李龍海，仝　曄

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津　300300）

機(jī)場用導(dǎo)電混凝土除冰雪熱功率優(yōu)化研究

李龍海，仝曄

（中國民航大學(xué)機(jī)場學(xué)院，天津300300）

碳纖維混凝土電熱性能用于機(jī)場除冰雪是當(dāng)前機(jī)場熱融除冰雪的方式之一，通過融冰化雪試驗(yàn)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(jù)外界條件不同，導(dǎo)電混凝土除冰雪可以通過調(diào)整最佳輸入功率和選擇最佳除冰雪模式達(dá)到節(jié)能目的，為其實(shí)際應(yīng)用和運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支持。

機(jī)場道面；導(dǎo)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(qū)的機(jī)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(shí)間除冰雪工作造成的航班大面積延誤和取消，影響機(jī)場和航空公司的運(yùn)行秩序和運(yùn)行效益；機(jī)場需要購置大量的除冰雪設(shè)備，因此而造成的資金積壓及日常的運(yùn)行維護(hù)成本增大；甚至可能因天氣原因?qū)е聶C(jī)場臨時(shí)關(guān)閉和航班大面積延誤，造成旅客不滿出現(xiàn)過激行為而引發(fā)安全事件。

因此，為了保證飛機(jī)的安全起降、提高機(jī)場的運(yùn)營效益、必須采取及時(shí)有效的措施應(yīng)對機(jī)場道面除冰雪問題。

1　相關(guān)研究

熱融除冰雪法作為新型除冰雪方式成為研究重點(diǎn)，與傳統(tǒng)除冰雪方法不同，它利用加熱機(jī)場道面表層融冰化雪，而達(dá)到快速、高效、無損傷、無污染的除冰雪目的。常規(guī)的機(jī)械清掃和化學(xué)除冰法存在除冰雪耗時(shí)長、效率低、人力物力投入大等缺點(diǎn)；另外，化學(xué)除冰法使用的除冰液還會對機(jī)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(dǎo)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(shù)，高效、快速、無污染的熱融除冰雪方式。

研究表明，碳纖維導(dǎo)電混凝土具有優(yōu)良的導(dǎo)電穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，且在低溫環(huán)境下反復(fù)加熱、荷載作用后，其導(dǎo)電性能穩(wěn)定可靠；由于碳纖維的纖維狀材質(zhì)，加入到混凝土中可以改變微觀結(jié)構(gòu)，增韌阻裂，彌補(bǔ)抗折性能的不足，顯著改善混凝土的抗裂特性。這些優(yōu)點(diǎn)使得導(dǎo)電混凝土完全可以適用于機(jī)場道面除冰雪工作。另外，碳纖維混凝土還具有Seebeck效應(yīng)、溫敏效應(yīng)和壓力機(jī)敏性等多種特性，因此，碳纖維導(dǎo)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(yīng)用在道面和結(jié)構(gòu)檢測應(yīng)用中。

2　導(dǎo)電混凝土融冰化雪模式分析

導(dǎo)電混凝土除冰雪應(yīng)用的一個(gè)最關(guān)鍵的問題是能耗控制，而能耗研究其實(shí)質(zhì)是控制其除冰雪的實(shí)際運(yùn)行成本并降低能耗總量。利用導(dǎo)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(xù)低熱（大于0℃）進(jìn)行除冰化雪，稱為持續(xù)型除冰雪模式，適用于降雪強(qiáng)度不大，時(shí)間不長，只需維持較低的輸入功率，即可完成融雪作業(yè)，但如果降雪時(shí)間過長，則會導(dǎo)致總耗電量較高，不利于節(jié)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(jìn)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(jī)場。

而對于持續(xù)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(xù)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(dǎo)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(dāng)溫度降低至設(shè)定值時(shí)再次加電，循環(huán)往復(fù)。此種模式適用于降雪強(qiáng)度大或降雪時(shí)間長的情況，當(dāng)降雪停止后，以較高的輸入功率達(dá)到快速除冰雪的目的。經(jīng)過調(diào)研，一般認(rèn)為可接受的除冰雪時(shí)間在1 h左右，這樣的除冰雪時(shí)長不會嚴(yán)重影響機(jī)場運(yùn)行秩序，避免造成航班大面積延誤的情況。當(dāng)使用快速除冰雪模式時(shí)，如減少除冰雪時(shí)間，則需提高輸入功率，但會明顯增加熱量的快速損失，導(dǎo)致不必要能耗值增大；如輸入功率偏低，除冰雪時(shí)間即會增長，從而增加能耗總量，引起機(jī)場航班大面積延誤，不利于節(jié)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(jìn)行控制，維持在可接受的除冰雪時(shí)間范圍內(nèi)，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(jié)合碳纖維混凝土板融冰化雪模型試驗(yàn)，分析不同通電加熱模式下，導(dǎo)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(dǎo)電混凝土熱融除冰雪應(yīng)用具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會效益，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論，為導(dǎo)電混凝土除冰雪的未來應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

3　導(dǎo)電混凝土道面融冰化雪有限元模型

運(yùn)用ANSYS有限元軟件，基于熱量傳導(dǎo)模式、實(shí)際道面的結(jié)構(gòu)模式建立機(jī)場剛性道面有限元模型，用于復(fù)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(shí)際導(dǎo)電混凝土道面模型，并將其看作是均勻的發(fā)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(shí)考慮不同外界環(huán)境溫度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），以及不同風(fēng)速的天氣變化情況，依據(jù)不同輸入功率進(jìn)行道面融冰化雪的有限元模擬。有限元模型各使用參數(shù)如表1所示。

表1　冰、雪及碳纖維混凝土熱性能參數(shù)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(dǎo)電混凝土層在通電發(fā)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(shí)際溫度為-15℃，風(fēng)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(shí)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(dǎo)作用外，還要克服自身的熱容提高自身溫度；當(dāng)溫度上升至0℃達(dá)到化雪溫度后，則呈現(xiàn)近似直線上升趨勢。雪的溫度要比導(dǎo)電混凝土的溫度上升的速率緩慢得多，這是由于雪的導(dǎo)熱系數(shù)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(dāng)溫度到達(dá)0℃時(shí)，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(dāng)天的實(shí)際溫度、風(fēng)速及輸入功率的大小都會影響化雪時(shí)間。

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

圖2　各結(jié)構(gòu)層溫度變化曲線Fig.2　Temperature curve of each structural layer

針對預(yù)熱式升溫并持續(xù)加熱除冰化雪模式來說，當(dāng)機(jī)場道面表面溫度保持在0℃以上時(shí)，無論是降雪還是降雨，道面都不會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因此，如果可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)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?yàn)榉e雪結(jié)冰出現(xiàn)不適于飛行的情況，這對于大型樞紐機(jī)場來說顯得尤為重要，但采用預(yù)熱方式用于機(jī)場除冰化雪，在達(dá)到理想效果的同時(shí)還需確認(rèn)其能耗是否可以接受。經(jīng)有限元仿真模型加載得出某時(shí)刻普通混凝土底部到導(dǎo)電混凝土表面的徑向路徑溫度變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯?，由于導(dǎo)電混凝土層內(nèi)部的溫度差10℃左右，當(dāng)機(jī)場風(fēng)速在45 km/h時(shí)，導(dǎo)電混凝土道面表面散熱很快，因此采用預(yù)熱式升溫除冰雪的方法將增加熱輻射而導(dǎo)致能耗增高，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益較差。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，表面散熱導(dǎo)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(dá)到即時(shí)除冰雪的效果。因此，機(jī)場可以根據(jù)本地的氣候狀況，建立一套適合自己的系統(tǒng)，結(jié)合不同的方法，達(dá)到降低能耗、提高除冰雪效率的目標(biāo)。

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(fēng)速和溫度的不同而變化，與碳纖維摻量的大小基本無關(guān)，但碳纖維摻量不同會直接影響導(dǎo)電混凝土的電阻率等指標(biāo)。如圖4～5所示。

圖4　-10℃時(shí)風(fēng)速能耗關(guān)系曲線Fig.4　Wind velocity-energy consumption curve at-10℃

調(diào)研表明，當(dāng)除冰雪的時(shí)長在1 h以內(nèi)，對因此導(dǎo)致的航班延誤和維持機(jī)場運(yùn)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(yè)作為本研究的時(shí)間邊界條件。經(jīng)過仿真計(jì)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(shù)據(jù)曲線可以看出，當(dāng)外界實(shí)際溫度值相同的前提下，風(fēng)速值一定，隨除冰時(shí)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(yōu)；當(dāng)除冰雪時(shí)長一定時(shí)，隨風(fēng)速的增大，能耗值增高。對于最優(yōu)熱功率優(yōu)化方案的首要考慮條件是如何在短時(shí)間內(nèi)高效化雪，且結(jié)合有效化雪時(shí)長的綜合考慮，可以得出如下結(jié)果：在外界環(huán)境溫度為-10℃，風(fēng)速為0 km/h時(shí)的最優(yōu)輸入功率值大約為1 600 W/m2，化雪時(shí)間為35 min，能耗值為0.93 kW·h/m2；風(fēng)速為15 km/h時(shí)的最優(yōu)輸入功率值大約為1 600 W/m2，化雪時(shí)間為38 min，能耗值為1.02 kW·h/m2；風(fēng)速為30 km/h時(shí)的最優(yōu)輸入功率值大約為1 900 W/m2，化雪時(shí)間為38 min，能耗值為1.2 kW·h/m2；風(fēng)速為45 km/h時(shí)的最優(yōu)輸入功率值大約為2 200 W/m2，化雪時(shí)間為39 min，能耗值為1.43 kW·h/ m2。同樣可以得出不同外界環(huán)境溫度、不同風(fēng)速下的最優(yōu)熱功率優(yōu)化值、化雪時(shí)長以及相應(yīng)的能耗值，以能耗最優(yōu)為原則分別提供最佳輸入功率作為實(shí)際應(yīng)用時(shí)的建議值，具體詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖5　-15℃時(shí)風(fēng)速能耗關(guān)系曲線Fig.5　Wind velocity-energy consumption curve at-15℃

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

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

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

圖9　-20℃時(shí)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(huán)境條件下的熱功率優(yōu)化方案Tab.2　Program of thermal power optimization in different conditions

4　導(dǎo)電混凝土除冰雪試驗(yàn)

有限元模型已對不同低溫環(huán)境，不同風(fēng)速、不同單位輸入功率的情況下進(jìn)行仿真計(jì)算，但模型的可用性仍需通過實(shí)際的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，由于外界風(fēng)速等復(fù)雜自然因素的控制在試驗(yàn)室內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)，因此，試驗(yàn)均在無風(fēng)條件的基礎(chǔ)上完成。試驗(yàn)中，因0.6%碳纖維摻量的導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電率不佳，因此，排除了此組試件。

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^模擬某些低溫環(huán)境，掌握不同碳纖維含量的導(dǎo)電混凝土在不同的輸入功率、除冰雪時(shí)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真的指導(dǎo)和校核。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：選取碳纖維體積含量分別為0.9%、1.2%、1.5%的3個(gè)試驗(yàn)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(jìn)行融冰化雪試驗(yàn)，并先將試塊冷凍在低溫冷凍箱內(nèi)，用于模擬低溫環(huán)境溫度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），對不同碳纖維含量的試驗(yàn)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(shí)間，從而計(jì)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(dǎo)電混凝土除冰雪能耗均存在能耗值低點(diǎn)，由于試驗(yàn)僅能模擬無風(fēng)狀態(tài)，因此能耗低點(diǎn)僅與環(huán)境溫度相關(guān)，隨著環(huán)境溫度的降低，其除冰雪能耗相應(yīng)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(xiàn)趨緩的趨勢。這個(gè)特性與計(jì)算機(jī)仿真的計(jì)算結(jié)果相似，這為機(jī)場未來進(jìn)行導(dǎo)電混凝土除冰雪能耗控制提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)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(yàn)數(shù)據(jù)圖10～圖12可以看出，雖然試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果具有相同的趨勢性，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果還是存在一定的差異，比較試驗(yàn)測試和仿真計(jì)算所需化雪時(shí)間可以看出其變化趨勢基本一致，但其結(jié)果仍然存在一定的數(shù)據(jù)差異，導(dǎo)致其差異的主要原因分析如下：

1）道面結(jié)構(gòu)實(shí)際道面中導(dǎo)電混凝土層下面的普通混凝土層及其他結(jié)構(gòu)層具有很好的保溫性，而試驗(yàn)室使用的試件，缺少必要的保溫層，上下表面均會導(dǎo)致能耗損失。

2）材料均一性由于導(dǎo)電混凝土中碳纖維材料無法滿足完全勻質(zhì)，因此導(dǎo)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(jìn)而造成局部除冰雪時(shí)間加長。

3）熱參數(shù)由于使用的雪經(jīng)過冰柜長時(shí)間冷藏，導(dǎo)致雪呈現(xiàn)冰晶化，雪與冰的比熱、融化潛能及導(dǎo)熱系數(shù)等熱參數(shù)差異較大，因此導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算的差異。

4）試驗(yàn)環(huán)境由于試驗(yàn)區(qū)域置于冰柜內(nèi)，導(dǎo)致試驗(yàn)的低溫環(huán)境比模擬的環(huán)境溫度要低，這種溫差效應(yīng)導(dǎo)致能耗損失增加，尤其對模擬-10℃、-5℃時(shí)的影響更為顯著。

5　結(jié)語

研究表明導(dǎo)電混凝土憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電穩(wěn)定性和良好的力學(xué)性能，是機(jī)場除冰雪工作行之有效的新材料和新方式。同時(shí)通過試驗(yàn)?zāi)M和有限元仿真計(jì)算綜合考慮后得出：

1）試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果具有相同的趨勢性，為機(jī)場未來進(jìn)行導(dǎo)電混凝土除冰雪能耗控制提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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

3）當(dāng)外界實(shí)際溫度值相同的前提下，風(fēng)速值一定，隨除冰時(shí)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(yōu)；當(dāng)除冰雪時(shí)長一定時(shí)，隨風(fēng)速的增大，能耗值增高。

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

5）針對不同的外界環(huán)境條件下，以能耗最優(yōu)原則提供了最優(yōu)輸入功率，為除冰雪作業(yè)提供較為可行的融冰化雪優(yōu)化方案，為導(dǎo)電混凝土除冰雪的實(shí)際應(yīng)用和運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支持。

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（責(zé)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(xué)科研基金（2010RYE05）；中國民航大學(xué)機(jī)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(dǎo)師，研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理、機(jī)場運(yùn)行管理.