具有除冰功能的楼体排水系统的设计

杨波 乔明

摘 要：目前我国东北地区随着冬季的到来，建筑物顶上经常有挂冰的现象，这使得人民生命安全和财产安全受到威胁。为了消除此隐患，提出了以石墨烯地暖薄膜为材料的改造方案，通过石墨烯地暖薄膜发热来消除楼顶冰雪造成的危害，并根据节能理论设计了控制电路。

关键词：除冰;排水系统;控制电路

1.引言

目前在我国东北地区大部分多层建筑的楼房雨雪水的排放还是采取楼体外层排放方式，每当冬季雨雪天气的到来，都会产生楼顶挂冰的现象，这是由于暖和的时候楼顶的积雪会有部分融化，经排水槽和排水管流出，但是由于昼夜温差大，排水槽和排水管中的水就会被冻在里面，长期就会被冰堵住，导致楼顶积水过多，产生冰冻现象，严重时墙体冻裂、墙体挂冰、给人民财产造成较大损失，给居民人身安全带来威胁。为了解决现有排水不具有除冰功能而被冻坏或堵住的问题，提出了一种具有除冰功能的排水系统。

2.地热膜高性能加热材料

地热膜（远红外低温辐射地热膜，也叫电热膜）是由透明聚酯薄膜和石墨烯经高温热压而制成的加热元件，加热元件通过电流产生热量。由于电热膜为纯电阻元件，故其转换效率高，除一小部分损失（2%），绝大部分（98%）被转换成热能且受热均匀。

石墨烯是从石墨材料中提炼出来的，碳原子与碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。石墨烯具有优异的导热性能（3×103W/（m.K））和力学性能（1.06×103GPa）。石墨烯具有非常好的导电性能，还具有很强的强度。在石墨烯中，电子能够高效的移动，由于电子和原子的相互碰撞和摩擦而产生的热量，并以远红外辐射和对流的形式对外传递热量，其中远红外辐射的热能达65%以上，传导的热能达30%以上。石墨烯一直是材料中强度和硬度最高的晶体结构，其抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa。石墨烯的强度极限为42N/m2，理想石墨烯的强度是普通钢的100倍，面积为1m2的石墨烯层片可承受4Kg的质量。石墨烯的室温热导率是室温下铜的热导率的10多倍，导热系数高达5300W/m.K。这种产品具有高效、节能、经济、无污染和温度可控等特点。利用石墨烯的特殊结构，突出的导热导电性能很多公司开发研究出来了石墨烯地暖薄膜，并在很多领域得到应用。

3.楼体排水系统的除冰功能改造方案

（1）楼体排水管的改造方案

具有除冰功能的排水管，如图1所示。该排水管包括排水管帽1、m节排水管2、排水管接头3和排水管弯头4。

下面分别介绍各段管线的改造方法：

1）排水管帽：在排水管帽引水口的内底板到管帽接口处，涂上聚酯胶，然后将相应长度的石墨烯地暖薄膜贴到内壁上，电源接线一端从楼裙导水口引到楼裙内，下端由排水管帽梯形两侧引出（通过在无薄膜处钻孔孔洞），再用胶堵住孔洞并做好接头绝缘。

2）排水管：首先在排水管内壁均匀涂抹胶，然后用长臂工具把石墨烯地暖薄膜送进管内并贴牢，在管头两端各5cm处两侧打孔（不要打在薄膜上），把电源线分上下两端引出，再用胶堵住孔洞并做好接头绝缘。

3）排水管弯头：首先在排水管弯头内壁均匀涂抹胶，然后用工具把石墨烯地暖薄膜送进管内并贴牢，在管头上端5cm处两侧打孔（不要打在薄膜上），把电源线引出，再用胶堵住孔洞并做好接头绝缘。

上述工作完成后，把各段管材连接起来，再把电源线接头拧紧，整体固定到相应的位置即可。

（2）楼裙内或导水槽除冰排水方案

多层建筑楼顶结构有分为有裙结构和无裙结构。在有裙结构的楼顶铺设方案可以是全部面积铺设，这种方案除雪效果较好，可以一次性完成全部除雪工作，但费用较高。另一方案是只在楼裙内侧（或导水槽）四周铺设，工作量小，费用较低，缺点是不能清除楼顶全部积雪。铺设时首先打好底胶，然后把石墨烯地暖薄膜平滑贴牢，拧紧链接头，做好接头绝缘。

上面工作完成后，用电缆线接好各部份引出头，电缆的另一端接入控制器。

4.加热控制电路设计

現在各小区或单位一般由多栋楼房组成，冬季楼顶积雪情况有所不同，为了节约能源，采取分别控制方案，控制电路如图2所示。

控制电路包括电压表V、自耦变压器（TS）、多路空气开关（SBn）、多路保险管（FUn）和多路指示灯（HLn）。 多路负载（R2n）是指多个楼的石墨烯地暖薄膜负载。

自耦变压器（TS）的输入端通过单相空气开关连接单相电源，自耦变压器、单相空气开关的容量可根据所带负载大小来决定，自耦变压器电压调节范围在220V到110V之间，其作用是为了节约能源，控制负载的电压来达到控制温度。每个空气开关（SBn）控制一路负载，其型号选择是根据各路负载的大小来决定。当合上此开关时相应负载工作，打开时相应负载停止工作。一个楼体的加热负载可以分为几路负载，可根据现场实际来决定。某路负载工作时相应指示灯（HLn）点亮，某路负载不工作时相应指示灯（HLn）熄灭，用以显示各路的工作状态。电压表V测量自偶变压器的输出电压值，用以显示负载所加的电压大小。保险管用以双层过流保护，保护电流的大小由该路负载决定。控制箱体结构如图3所示，QK为电源空气开关，SBn为一路负载空气开关，7为自偶变压器调节旋钮，V电压表显示屏。

5.结束语

具有除雪除冰功能的楼体排水系统通过实验，其效果良好，可以很好的解决东北地区楼顶积冰和挂冰的问题。此系统工程施工简单，造价较低，容易维护，使用费用也不高，可以推广应用在较寒冷地区的多层建筑中。控制台可对不同楼体分别加热，实现了对不同楼体有效的除冰，同时对一个整体排水系统进行控制，避免了电能的浪费。

参考文献：

[1]张长富.电路[M].北京：中国电力出版社，2008，

[2]汤蕰璆，史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社，2000，