基于重力熱管技術的道路降溫與融雪系統的探究

王碩 丁甜田 彭陽

(武漢理工大學機電工程學院,湖北武漢 430070)

基于重力熱管技術的道路降溫與融雪系統的探究

王碩 丁甜田 彭陽

(武漢理工大學機電工程學院,湖北武漢 430070)

針對路面的高溫、積雪結冰問題,將重力熱管技術應用到道路上,運用合理的管路設計實現水的循環和熱能的傳遞。該系統利用重力熱管可實現夏季瀝青路面的降溫和冬季路面的融冰的功能,降溫時輸出熱水熱能可利用,除雪時更節能環保,同時也提出了延長道路壽命和緩解城市熱島效應的新方法。

道路降溫 道路融雪 重力熱管

1 引言

道路因高溫和結冰產生的路況問題對交通安全造成巨大隱患。夏季瀝青路面不斷釋放熱量，加劇城市的熱島效應。目前國內外對道路降溫研究集中于路面涂反射涂料、保水涂料等，但鋪設效率低、造價高昂、使用性能不穩定。針對冬季路面積雪結冰，我國目前主要用融雪劑和機械除雪等。這會導致路面破壞增多，縮短使用壽命。

針對路面的高溫、積雪結冰問題，將重力熱管技術應用到道路上，運用合理的管路設計實現水的循環和熱能的傳遞。該系統利用重力熱管可實現夏季瀝青路面的降溫和冬季路面的融冰的功能，降溫時輸出熱水熱能可利用，除雪時更節能環保，同時也提出了延長道路壽命和緩解城市熱島效應的新方法。同時節約能源，環保高效可再生，發展前景巨大。

2 溫控原理

重力熱管是裝入少量液體的豎直真空密封管子，管子的下端加熱時下端的液體蒸發，以高速向上部移動，當與溫度較低的上端管壁接觸后，冷凝成液體。液體靠重力作用沿管子內壁流回下端蒸發段，如此由下端向上端連續不斷地傳遞熱量。利用重力熱管將路面的溫度收集升至上端，并通過水循環將上端的能量帶走，且在重力熱管附近的路面局部溫度降低時，依據熱力學第二定律：在自然狀態下，熱量只能由熱處傳到冷處。路中央會持續的將熱量傳遞至熱管處，從而實現了路面的整體降溫。

初步設計新型道路欄桿由若干段組成，每段中有十個用于傳遞熱量的重力熱管，重力熱管位于欄桿的中間特殊的密閉腔體里。熱管底部埋入瀝青路面以下，為了增加熱管的吸熱降溫效果，在熱管底部吸熱端安裝導熱翅片。根據欄桿的位置不同進行安裝，使翅片始終伸向路基面中央。即如果欄桿安置于路中央，則翅片向道路兩側延伸，欄桿位于路邊從一側伸向路面，如此可實現整個路基都有熱傳導率高的翅片進行溫度的快速控制。

圖1 夏季道路降溫模式原理示意圖

圖2 冬季道路融雪模式原理示意圖

2.1 夏季路面降溫(如圖1)

利用水的循環帶走重力熱管收集的熱量并將輸出的熱水用在城市居民和工廠等需要熱水的地方。重力熱管采用全密閉式結構，內部裝有小部分沸點較低的液體媒介，以實現熱管的吸放熱。熱管的外部套空心的欄桿套筒，熱管與套筒之間通水。

熱管底部有一水平方向的進水管，其上有閥門，在夏季時閥門呈打開狀態，進來的水通過閥門分往每根套筒，水從熱管底端進入套筒，在上升的過程吸收熱管中的熱量并升溫。當這部分水達到套筒頂部的時候進入水平方向上的管道。水平方向上的管道一端封閉一端開口，水向管道的出口方向流動，熱水從出口流出并被收集起來。這部分的熱水可以供市民或者工廠使用，若應用在高速路上，熱水還可以供應給服務站，給旅途勞頓的乘客和司機使用。

采用此降溫方法能夠方便的實現對瀝青路面的降溫且降溫效果比較明顯。相較于傳統的路面，在環境氣溫為35℃時，其大致為路面降溫10～15℃，即由原來60℃左右降到45℃左右。能夠有效緩解城市的熱島效應，延長瀝青路面的使用壽命、改善城市環境等。其后期的維護費用較少，且收集的能量可利用，從而實現變廢為寶的過程。，按照吸收效率80%，計

2.2 冬季路面融雪(如圖2)

利用向底部供水系統通熱水提高路基的溫度來實現冰雪融化。降雪以及氣溫過低等影響容易產生積雪結冰，為加速融雪除冰，此時熱管底部的閥門呈關閉狀態，向熱管底部的管道中通入熱水，通過熱傳導將管道中熱水的熱量傳導給每根熱管下對應的翅片，翅片從而將熱量擴散至整個路基，同時路面溫度也會上升，從而實現對整個路面的融雪。采用這一方法能夠加速路面的融冰除雪，且效果較為持久。

3 收集熱水應用

3.1 利用低溫發電技術給路燈供電

低溫發電技術的基本原理發電過程是利用有機工質低沸點蒸發的熱物理性質，經蒸發器與低溫熱源換熱，蒸發為飽和或者過熱蒸氣推動膨脹機做功，將低品位熱能轉化為機械能，并拖動發電機發電。膨脹后蒸汽進入冷凝器冷凝為飽和液體，經工質循環泵加壓進入蒸發器完成循環。

據資料得知低溫發電系統年均理論平均發電效率約為10.1%，實際平均發電效率約為3.8%。從1m2路面收集到的熱能得出計算理論發電量We=10.2% 158KJ=16KJ。據查資料我國現有公路1758000Km，假設只有0.001%運用該系統，每天將能節約電量為2000kw/h，相當于1t標準煤。

3.2 利用熱水輸出供給居民小區夏季時輸出的熱水可以收集后就近供給路邊居民小區，以滿足居民的日常生活對熱水的需求。平均每平米瀝青路面熱管可吸熱大概158KJ，假設這些熱量全部用來加熱水，在35℃左右的高溫天氣里，根據熱量計算公式：Q=G·C·(t2-t1)。按每個小區瀝青路長度為2km計算，可得出這段路能提供720000KJ的熱能，將其轉換成80℃溫水提供給小區，則該路段可以每天提供4.4t的80℃溫水給小區的居民日常生活使用。

4 結語

該系統以全新的理念切入了道路建設、維護領域，著眼于道路的降溫與融雪系統的研發。將有利于道路的行車安全與維護，具有廣泛的社會效益和推廣應用前景。該系統在現有的路面溫度控制的研究基礎上，結合現有的重力熱管技術，在原理上具有可行性。由于道路溫控技術是正發展的技術，日后會不斷的研究和試驗，在推廣上具有可行性。該系統能夠快速便捷的實現道路溫控，減少人力和物力，節約能源同時環保高效，在經濟上具有可行性。

通過調研和查閱資料，目前市場上無同類產品。該系統的應用可以收集能量和節約冬季融雪消耗的人力物力。同時可以大大降低了對道路維護的費用，提高道路交通的安全系數，減少了因冰雪造成的交通事故率，具有巨大的社會效益和廣闊的應用前景。

[1]王家主.熱管對瀝青混凝土溫度場調節的室內模擬[J].公路,2011,04.

[2]奚正平,湯慧萍,朱紀磊,廖際常.熱管及熱管用金屬多孔材料[J].2006,08.

[3]汪雙杰,陳建兵1,黃曉明.熱棒路基降溫效應的數值模擬[J].交通運輸工程學報,2005,09.

[4]程國棟,孫志忠,牛富俊.冷卻路基方法在青藏鐵路上的應用[J].冰川凍土,2006,12.

[5]屠艷平,管昌生,李元松.地源熱泵路面融雪化冰可靠性設計及應用分析[J].武漢工程大學學報,2011,O6.

[6]李虎,張于峰,李鑫鋼,李洪,韓嬋娟.低溫發電系統在精餾工藝中的節能技術[J].化工進展,2013,32(5).

[7]孫惠山,李勝山,傅宗茂,董石正.煉油廠低溫余熱利用與低溫濕汽發電設計[J].化工進展,2009,28.