宋曉東，張文學(xué)

(1.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 周口466000；2.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)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(yōu)化分析

宋曉東1，張文學(xué)2

(1.周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 周口466000；2.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124)

摘要：傳統(tǒng)的噴灑氯鹽類融雪劑除冰雪會對路面造成腐蝕和污染環(huán)境，在路面下鋪設(shè)加熱電纜進(jìn)行物理除冰雪是一種綠色環(huán)保的方法。本文重點(diǎn)研究了加熱功率與路面升溫速度、路面升溫溫度和環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度等之間的關(guān)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(yù)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(dá)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(jù)具體環(huán)境情況對不同階段進(jìn)行加熱功率優(yōu)化分析。

關(guān)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(dá)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(fēng)險。傳統(tǒng)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(huán)境[1-9]。

采用發(fā)熱電纜對路面進(jìn)行物理加熱融雪化冰技術(shù)在國外已有廣泛應(yīng)用，該除雪方案具有無污染、運(yùn)行費(fèi)用較低、除雪效果好、控制方便等優(yōu)勢。雖然該項技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有所研究，但對工程應(yīng)用中一些主要問題的研究還不夠系統(tǒng)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(shù)值分析，研究路面采用發(fā)熱電纜除冰雪時的加熱功率與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，得出了一些有意義的結(jié)論，可為瀝青混凝土路面加熱電纜除冰雪系統(tǒng)的設(shè)計、施工及運(yùn)行提供必要的理論基礎(chǔ)和參考。

1模型參數(shù)及邊界條件

1.1模型參數(shù)

表1　分析模型設(shè)計參數(shù)表

以厚度為12 cm的瀝青混凝土路面為研究對象，假設(shè)加熱電纜埋置在路面面層中部，即深度為6 cm處[13]，模型設(shè)計參數(shù)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(huán)境溫度，對流換熱系數(shù)和項變邊界，取值如下。

(1)對流換熱系數(shù)：采用文獻(xiàn)[14]中對流換熱系數(shù)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(huán)境風(fēng)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(huán)境因素關(guān)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(huán)境因素的優(yōu)化分析結(jié)果如下。

2.1路面快速升溫階段

環(huán)境溫度分別設(shè)為-1、-3℃，環(huán)境風(fēng)速取值為5.0、3.0、0.0 m/s，繪出加熱功率和環(huán)境因素關(guān)系曲線如圖1～3所示。

圖1　起始溫度-1℃，風(fēng)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(huán)境溫度為-1℃

(b)環(huán)境溫度為-3℃時

(a)環(huán)境溫度為-1℃時

(b)環(huán)境溫度為-3℃時

可以得出以下結(jié)論：

(1)不論加熱功率，起始環(huán)境溫度，環(huán)境風(fēng)速有何改變，路面溫度在升溫過程中的規(guī)律是一致的，可以分為三個階段。第一階段為低速預(yù)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(nèi)，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(biāo)，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(yuǎn)無法達(dá)到理想溫度。當(dāng)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(dāng)加熱功率過高時，由于瀝青混凝土傳導(dǎo)熱系數(shù)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(dá)到目標(biāo)溫度所需時間影響較大。當(dāng)加熱功率相對較低時，提高功率，縮短加熱時間明顯，當(dāng)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(huán)境溫度分別為-1、-3℃、環(huán)境風(fēng)速為0.0、3m/s的情況，加熱功率與路面溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。

(a)起始溫度-1℃

(b)起始溫度-3℃

(c)環(huán)境風(fēng)速0m/s

(d)環(huán)境風(fēng)速3m/s

由圖4可以得出以下結(jié)論。

(1)在升溫趨緩階段，加熱功率與路面溫度大致表現(xiàn)為線性增長規(guī)律。環(huán)境風(fēng)速對路面溫度作用較明顯，風(fēng)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(wěn)定的溫度Tm與加熱功率Q、環(huán)境風(fēng)速Vf的關(guān)系，公式(2)：

(2)

式中：Te為環(huán)境溫度，℃；Tm為路面溫度，℃；Vf為環(huán)境風(fēng)速，m/s；P為單純?nèi)谘┕β省?/p>

3結(jié)論

通過加熱功率、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速等參數(shù)對

路面加熱除冰雪效果的影響分析得出如下主要結(jié)論：

(1)路面加熱融冰雪過程分為路面低速預(yù)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(biāo)溫度，加熱功率對能耗及加熱時間均有較大的影響?？筛鶕?jù)本文發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，在不同加熱階段優(yōu)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(xiàn)標(biāo)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(xué).瀝青混凝土路面物理除冰雪加熱功率優(yōu)化分析[J].森林工程，2016，32(2)：75-77.