發熱電纜用于路面融雪化冰的實驗研究

路面有積雪、結冰給道路暢通和行車安全帶來了嚴重的影響。據統計，15 % 左右的交通事故與道路積雪有關。 目前廣泛采用的化學融雪方法( 即撒鹽或者其他化合物)有許多負面效應：鋼筋銹蝕、剝蝕路面及隔離墩；腐蝕排水管道；破壞土壤生態環境。融雪鹽的使用已在世界范圍內造成嚴重危害并帶來巨大經濟損失，因此尋求其他形式的融雪化冰方法具有非常重要的現實意義。熱力學融雪法原理簡單而且不會造成污染，成為路面融雪化冰措施之一熱力學法用于路面融雪化冰的研究先后經歷了采用地熱、太陽能蓄熱系統，以及導電混凝土等技術；但地熱法受到熱源限制，太陽能蓄熱系統成本過高，導電混凝土在電壓控制技術上存在間題，使這幾種融雪技術在實際工程應用中受到限制。尋找到安全、理想以及工程適用的熱源成為熱力學融雪方法的關鍵。由于發熱電纜具有安全、耐用( 壽命長達50 a) 、環保等優點，將愷裝發熱電纜置于瀝青混凝土中有很好的抗壓性能因此，利用發熱電纜進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。發熱電纜用于路面融雪化冰在國外( 如北歐國家) 已有應用，但對工程應用一些主要的問題( 包括如何進行實際工程設計)沒有見到有關的標準和報導。由于不同國家具有各自的地理、氣候特征以及道路施工的規范，不能簡單引進、照抄國外的設計規范。
1．發熱電纜道路融雪化冰實驗裝置
        發熱電纜融雪化冰實驗試件完全按照公路材質和工藝進行制作，先將瀝青混凝土層按照表1中的結構要求，將底層和中層采用It小型平板震動夯壓實成形后，按如圖1所示的工藝鋪設發熱電纜，最后將表面層成形，中層和表面層壓實度大于95 %，然后選擇室外比較空曠的地面，在地面上鋪設面積為1擴，厚度為0。lm的二灰碎石并壓實，將試件置于該二灰碎石上。為使實驗結果可靠，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。本實驗采用韓國LG 公司生產的愷裝發熱電纜，單位面積的鋪裝功率為270 W，其產品特性如下: 單位長度的融雪電纜功率為35W，電纜表面最高溫度可達120 ℃ ，電纜實驗樣品具有可承受載重車輛25t的抗壓性能。
表1  瀝青混凝土結構

表1  瀝青混凝土結構

名稱

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 試件中所鋪設加熱電纜照片

 
圖２ 試件的尺寸及組成示意圖

為了測量試件的各處的溫度變化，測點的布置主要分為試件表面測點布置和試件內部測點布置，試件內部測點深度為距試件表面50mm ，具體測點布置見圖3。 測溫裝置采用愷裝銅一康銅熱電偶，測溫儀表采用帶打印的惠普智能型多回路巡回測量顯示儀，可以同時測量32個測點溫度，精度可以達到士0.2%。

圖３ 試件表面以及內部溫度測點分布示意圖

2．實驗結果及其分析
        實驗在2004一12一2005-01 完成，分別對加熱電纜融化路面碎冰以及降雪的融雪效果進行研究。
2．1 化冰效果
        融冰實驗在2004一12一21T20一00一2004一12一22T13一00進行，氣溫一4-一1℃，偏東風2-3 級，陰轉小雪。所有熱源融雪系統必須在下雪之前提前啟動以便達到盡快融雪化冰的目的，為了真正模擬實際情況，實驗中先讓發熱電纜工作2.5h 后，用表面溫度計測得上表面溫度達到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。觀測化冰情況，當時的室外氣溫為一4℃，化冰情況隨時間的變化見圖4(b)-4(f)。在撒冰后lh 內，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，對發熱電纜融雪系統進行融雪實驗，發現表面無積雪，當人為在試件表面撤10mm 的新雪后，大約20min左右就全部融化完畢。

                     
圖4 發熱電纜融化試件表面碎冰的實驗照片

2．2 實時融雪研究
        融雪實驗在2005一01一05T18一00-2005-01一06T6一0下雪情況下進行。當天夭氣預報為氣溫一9一2℃，偏東風2一3 級，中雪，實時測量當天的下雪等級為中雪(24h 降雪量2.5-4.9 mm ) 。同樣發熱電纜工作2.5h 后，表面溫度達到2℃左右。圖5(a ) 、( b) 為實時融雪情況照片。可以看出，發熱電纜系統實時融雪效果很好，雪落在試件表面立即被融化，表面無積雪。唐祖全等提出道路表面溫度為2一3℃ 時融雪效果最佳，在本次實驗中也發現試件表面達到2一3℃ 可以實現實時融雪。
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 為從測點到試件邊緣(與圖2中A一A垂直切面平行的截面) 的距離，由于試件是對稱的，所以只取試件尺寸的一半。單位面積發熱電纜鋪裝功率為270W。圖6(a) 為室外氣溫一4一0 ℃ 時，發熱電纜工作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，發熱電纜工作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，且在北京工業大學學報2006靠近邊緣處溫度出現最低值，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 ) 可以發現該條件下發熱電纜工作10 h 后，上表面溫度都達到了4℃以上，最高溫度達到了7℃，而室外氣溫為一9一7℃時，在發熱電纜工作14h后，上表面最高溫度仍在0℃以下，最低溫度只有一3℃，可見室外氣溫是影響試件上表面溫度的一個重要因素。

圖5 實時融雪過程中試件表面的照片
 

圖6 發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程
        圖7 給出單位面積鋪裝功率為270w 時，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。隨時間的變化曲線。圖中橫坐標表示測試的時刻值，數據間隔為2.5h。在2種氣象條件下，最高溫度都出現在發熱電纜中心垂直上方的道路表面，而最低溫度出現在2 根電纜之間的垂直上方的道路表面。可以看出，在該鋪裝功率下，當室外氣溫為一4一0℃ 時，上表面溫度升高很快，在發熱電纜工作3h左右，試件上表面最高溫度tmax已達到3 ℃ ，雖然外界氣溫有所下降，但表面溫度還在不斷升高，到實驗終止時，上表面最高溫度已達到3℃ ，最低溫度也達到了3℃ ，完全可以達到融雪要求。而在室外氣溫為一9一7℃ 時，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，所以結構層的升溫需要吸收大量的熱量，且由于在發熱電纜工作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，所以實驗的鋪裝功率不能滿足該氣象條件下的融雪要求。
 

圖7 試件上表面溫度變化過程

根據實驗中試件表面溫度變化以及實時融雪效果，發熱電纜融雪系統的融雪過程可以分2 步：第1步，在下雪前(一般可根據天氣預報)將電源開關打開( 比較合理的時間為提前3一4h) ，將地面溫度升高到2一3℃，一旦開始下雪，地面保持2-3 ℃ 的溫度就可以將雪融化掉； 第2 步，在下雪過程中將雪及時融化掉。
3．發熱電纜融雪化冰系統鋪裝功率探討
        從理論上講，發熱電纜的鋪裝功率越大，對減少預熱時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度，也使配套的電力負荷較大，配套設施的成本和運行費用也會隨之增高。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，會導致電纜表面溫度過高，所以應考慮在保證電纜安全工作的前提下，提高融雪效果，并節約能源。
依據氣象資料，10a (1994一2003 年) 北京地區僅有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，最大降雪時的溫度一4.4-4.1℃，相對濕度92%一98%，且出現一4℃ 以下的情況很少，雪后最低氣溫(3d 內)-0.8一10.6℃，降雪前后最大風速3.3一14.6 時s ；30a 內的最低降雪溫度為一14.8℃，降雪量為3mm。綜合以上氣象條件，作者進行了大量有關的數值模擬分析和實驗研究工作。研究發現，當室外溫度為一5 ℃ (近10a 最大降雪時最低降雪過程溫度) 時，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 ℃，但所用時間大約10h，時間太長； 當單位面積鋪裝功率增大到350w 時，上表面可以在sh內升高到2℃，在實際工程中這個時間是比較合適的，所以如果采用一5℃ 作為設計氣象參數時，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℃ 所用的時間逐漸縮短。當室外溫度為一10℃(近10a 雪后最低氣溫)時，采用單位面積60w的鋪裝功率，上表面的溫度可以在sh內升高到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內升高到2℃ ，但氣溫出現一15℃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，即可滿足一般情況下的融雪化冰要求。
        對于不同的鋪裝功率，要根據天氣預報確定提前開啟的時間。如果要保證30a-遇的情況，一種可行方案是采用雙回路系統，單位面積每個回路的功率為30W。在預報的下雪天，氣溫高于一10℃時，可以開啟單個回路； 低于一10℃時，則可開啟2 個回路，這樣，既可以保證在突發情況下道路暢通，又能保證在正常情況下不會造成能源的浪費，這種系統的缺點是初始投資過高。
4．結論
        (1) 在發熱電纜工作一段時間后，將相同厚度的新雪與碎冰撤在試件表面，發現新雪融化很快，而融化碎冰需要很長的時間，為了提高融雪化冰效果應進行實時融雪，盡量避免路面結冰。
        (2) 在發熱電纜工作的初期，各個測點處的溫度升高很快，在工作足夠長時間后，溫度升高逐漸減慢最后趨于穩定，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 的發熱電纜鋪裝功率可滿足一般情況下的融雪化冰要求，但實際應用中應根據天氣預報情況進行預熱。

參考文獻：
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3．武海琴 發熱電纜用于路面融雪化冰的技術研究[LD] ；北京: 北京工業大學建筑工程學院。