流体加热融雪系统运行对道路结构温度分布特性影响分析

徐慧宁, 石 浩, 谭忆秋, 周纯秀

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 哈尔滨 150090;2.大连海事大学交通与物流工程学院, 大连 116026)

在碳达峰碳中和背景下,节能减碳的交通基础设施新兴技术得到大力发展[1]。流体加热道路融雪系统利用地热能、太阳能、工业废热等可再生能源,实现了道路的主动融冰除雪,避免了机械除雪、融雪剂生产带来的耗能、排放以及污染问题[2],是一项融雪高效、低碳环保的道路除冰雪技术。作为基于能量转化的内热源道路融雪方式,对道路自身温度场的演变分析是研究系统融雪效益及运行长效性的关键[3]。

目前,采用数值方法对融雪系统进行传热仿真计算是研究路面温度场变化的重要手段。在传热融雪模型研究方面,Chapman[4]于1952年基于路表温度均匀分布假设首次建立了流体加热道路融雪系统一维稳态融雪模型;1970年,Schnurr等[5]将Chapman模型拓展为二维形式,考虑了融雪系统路面结构的非均匀特性;Kikis[6]将二维稳态融雪模型拓展为瞬态模型,为融雪路面温度场的时变特性研究提供了模型基础;2002年,Rees等[7]开发了适用于流体加热融雪系统的二维瞬态融雪模型,模型中详细考虑了干雪、冰、冰雪混合物等7种表面状况,实现了路表融雪过程的表征;2007年,Liu等[8-9]基于流体加热融雪系统的试验研究,验证了Rees传热融雪模型的可靠性;Xu等[10-11]考虑了融化雪水在道路结构中的传递对道路材料热物理性质的作用,修正了Liu模型,揭示了融化雪水在道路结构中的传递对路面温度场计算精度的影响。利用传热融雪模型,学者对流体加热融雪系统的路表温度场分布开展了广泛研究。Zhao等[12-13]利用流体加热数值计算模型分析了流体管空间分布对路表温度场的影响;Liu等[14]利用三维有限元仿真模型探究了外界融雪环境对流体加热桥面板表面温度场分布的影响;Zhu等[15]采用传热融雪模型计算了流体加热路面的路表温度时变规律及热应力空间分布;Lyu等[16]采用流体加热桥面板模型探究了运行方式对桥面板表面温度场演变规律的影响。以上研究为流体加热路面融雪效果的评价提供了有效技术手段。

近年来,随着流体加热道路融雪系统的推广,基于实测数据的系统运行过程路面温度分布特性的研究受到国内外研究人员的普遍重视[17]。徐慧宁等[18-19]分析了融雪过程路表温度的变化规律,明确了管间距、埋设深度、液体流速、环境温度等因素对路表温度分布的影响规律;周水文等[20]构建了室内路面融雪试验模型,明确了系统运行、管路排布等参数对路表温度分布的影响效果;Balbay等[21]监测了流体加热桥面板的路表温度时变特性,明确了流体管排布对于路表温度场分布的决定作用;Tan等[22]利用流体加热试验路面板监测了路表温度的空间变化,阐明了热流引入对路表温度场的干扰;Li等[23]采用足尺试验方式,监测了内热源桥面板的路表温度时空分布特性,验证了桥面板融雪系统的升温融雪效果;Baumgartel等[24]建设了室外流体加热试验板,探测了冬季加热和夏季冷却过程中的路表温度变化,验证了系统运行的可行性;Zhang等[25]利用流体加热足尺试验平台,监测了冬季融雪系统的路表温度场演变,指明了系统运行过程中的融雪可靠性。

然而,现有研究多关注流体加热路面融雪系统的路表温度场演变规律及影响因素[18-20,26],忽视了系统运行过程道路结构短期/长期温度分布特性的探讨。作为一种内热源主动融冰雪路面系统,热流体在路面内部的流动会显著影响道路结构及路域环境温度场在时间和空间上的分布,尤其是在多年冻土等温度敏感性地区,热流体对多年冻土层的温度扰动会破坏道路结构的稳定[27],明确流体加热路面深层/浅层结构在运行短期/长期温度分布对于系统的运行优化和应用推广具有重要意义。因此,本文基于流体加热道路融雪试验系统,开展融雪系统运行过程对道路结构温度分布特性影响的研究,对比分析普通道路结构与流体加热融雪系统道路结构在温度、温变速率及温度梯度分布特性等方面的差异,阐明系统运行对道路结构短期/长期温度分布特性的影响规律。

1 流体加热道路融雪试验系统

为全面了解融雪系统的运行对道路结构温度分布特性的影响规律,2015年在哈尔滨工业大学校园内修建了流体加热道路融雪试验系统,如图1所示,系统设计参数详述于文献[22,25],融雪系统路面结构采用水泥混凝土路面结构。

图1 哈尔滨流体加热融雪试验系统

1.1 传感器的布设

研究中,气温、相对湿度、太阳辐射强度、降水量、风速等气象参数通过安放于试验地点的Vantage Pro2型自动气象观测仪进行记录,记录频率为20 min/次;同时,为掌握不同运行工况对流体加热道路融雪系统融雪特性的影响,提高系统的可控制性,在试验系统冷凝器与蒸发器出入口、道路结构的不同深度及埋管管壁处共埋设WS-TS201型半导体温度传感器79只,温度传感器测量范围为-40～120 ℃,测量不确定度为±0.5 ℃,传感器沿道路水平方向与竖直方向的布设如图2所示,传感器最浅埋深为2 cm,近似表征路表温度变化,最深埋深设定在210 cm,监测路面深层结构受系统运行的影响。系统运行过程中,蒸发器与冷凝器的液体流量分别采用数字式电磁流量计实时测定,测量不确定度为±0.5%。

传感器1—埋深2 cm;传感器2—埋深5 cm;传感器3—埋深10 cm;传感器4—埋深17 cm;传感器5—埋深30 cm;传感器6—埋深43 cm;传感器7—埋深59 cm;传感器8—埋深90 cm;传感器9—埋深130 cm;传感器10—埋深170 cm;传感器11—埋深210 cm;传感器12—管壁(随埋管深度变化)。

1.2 试验系统的测试

2017年10月—2018年5月,依托试验系统开展了道路结构温度分布特性的测试,测试分为无加热状态下道路结构温度分布特性测试、融雪系统运行过程道路结构温度分布特性测试2个部分。其中,融雪系统的控制工况如表1所示。

表1 融雪路面测试工况

其中动态融雪方式采用与降雪开始进程同步的融雪方式,即在降雪开始时便开启系统进行路面加热,融雪过程实际为动态的边降雪边融化的过程;静态融雪方式采用延后的融雪方法,即在降雪进程结束后开启系统,系统融化一定厚度的静态积雪。测试1、3～7的仪表设定温度实际都为50 ℃,但由于融雪环境条件的差异导致冷凝器出口温度存在1～2 ℃的误差;测试2仪表设定温度为40 ℃,目的在于探究流体温度对路面温度响应的影响规律。

2 路面温度分布特性分析

融雪路面管间位置不同深度处温度传感器在测试1条件下连续一天的温度数据,如图3所示。

图3 路面不同深度温度时变曲线

由图3可见,在系统运行过程中,融雪路面浅层温度存在明显的上升趋势。在系统运行开始前,路面温度随深度增加呈现增大的趋势,路面深度2 cm处的温度为-5 ℃;在系统运行开始后,路面温度逐渐上升,浅层温度上升趋势最为显著,并逐渐超过深层温度,温度曲线发生交织,在运行后期,路面温度最低点扩展到深度59 cm处。

同时,也可以看出在短期运行过程中,融雪路面热流体对路面温度场的扰动可扩展到约60 cm深度范围处。在60 cm深度范围以内的传感器日变化温度超过了1.7 ℃,其中深度10 cm处(埋管深度处)的温度变化幅值最高,达到了10.6 ℃;而当路面深度超过60 cm后,路面结构温度的日变化幅值均小于0.5 ℃。由此说明,在短期运行过程中热流体对路面结构的影响主要表现在路面浅层,深层路面结构的温度受系统短期运行影响非常有限。

图4展示了普通路面2 cm深度处温度传感器,和融雪路面2 cm深度处流体管正上方和管间位置处温度传感器,在测试1条件下连续一天的温度数据。

图4 路表温度时变曲线(埋深2 cm传感器探测)

由图4可见,普通路面路表温度主要受到外界环境的影响而变化。路表温度在午夜呈降低趋势;在早上8时后受到环境温度和太阳辐射影响,路表温度出现回升,并在中午13时左右达到峰值-5 ℃;在此之后,随着环境温度和太阳辐射降低,路表温度逐渐下落,在午夜24时达到-7 ℃,在整个过程中路表温度始终低于0 ℃。而对于融雪路面,由于内部热流的干预,路表温度显著高于普通路面。整体而言,融雪路面温度变化呈上升趋势,并在6时达到了融雪临界温度0 ℃;在此之后,路表温度尺度上升,在13时达到峰值约4 ℃;后期温度随环境温度和太阳辐射降低有所回落,但降低幅度维持在1 ℃以内。由此可见,融雪路面可显著提升路表温度。

此外,在流体管正上方的路表温度要高于流体管中间位置,图4显示,在整个运行过程中,流体管正上方位置温度始终高于管中间位置约0.3 ℃。这是由于流体管正上方位置相较流体管间位置更靠近流体管热源,热量传递到前者的能量损失要低于后者,由此导致路表横向温度呈现不均匀分布,该现象已在现有研究中得到阐释[10]。

由于融雪路面板的有限尺寸,路面温度分布受到路面板位置的影响,图5展示了路面板中、板边以及1/4位置处的流体管壁温度传感器数据。

图5 管壁-道路界面处温度时变曲线

图5显示管壁-道路界面处的温度随着运行时间呈现增大趋势。在运行初期2 h内,管壁处温度由接近0 ℃快速增大到30 ℃;在此之后,温度增长逐渐趋缓,在24时温度达到44 ℃。在路面板不同位置处,融雪路面板中位置的管壁-道路界面温度处于最高水平,1/4板位置温度与板中位置非常接近,板边位置处温度处于最低水平,低于板中位置约2 ℃。由此可见,融雪路面板温度分布在路面宽度方向分布不均匀,板中位置温度最高,板边位置由于靠近融雪路面板的散热边缘,此处温度最低。

3 路面温度变化速率分析

3.1 普通路面温度变化速率

本研究以普通路面结构温度观测数据为依据,分析路面结构不同深度处的日温度变化速率,普通路面的温度变化速率日变化规律如图6所示。

图6 普通路面温度变化速率

由图6可见,路面日温变速率近似呈正弦规律变化,以距路表2 cm处的温变速率为例,凌晨0时—6时的温变速率较小,在1.0～1.5 ℃/h间波动;随着太阳辐射的增加,路表处的温变速率迅速上升,于10时—11时达到最大值5.4 ℃/h,之后逐渐降低,至14时—15时温变速率降低至0 ℃/h,由此说明路表升温过程结束;随着太阳辐射的减弱,路面由吸热状态转变为放热状态,路面的温变速率逐渐增大,并于18时达到了最大降温速率-5.1 ℃/h。

表2 路面结构温度梯度

图6同时显示,随着深度的增加,温变速率逐渐减小:距路表2 cm处的日最高温变速率为5.4 ℃/h,距路表17cm深度处日最高温变速率降低为1.5 ℃/h,而距路表30 cm处日最高温变速率仅为1 ℃/h。此现象一方面说明路面温度的变化是由于环境因素的影响造成的,特别是太阳辐射;另一方面也显示,路面热量传递过程伴随着能量的损失。

3.2 融雪路面管壁位置处温度变化速率

融雪系统运行时,30～50 ℃的高温流体通过预先埋设于道路内部的管线将热能引入道路结构并在其中传递,然而,冬季道路材料温度较低,高温流体对道路材料的温度冲击是融雪系统应用中需要面对的重要问题之一。因此,本部分以与管道直接接触的管壁-道路界面的温度变化速率为研究对象,利用测试1和2的实测数据分析系统运行中管壁-道路界面处的温度变化规律,试验结果如图7、8所示。

图7 管壁-道路界面处的温度

由图7可见,管壁-道路界面处的温度与平均流体温度均随着融雪系统的运行而逐渐升高,并趋于稳定。但二者间存在显著的温差:测试1条件下,流体温度与管壁-道路界面处的平均温差为8.3 ℃;测试2条件下,该温差达到10.3 ℃。由此说明,流体管存在显著的热阻,管壁-道路界面处温度始终低于加热流体温度。

图8显示,在系统运行的初期(0～90 min),管壁-道路材料界面处的温度变化速率较大,最高可达39.3 ℃/h,说明系统运行初期对路面材料存在着显著的温度冲击作用,在使用该系统时应考虑系统运行策略对道路材料温度承载能力的影响。在此之后,温度变化速率逐步降低,维持在低于10 ℃/h的范围内,此时的温变速率普遍小于普通路面最大温度速率,由此可见,由于内热源的引入,在运行后期流体加热路面结构的温度变化更稳定。

图8 管壁-道路材料界面处的温度变化速率

与此同时,图8显示了不同流体温度对管壁-道路界面处温度变化速率的影响。就初期温度冲击而言,流体温度48.8 ℃时,最大温变速率为39.3 ℃/h,当流体温度降低为38.7 ℃时,最大温变速率降低至18.9 ℃/h,仅为前者的48%;在运行后期,随着流体温度由48.8 ℃降低至38.7 ℃,系统运行期间界面处的平均温变速率由3.0 ℃/h降低至2.0 ℃/h。由此可见,较低的流体温度可以显著降低管边界处的温变速率,缓减热流引入对路面材料的温度冲击作用。

4 路面温度梯度分析

4.1 普通路面温度梯度

温度梯度是道路结构产生温度应力的最根本原因,直接关系到融雪路面的结构安全[22]。本部分基于路面温度场实测数据,计算了路面结构沿深度方向的温度梯度,开展了普通路面温度梯度日变化规律的研究。

普通路面温度梯度的日变化规律如图9所示,温度梯度呈现正弦变化规律。以路面结构2～17 cm处的平均温度梯度为例,夜间,由于缺乏太阳辐射,道路结构内部温度高于路表,此时,路面结构内部呈现出负温度梯度,负温度梯度的最大值达到-63.4 ℃/m,出现于5:40;白天,随着太阳辐射的增加,路表温度逐渐升高,此时,路面结构内部的温度梯度逐渐由负温度梯度转变为正温度梯度,且在午后13:40达到最大值124.1 ℃/m。图9同时表明,随着深度的增加,温度梯度的幅值逐渐减弱,其峰值出现时间也逐渐滞后:17～30 cm温度梯度峰值分别为43和-23 ℃/m,仅为2 cm～17 cm温度梯度峰值的34.7%和36.3%,峰值出现的时间也由13:40延迟至15:40。

图9 普通路面温度梯度日变化规律

4.2 融雪路面温度梯度

4.2.1 温度梯度的日变化规律

测试1与2融雪系统运行时埋管位置路面结构温度梯度的日变化规律如图10所示。

图10 融雪系统运行时路面结构温度梯度

图10表明,2种测试条件下,埋管上部2～17 cm处的路面温度梯度呈现出基本一致的变化规律,现以图10(a)所示测试1为例进行说明:系统运行初期,埋管附近的道路结构温度逐渐升高,由于热量传递过程中伴随着能量的损失,因此,埋管处与路表面间的温度差异逐渐增大,温度梯度迅速增加,至凌晨3时(系统运行180 min),温度梯度达到-227 ℃/m,为普通路面结构最大温度梯度的1.8倍;随着系统运行时间的延长,埋管周围的温度逐渐趋于稳定,而接近路表处的温度持续上升,埋管上方的温度梯度逐渐减小,特别是伴随着日出,太阳辐射量逐渐增加,加速了路表温度的上升,由此造成路表与埋管周围温度差异的减小,温度梯度的显著降低,至14时2～17 cm处的温度梯度减少至-28 ℃/m,该现象同时说明,与系统运行提供的热量相比,太阳辐射提供给路面的能量是不可忽视的;此后,随着太阳辐射量的减弱,路表处热流密度减少,其与埋管周围的温度差异逐渐变大,造成了埋管上方道路结构的温度梯度的再次增加。

与埋管上部温度梯度受到太阳辐射显著影响不同,埋管下部温度梯度的变化规律与太阳辐射的关联度较弱(见图10),埋管下部温度梯度的日变化规律呈现出先增大后减小的趋势。这是由于系统运行初期,流体温度迅速增加,导致了埋管周围与埋管下方一定距离处的温度差异变大;此后,随着埋管周围温度的趋于稳定,而埋管下方一定距离处的温度持续上升,埋管下方的温度梯度逐渐下降。该变化规律与普通路面具有显著差异,可见热流的导入改变了路面结构的传热过程,干扰了路面结构温度场的分布。

4.2.2 温度梯度参数影响分析

为了探究流体温度和环境温度对路面结构温度梯度的影响,为融雪路面的运行安全设计提供支持,本部分研究观测了不同测试条件与环境条件下融雪路面的温度梯度特征响应。

1) 流体温度

测试1和测试2分别采用48.8 ℃和38.7 ℃的流体温度运行,路面结构2～17 cm处的平均温度梯度在连续运行24 h的变化规律如图11所示。

图11 路面结构温度梯度

图11中,随着流体温度的降低,埋管上方路面温度梯度显著减小,在整个测试周期内,测试2条件下的路面温度梯度始终低于测试1,差距为70～100 ℃/m。较高的温度梯度直接导致较大的温度应力,因此,在满足融雪性能的前提下,应选择较低的流体温度,以避免道路结构发生温度应力破坏。

此外,路面结构温度梯度的日变化呈正弦式规律,关键时间点的路面结构温度梯度如表2所示。从凌晨0时至2时,由于热流的通入,路面结构温度场在短时间内发生较大变化,测试1下路面温度梯度在2 h内由128.4 ℃/m升至227.9 ℃/m,提升了近80%;此后,路面结构温度梯度达到稳定;从6时开始,由于环境温度的升高和太阳辐射的加强,路面结构温度梯度逐渐呈下降趋势,在13时达到最低点;此后,随着环境温度降低和太阳辐射的回落,路面结构温度梯度逐渐增大。由此可见,路面结构温度梯度除了受到流体温度影响外,外界环境特征也对其具有关键的影响作用。

2) 环境温度

本部分以表1中不同环境温度系统运行过程中路面结构温度数据为研究对象,以2～15 cm处的平均温度梯度为评价指标,分析环境温度对流体加热道路融雪系统路面结构平均温度梯度的影响,分析结果如图12所示。

图12 环境温度对路面结构温度梯度的影响

图12表明,随着环境温度的降低,即使在相同的运行参数条件下,路面结构内部的温度梯度仍存在显著的不同:环境温度为-2 ℃时,路面埋管上方的平均温度梯度为-143 ℃/m,随着环境温度的降低,平均温度梯度逐渐增加,当环境温度降低至-20 ℃时,埋管上方的平均温度梯度达到了-218 ℃/m,为-2 ℃时的1.5倍。上述分析表明,环境温度的降低造成了系统运行过程中路面结构温度梯度的显著上升。

路面结构的温度梯度是造成材料温度应力的直接原因,为了确保融雪路面在不同的环境温度下温度应力低于安全限值,了解路面结构温度梯度与环境温度的关系是必要的。为此,根据以上测试温度结果,采用最小二乘法建立了测试流体温度为48 ℃时,路面结构温度梯度与环境温度的关系为

Gp=-4.01Tamb+138.28

(1)

式中:Gp为路面2～15 cm处的温度梯度,℃/m;Tamb为运行时的环境温度。

由式(1)可知,环境温度每降低1 ℃,路面结构的温度梯度可增加约4 ℃/m,同时也产生了更大的温度应力。在真实融雪进程中,应根据环境温度调节系统的运行控制,避免过大的温度应力造成路面材料损伤。

5 融雪系统的运行对道路结构长期温度分布特性的影响

前文研究表明,流体加热道路融雪系统的运行可在较短的时间内释放大量热能,在一定时间与空间内改变路面结构热流传递方向与温度分布特性。本部分将在前述系统运行过程路面结构温度分布特性研究的基础上,通过对道路结构一定深度处温度的年周期跟踪观测,开展融雪系统的运行对道路结构长期温度分布特性影响的研究。

选择2017年11月1日—2018年5月31日的普通道路结构与含有流体加热融雪系统的道路结构59～210 cm处的温度为研究对象,阐明系统运行对道路结构年周期温度分布特性的影响,结果如图13、14所示。

图13 流体加热道路融雪系统的运行对道路结构温度分布的影响

流体加热道路融雪系统的运行对道路结构温度分布的影响(见图13)表明,虽然2017年11月—2018年5月间融雪系统累计运行时间仅为89 h,但对道路结构温度场的影响扩展到整个冬季降雪期。如图13(a)所示,测试期间,距路表59 cm处融雪系统道路结构的温度显著高于普通道路结构,其影响从系统首次运行开始一直延伸到最后一次运行之后的15 d,道路结构的年最低温度也由-5.9 ℃升高至-3.5 ℃,同时,测试期间二者的最大温差可达3.5 ℃;随着道路结构深度的增加,融雪系统运行对道路结构温度场的影响逐渐减弱,表现为温差逐渐降低,但即使道路深度达到210 cm,系统运行对道路结构年最低温度的影响也存在1.2 ℃的温度差异。

季节性冰冻地区冬季道路结构的温度分布与其冻结深度密切相关,因此,基于图13的实测数据绘制 2017—2018年2类道路结构的冻结深度变化曲线(见图14)。图14表明,一方面,流体加热道路融雪系统的运行显著降低了道路结构的冻结深度:普通道路结构的冻结深度为-119 cm,而流体加热道路融雪系统的冻结深度仅为-101 cm;另一方面,融雪系统的运行也使得路基结构的冻结期推迟,而春融期提前,冰冻期由141 d(11月30日—4月19日)减少至114 d(12月15日—4月7日)。由此可见,融雪系统的运行,可以在较短的时间内释放大量热能,有效阻止外界冷量的进入,延缓内部热量的散失,起到缓解季节性冰冻地区道路结构温度场降低、延缓道路结构冻结程度的作用。

图14 流体加热道路融雪系统的运行对道路结构冻结深度的影响

6 结论

本文依托流体加热道路融雪试验系统开展融雪系统运行对道路结构温度分布特性影响的研究,分析了普通道路结构与系统运行时道路结构的温度、温度变化速率及温度梯度的分布特征,阐明了系统运行对道路结构长期/短期温度分布特性的影响。

1) 普通路面不同深度处的温度变化速率及温度梯度的日变化规律均近似呈正弦周期性规律,融雪路面在运行阶段显著提升了路表温度,且流体管正上方温度比流体管间高出约0.3 ℃。

2) 系统运行初期,快速上升的流体温度对管壁-路面材料界面存在显著的温度冲击作用;但随着流体温度的降低,温度冲击作用逐渐减弱,因此,可采用低温缓升的运行策略缓解系统运行初期对道路材料的温度冲击作用。

3) 融雪系统运行时,埋管上方的路面温度梯度受到融雪系统释放热量及环境因素的共同影响,呈现正弦日分布规律;而埋管下方,融雪系统释放的热量成为主导热源,温度梯度呈现先期快速增加,后期缓慢减小的变化趋势。研究同时表明:流体温度越高及环境温度越低,路面内部的温度梯度越大。

4) 融雪系统的运行,可在较短的时间内释放大量热能,降低道路结构内部热量的散失,有效缓解了季节性冰冻地区道路结构温度的降低、延缓道路结构冻结程度。