道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析

　　中国除雪机械的研制起步较晚，真正的研制与开发是从1980年代以后，随着改革开放的不断深入，道路的不断升级与新建，各种机动车辆猛增而开始的，先后有十几种型号的样机被生产出来，在除雪作业中发挥了一定的作用。关明慧等[12]对利用微波加热原理清除道路结冰进行探索研究，并设计出了专门用于清除道路积冰的微波除冰机原理图。刘长生[13]针对南方冻雨凝冻结冰的特点，对振动除冰滚筒、除冰羊角、振动液压系统以及振动轴和偏心块式振动机构进行了比较详细的理论分析设计计算。2010年胡雅灵[10]研制出了一种多功能除雪铲，该技术是为满足高寒地区道路冬季除雪的需要而设计的。它适宜安装在多种车型的前端，除雪铲可以上、下、左、右自如摆动，梳状铲式破冰器能自动收回或放下。它适应各种除雪的场合，能够彻底快速清除路面的积雪与冰层。
　　科技的不断发展为除雪机械的发展提供了技术条件。机、电、液一体化高新科技成果不断地被应用到除雪机械上，电脑和高灵敏传感器等现代高新技术在养护机械的各种装置和机具的操纵、计量、控制报警、排障和作业智能化等方面得到了推广应用[14]。这些高新技术的应用将使除雪机更加可靠、多能和高度自动化。多功能化、自动化和安全舒适化是今后除雪机械的发展方向。
3热力融雪化冰技术现状及发展趋势
　　热力融雪化冰技术是一种主动预防和清除道路积雪结冰的方法，其原理是利用外界提供的热能对路面进行加热，使路面温度高于0℃，从而防治道路积雪结冰。根据热能的性质不同可以分为地热、电能、红外线、太阳能等融雪化冰技术。
3.1地热加热系统
　　地热的形式可以是浅层土壤内的热能，或者是地下热水、蒸气。土壤蓄积的热能通过热管传送到地面，地下热水或蒸气通过循环管路输送到地面对地面进行加热。利用地热融雪除冰技术在欧洲、美国、日本、阿根廷、加拿大相对比较普遍，目前在我国还未见有使用的报道。
3.1.1热管技术
　　利用地热的热管技术原理是利用浅层地热能对热管进行加热，由热管内的工质将热量送往路面，使其表面温度高于0℃，从而达到融雪化冰的目的（图1）。这种技术最早于1969年在美国新泽西的Trenton道路上进行试验[15]，管道埋于路面下5cm，垂直管道间距60cm。在冬季，2m左右深度的地温为8.8～13.8℃；暴风雪天气管道内循环不冻液温度为4.4～11.1℃。在空气温度为-6.7～1.7℃时，融雪速率为0.6～1.25cm•h-1。后来这一试验结果被用于另外的试验项目，这次试验的内容是考察垂直或者重力热棒的效率，其工作介质由原来的乙烯乙二醇混合物换为氟利昂和氨。1∶1比例的试验在西弗吉尼亚橡树山一个公路坡道和国怀俄明州夏延附近的两个坡道上进行[16]，这两个坡道坡度达7%，试验共计使用了177根热棒用于加热984m2的路面。每根热管有30m长的蒸发段和多支管冷凝段（共计36m），试验路段的地温为12.2℃，系统运行效果理想。两个设计更加细致的热管融化路面积雪地试验工程分别在1976年和1980年在拉腊的Sybille峡谷和春溪桥实施了，并进行了长期观测。类似的热管系统在日本和科罗拉多Glenwood Springs进行了测试，科罗拉多Glen-wood Springs的系统加热采用水井替代了地源[15]。

图1利用地下热能的热管加热路面示意图
3.1.2地热流体加热技术
　　地热流体加热技术将地下热水和地热蒸气用管道输送到路面或者直接将热水流过路表面进行加热融雪化冰。日本福井市曾将地下热水直接喷撒在路面上用于滑雪除冰，地下水初始温度约15℃，在经过埋设在人行到下的换热管道时温度降低到了7.2℃。在融化了人行道上的积雪后，热水喷洒到临近的路面上。这种方法容易引起路基沉降，流水需要进行收集，使用的环境温度不能过低，否则流水结冰会引起更严重的问题。因此在1990年后，日本开始采用其他热能加热方式进行路面融雪除冰。2005年前整个日本安装管道地热融雪系统数量已经超过了25套，这些系统大都安装在停车场、公路坡道和人行道上。札幌早在1966开始利用地下水加热道路，该系统最早使用钢管，于1973年更换为聚丁烯塑料管，地下热水进入管道的温度达76～81℃。位于Ninohe市的Gaia道路融雪系统采用3根外径89mm、长度150.2m的同轴套管换热器，热泵机组由一台15kW电机和两台0.75kW循环泵驱动。加热管道采用16mm内径聚丁烯管，埋设于沥青混凝土下10cm位置，间隔20cm，整个系统的热功率为50kW。系统已经成功运行了多年，比电缆加热方式相比节能超过20%[2]。美国是最早使用地下热水加热路面的国家，在1948年俄勒冈州克拉马斯安装了地热融雪系统。该系统最早期使用铁管，水泥路面长度约137m。融雪管道采用直径1.8cm的铁管，埋深7.5cm，管道间距45cm，防冻剂采用40%乙二醇水溶液，循环流量约300t•s-1。系统热源来自附近的地热井，供水温度约为37.7～54.4℃，在循环终端降低为-1.1～1.7℃。由于管网腐蚀渗漏，该系统运行了近50a后于1997年停止服务；1998年进行改造，将原混凝土路面和桥板拆除，加入碎石基层。融雪管道换用1.8cm聚乙烯管，与路面加筋钢筋并行，以得到保护。整个改造成本为43×104美元，预计年维护费用为500美元，年运行成本为3000美元[15]。