道路融雪除冰技术现状与发展趋势分析

　　2003年俄勒冈州交通运输部投资130万美元，改建克拉马斯福尔斯市的Eberlien街桥和Wall街桥，其中Wall街桥由于坡度13.25%，采用了地热能融雪系统，整个系统管路建设与机械装置成本分别为17×104和3.6×104美元。该系统的总融雪面积960m2，其中桥面与人行道面积为346m2，设计融雪热负荷为189W•m-2。热源由附近的换热站提供，换热装置为316型不锈钢板式换热器，热功率174kW，工作压力1.03MPa。此外，俄勒冈市技术学院也在其综合主楼前的梯型道路上安装了一套融雪系[2]。在阿根廷Copahue-Caviahue地热区，地热蒸气被用于加热城市道路和一条通往Villa Copahue滑雪场的道路[17]。地热蒸气来源于深达1400m的地热井，蒸气通过2.6km的管道运送到城市路面下。该区冬季气温最低约为-12℃，风速可达160km•h-1，平均降雪厚度为32.5cm。利用地热蒸气加热冬季路面温度可持续在12.2～1611℃。波兰在1998年建成了一个利用地下热水的机场道路融雪系统，平均温度为68℃，流量为50～150m3•h-1。考虑到温带海洋性气候的影响，系统设计参数如下：相对湿度80%，平均降雪2mm•h-1，平均风速3.4m•s-1。系统最大热负荷为200W•m-2，进出水温度分别为55℃和25℃。当系统处于待融状态时，热负荷维持为100W•m-2，进出水温度分别为30℃和5℃。系统流量恒定为5.7L•m-2•h-1。融雪管道采用DN20HDPE管，间距250mm，埋深80～100mm，防冻剂采用乙二醇溶液。冰岛是一个地热资源十分丰富，截至2000年冰岛地热能道路融雪系统的安装面积已经超过3.5×106m2。地热水的利用比例约占33%。
3.2非地热加热系统
　　非地热加热系统是指管道循环系统的热量来自地热以外的热能，如：城市供水余热，生活废水、燃气加热等。弗吉尼亚交通部在阿默斯特县建立了一座非地热热源系统的桥梁，该桥用燃烧丙烷为热源，加热丙稀乙二醇与水的混和抗冻循环系统，由此循环系统将热量送往热棒底部的蒸发端，再由热棒里的工质将热量送往桥面（图2）。早期的工质为氟利昂，热效率较低，在1999年的时候更换为氨。整个桥长约35m，宽约13m，使用了约3.2km长的钢管，和241根热桩。整个加热系统造价为18.15×104美元，占总造价的27.3%。冰冻利用城市居民生活废水来加热城市道路。Rauber[18]报道瑞士在8号公路的一座桥梁进行了太阳能融雪试验项目，该项目的目的是收集夏天桥面因太阳辐射产生的热量并将之储存起来，冬季利用储存的能量加热桥面防止结冰。整个系统由埋设在1300m2桥面下的热交换管道、地下蓄热池、水力循环系统组成，包括前期研究费用在内的总造价约为300×104美元，这一技术目前还不够成熟。王庆艳[19]对太阳能-土壤蓄热融雪系统融雪机理进行了分析，得出了融雪过程中温度场和相界面移动规律；刘益青等[20]对太阳能-土壤蓄热技术用于公路融冰的经济及环境效益进行了分析，建议推广使用此技术；王华军等[21]进行了阳能-地热道路融雪系统路面传热特性的数值研究，初步建立了道路融雪系统的路面传热模型，并基于典型年逐时气象数据与复合边界条件，进行了稳态传热数值模拟，分析了不同埋管深度和加热温度对道路融雪性能的影响，得到了最大和待融热负荷与降雪量、环境温度、相对湿度以及风速等因素之间的关系。

图2非地热加热桥示意图
　　使用这种技术的问题在于保证各个部位的密封和管道的防腐保护。另外成本比较高，主要体现在管道埋设过程的挖掘钻探中。
3.3电加热系统
　　利用电能通过电缆或者导电路面材料加热路面。北欧在电缆加热道路融雪方面技术相对比较成熟，已经出现了一些从事专业设计安装和售后服务的公司。美国是最早将电缆加热技术用于桥梁融雪化冰的国家，美国ASHRAE的设计手册也对电缆加热融雪系统设计、电缆布置、线路连接、安装测试等问题进行规范性描述，具有一定的指导意义[22]。这一技术在我国还处于探索阶段，唐祖全等[23-25]对导电混凝土融雪化冰机理、热功率以及有限元分析等问题进行了研究；李丹等[26]对钢纤维石墨导电混凝土的融雪性能进行了研究，得到了温度和功率消耗等实验结果；侯作富等[27-32]对碳纤维导电混凝土进行了大量研究，为其应用打下了坚实基础。武海琴[33]开展了把发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究，认为发热电缆融雪化冰系统的设计功率主要受结构层的材料物性、气象条件、铺装方案等影响。
　　在其他融雪方式中，陈光等[34]对红外线融雪除冰系统进行了数值模拟；关明慧等[12]研究了微波加热技术并设计了附加微波加热的除雪机械图。
　　另外，还有一种通过改变路面材料凝固点的方法。该方法主要是将防冻结材料混入到沥青混凝土中，使其形成的路面具有一定程度的融化降雪、防止路面水膜结冰的作用。防冻结沥青混凝土能提高冬季寒冷地区道路路面的摩擦系数，是一种具路面自身抑制功能的方式。实现这一目标有两种途径[35]：1）化学法。在路面铺装材料中掺加抗冻消融化学材料，通过毛细作用化学材料缓释溶出，达到路面冰点下降和冻结体破坏的目的。从而在一定程度上降低路面水的结冰率。由于融雪化学材料混入的是整个铺装体，即使表面层被不断消耗，体内的化学材料也会不断出现，能保持冻结抑制效果的持续性。良好的材料能达到6a以上的抑制冻滑期；2）物理法。主要是通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性材料，改变路面与轮胎的接触状态和路面的变形特性。利用添加的弹性材料变化能力较强的特性，通过路面在外荷载作用下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪的结冰，这种方法主要是通过面层变形达到防冻结目的。缺点是在降雪量大的时候效果不理想。