電發熱主動融冰雪路面專利技術發展研究

莊瑞華

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 電發熱主動融冰雪路面專利技術背景

我國大部分地區屬于季節性冰凍地區，冬季甚至早春季節，路面積雪結冰現象十分普遍。路面積雪結冰將降低路面摩擦力，嚴重影響道路交通安全。為了保障道路暢通和行車安全，交通部門必須采取有效的除冰雪措施。

目前，我國交通部門通常會根據天氣預報提前在路面上撒布融冰雪劑，或在路面出現冰雪后采用機械除冰雪設備進行鏟除。融冰雪劑不但費用高昂，而且會鹽漬土地、污染地下水，嚴重影響環境，而采用機械除冰雪設備存在滯后性，會延誤交通，并對路面造成不同程度的傷害。因此，如何合理、有效地使路面本身能夠融雪化冰或加速冰雪融化成為亟待解決的關鍵問題。

隨著科學技術的發展，基于主動加熱的路面融冰雪技術逐漸問世，其中包括電發熱主動融冰雪路面。電發熱主動融冰雪路面具有環境友好、穩定性高、控制方便等優勢，對于冰雪強度大、持續時間長的北方地區具有很大的適用性。為此，本文嘗試對電發熱主動融冰雪路面相關專利進行全面分析，深入研究該技術中的各項技術細節，以期為該技術在道路工程中的實際應用提供參考。

2 電發熱主動融冰雪路面專利技術發展

電發熱主動融冰雪路面是指在道路路面下一定深度處預埋電發熱元件的路面，它通過電發熱元件將電能轉化為熱能，由道路結構層將熱量傳到路面進行融雪化冰。電發熱主動融冰雪路面主要由供電系統、加熱系統、監測控制系統三部分組成，它們都是現有專利中改進的重點。

2.1 加熱系統

2.1.1 電熱元件

加熱系統是指由道路內預埋電熱元件組成的，將電能轉化為熱能，并通過結構層向路面傳遞熱量的系統。現有技術中用于電發熱主動融冰雪路面的電發熱元件多種多樣，主要有發熱電纜、碳纖維發熱線、電熱絲、電熱片、碳纖維電熱膜、石墨烯發熱膜等，其中，線型的發熱電纜和碳纖維發熱線是最主要的兩類。[1]

2.1.2 電熱元件的布置

不同電熱元件的平面布置方式有所不同，總體的原則就是使路面的發熱均勻。發熱電纜一般采用蛇形鋪裝，而碳纖維發熱線的布設可選擇回折型（旋轉型）或平行型（直列型）。[2]

而在橫斷面上，電發熱元件通常設置在導熱層和隔熱層之間，這是因為，電發熱元件通電后通常是向四周均勻散發熱量的，而積雪位于電發熱元件上方，故需要在電發熱元件下部設置隔熱層阻止熱量向下傳遞，并在其上部設置導熱層引導熱量向上傳遞，使熱量盡可能多地快速到達路面，提高融冰雪效率。為了進一步提高電發熱元件的熱量利用率，專利技術中對導熱層和隔熱層進行了改進。CN203462377U 中將鋼纖維石墨混凝土層作為導熱層，利用其優良的熱傳導性能，顯著提高了融冰雪效率，減少了熱量傳遞過程中的損失。[3]JP2010133233A 中采用中空粒子作為隔熱層材料，提高了隔熱效果。CN103821067A 公開了應用于融冰雪橋面的復合功能層及其所用隔熱層和導熱層的配比，給定配比的隔熱層導熱系數僅為0.3～0.5w/m·k，導熱層的導熱系數達到3～8w/m·k，通過采用這種給定配比的隔熱層和導熱層，實現了熱量的單向傳導，極大地提高了熱能的利用效率。

2.1.3 電熱元件的施工

1.鋼筋網固定法。鋼筋網固定法就是將發熱電纜或者碳纖維發熱線先固定在鋼筋網上，然后澆筑于路面內部，充分克服了發熱電纜和碳纖維發熱線由于柔軟而難以固定在路面中的缺點。[4]如CN101235621A 公開的水泥混凝土橋面融冰雪化冰電熱法中，碳纖維發熱電纜通過綁扎在鋼筋網上澆筑在混凝土橋面內，而CN104060515A 公開的機場瀝青跑道中，碳纖維加熱線以蛇形排列的方式布置在鋼絲網上而澆筑在瀝青混凝土中。

2.刻槽法。刻槽法就是首先在路面內刻槽，然后將發熱電纜或者碳纖維發熱絲放入凹槽內。如CN102002 907A 公開了一種橋梁融冰雪化冰碳纖維加熱系統，橋面板上依次為發泡水泥層和橋面鋪裝層，為了防止碳纖維發熱線被壓壞，便在發泡水泥層上開設了鋪設碳纖維發熱線的凹槽；CN102322011A 公開了一種路面主動保溫防滑設施的施工方法，在路面基層的表面開設凹槽，并于凹槽內鋪設發熱電纜；CN103821067A 公開了一種融雪橋面，該橋面中以齒狀凹槽鋪設加熱電纜，并在凹槽底部設置隔熱墊層。

雖然刻槽法能夠有效保護發熱元件，取得不錯的發熱效果，但也存在缺點：一方面，刻槽會對發熱元件所在結構層造成一定程度的損壞；另一方面，在施工時需清理凹槽中的碎屑，處理大量的接頭，增加了施工的難度。

為了便于形成凹槽，JPH11152708A 公開了一種長條構件，包括硬橡膠制成的長條體和硬塑料制成的長條體，兩者嵌合。瀝青路面鋪設時，將長條構件埋在瀝青混合料中，路面壓實后，取出長條體，形成防止發熱電纜的凹槽。

3.發熱管法。發熱管法就是將發熱電纜或者碳纖維發熱線穿設在鋼管內鋪設于路面內部。CN202359480U公開了一種地熱透水地面結構，在墊層中固定鋼管，在鋼管內穿設發熱電纜形成發熱管。鋼管不但能夠對發熱電纜起到很好的保護作用，而且能夠提高路面的強度，但是這種方法鋼管耗費較多，造價較高。

發熱管法中，鋼管與發熱電纜或者碳纖維發熱線之間存在一定的空隙，發熱電纜或者碳纖維發熱線通電發熱時，首先將熱量傳遞給鋼管，然后再傳遞給路面，這個過程會導致一部分熱量的損失，降低熱量的利用率。為了解決這個問題，JP2001118665A 公開了一種方法，即在發熱電纜與鋼管的空隙之間填充具有優良熱傳導性能的粉末如氧化鋁。

普通鋼管的熱量是向四周均勻發散的，而路面積雪位于鋼管上部，向上傳遞的熱量才是有效熱量。為了使熱量盡可能地向上傳遞，揚州希德電氣有限公司研發了兩種定向散熱管道，CN202055138U、CN20205513 9U 中公開了其具體結構。

在管體的內表面沿管體長度方向120～180 度的弧度區間內設置陶瓷層后，陶瓷層可以對所覆蓋的管體部分進行局部保溫、隔熱，使大部分熱量由無陶瓷層的管體向外傳導。發熱電纜或碳纖維發熱線穿設在這種定向散熱管內，通過定向安裝鋪設于道路路面結構內，使設置陶瓷層的管體部分朝下，即可實現大部分熱量向上方散發的目的，充分利用發熱電纜或碳纖維發熱線散發的熱能，節約電能。

4.混編法。混編法主要針對碳纖維發熱線，就是直接將碳纖維與其他材料編織成網格鋪設在路面內部，或者通過膠粘劑將碳纖維束粘合在連續纖維絲束上形成土工格柵鋪設在路面內部，膠粘劑同時起絕緣和保護的作用。CN101413240A 中將直接將碳纖維和玻璃纖維共同編織成網格，進行粘砂處理絕緣增韌后，鋪設在道路中。CN101701445A 中利用改性瀝青、丙烯酸乳液或耐高溫熱固性樹脂將碳纖維發熱線粘貼在玄武巖纖維土工格柵的經紗或者緯紗上，改性瀝青、丙烯酸乳液或耐高溫熱固性樹脂同時起絕緣作用。

5.其它方法。除發熱電纜、碳纖維發熱線以外的電熱元件施工時主要參考上述4 種施工方法進行，但有時也會針對所用電發元件的特點進行改進。

CN203904797U 公開了一種智能環保型防凍路橋面，將電熱片作為內置電發熱元件埋設與路橋面內部，所采用的施工方法則是鋼筋網固定法，將電熱片固定在鋼筋網上，埋設于路橋面內部。CN101230555A 中公開了一種可發熱公路，將電熱絲作為內置電發熱元件，多條電熱絲形成網狀直接鋪設在瀝青路面內部。由于瀝青路面在車輛長期的行駛過程中容易發生變形，因此，電熱絲容易外露，造成損害。為了解決上述問題，CN202124819U、CN203096611U、CN203113219U中將電熱絲穿設在鋼管內形成發熱管，不但避免了電熱絲外露，還提高了路面的強度。同時，由于電熱絲細且柔軟，現場施工十分不便，為了解決該問題，CN205115953U 中將發熱絲固定在粗纖維鋼絲網夾層內形成彈性發熱卷材，該卷材可以直接在工廠批量生產，然后運送至施工路面鋪設在路面相應結構層之間形成主動融冰雪路面，大大降低了施工難度。

2.2 供電系統

這里所說的供電系統是指為加熱系統提供電能的系統，現有技術中，可以根據電能的來源進一步分為市電供電系統、綠色能源供電系統和混合供電系統。[5-6]市電供電系統就是將市政用電作為加熱系統的電能來源，較為常規和簡單，下面主要針對綠色能源供電系統和混合供電系統進行介紹。

2.2.1 綠色能源供電系統

太陽能供電系統/風能供電系統就是利用太陽能發電設備/風能發電設備將太陽能/風能轉化為電能儲存于蓄電池中用于路面加熱的系統。冬天用電需求大，利用太陽能和風能發電可以大大地緩解市政電網的供電壓力，節約電能。CN101979770A、CN102061655A、CN203113219U、KR20080066507A 中均采用了太陽能供電，CN201343683Y、KR20130077491A 中均采用了風能供電。

除太陽能和風能外還有少量其他綠色能源供電系統。CN104481823A 提出了在減速帶中設置發電機構，這種發電機構以減速帶壓板為驅動件，將汽車駛過減速帶壓板是形成的壓力作為動力持續不斷發電，并將產生的電量通過蓄電設備存儲起來，用于路面融冰雪。CN102535307A 中在公路路基與路面之間設置壓電陶瓷，汽車通過公路路面時，在壓電陶瓷的作用兩側產生電壓，利用溫度觸電開關，在溫度低于零度時閉合電路，電流流過電發熱元件產生熱量。

2.2.2 混合供電系統

混合供電主要是市電供電和綠色能源供電的組合利用，一方面節省電能，另一方面為路面融冰雪提供雙重保障。CN101979770A 提出了太陽能發電與市政供電互補的混合供電方式，將太陽能供電作為第一優先級，只有在太陽能供電不足時才開啟市政供電。通過這種混合供電方式，不僅充分利用了清潔能源，而且保證了太陽能供電不足或失效的情況下整個系統的可靠性。

2.3 監測控制系統

監測控制系統包括監測系統和控制系統，用于根據監測信息對加熱系統的工作狀態進行精確控制。由于控制系統基于監測系統的監測信息進行控制，因此，對于監測系統而言，全面、準確的監測顯得尤為重要。

監測系統主要經歷了由單一的溫度監測向環境監測的轉變。單一的溫度監測是指僅針對路面溫度的監測，并將監測結果作為控制系統的控制依據。如CN108755340A 中，僅在路面上面層內設置溫度傳感器，基于設定的溫度閾值控制加熱系統的加熱。但僅通過路面溫度很難準確判斷路面是否有冰雪，比如，當溫度在冰點以下，但路面或者空氣中濕度很低時，路面無法形成冰雪。此時，如果對路面進行加熱無疑是浪費能源。[7-8]

環境監測就是在溫度監測的基礎上同時對路面所處環境進行監測，依據多個監測數據綜合控制。如CN112482128A 中不僅路面表層溫濕度傳感器，還同時獲取實時天氣信息，不僅能夠提高控制精度，而且能夠提前預測結冰或積雪風險。

3 結語

本文對電發熱主動融冰雪路面相關專利進行了梳理，詳細剖析了該類路面在供電、加熱和監控三方面的專利技術細節，不難看出，上述三個方面共同決定著電發熱主動融冰雪路面的工作性能，屬于該類路面的核心技術。后續的研究者應當充分重視上述三個方面的專利技術，確定合理的研究方向，在避免侵犯他人的專利權的同時做好專利布局。