機場用導電混凝土除冰雪熱功率優化研究

李龍海，仝　曄

（中國民航大學機場學院，天津　300300）

機場用導電混凝土除冰雪熱功率優化研究

李龍海，仝曄

（中國民航大學機場學院，天津300300）

碳纖維混凝土電熱性能用于機場除冰雪是當前機場熱融除冰雪的方式之一，通過融冰化雪試驗并建立冰雪熱融仿真模型，以能耗最低為邊界條件研究除冰雪最佳輸入功率，并提供最為合理的除冰雪模式。研究表明，依據外界條件不同，導電混凝土除冰雪可以通過調整最佳輸入功率和選擇最佳除冰雪模式達到節能目的，為其實際應用和運行管理提供數據支持。

機場道面；導電混凝土；除冰雪；熱功率；碳纖維

冰雪天氣是影響民航飛行安全的重要因素之一。中國北方大部分地區的機場在冬季都會遇到冰雪天氣帶來的各類問題，如跑道因冰雪天氣造成的道面摩阻顯著下降，使飛行器起降受限；因長時間除冰雪工作造成的航班大面積延誤和取消，影響機場和航空公司的運行秩序和運行效益；機場需要購置大量的除冰雪設備，因此而造成的資金積壓及日常的運行維護成本增大；甚至可能因天氣原因導致機場臨時關閉和航班大面積延誤，造成旅客不滿出現過激行為而引發安全事件。

因此，為了保證飛機的安全起降、提高機場的運營效益、必須采取及時有效的措施應對機場道面除冰雪問題。

1　相關研究

熱融除冰雪法作為新型除冰雪方式成為研究重點，與傳統除冰雪方法不同，它利用加熱機場道面表層融冰化雪，而達到快速、高效、無損傷、無污染的除冰雪目的。常規的機械清掃和化學除冰法存在除冰雪耗時長、效率低、人力物力投入大等缺點；另外，化學除冰法使用的除冰液還會對機場周邊的土壤和水體造成污染。因此，各國都在嘗試尋求一種更好的除冰雪方式。熱融除冰雪模式利用熱能將道面的冰雪融化，一般包括紅外熱融、電熱融以及熱管熱融。而將碳纖維加入到混凝土中制成導電混凝土，利用其自身的電熱性能除冰雪，就是其中一種利用新材料、新技術，高效、快速、無污染的熱融除冰雪方式。

研究表明，碳纖維導電混凝土具有優良的導電穩定性和良好的力學性能，且在低溫環境下反復加熱、荷載作用后，其導電性能穩定可靠；由于碳纖維的纖維狀材質，加入到混凝土中可以改變微觀結構，增韌阻裂，彌補抗折性能的不足，顯著改善混凝土的抗裂特性。這些優點使得導電混凝土完全可以適用于機場道面除冰雪工作。另外，碳纖維混凝土還具有Seebeck效應、溫敏效應和壓力機敏性等多種特性，因此，碳纖維導電混凝土還可以作為一種多功能的智能混凝土材料，作為本體傳感器應用在道面和結構檢測應用中。

2　導電混凝土融冰化雪模式分析

導電混凝土除冰雪應用的一個最關鍵的問題是能耗控制，而能耗研究其實質是控制其除冰雪的實際運行成本并降低能耗總量。利用導電混凝土除冰雪工作主要有2種模式：一種是在降雪初期開始通電升溫并保持持續低熱（大于0℃）進行除冰化雪，稱為持續型除冰雪模式，適用于降雪強度不大，時間不長，只需維持較低的輸入功率，即可完成融雪作業，但如果降雪時間過長，則會導致總耗電量較高，不利于節能。另外一種則是降雪完成后再開始加電升溫并保持較高溫度，快速、集中地進行除冰化雪，稱為集中式除冰化雪模式，適用于航班相對較少，尤其是中小型機場。

而對于持續型除冰雪模式可以通過2種方式控制能耗：一種是采用較低的輸入功率連續加電維持道面溫度高于0℃；另一種則采用間歇式高功率輸入，快速升高導電混凝土層溫度后斷電，利用混凝土層的熱熔維持除冰雪的溫度，當溫度降低至設定值時再次加電，循環往復。此種模式適用于降雪強度大或降雪時間長的情況，當降雪停止后，以較高的輸入功率達到快速除冰雪的目的。經過調研，一般認為可接受的除冰雪時間在1 h左右，這樣的除冰雪時長不會嚴重影響機場運行秩序，避免造成航班大面積延誤的情況。當使用快速除冰雪模式時，如減少除冰雪時間，則需提高輸入功率，但會明顯增加熱量的快速損失，導致不必要能耗值增大；如輸入功率偏低，除冰雪時間即會增長，從而增加能耗總量，引起機場航班大面積延誤，不利于節能減排。因此，除冰雪過程中則需要對除冰雪單位輸入功率進行控制，維持在可接受的除冰雪時間范圍內，并通過有效控制輸入功率，獲得最佳除冰雪能耗。

本文采用ANSYS有限元建立模型，結合碳纖維混凝土板融冰化雪模型試驗，分析不同通電加熱模式下，導電混凝土板的適合輸入功率、能耗大小，綜合比較各方面條件后得出最佳融雪模式方案。這對于導電混凝土熱融除冰雪應用具有較高的經濟價值和社會效益，其試驗數據和研究結論，為導電混凝土除冰雪的未來應用提供數據支持。

3　導電混凝土道面融冰化雪有限元模型

運用ANSYS有限元軟件，基于熱量傳導模式、實際道面的結構模式建立機場剛性道面有限元模型，用于復雜情況下碳纖維道面的除冰化雪問題研究。取其中一塊碳纖維混凝土道面作為分析對象，建立實際導電混凝土道面模型，并將其看作是均勻的發熱體。道面板尺寸為5 m×5 m，普通混凝土層厚度為0.25 m，碳纖維混凝土層厚度為0.05 m，雪層厚度為0.02 m。同時考慮不同外界環境溫度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），以及不同風速的天氣變化情況，依據不同輸入功率進行道面融冰化雪的有限元模擬。有限元模型各使用參數如表1所示。

表1　冰、雪及碳纖維混凝土熱性能參數Tab.1　Thermal performance parameters of ice，snow and carbon fiber reinforced concrete

加載求解：由于將模型四周看成是絕熱的，因此中間的導電混凝土層在通電發熱后，熱量除用于自身升溫外，一部分往上傳給雪層，還有一部分往下傳給普通混凝土層。雪層與空氣之間存在對流換熱和輻射換熱。模擬實際溫度為-15℃，風速為15 km/h為例，施加單位面積的輸入功率2 500 W/m2，通電加熱1 h后的溫度場實況，如圖1所示。

從圖中2可以看出碳纖維混凝土試塊表面的溫度變化并非呈直線趨勢上升，在溫度上升至0℃之前上升速率較緩慢，這是由于在試塊加電初期熱能除向上、下層輻射和傳導作用外，還要克服自身的熱容提高自身溫度；當溫度上升至0℃達到化雪溫度后，則呈現近似直線上升趨勢。雪的溫度要比導電混凝土的溫度上升的速率緩慢得多，這是由于雪的導熱系數較低，具有較好的隔熱作用，所以隨著溫度的升高，雪與空氣的對流換熱和輻射換熱量不斷增大，因此溫升越來越慢，當溫度到達0℃時，雪層開始融化，直至雪層完全融化成水。由于雪層表面還承受著對流換熱、輻射化熱，以及熱交換等多重作用，因此，無論是當天的實際溫度、風速及輸入功率的大小都會影響化雪時間。

圖1　溫度場分布圖Fig.1　Temperature distribution

圖2　各結構層溫度變化曲線Fig.2　Temperature curve of each structural layer

針對預熱式升溫并持續加熱除冰化雪模式來說，當機場道面表面溫度保持在0℃以上時，無論是降雪還是降雨，道面都不會出現結冰現象。因此，如果可以根據天氣預報提前給道面通電升溫，那么即使在天氣惡劣的情況下，道面也不會因為積雪結冰出現不適于飛行的情況，這對于大型樞紐機場來說顯得尤為重要，但采用預熱方式用于機場除冰化雪，在達到理想效果的同時還需確認其能耗是否可以接受。經有限元仿真模型加載得出某時刻普通混凝土底部到導電混凝土表面的徑向路徑溫度變化曲線，如圖3所示。可以看出，由于導電混凝土層內部的溫度差10℃左右，當機場風速在45 km/h時，導電混凝土道面表面散熱很快，因此采用預熱式升溫除冰雪的方法將增加熱輻射而導致能耗增高，經濟效益和社會效益較差。當風速較低時，表面散熱導致的能耗損失會大幅度降低，可以用較低的輸入功率保持道面表層維持0℃以上，達到即時除冰雪的效果。因此，機場可以根據本地的氣候狀況，建立一套適合自己的系統，結合不同的方法，達到降低能耗、提高除冰雪效率的目標。

圖3　沿徑向溫度變化圖Fig.3　Temperature change in radial direction

研究表明，對于相同輸入功率值的影響，其不同摻量的化雪能耗變化量相差較小，化雪效果相近，化雪能耗因風速和溫度的不同而變化，與碳纖維摻量的大小基本無關，但碳纖維摻量不同會直接影響導電混凝土的電阻率等指標。如圖4～5所示。

圖4　-10℃時風速能耗關系曲線Fig.4　Wind velocity-energy consumption curve at-10℃

調研表明，當除冰雪的時長在1 h以內，對因此導致的航班延誤和維持機場運行秩序的影響是可以接受的，因此，1 h左右完成除冰雪作業作為本研究的時間邊界條件。經過仿真計算，得出如下輸入功率-能耗曲線圖，如圖6～圖9所示。從圖中擬合的數據曲線可以看出，當外界實際溫度值相同的前提下，風速值一定，隨除冰時間的增長，能耗值先減小至最低值后增大，其最低值即為最優；當除冰雪時長一定時，隨風速的增大，能耗值增高。對于最優熱功率優化方案的首要考慮條件是如何在短時間內高效化雪，且結合有效化雪時長的綜合考慮，可以得出如下結果：在外界環境溫度為-10℃，風速為0 km/h時的最優輸入功率值大約為1 600 W/m2，化雪時間為35 min，能耗值為0.93 kW·h/m2；風速為15 km/h時的最優輸入功率值大約為1 600 W/m2，化雪時間為38 min，能耗值為1.02 kW·h/m2；風速為30 km/h時的最優輸入功率值大約為1 900 W/m2，化雪時間為38 min，能耗值為1.2 kW·h/m2；風速為45 km/h時的最優輸入功率值大約為2 200 W/m2，化雪時間為39 min，能耗值為1.43 kW·h/ m2。同樣可以得出不同外界環境溫度、不同風速下的最優熱功率優化值、化雪時長以及相應的能耗值，以能耗最優為原則分別提供最佳輸入功率作為實際應用時的建議值，具體詳細數據如表2所示。

圖5　-15℃時風速能耗關系曲線Fig.5　Wind velocity-energy consumption curve at-15℃

圖6　-5℃時輸入功率能耗曲線Fig.6　Input power-energy consumption curve at-5℃

圖7　-10℃時輸入功率能耗曲線Fig.7　Input power-energy consumption curve at-10℃

圖8　-15℃時輸入功率能耗曲線Fig.8　Curve of input power-energy consumption in-15℃

圖9　-20℃時輸入功率能耗曲線Fig.9　Curve of input power-energy consumption in-20℃

表2　不同外界環境條件下的熱功率優化方案Tab.2　Program of thermal power optimization in different conditions

4　導電混凝土除冰雪試驗

有限元模型已對不同低溫環境，不同風速、不同單位輸入功率的情況下進行仿真計算，但模型的可用性仍需通過實際的試驗進行驗證，由于外界風速等復雜自然因素的控制在試驗室內難以實現，因此，試驗均在無風條件的基礎上完成。試驗中，因0.6%碳纖維摻量的導電混凝土的導電率不佳，因此，排除了此組試件。

試驗目的：通過模擬某些低溫環境，掌握不同碳纖維含量的導電混凝土在不同的輸入功率、除冰雪時長等多種因素的共同影響下的融冰化雪效果，從而獲取原始數據并初步掌握不同外界條件下的除冰雪能耗情況，為后期使用ANSYS有限元建模提供有效數據，進行仿真的指導和校核。

試驗設計：選取碳纖維體積含量分別為0.9%、1.2%、1.5%的3個試驗組，每組制作5塊同種摻量試塊，每塊試塊的尺寸均為0.2 m×0.2 m×0.04 m，進行融冰化雪試驗，并先將試塊冷凍在低溫冷凍箱內，用于模擬低溫環境溫度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），對不同碳纖維含量的試驗組試塊，給定相同輸入功率（1 500～3 250 W/m2），記錄融化2 cm雪所需要的時間，從而計算出不同情況下化雪能耗值。

由圖10～圖12功率-能耗曲線圖可以看出，不同碳纖維摻量的導電混凝土除冰雪能耗均存在能耗值低點，由于試驗僅能模擬無風狀態，因此能耗低點僅與環境溫度相關，隨著環境溫度的降低，其除冰雪能耗相應提高，單位輸入功率隨之增大，但隨溫度的降低，能耗的增加呈現趨緩的趨勢。這個特性與計算機仿真的計算結果相似，這為機場未來進行導電混凝土除冰雪能耗控制提供了理論依據和數據支持。

圖10　碳纖維含量為0.9%的功率能耗曲線Fig.10　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 0.9%

圖11　碳纖維含量為1.2%的功率能耗曲線Fig.11　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 1.2%

圖12　碳纖維含量為1.5%的功率能耗曲線Fig.12　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 1.5%

由圖6～圖9對比試驗數據圖10～圖12可以看出，雖然試驗結果與仿真計算結果具有相同的趨勢性，但試驗數據與計算機仿真計算結果還是存在一定的差異，比較試驗測試和仿真計算所需化雪時間可以看出其變化趨勢基本一致，但其結果仍然存在一定的數據差異，導致其差異的主要原因分析如下：

1）道面結構實際道面中導電混凝土層下面的普通混凝土層及其他結構層具有很好的保溫性，而試驗室使用的試件，缺少必要的保溫層，上下表面均會導致能耗損失。

2）材料均一性由于導電混凝土中碳纖維材料無法滿足完全勻質，因此導電混凝土表面溫升也不均一；而模擬的表面雪層也是由人為攤鋪形成，也不能保證其均一性，進而造成局部除冰雪時間加長。

3）熱參數由于使用的雪經過冰柜長時間冷藏，導致雪呈現冰晶化，雪與冰的比熱、融化潛能及導熱系數等熱參數差異較大，因此導致試驗數據和仿真計算的差異。

4）試驗環境由于試驗區域置于冰柜內，導致試驗的低溫環境比模擬的環境溫度要低，這種溫差效應導致能耗損失增加，尤其對模擬-10℃、-5℃時的影響更為顯著。

5　結語

研究表明導電混凝土憑借其優良的導電穩定性和良好的力學性能，是機場除冰雪工作行之有效的新材料和新方式。同時通過試驗模擬和有限元仿真計算綜合考慮后得出：

1）試驗結果與仿真計算結果具有相同的趨勢性，為機場未來進行導電混凝土除冰雪能耗控制提供了理論依據和數據支持。

2）不同碳纖維摻量的導電混凝土除冰雪應用時，在輸入相同電功率情況下，其除冰雪效果差異不大；

3）當外界實際溫度值相同的前提下，風速值一定，隨除冰時間的增長，能耗值先減小至最低值后增大，其最低值即為最優；當除冰雪時長一定時，隨風速的增大，能耗值增高。

4）預熱式除冰雪模式，即雪隨降隨即化雪工作模式，僅適用于環境溫度相對較高時采用，建議在-5℃或-10℃環境下風速在15 km/h以下時采用；

5）針對不同的外界環境條件下，以能耗最優原則提供了最優輸入功率，為除冰雪作業提供較為可行的融冰化雪優化方案，為導電混凝土除冰雪的實際應用和運行管理提供數據支持。

［1］訾冬毅，繆小平，范良凱.導電混凝在機場飛行區道面融冰化雪的應用［J］.環境與可持續發展，2009（1）：38-40.

［2］王宇.碳纖維水泥基復合材料受彎構件的力電效應研究［D］.沈陽：東北大學，2008.

［3］王小英，孫明清，侯作富，等.電熱混凝土復合材料的研究進展［J］.硅酸鹽通報，2007，26（1）：128-132.

［4］趙正，石建軍，施慧聰，等.纖維在面板堆石壩面板混凝土中應用的試驗研究［J］.華北水利水電學院學報，2012，33（6）：116-120.

［5］WEN S，CHUNG D D L.Seebeck effect in carbon fiber reinforced cement［J］.Cement and Concrete Research，1999，29（12）：1989-1993.

［6］REZA F，BATSON G B，YAMAMURO J A，et al.Volume electrical resistivity of carbon fiber cement composites［J］.ACI Materials Journal，2001，98（1）：25-35.

［7］民用機場水泥混凝土道面設計規范（MH5004-2009）-經營企劃［EB/ OL］.［2015-04-01］.http：//www.doc88.com/p-5196829073838.html.

［8］繆小平，訾冬毅，范良凱.碳纖維導電混凝土在機場道面的應用研究［J］.混凝土與水泥制品，2008（4）：41-45.

［9］馬世寧，劉曉軍，張元龍.碳纖維導電混凝土道面機場除冰雪的應用研究［J］.路基道面，2011（3）：182-184，188.

［10］唐祖全，李卓球，侯作富，等.導電混凝土路面材料的性能分析及導電組分選擇［J］.混凝土，2002（4）：28-31.

［11］張朝暉.ANSYS12.0熱分析工程應用實戰手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［12］唐祖全，李卓球，錢覺時.碳纖維導電混凝土在路面除冰雪中的應用研究［J］.建筑材料學報，2004，7（2）：215-220.

［13］侯作富.融雪化冰用碳纖維導電混凝土的研制及應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2003.

［14］孫明清，李卓球，毛起炤.CFRC電熱特性的研究［J］.武漢工業大學學報，1997，19（2）：72-74，77.

［15］沈剛，董發勤.碳纖維導電混凝土的性能研究［J］.公路，2004（12）：178-182.

（責任編輯：黃月）

Research on power optimization of airport deicing and snow removing with conductive concrete

LI Longhai，TONG Ye
（College of Airport，CAUC，Tianjin 300300，China）

Introducing electric performance of carbon fiber reinforced concrete into airport deicing and snow removing ice is proved one way of the hot melt airport deicing and snow removing.By experimenting with melting ice and snow and establishing hot melt simulation model，taking lowest energy consumption as the boundary condition，the best input power of deicing and snow removing is studied，providing the most reasonable mode of it.Studies show that depending on the different external conditions，the conductive concrete of deicing and snow removing may adjust the best input power and select the best mode to achieve energy conservation，supplying supporting data for the practical application and operational management of conductive concrete.

airport pavement；conductive concrete；cleaning ice and snow；thermal power；carbon fiber

V351.11；U8

A

1674-5590（2016）03-0022-06

2015-04-20；

2015-05-20

中國民航大學科研基金（2010RYE05）；中國民航大學機場科研基地開放基金（KFJJ2013JCGC02）

李龍海（1971—），男，黑龍江虎林人，副教授，碩士生導師，研究方向為交通運輸規劃與管理、機場運行管理.