建筑屋面天沟对降落在屋面上的雨水和冰雪融水排放起着重要作用, 是屋面排水系统的重要组成部分。而在我国北方部分地区, 在秋冬、冬春相交时节, 其屋面天沟冰雪融水的及时排放就显得更为重要, 它将直接影响到屋面排水系统的可靠性, 建筑及人身安全。针对此类问题, 本文就我国北方地区建筑屋面天沟融雪系统的设计进行分析, 供设计参考。

　　 提及屋面天沟排水, 我们不难联想到上世纪50年代设计的大型多跨工业厂房屋面的天沟排水, 那时的天沟大都以变形缝、沉降缝为分水线坡向屋顶的两侧, 考虑到结构和施工的可能性, 天沟内的水流长度大都不大于50 m。为防止天沟及雨水斗等处漏水导致屋面结构损害、影响建筑功能及安全, 当时的国家规范要求屋面天沟应尽量采用外排水。因此那个年代的大型多跨建筑屋面在设计中往往采用边跨为外排水、中跨为内排水的综合排水设计方案。与此同时在我国的北方部分采暖地区, 由于室内采暖设计温度不同, 屋面天沟各处的冰雪融水速度也有所不同, 曾出现设计中将雨水斗尽量设置在冰雪融水速度较快的部位, 以便及时排走天沟内的冰雪融水, 这种做法在当时也曾起到一定的效果。因此不难看出, 早在20世纪50年代对屋面天沟漏水和防止冻融引起的危害已有足够的重视。随着国家改革开放和城市建设的发展, 许多大型屋面的工业与民用建筑设置天沟排水已司空见惯, 笔者曾对大连某园区做过工程走访, 该园区的轻钢结构及钢结构建筑, 不论屋面是否设置雨水天沟, 其雨水斗处大都漏水, 给工作和生产带来很大不便。因此保证屋面天沟排水系统功能可靠, 再次引起广大设计人员的关注。

　　 众所周知, 屋面天沟排水系统的功能是汇集雨水和冰雪融水, 并使其保持有序的排放通道。在我国的北方部分地区, 当出现寒冷雨雪天气时, 由于昼夜温差较大, 正午时间阳光充足, 屋面积雪开始融化, 雪水缓缓流入屋面天沟内;夜晚气温骤降, 天沟内尚存的冰雪融水就会渐渐冻结, 在天沟内形成冰坝, 导致后续的冰雪融水难以排放, 这种状况时间久了, 天沟内就会形成积冰 (见图1) 。

　　 积冰的形成一方面会加大屋面的局部荷载, 另一方面由于积冰形成的体积膨胀, 造成天沟局部结构变形, 坡屋面还会形成爬冰现象, 这将导致屋面防水层遭到破坏和天沟漏水, 严重影响了建筑安全和功能使用。特别是屋面天沟内雨水斗口部积冰产生的冻融过程, 会给屋面带来更大的漏水隐患。而屋面边天沟则会因冰雪融水溢流形成冰挂, 带来更可怕的潜在安全隐患 (见图2) 。另外, 连接屋面天沟的外排雨水管, 由于受气候影响也容易被冻裂。

　　 为了给屋面天沟冰雪融水提供通畅的排放通道, 避免天沟及雨水口因冻融导致的屋面渗漏及结构安全, 目前雨水排水设计出现了屋面天沟融雪的专用系统, 该系统针对国外屋面天沟冰雪融水形成的规律, 在进行大量分析统计后, 提出了屋面天沟融雪系统的适用条件:按当地多年日最大降雪量的算数平均值确定, 即年平均日降雪量在5mm以上, 年平均最低温度低于-2℃, 昼夜温差较大的地区, 可以考虑设计屋面天沟融雪系统。

　　 典型屋面天沟融雪系统主要由配电系统、融雪系统及控制系统组成 (见图3) 。

　　 配电系统:主要包括配电箱和配电电缆, 为融雪系统提供220V、50Hz电源, 是系统的能源供给者。

　　 融雪系统:主要包括伴热电缆, 相关连接附件及固定件, 伴热电缆以电为能源转换成热量融化天沟内和雨水口的冰雪, 是融雪系统的重要部件;连接附件自身为绝缘体, 用于伴热电缆与配电电缆、伴热电缆与伴热电缆间的连接;固定件用于伴热电缆在天沟中的固定。

　　 控制系统:主要包括控制器和传感器。控制器从传感器读取参数, 保证系统在设定的参数下适时开启和关闭系统, 从而使系统在满足使用功能的前提下, 最大限度节约系统运行费用;传感器设有温度传感器和湿度传感器, 从中读取温湿度信号, 为控制器提供控制参数。

　　 针对系统的组成, 设计中更应关注屋面天沟的布线原则。由于屋面天沟是雨水和冰雪融水的排放通道, 因此伴热电缆应明设布置在天沟底部, 而敷设的根数则与当地的气候条件和天沟的宽度有关, 目前的作法是根据计算机软件模拟实际环境条件进行, 经过近几年的工程实践证明, 这种作法是可行的。以目前工程上常用的33 W/m专用伴热电缆为例, 我国北方部分地区伴热电缆布置间距可在100~200mm, 结合环境条件, 纬度高的地区间距可以小些, 纬度低的地区间距可以大些。天沟内的每个雨水斗都有独立的连接管, 这些雨水斗和连接管也是不容忽视的伴热保温部位, 设计时可将这些部位和天沟融雪并为一个系统。具体作法可将伴热电缆由雨水斗口部进入雨水连接管, 连接管内设置伴热电缆的根数取决于环境最低温度。根据目前国外的工程实践经验, 当环境最低温度低于-23℃时, 连接管内敷设2根伴热电缆, 环境最低温度高于-23℃时, 连接管内敷设1根伴热电缆。

　　 2013年竣工的大连国际会议中心是大连市地标性建筑, 建筑面积15万m², 工程造价25亿元人民币, 由大连市建筑设计研究院有限公司设计, 设计使用年限为100年。屋面面积为3万多m², 形状为中间高、四周低的坡形屋面, 屋面设计了多道两端封闭的环形水平排水天沟, 天沟宽800 mm。工程地处大连东港, 贴临大海, 昼夜温差较大。现有气象资料最冷月平均最低温度为-8.2℃, 春季二月的平均气温为-2.86℃。由于大连地区与北京地区纬度接近, 设计时还参考了北京市年平均日降雪量峰值与重现期关系曲线 (见图4) 。

　　 由图4可知, 北京市平均1年有1次日降雪量可达11mm, 而平均10年则有1次日降雪量可达23mm, 这为该工程设计融雪系统提供了重要的参考依据。经技术分析后, 为防止天沟因冻融导致屋面开裂、漏水, 影响建筑安全和寿命, 设计院与专业公司共同完成了该工程屋面融雪系统设计。

　　 鉴于目前国内没有完善的融雪系统技术规范, 该系统在设计中主要参考了国家现行《低压配电设计规范》 (GB 5004-95) 、《电气装置安装工程施工及验收规范》 (GB 502 (54-59) -96) 、《电缆线路施工及验收规范》 (GB 50168-92) 。系统主要由配电柜、伴热电缆、伴热电缆连接附件、系统控制器等组成。系统形式采用在屋面天沟、雨水斗及连接管处敷设伴热电缆融雪方式。系统共设置了6组配电箱, 每组配电箱根据压降计算确定供电半径, 但不大于150m;800mm宽的天沟底面明装敷设5根伴热电缆, 每根伴热电缆间距150mm, 边侧伴热电缆距天沟内壁100mm;对于雨水斗连接管内的融雪, 设计中将1根伴热电缆 (1进1回) 由雨水斗口部进入连接管内, 贴壁对置敷设至1 000mm深处;系统控制器带有温度和湿度探测器, 当空气温度低于设定值且湿度探测器探测到雨雪信号时, 伴热电缆开始启动, 当空气温度高于设定值且湿度探测器探测到雨雪信号消失时, 伴热电缆断电。整个系统最关键的部件是伴热电缆的选择, 具体分析如下:

　　 (1) 明设于屋面天沟内的伴热电缆, 保证电气和消防安全使用是最重要的, 鉴于该建筑重要性, 伴热电缆设计选用了具有UL、FM国际认证的产品。

　　 (2) 考虑到伴热电缆在应用过程中的省电节能要求, 设计选用了具有自调温控功能的伴热电缆, 根据屋面天沟周围的环境温度变化自动改变自身的发热功率。

　　 (3) 当屋面材料为卷材时可视为有腐蚀性;当屋面材料为水泥或金属时可视为无腐蚀性。本工程屋面天沟为不锈钢材质, 不具备腐蚀性, 因此设计选用了非防腐型伴热电缆。

　　 (4) 由于伴热电缆在天沟内明设, 尚应考虑其良好的抗紫外线性能。

　　 天沟融雪的主要作用是保持天沟排水通畅, 系统在融雪时所需热功率的计算条件可归纳如下:

　　 (1) 伴热电缆处于冰水混合物中, 将冰雪融水在天沟中处于水的三相平衡点, 温度为0℃。

　　 (2) 环境温度不低于-10℃。

　　 (3) 空气的导热系数很小, 热损失可忽略不计;伴热电缆与天沟接触面积较小, 且下方屋面设有保温层, 向下传导热损失可忽略不计。

　　 (4) 融雪化冰过程的主要传热形式为对流和辐射。

　　 (5) 天沟表面的水在风流经时会因蒸发而吸收热量。

　　 综上分析, 融雪系统的需热功率按下式计算:

　　 式中Q———单位面积融雪化冰所需功率, W/m²;

　　 α———安全系数, 宜采用1.2;

　　 Q₁———对流散热量, W/m²;

　　 Q₂———辐射散热量, W/m²;

　　 Q₃———水蒸发散热量, W/m²。

　　 为方便计算, 工程设计中可根据厂家提供的产品样本参数直接查得。

　　 (1) 对流散热量Q₁见表1。本工程环境温度按-10℃考虑, 单位面积对流散热量Q₁=39.1 W/m²。

　　 (2) 辐射散热量Q₂见表2, 本工程环境温度按-10℃考虑, 单位面积辐射散热量Q₂=41.9W/m²。

　　 (3) 水蒸发散热量Q₃见表3。本工程天沟内风速按5m/s计、空气相对湿度按40%计, 单位面积水蒸发散热量Q₃=68.5 W/m²。

　　 由上述分析可知, 单位面积融雪化冰所需热量

　　 本工程天沟宽0.8 m, 每根伴热电缆间距0.15m, 共敷设5根伴热电缆, 每延米天沟面积0.8m², 所需功率180×0.8=144 (W) ;每延米天沟伴热电缆总长度为5m, 每米伴热电缆发热功率

　　 根据产品样本选择GM-2X融雪专用电缆, 该电缆0℃时发热功率为33 W/m, 见表4所示。

　　 优质的安装是保证融雪系统设计质量的重要措施, 设计中可注意以下事项:

　　 (1) 配电柜的电器安装、电路布置必须安全可靠, 可优先采用控制器和配电柜一体化设计, 区域相对集中控制。

　　 (2) 伴热电缆宜以天沟雨水口位置为中心, 按间距采用固定卡子和粘合剂将伴热电缆固定在天沟内。

　　 (3) 配电电缆沿屋面下的网架敷设, 从天沟侧壁穿孔进入室外天沟, 穿孔处需进行密封处理。

　　 (4) 温度传感器宜设置在北侧建筑屋面天沟内, 尽可能避开阳光直射。

　　 (5) 湿度传感器宜设置在天沟内雨水斗口部附近, 这通常是最低位置, 是雪水排出的地方。

　　 (6) 融雪系统的控制器应提供系统的显示状态和故障报警。

　　 (7) 连接附件应考虑露天使用对伴热电缆防护级别的要求, 可采用IP68的防护等级。

　　 大连国际会议中心工程屋面融雪系统已经过3个冬季的运行, 状况良好。该系统伴热电缆长度约为11 000m, 配电功率近400kW, 工程造价按供货方提供的材料及安装费用将近200万元。目前管理上是将该系统全部处于手动控制状态, 平时关闭, 极端天气到来时开启。

　　 屋面天沟融雪系统已成为建筑给水排水和建筑电气设计人员所面对的新设计领域, 其工作界面、责任分工尚未明确, 从工程设计来看, 屋面融雪系统还可广泛用于车站、机场、工业厂房、大型公建、体育设施等, 应逐渐成为提高建筑安全等级的重要设计配置。但由于目前融雪系统在国内尚缺乏设计依据, 给这项技术的应用带来不便, 本文可为日后进行的融雪系统设计起到借鉴作用, 并期待尽快出台融雪系统相关技术法规。