瀝青混凝土路面物理除冰雪加熱功率優化分析

宋曉東，張文學

(1.周口職業技術學院，河南 周口466000；2.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

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瀝青混凝土路面物理除冰雪加熱功率優化分析

宋曉東1，張文學2

(1.周口職業技術學院，河南 周口466000；2.北京工業大學 建筑工程學院，北京 100124)

摘要：傳統的噴灑氯鹽類融雪劑除冰雪會對路面造成腐蝕和污染環境，在路面下鋪設加熱電纜進行物理除冰雪是一種綠色環保的方法。本文重點研究了加熱功率與路面升溫速度、路面升溫溫度和環境風速、環境溫度等之間的關系。研究表明，路面溫度并不隨加熱時間線性提高，大致可分為路面低速預熱升溫階段、快速升溫階段和升溫趨緩階段，加熱功率對路面達到理想融雪化冰的時間和能耗均有著較大的影響，需要根據具體環境情況對不同階段進行加熱功率優化分析。

關鍵詞：加熱電纜；融雪化冰；路面

0引言

我國目前高速公路里程達到8萬km，而且每年以5 000 km以上的速度增長，我國幅員遼闊，四分之三的國土冬季會降雪，如不及時清除，將大大降低道路的通行能力，加大交通事故風險。傳統除冰雪方法是噴灑氯鹽融雪劑，對路面具有較大的腐蝕性，還會污染環境[1-9]。

采用發熱電纜對路面進行物理加熱融雪化冰技術在國外已有廣泛應用，該除雪方案具有無污染、運行費用較低、除雪效果好、控制方便等優勢。雖然該項技術在國內已經有所研究，但對工程應用中一些主要問題的研究還不夠系統和深入[10-12]。本文以瀝青混凝土路面為分析對象，用ANSYS軟件數值分析，研究路面采用發熱電纜除冰雪時的加熱功率與環境溫度之間的關系，得出了一些有意義的結論，可為瀝青混凝土路面加熱電纜除冰雪系統的設計、施工及運行提供必要的理論基礎和參考。

1模型參數及邊界條件

1.1模型參數

表1　分析模型設計參數表

以厚度為12 cm的瀝青混凝土路面為研究對象，假設加熱電纜埋置在路面面層中部，即深度為6 cm處[13]，模型設計參數見表1。

1.2初始條件及邊界條件

本文假定分析模型的初始溫度等于環境溫度，對流換熱系數和項變邊界，取值如下。

(1)對流換熱系數：采用文獻[14]中對流換熱系數的近似計算公式：

(1)

式中：ΔT為路表與空氣溫差，取值22.5℃代入；Vf為環境風速。

(2)項變邊界：本課題的分析中，未考慮冰雪的項變邊界問題。

2加熱功率與環境因素關系分析

物理除冰雪過程主要集中在快速升溫階段和升溫趨緩階段，對瀝青混凝土路面加熱功率與環境因素的優化分析結果如下。

2.1路面快速升溫階段

環境溫度分別設為-1、-3℃，環境風速取值為5.0、3.0、0.0 m/s，繪出加熱功率和環境因素關系曲線如圖1～3所示。

圖1　起始溫度-1℃，風速為5 m/s時，不同加熱功率對路面溫度的影響Fig.1 Effect of different heating power on pavement temperaturewith start temperature of -1℃ and wind speed of 5m/s

(a)環境溫度為-1℃

(b)環境溫度為-3℃時

(a)環境溫度為-1℃時

(b)環境溫度為-3℃時

可以得出以下結論：

(1)不論加熱功率，起始環境溫度，環境風速有何改變，路面溫度在升溫過程中的規律是一致的，可以分為三個階段。第一階段為低速預熱升溫階段，此時路面溫度變化很小；第二階段為快速升溫階段，通常在加熱的2～24 h時段內，路面溫度上升較快；第三階段為升溫趨緩階段，隨加熱時間增加，路面溫度上升緩慢。

(2)對于相同的升溫目標，加熱功率對所需能耗有較大的影響。如加熱功率過小，路面的加熱能量小于散熱能量，路面永遠無法達到理想溫度。當加熱功率較低時，加熱能耗隨加熱功率的增加而降低。相反，當加熱功率過高時，由于瀝青混凝土傳導熱系數較低，造成局部升溫過高，耗能大量增加，融冰雪效果改善不大。

(3)加熱功率對達到目標溫度所需時間影響較大。當加熱功率相對較低時，提高功率，縮短加熱時間明顯，當加熱功率較高時，再提高功率，效果降低。

2.2升溫趨緩階段

考慮環境溫度分別為-1、-3℃、環境風速為0.0、3m/s的情況，加熱功率與路面溫度的關系曲線如圖4所示。

(a)起始溫度-1℃

(b)起始溫度-3℃

(c)環境風速0m/s

(d)環境風速3m/s

由圖4可以得出以下結論。

(1)在升溫趨緩階段，加熱功率與路面溫度大致表現為線性增長規律。環境風速對路面溫度作用較明顯，風速越大，路面溫度越低。

(2)在無降雪情況下，路面加熱后的趨于穩定的溫度Tm與加熱功率Q、環境風速Vf的關系，公式(2)：

(2)

式中：Te為環境溫度，℃；Tm為路面溫度，℃；Vf為環境風速，m/s；P為單純融雪功率。

3結論

通過加熱功率、環境溫度、環境風速等參數對

路面加熱除冰雪效果的影響分析得出如下主要結論：

(1)路面加熱融冰雪過程分為路面低速預熱升溫階段、快速升溫階段和升溫趨緩階段等3個主要階段。

(2)相對于一定的目標溫度，加熱功率對能耗及加熱時間均有較大的影響。可根據本文發現的規律，在不同加熱階段優化加熱功率。

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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

中圖分類號：U443.31；U 445.7

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)02-0075-03

作者簡介：第一宋曉東，博士，副教授。研究方向：道路與橋梁工程理論。E-mail:songxd1@163.com

收稿日期：2015-11-17

引文格式：宋曉東，張文學.瀝青混凝土路面物理除冰雪加熱功率優化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.