沥青混凝土路面物理除冰雪加热功率优化分析

宋晓东，张文学

(1.周口职业技术学院，河南 周口466000；2.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124)



沥青混凝土路面物理除冰雪加热功率优化分析

宋晓东1，张文学2

(1.周口职业技术学院，河南 周口466000；2.北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124)

摘要：传统的喷洒氯盐类融雪剂除冰雪会对路面造成腐蚀和污染环境，在路面下铺设加热电缆进行物理除冰雪是一种绿色环保的方法。本文重点研究了加热功率与路面升温速度、路面升温温度和环境风速、环境温度等之间的关系。研究表明，路面温度并不随加热时间线性提高，大致可分为路面低速预热升温阶段、快速升温阶段和升温趋缓阶段，加热功率对路面达到理想融雪化冰的时间和能耗均有着较大的影响，需要根据具体环境情况对不同阶段进行加热功率优化分析。

关键词：加热电缆；融雪化冰；路面

0引言

我国目前高速公路里程达到8万km，而且每年以5 000 km以上的速度增长，我国幅员辽阔，四分之三的国土冬季会降雪，如不及时清除，将大大降低道路的通行能力，加大交通事故风险。传统除冰雪方法是喷洒氯盐融雪剂，对路面具有较大的腐蚀性，还会污染环境[1-9]。

采用发热电缆对路面进行物理加热融雪化冰技术在国外已有广泛应用，该除雪方案具有无污染、运行费用较低、除雪效果好、控制方便等优势。虽然该项技术在国内已经有所研究，但对工程应用中一些主要问题的研究还不够系统和深入[10-12]。本文以沥青混凝土路面为分析对象，用ANSYS软件数值分析，研究路面采用发热电缆除冰雪时的加热功率与环境温度之间的关系，得出了一些有意义的结论，可为沥青混凝土路面加热电缆除冰雪系统的设计、施工及运行提供必要的理论基础和参考。

1模型参数及边界条件

1.1模型参数

表1　分析模型设计参数表

以厚度为12 cm的沥青混凝土路面为研究对象，假设加热电缆埋置在路面面层中部，即深度为6 cm处[13]，模型设计参数见表1。

1.2初始条件及边界条件

本文假定分析模型的初始温度等于环境温度，对流换热系数和项变边界，取值如下。

(1)对流换热系数：采用文献[14]中对流换热系数的近似计算公式：

(1)

式中：ΔT为路表与空气温差，取值22.5℃代入；Vf为环境风速。

(2)项变边界：本课题的分析中，未考虑冰雪的项变边界问题。

2加热功率与环境因素关系分析

物理除冰雪过程主要集中在快速升温阶段和升温趋缓阶段，对沥青混凝土路面加热功率与环境因素的优化分析结果如下。

2.1路面快速升温阶段

环境温度分别设为-1、-3℃，环境风速取值为5.0、3.0、0.0 m/s，绘出加热功率和环境因素关系曲线如图1～3所示。

图1　起始温度-1℃，风速为5 m/s时，不同加热功率对路面温度的影响Fig.1 Effect of different heating power on pavement temperaturewith start temperature of -1℃ and wind speed of 5m/s

(a)环境温度为-1℃

(b)环境温度为-3℃时

(a)环境温度为-1℃时

(b)环境温度为-3℃时

可以得出以下结论：

(1)不论加热功率，起始环境温度，环境风速有何改变，路面温度在升温过程中的规律是一致的，可以分为三个阶段。第一阶段为低速预热升温阶段，此时路面温度变化很小；第二阶段为快速升温阶段，通常在加热的2～24 h时段内，路面温度上升较快；第三阶段为升温趋缓阶段，随加热时间增加，路面温度上升缓慢。

(2)对于相同的升温目标，加热功率对所需能耗有较大的影响。如加热功率过小，路面的加热能量小于散热能量，路面永远无法达到理想温度。当加热功率较低时，加热能耗随加热功率的增加而降低。相反，当加热功率过高时，由于沥青混凝土传导热系数较低，造成局部升温过高，耗能大量增加，融冰雪效果改善不大。

(3)加热功率对达到目标温度所需时间影响较大。当加热功率相对较低时，提高功率，缩短加热时间明显，当加热功率较高时，再提高功率，效果降低。

2.2升温趋缓阶段

考虑环境温度分别为-1、-3℃、环境风速为0.0、3m/s的情况，加热功率与路面温度的关系曲线如图4所示。

(a)起始温度-1℃

(b)起始温度-3℃

(c)环境风速0m/s

(d)环境风速3m/s

由图4可以得出以下结论。

(1)在升温趋缓阶段，加热功率与路面温度大致表现为线性增长规律。环境风速对路面温度作用较明显，风速越大，路面温度越低。

(2)在无降雪情况下，路面加热后的趋于稳定的温度Tm与加热功率Q、环境风速Vf的关系，公式(2)：

(2)

式中：Te为环境温度，℃；Tm为路面温度，℃；Vf为环境风速，m/s；P为单纯融雪功率。

3结论

通过加热功率、环境温度、环境风速等参数对

路面加热除冰雪效果的影响分析得出如下主要结论：

(1)路面加热融冰雪过程分为路面低速预热升温阶段、快速升温阶段和升温趋缓阶段等3个主要阶段。

(2)相对于一定的目标温度，加热功率对能耗及加热时间均有较大的影响。可根据本文发现的规律，在不同加热阶段优化加热功率。

【参考文献】

[1]张炳臣，刘淑敏.冬季道路除雪方式的探讨[J].山东交通科技，2004(1)：76-77.

[2]董红星，陈建滨.环保型道路融雪剂的研制[J].化学工程师，2004，18(10)：65-66.

[3]李丹，董发勤.钢纤维石墨导电混凝土在路面除冰雪中的应用研究[J].建筑门窗与金属建材，2004(11)：61-64.

[4]程川海，路新瀛.新型融雪剂对钢筋的腐蚀性研究[J].建筑技术，2005，36(9)：700-702.

[5]韩森，刘洪辉.沥青路面除冰雪技术综述[J].黑龙江交通科技，2008，31(3)：8-9.

[6]韩志斌.中国道路融冰除雪技术发展现状及未来趋势[J].公路与汽运，2013(6)：142-145.

[7]王健，王钢，孙敬东.我国除雪机械现状及发展趋势[J].呼伦贝尔学院学报，2005，13(2)：81-83.

[8]赵恩棠.道路除冰融雪的措施[J].东北公路，1994(4)：28-37.

[9]郑家麒.电热融化法在沥青路面冬季除雪融冰中的应用[J].山西建筑，2013，39(13)：148-149.

[10]段永灿.融雪剂对不同水泥混凝土抗冻性能影响研究[J].公路工程，2015，40(2)：292-294.

[11]傅沛兴.北京道路冬季融雪问题研究[J].市政技术，2001(4)：54-59.

[12]傅珍，王选仓，陆凯诠.山区高速公路桥面漫排式水热融雪系统应用[J].公路工程，2014，39(3)：77-82.

[13]张文学，李茜，杨璐.桥面物理除冰雪加热功率与环境因素关系分析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2011，24(4)：19-22.

[14]唐祖全，李卓球.导电混凝土电热除冰化雪的功率分析[J].重庆建筑大学学报，2002，24(3)：102-105.

The Optimization Analysis of Heating Power for Removing Ice and Snow on Asphalt Pavement

Song Xiaodong1，Zhang Wenxue2

(1. Zhoukou Vocational and Technical College，Zhoukou 466000，Henan Province；2. School of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124)

Abstract：The traditional way of spraying chlorine saline to melt snow on pavement will corrode pavement and pollute environment.The way of setting heating cables under pavement is a green and environment-friendly way.In this paper，the relationships among heating power，the rate of pavement temperature increase，pavement temperature increase，the environment temperature，and the environment wind-speed were analyzed.The study result showed that the pavement temperature was increased nonlinearly and the heating process can be divided into three stages including preheating stage，rapid heating-up stage，and heating-up slow down stage.The heating power had great impacts on the ideal heating time and energy consumption，so it is necessary to conduct optimization analysis on the heating power based on different stage and specific environment.

Keywords：heating cable；snowmelt and deicing；pavement

中图分类号：U443.31；U 445.7

文献标识码：A

文章编号：1001-005X(2016)02-0075-03

作者简介：第一宋晓东，博士，副教授。研究方向：道路与桥梁工程理论。E-mail:songxd1@163.com

收稿日期：2015-11-17

引文格式：宋晓东，张文学.沥青混凝土路面物理除冰雪加热功率优化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.