北方屋顶太阳能融雪技术.doc

北方屋顶太阳能融雪技术
的可行性研究与分析*
赵嵩颖1 徐鹏2
（1:吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春130118 ;2:吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春130118）
摘要：太阳能的利用是衡量绿色建筑的重要指标之一，本文从积雪对建筑的影响、太阳能的采集、太阳能融雪的方法、太阳能融雪的可行性等对太阳能融雪技术进行探讨和研究。
关键词： 太阳能; 融雪 ; 节能
中图分类号： 文献标志码 ： A 文章编号： 1009-0185（2014）00-0000-00

The feasibility study and analysis of solar snowmelt Technology North roof
ZHAO Songying1 XU Peng2
(1.school of Municipal and Environmental Engineering ,Jilin JianZhu University ,Changchun,China, 130118;2.school of Electrical and Electronic Information ,Jilin JianZhu University ,Changchun,China, 130118;)
Abstract：The use of solar energy is one of the important indexes of green building, this paper  from the snow influence on architecture, solar energy collection, solar energy, solar snowmelt snowmelt method feasibility of solar energy technology for the discussion and Research on the snow.
Keywords:Solar energy; Snowmelt; Energy saving

0引言
我国每年北方新竣工的建筑面积为12亿平方米，屋面积雪以及天沟内雪荷载、雪堆积的情况，对建筑结构产生了巨大影响。以100㎡的平面屋顶为例，积雪一尺厚（相当于33cm），就会承受超过3—5吨的重压。这等于一只成年大象的重量，从而极容易造成暴雪天房屋倒塌的事故。
同时冰雪融化时，屋檐经常出现挂冰溜现象，冰溜长度可达到一米，重十几公斤，冰溜断裂坠下十分常见，经常危及屋檐下行人的安全与生命，仅靠人力进行建筑屋顶融雪既不安全也不现实，且浪费人力资源，在当前人工费较高的情况下十分不经济。太阳能是一种高能量、绿色、环保的新型能源如充分、有效利用太阳能进行建筑屋顶融雪，既可减少因屋顶雪荷载而对建筑物的危害，又可保护人民生命财产的安全，是一种高效节能的新技术。

1.屋顶太阳能融雪技术

屋顶太阳能融雪技术是将发热电缆敷设于屋顶，利用太阳能光伏发电装置，将太阳能转化为电能，再把电能由发热电缆转化为热能，即：太阳能→电能→热能三者之间的转化，从而达到融雪的目的，图1为太阳能发热电缆融雪图。

1.1太阳能融雪技术参数选择
在保证电缆安全工作的前提下，考虑要提高屋顶融雪效果，又要节约能源，北方屋顶电缆的铺设间距设为50mm ,单位面积铺装发热电缆的功率为250～400W/m2（220V），冬季屋顶的北坡面，易受冷空气及风力影响，可在发热电缆下铺设隔热材料。这样，即可降低运行费用，又能缩短加热时间【1】。
发热电缆型号选用DCR-17型，此种电缆可用于坡道的融雪化冰,具有较高的安全性，为单导可裁式电缆，表面最高温度为65℃，线性负荷为17W/m（220V）。其结构组成为发热导线（两端为冷导线）、绝缘层、接地线、全封闭铅屏蔽层、外护套，图2为DCR-17型可裁式发热电缆结构示意图（图中：为PVC护套，‚为金属屏蔽护套，ƒ为交联聚乙烯绝缘层，④为合金发热丝）。

1.2施工步骤
发热电缆融雪技术的施工步骤包括，隔热保温层的铺设、反射层的铺设、低碳钢丝网的铺设、发热电缆的铺设，其施工图见图3。

图1 太阳能发热电缆融雪图 图2 DCR-17型可裁式发热电缆结构图 图3 发热电缆融雪施工示意图
隔热保温层可以保证单向传递热量，最大限度的减少热量损失；反射层的铺设使热量向上传递，高效融雪；在反射层上铺设低碳钢丝网，一方向加固发热电缆，另一方面可以阻止发热电缆嵌入到绝热材料中，影响融雪效果；发热电缆的铺设是屋顶融雪技术的关键，其施工中要和相关专业技术人员紧密配合，避免和土建、水暖、电气等专业发生冲突，不与屋顶的接闪带，排水管等发生冲突。
2.太阳能融雪技术的可行性分析

2.1太阳能采集可行性研究
屋顶太阳能融雪技术最关键的环节就是太阳能的有效采集。吉林、辽宁、天津、北京等地为太阳能辐射量三类地区，全年日照时数为2200-3OOOh。每年每平方米面积上接受太阳的辐射总量为5016-5852MJ ，相当于170-200kg标准煤燃烧所发出的热量。
影响太阳能采集效率的因素主要有以下四点：（1）太阳能接收板与屋顶的夹角；（2）太阳能接收板的受热面积；（3）太阳辐射强度,即单位面积的表面上,在单位时间内获得的太阳辐射能量；（4）太阳光线对于地平面的交角,即太阳在当地的仰角.当地的地理纬度；
以吉林省平板型太阳能集热器为例，对最佳方位角的确定进行分析.
地表水平面太阳辐射强度
（1）
其中：为地球大气层外的太阳辐射强度（W/m）, = 其中为太阳常数（1353W/m）；为太阳直射透射率；为太阳散射透射率；为太阳高度角。
地表倾斜面上太阳辐射强度的计算：
（2）
式中：G为倾斜面上太阳辐射强度（W/m）；
；为倾斜面与水平面上受到的直射辐射量的比，称为修正因子；为该地地理纬度；为集热器的方位角；为集热器的倾斜角。
某一段时间（）内，地表倾斜面上晴天太阳辐射量：
（3）
式中：H为某一段时间地表倾斜面上晴天太阳辐射量（J/m）； 为积分下限，和分别为两个时刻的太阳时角，为当日倾斜面日出时角，为当日倾斜面日落时角。
如仅以吉林省为算例， 通过以上公式数据计算分析可得出如下结论，平板型集热器最佳朝向为南朝向，冬季采用太阳能集热系统，最佳倾角在（55°，75°）范围内【2】。
2.2经济可行性分析
为达到理想的融雪效果，屋顶单位面积铺装发热电缆功率应为300W/㎡（220V）。选用DCR-17型发热电缆，其发热功率为17W/m（220V），以一个100㎡的屋顶为例，屋顶融雪技术共需30热功率，1765m长的发热电缆。
单导可裁式发热电缆每米17元，敷设100m²的屋顶发热电缆总造价为Z=17×1765=30000元左右。30的太阳能光伏发电装置，市场价格为40000元左右。
故敷设一套太阳能发热电缆融雪装置的造价为750元/㎡左右，且循环使用，造价低且维护费用极低。
据中国民政部门统计，仅多层建筑，如遇到屋顶融雪垮塌事故，直接经济损失高达2万/㎡。故安装屋顶融雪系统，经济上是可行的。
2.3荷载分析
市场上各种品牌17W/米的发热电缆，重量不超过1KG/米，据此得出一个100㎡的屋顶，敷设可以达到理想效果的发热电缆，重量不会超过1800KG（1.8吨），而配套太阳能集热器的重量约为1000KG（1吨），重量总和远小于突降暴雪时3—5吨的重压，大大降低冬季屋顶的荷载。

3.结语
吉林省屋顶采用太阳能融雪技术，太阳能集热器朝南向放置，平板型集热器的倾角最佳范围为55°-75°内；发热电缆型号选用DCR-17；该融雪技术足可应对北方地区突降暴雪；可大大降低屋顶荷载，减少屋顶垮塌事故；屋顶太阳能融雪系统造价为750元/㎡，可循环使用，维护费极低，经济效果显著。

参考文献
[1] 高剑英.关于发热电缆坡道融雪施工工艺的探讨[J].中小企业管理与科技,2011(1):197.
[2] 刘庆,娄佳兵,刘春生. 吉林地区平板型太阳能集热器最佳位置的确定[J]. 农业装备技术,2007,33(4):42-43 .