瀝青混凝土路面融雪熱流密度的分析

屠艷平,李 杰,胡國祥,姜 文,張治軍

(1.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430070;2.武漢工程大學環境與城市建設學院,湖北 武漢 430074;3.武漢工程大學交通研究中心,湖北 武漢 430074;4.湖北電力勘測設計院,湖北 武漢 430062;5.湖北工程建設總承包有限公司,湖北 武漢 430077)

0 引 言

道路交通事故在天氣惡劣條件下會增加.據資料統計,2008年11月全國有19省(區、市)雨、雪、霧等惡劣天氣交通事故導致死亡人數同比上升,山東省2009年11月陰、雨、霧、雪等惡劣天氣條件下共發生道路交通事故、死亡人數分別占總數的16.8%、19.5%.在冬季下雪時,路面積雪、結冰,導致車輛行駛困難,極易發生交通事故.據統計,路面濕潤時發生的事故是干燥路面的2倍,降雪時是干燥路面的5倍,結冰時是干燥路面的8倍[1].2010年1月9日晚22時許,受路面結冰影響,漢十高速公路湖北棗陽段張凹水庫大橋處,發生4起道路交通事故,12臺車輛相繼連環追尾相撞,造成7人死亡、14人輕傷.可見道路融雪化冰對冬季道路交通條件的改善起到關鍵作用.目前國內外道路融雪化冰新技術是采用熱力學法,包括導電混凝土、發熱電纜及地源熱泵.其中地源熱泵融雪化冰技術利用太陽能蓄熱,可節約能源[2],同時環保、高效,發展前景巨大.美國、日本、北歐等國家已經有一批典型的地源熱泵道路、橋梁融雪示范工程,在國內已有學者開展了相關研究,胡文舉[3]進行了瀝青混凝土橋面融雪系統的基礎研究,王華軍[4]對流體加熱水泥混凝土道路融雪傳熱介質特性進行了研究,但目前還沒有對瀝青混凝土路面融雪化冰的研究.本文以武漢地區2010年1月5日的氣象條件為依據,分析京珠高速湖北段瀝青混凝土路面融雪隨機傳熱機理,并確定武漢地區瀝青混凝土路面融雪熱流密度.

1 分析條件

1.1 氣象條件

分析計算采用武漢2010年1月5日歷史降雪記錄.降雪時段是2:00 PM～10:00 PM,持續8 h;積雪厚度為12.8 mm,瞬態降雪強度為1.6 mm/h;氣溫-3～2 ℃;偏北風3～4級;相對濕度60%～95%.

1.2 路面條件[5]

湖北省京珠高速公路全部采用瀝青路面,結構如下:

a.4 cm SUPER-PAVE12.5或AK-16A抗滑表層;b.中面層為6 cm厚的AC-201型瀝青混凝土;c.底層為6 cm厚的AC20S瀝青混凝土.

1.3 材料熱物性參數

由于攤鋪瀝青混合料溫度不低于110～130 ℃,埋管采用耐高溫高密度聚乙烯管,導熱系數λp=0.39 W/(m·K),內徑D1=22 mm,外徑D2=25 mm.瀝青混凝土λA=1.0 W/(m·K).

2 路面隨機傳熱分析

融雪化冰隨機傳熱機理如圖1所示.在瀝青混凝土面層中埋耐高溫高密度聚乙烯管,管內流體溫度大于路面溫度,于是瀝青混凝土內部存在溫差,熱量由埋管傳至路面(埋管下表面做絕熱處理).路面上的積雪吸收熱量,溫度升高直至融化成水并蒸發,路面無積雪及水.這一過程是隨機非穩態的,融雪所需的熱量主要包括:升高雪的溫度所需顯熱qs、融化雪所需潛熱qm、對流換熱qc、長波輻射換熱qr、水蒸發所需熱量qe;熱源為地源熱泵提供熱量q0及吸收太陽輻射熱qI.

依據能量平衡,有

q0+qI=qs+qm+Ar(qc+qr+qe)

(1)

圖1 融雪化冰隨機傳熱機理

則單位面積融雪化冰所需熱流密度為

q0=qs+qm+Ar(qc+qr+qe)

(2)

qs=ρsnowS(CwT0-CsnowTa

(3)

qm=ρsnowShf

(4)

qc=hc(Tf-Ta)

(5)

(6)

qe=hmHfρw(100-φ)

(7)

q1=αI

(8)

根據上述氣象條件,可分別求出qs、qm、qc、qr、qe、qI,計算出q0.

T0=0 ℃,Ta=-3 ℃,Tf=0 ℃=273 K,

Tsky=2.71 ℃=270.29 K,

qs=2.50 W/m2,qm=136 W/m2,

hc=23.37 W/(m2·K),qc=70.11 W/m2,

qr=5.99 W/m2,qe=40.3 W/m2 [6]

武漢地區全年累計太陽輻射量為4 497 MJ/m2,I=142.60 W/m2,qI=85.56 W/m2,Ar取1,則q0=169.34 W/m2

由于武漢地區冬天最低氣溫為-5 ℃,與北方相比較,氣溫較高,升高雪溫所需顯熱少,同時輻射散熱也很小,起主要作用的是融雪潛熱、對流換熱和蒸發熱.融雪潛熱與降雪量成線性關系,對流換熱主要與風速和空氣溫度有關,蒸發熱主要與風速有關.以上求出的是給定氣象條件下的最大熱負荷,同時考慮利用太陽能以節約資源,提高經濟效益.

3 埋管傳熱分析

埋管埋入瀝青混凝土中,首先埋管內流體與管壁進行對流換熱,然后管壁內傳熱,最后與瀝青混凝土進行熱交換(假設熱量不向下傳遞).引入熱阻的概念,管內平均溫度為tw的乙二醇水溶液(質量分數為16%,流量為12.5 L/s),以定熱流q給瀝青混凝土進行傳熱.

tw=tb=qRB

(9)

tb-t0=qRA

(10)

tw-t0=q(RB+RA)

(11)

其中tw、tb、t0分別為管內流體平均溫度、孔壁溫度和路面溫度,℃;RB為埋管熱阻,RA為埋管上瀝青混凝土面層熱阻,分別按式(12)、(16)計算.

RB=Rp+Rf

(12)

其中Rp為管壁熱阻、Rf管內流體換熱熱阻,分別按式(13)、(14)計算.

Rp=ln(D2/D1)/(2πλp)

(13)

Rp=0.052 m2·K/W

Rf=1/(πD1hf)

(14)

其中hf為埋管內流體對流換熱系數,W/(m2·K)

(15)

其中雷諾數Re=10 724,Pr為流體普朗特數=57.65,λf為管內流體導熱系數,取0.558 W/(m·K),則hf=194 W/(m2·K)

Rf=0.075 m2·K/W

RA=δ/λA

(16)

δ為埋管深度,取40 mm.

RA=0.04 m2·K/W

tw-t0=q×(0.052+0.075+0.04),q取q0=169.34 W/m2,當t0取0 ℃時,tw=28.3 ℃.

從以上分析計算可知,管徑、管內流體熱物性參數、流體流量、埋管深度對地源熱泵融雪化冰效果有很大影響,如果設計不合理,會影響到系統的可靠性、經濟性.

4 不同氣候條件下的熱流密度

上述分析計算只是給定氣象條件下的熱流密度,不同天氣條件下熱流密度是不相同的.由以上分析知熱流密度與降雪量、空氣溫度、風速和環境相對濕度有關,而這些因素孰主孰次從以上的計算還無法推段出,因此很有必要進行不同氣候條件下融雪熱流密度的計算.

4.1 不同降雪量時的熱流密度

空氣溫度為Ta=-3 ℃,風速為V=4 m/s,環境相當濕度為φ=60%,融雪等級Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,降雪量變化時的熱流密度見表1.

表1 不同降雪量時的熱流密度W/m2

4.2 不同風速時的熱流密度

降雪量S=2 mm/h,空氣溫度Ta=-3 ℃,環境相對濕度φ=60%,融雪等級Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,風速變化時的熱流密度見表2.

表2 不同風速時的熱流密度W/m2

4.3 不同空氣溫度時的熱流密度

降雪量S=2 mm/h,風速為V=4 m/s,環境相對濕度φ=60%,融雪等級Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,空氣溫度變化時的熱流密度見表3.

表3 不同室外空氣溫度時的熱流密度W/m2

4.4 不同環境相對濕度時的熱流密度

空氣溫度為Ta=-3 ℃,降雪量S=2 mm/h,風速為V=4 m/s,融雪等級Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,環境相對濕度發生變化時的熱流密度見表4.

表4 不同相對濕度時的熱流密度W/m2

4.5 極端氣象條件

根據武漢地區近十年的氣象數據,確定極端氣象條件是S=2 mm/h,Ta=-5 ℃,V=5 m/s ,太陽輻射qI=85.56 W/m2不變.在極端氣象條件下不同融雪等級的熱流密度見表5.

表5 極端氣象條件不同融雪等級時的熱流密度W/m2

由表1可知,降雪量從1 mm/h增大到2 mm/h、從2 mm/h增大到3 mm/h熱流密度均增加86.56 W/m2,且最大熱流密度出現在其他氣象條件不變降雪量為3 mm/h情況下.由表2可知風速從3 m/s增大到4 m/s熱流密度增加22.67 W/m2、從4 m/s增大到5 m/s熱流密度增加18.30 W/m2.由表3可知室外溫度從-3 ℃降到-4 ℃熱流密度增加44.95 W/m2,從-4 ℃降到-5 ℃熱流密度均增加31.33 W/m2,其他氣象條件不變室外溫度在-5 ℃情況下熱流密度居第二位.由表4可知相對濕度每增加10%,熱流密度約增加10 W/m2.可見武漢地區降雪量及室外溫度是影響融雪化冰熱流密度的關鍵因素.主要是因為雪的融解熱很大,且根據式(5)在水膜溫度為0 ℃情況下溫度越低對流換熱也越大.風速是主要因素,相對濕度是次要因素,是因為風速對換熱及輻射換熱有較大影響,而模型中相對濕度只對蒸發熱有影響.由表5可知在極端氣候條件下不同的融雪等級,熱流密度密度增加不大,但其取值對系統的可靠性及經濟性影響極大.

5 結 語

地源熱泵融雪化冰高效、環保,在國外已經有應用,而在我國還處于起步階段.通過對瀝青混凝土路面融雪隨機傳熱機理的研究可確定不同氣象條件下的融雪熱流密度,通過對埋管的傳熱分析,埋管的參數選擇對融雪化冰的效果有很大影響.本文的研究為地源熱泵融雪化冰系統的設計祭奠了基礎.

參考文獻:

[1]張志剛.道路因素、交通環境與交通事故分析[J].公路交通科技,2002,17(6):56-59.

[2]Koji Morita,Masashi Ogawa.Geothermal and Solar Heat Used to Melt Snow on Roads[R].United Kingdom,Harwell:CADDET Centre for Renewable Energy,Organization for Economic Co-operation Development(OECD),1998.

[3]胡文舉.基于土壤源熱泵橋面融雪系統的基礎研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[4]王華軍.流體加熱道路融雪傳熱介質特性研究[D].天津大學,2007.

[5]吳少鵬,黃曉明,趙永利.湖北京珠高速公路北段路面結構設計與分析[J].武漢理工大學學報,2002,24(3):71-73.

[6]涂瓛,陳輝,吳少鵬,等.導電瀝青混凝土融雪化冰熱輸出功率計算方法[J].武漢理工大學學報,2009,31(13):37-40.