馬駿騰，原偉杰

（1.北京新橋技術發(fā)展有限公司，北京 100010；2.河南省水利第二工程局，河南 鄭州 450000）

0 引言

神農架林區(qū)位于湖北省西北部，境內最高峰神農頂海拔3 105.4m，最低處海拔398m，平均海拔1 700m。神農架以亞熱帶季風氣候為基帶，隨海拔增高，依次迭現(xiàn)暖溫帶、中溫帶、寒潮帶等多種氣候類型，境內極端低溫-21℃，極端高溫38.5℃。神農架的旅游旺季在4~10月，由于冬季長期積雪，交通中斷，造成旅游產業(yè)基本處于癱瘓狀態(tài)。因此，冰雪產業(yè)成為破解旅游季節(jié)平衡和旅游轉型升級難題的一個重要突破口。為保障和加速冬季旅游的發(fā)展，一種經濟可行的融雪化冰技術顯得尤為迫切。

1 路面融雪化冰技術現(xiàn)狀

目前，國內外實際工程針對道路融雪化冰技術已進行了大量應用，主要分為主動式融雪技術和被動式融雪技術。主動式融雪技術主要為鋪設融雪化冰設備和添加抗凝冰改性劑，被動式融雪技術主要為依靠機械除雪和撒融雪劑。

主動式融雪技術和被動式融雪技術在實際應用中均有利弊，但是隨著綠色公路的要求不斷提高和互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術在道路工程中的應用越來越多。本設計將電能轉化為熱能，以碳纖維加熱電纜為載體，將其提前鋪設于路面結構中，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制，使其達到融雪化冰的目的。

2 融雪化冰系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)原理

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成：本系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。

加熱系統(tǒng)：加熱系統(tǒng)主要為碳纖維發(fā)熱線纜，該線纜主要組成部分為阻燃PVC、特氟龍、碳纖維和特制母液，見圖1。加熱系統(tǒng)通過控制系統(tǒng)與電源系統(tǒng)相連；RTU控制器通過溫度、濕度傳感器結合圖片比對技術，在道路剛開始下雪或結冰初期通電自動檢測，使降落在路面上的冰雪及時融化，從而有效預防路面結冰；或根據(jù)交通量特點進行手動或自動控制，使加熱系統(tǒng)間歇式做功，達到路面無冰目的，確保交通的暢通。

圖1 碳纖維發(fā)熱線纜結構圖

控制系統(tǒng)：包括手動控制、自動控制和遠程智能控制，可根據(jù)實際情況選用。控制系統(tǒng)包括前端監(jiān)測系統(tǒng)和網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，其中前端監(jiān)測包括路面結冰探測、雪深探測、溫濕度探測，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)測量公路的溫度、濕度、降雪結冰情況等數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)主要為互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸，用于現(xiàn)場信息、指令的傳輸。

2.3 系統(tǒng)工作流程

山區(qū)旅游公路融雪化冰系統(tǒng)工作流程見圖2，具體步驟如下：①通過智能化融雪化冰系統(tǒng)中的溫濕度傳感器、智能監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測路表變化；②當路面溫度達到系統(tǒng)預設溫度值時，傳感器將信息反饋給控制系統(tǒng)；③控制系統(tǒng)依據(jù)探測到的溫度信息，結合監(jiān)控系統(tǒng)信息，計算加熱功率，以此為依據(jù)判斷是否開啟碳纖維加熱系統(tǒng)；④碳纖維加熱工作完成后，繼續(xù)重復新的一輪工作。同時系統(tǒng)內部可實時記錄工作過程，運營一段時間后可根據(jù)實際情況優(yōu)化碳纖維加熱功率及工作時間。

圖2 融雪化冰拓撲圖

2.4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本系統(tǒng)的優(yōu)勢有：①高效、主動預防：系統(tǒng)可自動啟動，對路面進行預熱，可使道路常年不積雪、不結冰；②省心、全自動融雪：路面有融雪需求時，RTU智能融雪控制系統(tǒng)通過多種傳感器收集的信息自動分析并啟動加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動融雪化冰；③方便、遠程可視化養(yǎng)護：可通過遠程端（電腦、手機）24小時觀測路面融雪情況；④環(huán)保、零污染：使用清潔能源，無任何化學成分，無污染；⑤節(jié)能、徹底快捷：碳纖維發(fā)熱電纜電熱轉化率高達98.2%，遠高于同類型產品；電熱法融雪化冰時間短，受熱均衡，可迅速達到無冰無雪的最佳效果，融雪效率高；⑥無需維護、使用簡單：施工、使用簡單易行，無后期維護費用；⑦安全、使用壽命長：碳纖維發(fā)熱材料采用非金屬材料作為發(fā)熱體，無功率衰減，其外絕緣層的材質經過改良后應用于公路鋪設，發(fā)熱線理論壽命在50年以上。

3 碳纖維加熱路面技術的應用

3.1 發(fā)熱電纜功率設計

發(fā)熱電纜功率的確定是構造系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)主要需計算必需發(fā)熱量、融雪必需熱量、防止凍結必需的熱量。

（1）必需發(fā)熱量的計算方法

道路融雪滑冰設備的必需發(fā)熱量QO可通過下式計算：

2.1.1 農作物灌溉用水。村里的田地都是依靠南馬河供給的河水進行分流引水灌溉。村里田地旁有一條從南馬河流下來，灌溉用的水渠，用土坎從高往低處引流出一道水渠，農田灌溉都是在自家田地里用短膠管開出水流灌溉通道，將水渠流過的水引到自家地里，進行水稻灌溉，等到水量可以滿足作物需水量的時候，用石頭將流向自家田地的水堵上，防止水量過大淹沒農田，但是田里主要的經濟作物是水稻，需水量很大，所以基本很少會去控制流進水田的水量。南馬河的水主要靠雨水補給，該地地處亞熱帶，降水量充足，所以河水水量充沛，可以滿足種植水稻的需水量，基于此，村寨居民之間基本不存在灌溉用水分配等方面的問題。

式（1）中：QS為雪傳達的顯熱量（W/m2）；Qm為雪的融化潛熱（W/m2）；Qe為水蒸氣的蒸發(fā)潛熱（W/m2）；Qh為對流以及輻射產生的傳熱量（W/m2）；Ar為融雪面上沒有雪的部分所占比例；η為熱效率；QS+Qm表示融雪所需熱量；Ar(Qe+Qh)表示為防止路面凍結所需的熱量（空氣從路面帶走的熱量）。

（2）融雪所必需熱量的計算方法

進行融雪時，如果有一層薄雪覆蓋在路面的狀態(tài)被允許，那么由于空氣所帶走的熱量很小，就算省略也不會有大的影響，因此Qs+Qm就可視為融雪所必需的熱量。

式（2）~式（5）中：ρ為雪的密度（kg/m3），取值范圍在50~300kg/m3；c為雪的比熱（kJ/（kg·K）），c=2.1kJ/（kg·K）；S為平均降雪強度（m/h），通常取0.02~0.03m/h；γ為冰的溶解熱（kJ/kg），γ=336kJ/kg；Tm為融雪溫度（℃），Tm=1℃；To為外氣溫度（℃）；Hm為平均日降雪厚度（cm/d），由累計降雪厚度（cm）除以降雪總天數(shù)得到。

（3）防止凍結必需熱量的計算方法

由于路面溫度和大氣溫度都比較低，蒸發(fā)量也較小，即使忽略不計，也不會有較大影響，因此，在計算防止凍結必需的熱量時，可僅計算從路面向空氣的發(fā)熱量（對流、輻射）。這種情況下，認為不存在被雪覆蓋的部分，則Ar為1。

式（6）~式（7）中：α為路面的表面熱傳導率[W/（m2·K）]；V為風速（m/s），通常為2~3m/s。

道路融雪設備必需的發(fā)熱量Q通常采用融雪熱量和防止凍結熱量中的較大值。根據(jù)理論計算，本項目采用的設計發(fā)熱量為300W/m2。

3.2 碳纖維發(fā)熱系統(tǒng)路面安裝工法

路面碳纖維發(fā)熱電纜一般鋪設為平行形和旋轉形，如圖3所示。為達到使用效果最優(yōu)和降低施工難度，本項目采用平行式。碳纖維加熱電纜多采用路面刻槽鋪設法，但是本項目路面基層為水泥穩(wěn)定碎石，刻槽施工難度大；本系統(tǒng)通過改善電纜設計，提高抗拉強度，可采用直接鋪設的方式進行固定鋪設，大幅降低了施工難度。

圖3 路面碳纖維發(fā)熱電纜鋪設形式

3.3 碳纖維發(fā)熱電纜鋪設位置

3.3.1 碳纖維發(fā)熱電纜立面位置設計

神農架林區(qū)項目為兩層瀝青層的路面鋪裝，可采用的發(fā)熱電纜埋設位置有兩種：

（1）將發(fā)熱電纜布設在瀝青上、下面層之間。碳纖維電纜距離路面表面最近，融雪化冰效果最優(yōu)且耗能較低。但如果采用位置鋪裝，若在運營后期進行大中修，銑刨面層過程中可能會對電纜造成破壞，使得系統(tǒng)無法使用，壽命周期僅為10年左右。

（2）將發(fā)熱電纜布設在上基層與瀝青下面層之間。該方法由于發(fā)熱電纜距離路基表面較遠，融冰化雪效果略差且耗能較高。但是其在運營后期進行大中修時不會對電纜造成破壞，具有較長壽命。

綜合考慮融冰化雪效果、使用壽命以及耗能情況，本系統(tǒng)采用方案二，將碳纖維電纜布設在瀝青下面層與上基層之間。

3.3.2 碳纖維電纜平面位置設計

發(fā)熱電纜在路面主要有兩種鋪設形式，一種是全行車道滿鋪，一種是僅在輪跡帶鋪設。行車道滿鋪具有融雪化冰效果優(yōu)、投資大、耗能高等特點，輪跡帶鋪設會降低融雪化冰效果，卻能減少近70%的投資。根據(jù)項目投資以及融雪化冰要求，本項目采取僅在輪跡帶鋪設的方案。

4 結語

本文以神農架林區(qū)旅游公路為例，設計了基于網(wǎng)絡技術的智能融雪化冰系統(tǒng)。融雪化冰系統(tǒng)以網(wǎng)絡監(jiān)測為依托，使景區(qū)旅游公路實現(xiàn)了實時融雪化冰的功能。碳纖維發(fā)熱電纜具備高抗拉強度、發(fā)熱穩(wěn)定、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是山區(qū)公路，尤其是自然保護區(qū)等旅游景區(qū)冬季融雪化冰的最佳方案。

本文不僅介紹了系統(tǒng)的組成及工作原理，而且從多角度分析了該系統(tǒng)的特點。為降低施工難度，本系統(tǒng)了提高碳纖維發(fā)熱電纜的強度，可使其直接固定在基層上方。又考慮到系統(tǒng)的發(fā)熱效果和使用壽命，將加熱電纜回折鋪設于下面層與上基層之間。該系統(tǒng)可有效進行融雪化冰，保證了景區(qū)冬季行車安全，為發(fā)展景區(qū)冬季旅游經濟做出了貢獻。