路面有積雪、結(jié)冰給道路暢通和行車(chē)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，15 % 左右的交通事故與道路積雪有關(guān)。 目前廣泛采用的化學(xué)融雪方法( 即撒鹽或者其他化合物)有許多負(fù)面效應(yīng)：鋼筋銹蝕、剝蝕路面及隔離墩；腐蝕排水管道；破壞土壤生態(tài)環(huán)境。融雪鹽的使用已在世界范圍內(nèi)造成嚴(yán)重危害并帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此尋求其他形式的融雪化冰方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。熱力學(xué)融雪法原理簡(jiǎn)單而且不會(huì)造成污染，成為路面融雪化冰措施之一熱力學(xué)法用于路面融雪化冰的研究先后經(jīng)歷了采用地?zé)、太?yáng)能蓄熱系統(tǒng)，以及導(dǎo)電混凝土等技術(shù)；但地?zé)岱ㄊ艿綗嵩聪拗疲?yáng)能蓄熱系統(tǒng)成本過(guò)高，導(dǎo)電混凝土在電壓控制技術(shù)上存在間題，使這幾種融雪技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中受到限制。尋找到安全、理想以及工程適用的熱源成為熱力學(xué)融雪方法的關(guān)鍵。由于發(fā)熱電纜具有安全、耐用( 壽命長(zhǎng)達(dá)50 a) 、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，將愷裝發(fā)熱電纜置于瀝青混凝土中有很好的抗壓性能因此，利用發(fā)熱電纜進(jìn)行融雪化冰熱量可以保證，是一種安全、可靠的融雪化冰手段。發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰在國(guó)外( 如北歐國(guó)家) 已有應(yīng)用，但對(duì)工程應(yīng)用一些主要的問(wèn)題( 包括如何進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì))沒(méi)有見(jiàn)到有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和報(bào)導(dǎo)。由于不同國(guó)家具有各自的地理、氣候特征以及道路施工的規(guī)范，不能簡(jiǎn)單引進(jìn)、照抄國(guó)外的設(shè)計(jì)規(guī)范。
1．發(fā)熱電纜道路融雪化冰實(shí)驗(yàn)裝置
發(fā)熱電纜融雪化冰實(shí)驗(yàn)試件完全按照公路材質(zhì)和工藝進(jìn)行制作，先將瀝青混凝土層按照表1中的結(jié)構(gòu)要求，將底層和中層采用It小型平板震動(dòng)夯壓實(shí)成形后，按如圖1所示的工藝鋪設(shè)發(fā)熱電纜，最后將表面層成形，中層和表面層壓實(shí)度大于95 %，然后選擇室外比較空曠的地面，在地面上鋪設(shè)面積為1擴(kuò)，厚度為0。lm的二灰碎石并壓實(shí)，將試件置于該二灰碎石上。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，試件除上表面裸露在空氣外，其余各表面采用0。05m 厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。為增強(qiáng)保溫效果，將泡沫塑料板與試件的接縫處用水泥灌漿。成形后的試件尺寸如圖2 所示。本實(shí)驗(yàn)采用韓國(guó)LG 公司生產(chǎn)的愷裝發(fā)熱電纜，單位面積的鋪裝功率為270 W，其產(chǎn)品特性如下: 單位長(zhǎng)度的融雪電纜功率為35W，電纜表面最高溫度可達(dá)120 ℃ ，電纜實(shí)驗(yàn)樣品具有可承受載重車(chē)輛25t的抗壓性能。
表1 瀝青混凝土結(jié)構(gòu)
|
表1 瀝青混凝土結(jié)構(gòu)
|
|
名稱(chēng)
|
厚度/mm
|
材料
|
骨料最大顆粒徑/mm
|
|
底層
|
70
|
中粒式
|
31.5
|
|
中層
|
50
|
SMA改性瀝青
|
25.0
|
|
面層
|
50
|
SMA改性瀝青
|
16.0
|
圖１ 試件中所鋪設(shè)發(fā)熱電纜照片
圖２ 試件的尺寸及組成示意圖
為了測(cè)量試件的各處的溫度變化，測(cè)點(diǎn)的布置主要分為試件表面測(cè)點(diǎn)布置和試件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布置，試件內(nèi)部測(cè)點(diǎn)深度為距試件表面50mm ，具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。 測(cè)溫裝置采用愷裝銅一康銅熱電偶，測(cè)溫儀表采用帶打印的惠普智能型多回路巡回測(cè)量顯示儀，可以同時(shí)測(cè)量32個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度，精度可以達(dá)到士0.2%。
圖３ 試件表面以及內(nèi)部溫度測(cè)點(diǎn)分布示意圖
2．實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
實(shí)驗(yàn)在2004一12一2005-01 完成，分別對(duì)加熱電纜融化路面碎冰以及降雪的融雪效果進(jìn)行研究。
2．1 化冰效果
融冰實(shí)驗(yàn)在2004一12一21T20一00一2004一12一22T13一00進(jìn)行，氣溫一4-一1℃，偏東風(fēng)2-3 級(jí)，陰轉(zhuǎn)小雪。所有熱源融雪系統(tǒng)必須在下雪之前提前啟動(dòng)以便達(dá)到盡快融雪化冰的目的，為了真正模擬實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)中先讓發(fā)熱電纜工作2.5h 后，用表面溫度計(jì)測(cè)得上表面溫度達(dá)到2℃ 左右，然后將碎冰均勻地撒在試件表面，厚度約為10mm ，如圖4(a)所示。觀測(cè)化冰情況，當(dāng)時(shí)的室外氣溫為一4℃，化冰情況隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4(b)-4(f)。在撒冰后lh 內(nèi)，碎冰融化很少，Zh 后，才有50 %左右的碎冰融化或流走，直到sh后，才基本將冰融化完畢。 在22日下雪后，對(duì)發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)進(jìn)行融雪實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面無(wú)積雪，當(dāng)人為在試件表面撤10mm 的新雪后，大約20min左右就全部融化完畢。
圖4 發(fā)熱電纜融化試件表面碎冰的實(shí)驗(yàn)照片
2．2 實(shí)時(shí)融雪研究
融雪實(shí)驗(yàn)在2005一01一05T18一00-2005-01一06T6一0下雪情況下進(jìn)行。當(dāng)天夭氣預(yù)報(bào)為氣溫一9一2℃，偏東風(fēng)2一3 級(jí)，中雪，實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)天的下雪等級(jí)為中雪(24h 降雪量2.5-4.9 mm ) 。同樣發(fā)熱電纜工作2.5h 后，表面溫度達(dá)到2℃左右。圖5(a ) 、( b) 為實(shí)時(shí)融雪情況照片。可以看出，發(fā)熱電纜系統(tǒng)實(shí)時(shí)融雪效果很好，雪落在試件表面立即被融化，表面無(wú)積雪。唐祖全等提出道路表面溫度為2一3℃ 時(shí)融雪效果最佳，在本次實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)試件表面達(dá)到2一3℃ 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融雪。
2．3 不同氣候條件下的溫度分布及變化
圖6 分別給出不同氣象條件下試件上表面的溫度分布圖中，t 表示試件上表面溫度； L 為從測(cè)點(diǎn)到試件邊緣(與圖2中A一A垂直切面平行的截面) 的距離，由于試件是對(duì)稱(chēng)的，所以只取試件尺寸的一半。單位面積發(fā)熱電纜鋪裝功率為270W。圖6(a) 為室外氣溫一4一0 ℃ 時(shí)，發(fā)熱電纜工作sh 及10h 后試件表面溫度分布； 圖6( b) 為室外氣溫一9一7 ℃ 時(shí)，發(fā)熱電纜工作6 h 及14 h 后上表面的溫度分布。從圖中可以看出，發(fā)熱電纜垂直向上的上表面的溫度較高，而2 電纜之間中心垂直向上的上表面溫度較低，且在北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2006靠近邊緣處溫度出現(xiàn)最低值，這是由于雖然在邊緣處采取了保溫措施，但仍有散熱，并非理想的絕熱面。從圖6 ( a ) 可以發(fā)現(xiàn)該條件下發(fā)熱電纜工作10 h 后，上表面溫度都達(dá)到了4℃以上，最高溫度達(dá)到了7℃，而室外氣溫為一9一7℃時(shí)，在發(fā)熱電纜工作14h后，上表面最高溫度仍在0℃以下，最低溫度只有一3℃，可見(jiàn)室外氣溫是影響試件上表面溫度的一個(gè)重要因素。
圖5 實(shí)時(shí)融雪過(guò)程中試件表面的照片
圖6 發(fā)熱電纜工作條件下試件表面溫度分布
2．4 試件表面溫度變化過(guò)程
圖7 給出單位面積鋪裝功率為270w 時(shí)，不同氣象條件下試件上表面的最高溫度tmax、最低溫度tmin 、以及空氣溫度ta。隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。圖中橫坐標(biāo)表示測(cè)試的時(shí)刻值，數(shù)據(jù)間隔為2.5h。在2種氣象條件下，最高溫度都出現(xiàn)在發(fā)熱電纜中心垂直上方的道路表面，而最低溫度出現(xiàn)在2 根電纜之間的垂直上方的道路表面？梢钥闯，在該鋪裝功率下，當(dāng)室外氣溫為一4一0℃ 時(shí)，上表面溫度升高很快，在發(fā)熱電纜工作3h左右，試件上表面最高溫度tmax已達(dá)到3 ℃ ，雖然外界氣溫有所下降，但表面溫度還在不斷升高，到實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，上表面最高溫度已達(dá)到3℃ ，最低溫度也達(dá)到了3℃ ，完全可以達(dá)到融雪要求。而在室外氣溫為一9一7℃ 時(shí)，上表面溫度雖然上升很快，但由于室外氣溫較低，試件表面散熱量大，所以結(jié)構(gòu)層的升溫需要吸收大量的熱量，且由于在發(fā)熱電纜工作6h后，室外氣溫下降較快，所以表面散熱量增大，溫度隨之降低。電纜工作13h后，上表面的最高溫度仍在O℃以下，所以實(shí)驗(yàn)的鋪裝功率不能滿(mǎn)足該氣象條件下的融雪要求。
圖7 試件上表面溫度變化過(guò)程
根據(jù)實(shí)驗(yàn)中試件表面溫度變化以及實(shí)時(shí)融雪效果，發(fā)熱電纜融雪系統(tǒng)的融雪過(guò)程可以分2 步：第1步，在下雪前(一般可根據(jù)天氣預(yù)報(bào))將電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)( 比較合理的時(shí)間為提前3一4h) ，將地面溫度升高到2一3℃，一旦開(kāi)始下雪，地面保持2-3 ℃ 的溫度就可以將雪融化掉； 第2 步，在下雪過(guò)程中將雪及時(shí)融化掉。
3．發(fā)熱電纜融雪化冰系統(tǒng)鋪裝功率探討
從理論上講，發(fā)熱電纜的鋪裝功率越大，對(duì)減少預(yù)熱時(shí)間和提高融雪效果越有利，但采用較大的功率不僅大幅增加電纜長(zhǎng)度，也使配套的電力負(fù)荷較大，配套設(shè)施的成本和運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)隨之增高。另外，單位路面鋪裝功率的增大要求電纜間距縮小，傳熱效果不好，會(huì)導(dǎo)致電纜表面溫度過(guò)高，所以應(yīng)考慮在保證電纜安全工作的前提下，提高融雪效果，并節(jié)約能源。
依據(jù)氣象資料，10a (1994一2003 年) 北京地區(qū)僅有1 次日最大降雪量為2.9mm ，其余年度的日最大降雪量為3.4一8.9mm ，一般為中雪。近10a，最大降雪時(shí)的溫度一4.4-4.1℃，相對(duì)濕度92%一98%，且出現(xiàn)一4℃ 以下的情況很少，雪后最低氣溫(3d 內(nèi))-0.8一10.6℃，降雪前后最大風(fēng)速3.3一14.6 時(shí)s ；30a 內(nèi)的最低降雪溫度為一14.8℃，降雪量為3mm。綜合以上氣象條件，作者進(jìn)行了大量有關(guān)的數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)室外溫度為一5 ℃ (近10a 最大降雪時(shí)最低降雪過(guò)程溫度) 時(shí)，采用單位面積250 W 的鋪裝功率，上表面的溫度可以升高到2 ℃，但所用時(shí)間大約10h，時(shí)間太長(zhǎng)； 當(dāng)單位面積鋪裝功率增大到350w 時(shí)，上表面可以在sh內(nèi)升高到2℃，在實(shí)際工程中這個(gè)時(shí)間是比較合適的，所以如果采用一5℃ 作為設(shè)計(jì)氣象參數(shù)時(shí)，可以采用單位面積350W 的鋪裝功率； 隨著鋪裝功率的升高，上表面的溫度升高到2℃ 所用的時(shí)間逐漸縮短。當(dāng)室外溫度為一10℃(近10a 雪后最低氣溫)時(shí)，采用單位面積60w的鋪裝功率，上表面的溫度可以在sh內(nèi)升高到2℃。該功率在氣溫為一巧℃( 近30 a 降雪最低溫度) 的情況下，上表面溫度在nh內(nèi)升高到2℃ ，但氣溫出現(xiàn)一15℃為30a-遇的情況。綜合以上分析，在北京的氣象條件下，道路單位面積鋪裝功率采用250一350W，即可滿(mǎn)足一般情況下的融雪化冰要求。
對(duì)于不同的鋪裝功率，要根據(jù)天氣預(yù)報(bào)確定提前開(kāi)啟的時(shí)間。如果要保證30a-遇的情況，一種可行方案是采用雙回路系統(tǒng)，單位面積每個(gè)回路的功率為30W。在預(yù)報(bào)的下雪天，氣溫高于一10℃時(shí)，可以開(kāi)啟單個(gè)回路； 低于一10℃時(shí)，則可開(kāi)啟2 個(gè)回路，這樣，既可以保證在突發(fā)情況下道路暢通，又能保證在正常情況下不會(huì)造成能源的浪費(fèi)，這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是初始投資過(guò)高。
4．結(jié)論
(1) 在發(fā)熱電纜工作一段時(shí)間后，將相同厚度的新雪與碎冰撤在試件表面，發(fā)現(xiàn)新雪融化很快，而融化碎冰需要很長(zhǎng)的時(shí)間，為了提高融雪化冰效果應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)融雪，盡量避免路面結(jié)冰。
(2) 在發(fā)熱電纜工作的初期，各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的溫度升高很快，在工作足夠長(zhǎng)時(shí)間后，溫度升高逐漸減慢最后趨于穩(wěn)定，溫度幾乎不再升高。外界氣溫越低，同樣鋪裝功率下試件溫度上升越慢。
(3) 在北京的氣象條件下，采用單位面積250-350W 的發(fā)熱電纜鋪裝功率可滿(mǎn)足一般情況下的融雪化冰要求，但實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)情況進(jìn)行預(yù)熱。
參考文獻(xiàn)：
1．川傅沛興 北京道路冬季融雪間題研究〔J〕；市政技術(shù)，2001，29(4):54-59。
2．高一平 利用太陽(yáng)能的路面融雪系統(tǒng)〔J〕；國(guó)外公路，199，17( 4) : 853-85。
3．武海琴 發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的技術(shù)研究[LD] ；北京: 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院。