发热电缆用于路面融雪化冰的实验研究

路面有积雪、结冰给道路畅通和行车安全带来了严重的影响。据统计，15 % 左右的交通事故与道路积雪有关。 目前广泛采用的化学融雪方法( 即撒盐或者其他化合物)有许多负面效应：钢筋锈蚀、剥蚀路面及隔离墩；腐蚀排水管道；破坏土壤生态环境。融雪盐的使用已在世界范围内造成严重危害并带来巨大经济损失，因此寻求其他形式的融雪化冰方法具有非常重要的现实意义。热力学融雪法原理简单而且不会造成污染，成为路面融雪化冰措施之一热力学法用于路面融雪化冰的研究先后经历了采用地热、太阳能蓄热系统，以及导电混凝土等技术；但地热法受到热源限制，太阳能蓄热系统成本过高，导电混凝土在电压控制技术上存在间题，使这几种融雪技术在实际工程应用中受到限制。寻找到安全、理想以及工程适用的热源成为热力学融雪方法的关键。由于发热电缆具有安全、耐用( 寿命长达50 a) 、环保等优点，将恺装发热电缆置于沥青混凝土中有很好的抗压性能因此，利用发热电缆进行融雪化冰热量可以保证，是一种安全、可靠的融雪化冰手段。发热电缆用于路面融雪化冰在国外( 如北欧国家) 已有应用，但对工程应用一些主要的问题( 包括如何进行实际工程设计)没有见到有关的标准和报导。由于不同国家具有各自的地理、气候特征以及道路施工的规范，不能简单引进、照抄国外的设计规范。
1．发热电缆道路融雪化冰实验装置
        发热电缆融雪化冰实验试件完全按照公路材质和工艺进行制作，先将沥青混凝土层按照表1中的结构要求，将底层和中层采用It小型平板震动夯压实成形后，按如图1所示的工艺铺设发热电缆，最后将表面层成形，中层和表面层压实度大于95 %，然后选择室外比较空旷的地面，在地面上铺设面积为1扩，厚度为0。lm的二灰碎石并压实，将试件置于该二灰碎石上。为使实验结果可靠，试件除上表面裸露在空气外，其余各表面采用0。05m 厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。为增强保温效果，将泡沫塑料板与试件的接缝处用水泥灌浆。成形后的试件尺寸如图2 所示。本实验采用韩国LG 公司生产的恺装发热电缆，单位面积的铺装功率为270 W，其产品特性如下: 单位长度的融雪电缆功率为35W，电缆表面最高温度可达120 ℃ ，电缆实验样品具有可承受载重车辆25t的抗压性能。
表1  沥青混凝土结构

表1  沥青混凝土结构

名称

厚度/mm

材料

骨料最大颗粒径/mm

底层

70

中粒式

31.5

中层

50

SMA改性沥青

25.0

面层

50

SMA改性沥青

16.0

图１ 试件中所铺设加热电缆照片

 
图２ 试件的尺寸及组成示意图

为了测量试件的各处的温度变化，测点的布置主要分为试件表面测点布置和试件内部测点布置，试件内部测点深度为距试件表面50mm ，具体测点布置见图3。 测温装置采用恺装铜一康铜热电偶，测温仪表采用带打印的惠普智能型多回路巡回测量显示仪，可以同时测量32个测点温度，精度可以达到士0.2%。

图３ 试件表面以及内部温度测点分布示意图

2．实验结果及其分析
        实验在2004一12一2005-01 完成，分别对加热电缆融化路面碎冰以及降雪的融雪效果进行研究。
2．1 化冰效果
        融冰实验在2004一12一21T20一00一2004一12一22T13一00进行，气温一4-一1℃，偏东风2-3 级，阴转小雪。所有热源融雪系统必须在下雪之前提前启动以便达到尽快融雪化冰的目的，为了真正模拟实际情况，实验中先让发热电缆工作2.5h 后，用表面温度计测得上表面温度达到2℃ 左右，然后将碎冰均匀地撒在试件表面，厚度约为10mm ，如图4(a)所示。观测化冰情况，当时的室外气温为一4℃，化冰情况随时间的变化见图4(b)-4(f)。在撒冰后lh 内，碎冰融化很少，Zh 后，才有50 %左右的碎冰融化或流走，直到sh后，才基本将冰融化完毕。 在22日下雪后，对发热电缆融雪系统进行融雪实验，发现表面无积雪，当人为在试件表面撤10mm 的新雪后，大约20min左右就全部融化完毕。

                     
图4 发热电缆融化试件表面碎冰的实验照片

2．2 实时融雪研究
        融雪实验在2005一01一05T18一00-2005-01一06T6一0下雪情况下进行。当天夭气预报为气温一9一2℃，偏东风2一3 级，中雪，实时测量当天的下雪等级为中雪(24h 降雪量2.5-4.9 mm ) 。同样发热电缆工作2.5h 后，表面温度达到2℃左右。图5(a ) 、( b) 为实时融雪情况照片。可以看出，发热电缆系统实时融雪效果很好，雪落在试件表面立即被融化，表面无积雪。唐祖全等提出道路表面温度为2一3℃ 时融雪效果最佳，在本次实验中也发现试件表面达到2一3℃ 可以实现实时融雪。
2．3 不同气候条件下的温度分布及变化
        图6 分别给出不同气象条件下试件上表面的温度分布图中，t 表示试件上表面温度； L 为从测点到试件边缘(与图2中A一A垂直切面平行的截面) 的距离，由于试件是对称的，所以只取试件尺寸的一半。单位面积发热电缆铺装功率为270W。图6(a) 为室外气温一4一0 ℃ 时，发热电缆工作sh 及10h 后试件表面温度分布； 图6( b) 为室外气温一9一7 ℃ 时，发热电缆工作6 h 及14 h 后上表面的温度分布。从图中可以看出，发热电缆垂直向上的上表面的温度较高，而2 电缆之间中心垂直向上的上表面温度较低，且在北京工业大学学报2006靠近边缘处温度出现最低值，这是由于虽然在边缘处采取了保温措施，但仍有散热，并非理想的绝热面。从图6 ( a ) 可以发现该条件下发热电缆工作10 h 后，上表面温度都达到了4℃以上，最高温度达到了7℃，而室外气温为一9一7℃时，在发热电缆工作14h后，上表面最高温度仍在0℃以下，最低温度只有一3℃，可见室外气温是影响试件上表面温度的一个重要因素。

图5 实时融雪过程中试件表面的照片
 

图6 发热电缆工作条件下试件表面温度分布

2．4 试件表面温度变化过程
        图7 给出单位面积铺装功率为270w 时，不同气象条件下试件上表面的最高温度tmax、最低温度tmin 、以及空气温度ta。随时间的变化曲线。图中横坐标表示测试的时刻值，数据间隔为2.5h。在2种气象条件下，最高温度都出现在发热电缆中心垂直上方的道路表面，而最低温度出现在2 根电缆之间的垂直上方的道路表面。可以看出，在该铺装功率下，当室外气温为一4一0℃ 时，上表面温度升高很快，在发热电缆工作3h左右，试件上表面最高温度tmax已达到3 ℃ ，虽然外界气温有所下降，但表面温度还在不断升高，到实验终止时，上表面最高温度已达到3℃ ，最低温度也达到了3℃ ，完全可以达到融雪要求。而在室外气温为一9一7℃ 时，上表面温度虽然上升很快，但由于室外气温较低，试件表面散热量大，所以结构层的升温需要吸收大量的热量，且由于在发热电缆工作6h后，室外气温下降较快，所以表面散热量增大，温度随之降低。电缆工作13h后，上表面的最高温度仍在O℃以下，所以实验的铺装功率不能满足该气象条件下的融雪要求。
 

图7 试件上表面温度变化过程

根据实验中试件表面温度变化以及实时融雪效果，发热电缆融雪系统的融雪过程可以分2 步：第1步，在下雪前(一般可根据天气预报)将电源开关打开( 比较合理的时间为提前3一4h) ，将地面温度升高到2一3℃，一旦开始下雪，地面保持2-3 ℃ 的温度就可以将雪融化掉； 第2 步，在下雪过程中将雪及时融化掉。
3．发热电缆融雪化冰系统铺装功率探讨
        从理论上讲，发热电缆的铺装功率越大，对减少预热时间和提高融雪效果越有利，但采用较大的功率不仅大幅增加电缆长度，也使配套的电力负荷较大，配套设施的成本和运行费用也会随之增高。另外，单位路面铺装功率的增大要求电缆间距缩小，传热效果不好，会导致电缆表面温度过高，所以应考虑在保证电缆安全工作的前提下，提高融雪效果，并节约能源。
依据气象资料，10a (1994一2003 年) 北京地区仅有1 次日最大降雪量为2.9mm ，其余年度的日最大降雪量为3.4一8.9mm ，一般为中雪。近10a，最大降雪时的温度一4.4-4.1℃，相对湿度92%一98%，且出现一4℃ 以下的情况很少，雪后最低气温(3d 内)-0.8一10.6℃，降雪前后最大风速3.3一14.6 时s ；30a 内的最低降雪温度为一14.8℃，降雪量为3mm。综合以上气象条件，作者进行了大量有关的数值模拟分析和实验研究工作。研究发现，当室外温度为一5 ℃ (近10a 最大降雪时最低降雪过程温度) 时，采用单位面积250 W 的铺装功率，上表面的温度可以升高到2 ℃，但所用时间大约10h，时间太长； 当单位面积铺装功率增大到350w 时，上表面可以在sh内升高到2℃，在实际工程中这个时间是比较合适的，所以如果采用一5℃ 作为设计气象参数时，可以采用单位面积350W 的铺装功率； 随着铺装功率的升高，上表面的温度升高到2℃ 所用的时间逐渐缩短。当室外温度为一10℃(近10a 雪后最低气温)时，采用单位面积60w的铺装功率，上表面的温度可以在sh内升高到2℃。该功率在气温为一巧℃( 近30 a 降雪最低温度) 的情况下，上表面温度在nh内升高到2℃ ，但气温出现一15℃为30a-遇的情况。综合以上分析，在北京的气象条件下，道路单位面积铺装功率采用250一350W，即可满足一般情况下的融雪化冰要求。
        对于不同的铺装功率，要根据天气预报确定提前开启的时间。如果要保证30a-遇的情况，一种可行方案是采用双回路系统，单位面积每个回路的功率为30W。在预报的下雪天，气温高于一10℃时，可以开启单个回路； 低于一10℃时，则可开启2 个回路，这样，既可以保证在突发情况下道路畅通，又能保证在正常情况下不会造成能源的浪费，这种系统的缺点是初始投资过高。
4．结论
        (1) 在发热电缆工作一段时间后，将相同厚度的新雪与碎冰撤在试件表面，发现新雪融化很快，而融化碎冰需要很长的时间，为了提高融雪化冰效果应进行实时融雪，尽量避免路面结冰。
        (2) 在发热电缆工作的初期，各个测点处的温度升高很快，在工作足够长时间后，温度升高逐渐减慢最后趋于稳定，温度几乎不再升高。外界气温越低，同样铺装功率下试件温度上升越慢。
        (3) 在北京的气象条件下，采用单位面积250-350W 的发热电缆铺装功率可满足一般情况下的融雪化冰要求，但实际应用中应根据天气预报情况进行预热。

参考文献：
1．川傅沛兴 北京道路冬季融雪间题研究〔J〕；市政技术，2001，29(4):54-59。
2．高一平 利用太阳能的路面融雪系统〔J〕；国外公路，199，17( 4) : 853-85。
3．武海琴 发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究[LD] ；北京: 北京工业大学建筑工程学院。