王碩 丁甜田 彭陽(yáng)

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢 430070)

基于重力熱管技術(shù)的道路降溫與融雪系統(tǒng)的探究

王碩 丁甜田 彭陽(yáng)

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢 430070)

針對(duì)路面的高溫、積雪結(jié)冰問(wèn)題,將重力熱管技術(shù)應(yīng)用到道路上,運(yùn)用合理的管路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)和熱能的傳遞。該系統(tǒng)利用重力熱管可實(shí)現(xiàn)夏季瀝青路面的降溫和冬季路面的融冰的功能,降溫時(shí)輸出熱水熱能可利用,除雪時(shí)更節(jié)能環(huán)保,同時(shí)也提出了延長(zhǎng)道路壽命和緩解城市熱島效應(yīng)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(jié)冰產(chǎn)生的路況問(wèn)題對(duì)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(yīng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)道路降溫研究集中于路面涂反射涂料、保水涂料等，但鋪設(shè)效率低、造價(jià)高昂、使用性能不穩(wěn)定。針對(duì)冬季路面積雪結(jié)冰，我國(guó)目前主要用融雪劑和機(jī)械除雪等。這會(huì)導(dǎo)致路面破壞增多，縮短使用壽命。

針對(duì)路面的高溫、積雪結(jié)冰問(wèn)題，將重力熱管技術(shù)應(yīng)用到道路上，運(yùn)用合理的管路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)和熱能的傳遞。該系統(tǒng)利用重力熱管可實(shí)現(xiàn)夏季瀝青路面的降溫和冬季路面的融冰的功能，降溫時(shí)輸出熱水熱能可利用，除雪時(shí)更節(jié)能環(huán)保，同時(shí)也提出了延長(zhǎng)道路壽命和緩解城市熱島效應(yīng)的新方法。同時(shí)節(jié)約能源，環(huán)保高效可再生，發(fā)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(shí)下端的液體蒸發(fā)，以高速向上部移動(dòng)，當(dāng)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(nèi)壁流回下端蒸發(fā)段，如此由下端向上端連續(xù)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(guò)水循環(huán)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(shí)，依據(jù)熱力學(xué)第二定律：在自然狀態(tài)下，熱量只能由熱處傳到冷處。路中央會(huì)持續(xù)的將熱量傳遞至熱管處，從而實(shí)現(xiàn)了路面的整體降溫。

初步設(shè)計(jì)新型道路欄桿由若干段組成，每段中有十個(gè)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(dǎo)熱翅片。根據(jù)欄桿的位置不同進(jìn)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(cè)延伸，欄桿位于路邊從一側(cè)伸向路面，如此可實(shí)現(xiàn)整個(gè)路基都有熱傳導(dǎo)率高的翅片進(jìn)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(huán)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(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝有小部分沸點(diǎn)較低的液體媒介，以實(shí)現(xiàn)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(jìn)水管，其上有閥門，在夏季時(shí)閥門呈打開狀態(tài)，進(jìn)來(lái)的水通過(guò)閥門分往每根套筒，水從熱管底端進(jìn)入套筒，在上升的過(guò)程吸收熱管中的熱量并升溫。當(dāng)這部分水達(dá)到套筒頂部的時(shí)候進(jìn)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(dòng)，熱水從出口流出并被收集起來(lái)。這部分的熱水可以供市民或者工廠使用，若應(yīng)用在高速路上，熱水還可以供應(yīng)給服務(wù)站，給旅途勞頓的乘客和司機(jī)使用。

采用此降溫方法能夠方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青路面的降溫且降溫效果比較明顯。相較于傳統(tǒng)的路面，在環(huán)境氣溫為35℃時(shí)，其大致為路面降溫10～15℃，即由原來(lái)60℃左右降到45℃左右。能夠有效緩解城市的熱島效應(yīng)，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命、改善城市環(huán)境等。其后期的維護(hù)費(fèi)用較少，且收集的能量可利用，從而實(shí)現(xiàn)變廢為寶的過(guò)程。，按照吸收效率80%，計(jì)

2.2 冬季路面融雪(如圖2)

利用向底部供水系統(tǒng)通熱水提高路基的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)冰雪融化。降雪以及氣溫過(guò)低等影響容易產(chǎn)生積雪結(jié)冰，為加速融雪除冰，此時(shí)熱管底部的閥門呈關(guān)閉狀態(tài)，向熱管底部的管道中通入熱水，通過(guò)熱傳導(dǎo)將管道中熱水的熱量傳導(dǎo)給每根熱管下對(duì)應(yīng)的翅片，翅片從而將熱量擴(kuò)散至整個(gè)路基，同時(shí)路面溫度也會(huì)上升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)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(yīng)用

3.1 利用低溫發(fā)電技術(shù)給路燈供電

低溫發(fā)電技術(shù)的基本原理發(fā)電過(guò)程是利用有機(jī)工質(zhì)低沸點(diǎn)蒸發(fā)的熱物理性質(zhì)，經(jīng)蒸發(fā)器與低溫?zé)嵩磽Q熱，蒸發(fā)為飽和或者過(guò)熱蒸氣推動(dòng)膨脹機(jī)做功，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹后蒸汽進(jìn)入冷凝器冷凝為飽和液體，經(jīng)工質(zhì)循環(huán)泵加壓進(jìn)入蒸發(fā)器完成循環(huán)。

據(jù)資料得知低溫發(fā)電系統(tǒng)年均理論平均發(fā)電效率約為10.1%，實(shí)際平均發(fā)電效率約為3.8%。從1m2路面收集到的熱能得出計(jì)算理論發(fā)電量We=10.2% 158KJ=16KJ。據(jù)查資料我國(guó)現(xiàn)有公路1758000Km，假設(shè)只有0.001%運(yùn)用該系統(tǒng)，每天將能節(jié)約電量為2000kw/h，相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤。

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

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)以全新的理念切入了道路建設(shè)、維護(hù)領(lǐng)域，著眼于道路的降溫與融雪系統(tǒng)的研發(fā)。將有利于道路的行車安全與維護(hù)，具有廣泛的社會(huì)效益和推廣應(yīng)用前景。該系統(tǒng)在現(xiàn)有的路面溫度控制的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的重力熱管技術(shù)，在原理上具有可行性。由于道路溫控技術(shù)是正發(fā)展的技術(shù)，日后會(huì)不斷的研究和試驗(yàn)，在推廣上具有可行性。該系統(tǒng)能夠快速便捷的實(shí)現(xiàn)道路溫控，減少人力和物力，節(jié)約能源同時(shí)環(huán)保高效，在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

通過(guò)調(diào)研和查閱資料，目前市場(chǎng)上無(wú)同類產(chǎn)品。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以收集能量和節(jié)約冬季融雪消耗的人力物力。同時(shí)可以大大降低了對(duì)道路維護(hù)的費(fèi)用，提高道路交通的安全系數(shù)，減少了因冰雪造成的交通事故率，具有巨大的社會(huì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。

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