天溝外壁及落水管，接縫嚴密，并用防水膠帶密封，防止水汽侵入降低保溫性能。對于落水管，可使用剖分式保溫管殼方便安裝。
 

　　5. 調試、運行與維護
 

　　5.1 系統(tǒng)調試
 

　　初次送電前，再次測量絕緣電阻。分回路逐次送電，觀察啟動電流及穩(wěn)態(tài)電流是否與設計值相符。測試控制單元：模擬低溫、加濕(或積雪)信號，檢查對應回路是否正常啟動；溫度升高至停止設定值或取消模擬信號后，系統(tǒng)是否正常關閉。檢查伴熱帶表面溫度分布，應無明顯過熱點或冷區(qū)。
 

　　5.2 運行監(jiān)測
 

　　系統(tǒng)通常自動運行。應記錄季節(jié)性運行時的能耗數據，觀察融雪效果。通過監(jiān)控電流值的變化，可輔助判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)：電流持續(xù)異常偏低，可能存在伴熱帶斷路或部分損壞；電流異常偏高，可能存在短路或局部過載。
 

　　5.3 定期維護
 

　　每年入冬前：進行預防性檢查。清理天溝及落水管內積存的樹葉、雜物。目視檢查伴熱帶外護套有無破損、老化，固定件是否松動。測量各回路絕緣電阻。測試控制傳感器及執(zhí)行機構功能。
 

　　融雪季中：巡檢系統(tǒng)運行情況，特別是大雪、凍雨天氣后，查看關鍵部位是否有冰雪殘留。
 

　　冬季結束后：可關閉系統(tǒng)主電源，但建議保持控制電路通電，以便進行必要的功能測試和氣候數據記錄。
 

　　故障處理：常見故障包括斷路器跳閘(檢查短路、過載、漏電)、局部不熱(伴熱帶斷路或損傷)、溫控失靈(傳感器故障或設定錯誤)。故障定位可使用萬用表、搖表和故障定位儀。
 

　　6. 安全與節(jié)能考量
 

　　6.1 安全規(guī)范
 

　　系統(tǒng)設計安裝必須遵守國家電氣規(guī)范(如GB 50303《建筑電氣工程施工質量驗收規(guī)范》)、防雷接地規(guī)范及相關建筑規(guī)范。所有電氣部件應具備相應的認證(如CE、CCC)。戶外部分必須達到規(guī)定的防水防塵等級(IP65以上)。金屬構件需防腐處理。
 

　　6.2 節(jié)能措施
 

　　優(yōu)化控制策略：優(yōu)先采用溫度-濕度復合控制，避免在低溫無降水時無謂運行。
 

　　合理設置溫度點：根據當地氣候微調啟停溫度，避免過早啟動或過晚停止。
 

　　確保保溫質量：高質量的保溫是降低系統(tǒng)持續(xù)熱損失、減少運行時間的關鍵。
 

　　利用分時分區(qū)控制：對于大型建筑，可根據朝向、風速將天溝分區(qū)，獨立控制，陽光充足或背風區(qū)域可延遲啟動或提前關閉。