道路地熱融雪化冰研究現(xiàn)狀

薛相美

（佛山市高級技工學校，廣東528200）

道路地熱融雪化冰研究現(xiàn)狀

薛相美

（佛山市高級技工學校，廣東528200）

闡述了道路地熱融雪化冰的工作原理，著重介紹了地熱融雪化冰技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并分析該系統(tǒng)的一些存在問題。由于在節(jié)能和環(huán)保方面有著明顯的優(yōu)勢，地熱融雪化冰系統(tǒng)在我國將有廣泛的應(yīng)用前景。

地熱；融雪化冰；道路；節(jié)能環(huán)保

0 引言

路面冰雪問題一直困擾著各國交通部門，每年由于路面積雪結(jié)冰所造成的直接經(jīng)濟損失平均達數(shù)億元。因此，對路面積雪結(jié)冰的處理問題，各國一直非常重視，并作了大量研究，探索出多種抑制路面積雪結(jié)冰的方法［1］。

冬季除雪方法主要有清除法和融化法兩類，清除法可分為人工清除和機械清除，融化法則分為化學法和熱融化法。機械除雪，除雪機械設(shè)計技術(shù)難度較大，設(shè)備制造成本較高，除凈率低，工作效率低，功率消耗非常大，使用效果不理想?；瘜W法通過在路面上散布融雪劑（CaCl2、MgCl2）等來融雪化冰，但鹽類除雪劑對環(huán)境、土壤、結(jié)構(gòu)構(gòu)造物等存在危害，具有一定的負面效應(yīng)［2］。熱融化法利用熱水、地熱、燃氣、電等產(chǎn)生的熱量使冰雪融化，其中地熱融雪受到極大地關(guān)注。因為地球作為一個載熱的星體，不斷從內(nèi)部向地表與空間釋放熱能，淺層土壤地熱資源是可再生能源的重要組成部分，是一種取之不盡，經(jīng)濟效益較高，又不會產(chǎn)生任何污染的可再生能源，是一種高環(huán)保、高效益的可持續(xù)發(fā)展能源［3］，而且地熱融雪符合國家的產(chǎn)業(yè)政策，有很好的發(fā)展前景。

1 道路地熱融雪化冰系統(tǒng)

1.1 工作原理

道路地熱融雪化冰技術(shù)是在路 （橋）面內(nèi)埋置熱管，利用機組，經(jīng)地下?lián)Q熱器從地下提取低位地熱能，經(jīng)熱泵提升后，通過水泵把溫度較高的流體輸送到路 （橋）面內(nèi)的排管里面。高溫熱流體在排管內(nèi)流動時，把熱量通過對流換熱方式，傳入路 （橋）面。當路 （橋）面的溫度達到0℃以上時，其表面上的冰雪就會融化，從而達到融雪化冰的目的。

道路地熱融雪化冰系統(tǒng)主要由埋地換熱器、控制裝置、集分水器以及融雪管道等組成 （圖1）。地熱融雪系統(tǒng)主要的運行模式分為夏季蓄熱模式和冬季融雪模式。夏季利用道路循環(huán)熱流體將強烈的太陽能輻射熱能傳至地下土壤儲存，即地下蓄能；冬季循環(huán)熱流體再將熱量提取至路面提高路面溫度融雪化冰。所以太陽能-地熱道路融雪系統(tǒng)可以實現(xiàn)跨季節(jié)蓄熱利用，大大提高了能量的利用率，實現(xiàn)季節(jié)性蓄能再利用。如果再通過地源熱泵實現(xiàn)升溫、控溫運行，可進一步提高能量的利用程度。

圖1 道路地熱融雪化冰系統(tǒng)圖

1.2 地熱融雪系統(tǒng)特點

（1）使用穩(wěn)定、廉潔、清潔的地熱能作為熱源。利用天然豐富地熱能源，即使是在寒冷的冬天，都能夠提供足夠的和穩(wěn)定數(shù)量的熱量。此外，該系統(tǒng)還采用了高效能地源熱泵技術(shù)，以降低運行成本，并減少二氧化碳排放量。

（2）高換熱器效率。在換熱器方面，雙U形管在工程中被使用。相比傳統(tǒng)的換熱器，吸取的地熱約多20%以上。

（3）穩(wěn)定積雪融化性能。利用恒定的低溫熱能，而且土壤的比熱容大，意味著能夠儲存在土壤中的熱量多，使得運行的地源熱泵長期都有較高的效率。

（4）降低運行費用。利用廉價的融雪化冰系統(tǒng)，并提高整個系統(tǒng)性能系數(shù) （COP），大大降低了運行成本，比使用電爐絲節(jié)省約30%的能量。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 世界各國重視道路地熱融雪化冰技術(shù)的開發(fā)

在國際上，道路熱融雪化冰技術(shù)主要以美國、日本、北歐等國家為代表，1992年起，在美國能源部（DOE）、交通部（DOT）聯(lián)邦高速公路管理局和國家基礎(chǔ)研究基金的聯(lián)合資助下，開始實施HBT（Heated Bridge Technologies）計劃［4］。系統(tǒng)研究道橋地熱融雪化冰問題。1994年至1999年的5年間，美國5個州分別開展道路和橋梁熱融雪化冰應(yīng)用示范工程，比較和探索循環(huán)熱流體、熱管傳遞、電加熱、燃料加熱等多種方式間的能源利用和融雪化冰效果。日本國家資源環(huán)境研究所 （NIRE）在國際經(jīng)合組織（OECD）和能源組織（IEA）的可再生能源專項促進下，于1995年在日本二戶市建造了首例全自動路面集熱蓄能式循環(huán)熱流體融雪化冰系統(tǒng)［5］，取得了階段性成果。在中國，國家“十一五”科技支撐計劃 “區(qū)域規(guī)劃與城市土地節(jié)約利用關(guān)鍵技術(shù)研究”中，特別強調(diào)了道路冰雪自融與防滑關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容。這些都表明國內(nèi)已經(jīng)開始關(guān)注地熱融雪化冰技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用和示范。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

近年來，美、日以及北歐瑞士、冰島、挪威、波蘭等國家開展道路熱融雪研究比較多。從1998年開始，美國俄克拉荷馬州大學 （OSU）開展路橋熱流體循環(huán)融雪化冰技術(shù)的研究工作，在OSU建立了目前世界上最大的路橋?qū)Ｓ脤嶒炏到y(tǒng)［6，7］，結(jié)合當?shù)貧夂驐l件，將路面作為太陽能集熱系統(tǒng)，采用利用豎孔地下?lián)Q熱器的地源熱泵封閉系統(tǒng)，開展地熱融雪化冰過程研究。研究工作主要涉及冰雪多孔介質(zhì)傳熱，利用有限元方法求解路面?zhèn)鳠徇^程，對地熱融雪進行了模擬計算分析和實驗。

美國俄勒岡州理工學院地熱中心對路面熱融雪化冰技術(shù)進行了全面的比較和分析工作［8］，并且采用豎直重力式熱管方式，分別在弗吉尼亞州西部橡樹嶺的高速公路坡道路段和懷俄明州Cheyenne高速公路的兩處坡道路段進行了試驗研究。

日本北海道大學研究者們［9］對日本早期的地面蓄能融雪化冰試驗工程進行比較分析。研究表明，平均地面集熱率可達36%，北海道地區(qū)的季節(jié)變化可以實現(xiàn)用能與蓄能的基本平衡。研究結(jié)論指出，道路地熱融雪化冰方式是一項極具發(fā)展前景的能源技術(shù)，盡管初期投資較高，技術(shù)難度較大，但是利用自然可再生能量資源，節(jié)能效果顯著，環(huán)保和資源合理利用功效優(yōu)勢明顯，便于實現(xiàn)自動化和及時處理。

在瑞士A8高速公路Darligen路段［10］的路橋上開展了太陽能-地熱道路融雪系統(tǒng)試驗運行，在冬季有效提高路面平均溫度10℃左右，路面換熱效果很好，大幅度地提高融雪的性能，而且由于路面溫度的升高，減輕凍裂板結(jié)。在夏季，系統(tǒng)又可降低路面峰值溫度15～20℃，減輕路面暴曬風化和熱蝕損害，提高路面的使用壽命。

Senser［11］用計算機模擬機場跑道地熱融雪系統(tǒng)，基于響應(yīng)因子技術(shù)，開發(fā)設(shè)計了路面熱管采暖系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的算法被證明是高效率和準確的。研究指出：在芝加哥使用低品位水源的跑道路面加熱系統(tǒng)具有很大的潛力；

Aoki等人研究的融雪模型［12］劃分三層，分別是水滲透層、冰層、潔白雪層，模型邊界條件是積雪表面上是對流作用，熱流量是不變的，以及底部表面接觸板的水飽和度為100%。方程采用有限差分法和可變空間網(wǎng)格移動層來求解。研究表明：上表面的熱損失是不同的，取決于雪的類型；積雪融化所需時間依賴于水的滲透力和飽和層再冰凍。該模型也能估計出每層的水排出量。

Kilkis模型［13］基于能量平衡方程，分析路面的幾何參數(shù)和管道分布，能確定路面最低和最高氣溫，并得出相關(guān)聯(lián)式，但模型沒有通過實驗驗證。而該模型只是通過有限元方法驗證，結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)條件下，與數(shù)值模擬解相比較，結(jié)果偏差10%左右。

Ramsey模型［14］是在Kilkis模型的基礎(chǔ)上提出來的，兩者差別于以何種方式計算熱損失。該模型也沒有實驗驗證過，但做的唯一的驗證是分析比較6個城市以往的狀況，誤差范圍為5%～15%。

在Chiasson［15］提出有限差分矩形網(wǎng)格模型（FD-RG）的基礎(chǔ)上，Liu等人［16］提煉出新的關(guān)聯(lián)式和網(wǎng)格劃分，改進了Chiasson模型。Liu模型是在一個以節(jié)點為中心長方形網(wǎng)格中采用有限差分法，解釋了路面上的積雪和不同邊界條件問題，通過軟件（HVACSIM+）來運行計算，使用起來有些方便。

Rees等人［17］發(fā)展了有限體積-邊界確定網(wǎng)格（FV-BFG）模型，利用邊界確定的網(wǎng)格算法，詳細分析路面瞬態(tài)過程和復(fù)雜的幾何分布，解決瞬態(tài)條件下的熱平衡問題。研究人員還將更進一步細化和為模型作實驗驗證。

2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)在地熱融雪化冰方面的研究應(yīng)用還處于起步階段。近年來，國內(nèi)高校相繼開始在道路地熱融雪化冰技術(shù)研究和探索。由于試驗研究周期長，投資大，所以國內(nèi)的研究還處在模型分析和數(shù)值計算階段。

天津大學［18］對地熱融雪過程進行了穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)值模擬，基于典型年逐時氣象數(shù)據(jù)與復(fù)合邊界條件，分析了不同埋管深度和加熱溫度對道路融雪性能的影響，確定降雪量為0.1cm/h、相對濕度為60%～70%、Class-III時，最大融雪熱負荷與環(huán)境溫度和風速之間的關(guān)系，模擬結(jié)果表明，路面融雪熱流和路面溫度隨著埋管深度增加而減小，隨著流體加熱溫度的增大而增大。對于高寒地區(qū)，可以考慮采用熱泵機組來提高埋管內(nèi)循環(huán)工質(zhì)溫度以滿足降雪速率和融雪熱負荷的要求。對應(yīng)用工程設(shè)計提供一定參考價值。

哈爾濱工業(yè)大學［19］建立橋面融雪的數(shù)學物理模型，基于融雪的能量守恒方程，并利用有限單元法對其穩(wěn)態(tài)工況進行二維數(shù)值模擬。結(jié)果表明：橋面熱流密度和溫度呈非線性分布，且其表面分布不均勻性隨著埋管深度增加而變?。凰杓訜崃黧w溫度隨埋管間距或埋深的增加非線性增高；無保溫措施時，可通過優(yōu)化埋管埋置深度使橋面熱量損失最小。

我國從上世紀90年代開始介入地能利用和地源熱泵領(lǐng)域，開展研究和應(yīng)用，取得許多寶貴的本土經(jīng)驗，發(fā)展勢頭極為迅速，這將有助于道路地熱融雪化冰技術(shù)的發(fā)展。但國內(nèi)的研究相對薄弱，因此，迫切要求進行對系統(tǒng)的基礎(chǔ)性和前瞻性研究，充分認識地熱融雪化冰過程的傳熱規(guī)律和時變特性，提高技術(shù)綜合利用水平。同時，應(yīng)該注重節(jié)能，結(jié)合各種輔助方式來融雪化冰，充分利用其他可再生能源，綜合利用能源，使融雪化冰達到最佳效果。

3 存在問題

（1）理論基礎(chǔ)研究不夠，缺乏理論與實踐的有效結(jié)合。應(yīng)該重視融雪化冰基礎(chǔ)理論研究，加快完成不同路面的傳熱系數(shù)的確定，選擇合適的傳熱強化手段，提高換熱效率，探索道路地熱和混合能源的融雪化冰系統(tǒng)的機理過程，拓展和完善路面融雪化冰方面的基礎(chǔ)理論，使理論研究與試驗工程達到平衡，指導工程應(yīng)用。

（2）與道路施工相結(jié)合問題。地熱融雪化冰技術(shù)需要與道路現(xiàn)場施工技術(shù)相結(jié)合，兩者缺一不可。在實際工程中，在埋設(shè)換熱管道時，考慮管材和混凝土等影響因素對溫度場，換熱效果的影響，使不利因素減少到最小。這要求工程組織者和工程技術(shù)人員能夠合理協(xié)調(diào)、做好充分的技術(shù)經(jīng)濟分析。

（3）不同冷、熱負荷下，道路地熱融雪化冰系統(tǒng)最佳匹配技術(shù)的研究不夠。在融雪系統(tǒng)中，自動監(jiān)測、控制系統(tǒng)應(yīng)當加以利用，優(yōu)化系統(tǒng)，改進運行模式，使融雪系統(tǒng)效率發(fā)揮到最佳。

（4）傳質(zhì)影響的問題。目前文獻中大部分模型是關(guān)于傳熱的，但物質(zhì)的傳遞對融雪效果的影響不容忽視?？紤]到路面的濕度和水分滲透等影響因素，將對模型改進起到重要作用。

4 結(jié)語

由于道路地熱融雪化冰技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，適用于道路、高速公路、機場跑道等，受到許多研究機構(gòu)和單位的重視，但在我國的實際應(yīng)用工程不多。目前對道路地熱融雪化冰技術(shù)的推廣主要關(guān)鍵在于三個方面：

（1）國家給予足夠的重視和相應(yīng)的鼓勵政策，對地熱融雪化冰技術(shù)的研究和生產(chǎn)給予扶持，給予政策上的優(yōu)惠等。

（2）加快基礎(chǔ)理論研究與實際工程相結(jié)合，確定國內(nèi)設(shè)計院、生產(chǎn)廠家等推廣應(yīng)用部門能夠?qū)嶋H采用的較簡便的設(shè)計計算方法及依據(jù)，推動地熱融雪化冰技術(shù)的實用化。

（3）綜合利用能源，比如太陽能、廢熱，以及其他低品位能源等，完善復(fù)合能源多功能系統(tǒng)來融雪化冰。同時對系統(tǒng)作經(jīng)濟性分析，力爭降低成本。

隨著地能利用研究和應(yīng)用工作的不斷展開，節(jié)能和可再生能源利用的不斷深化，道路表面材料和埋地管道的不斷改進，道路施工技術(shù)的提高，道路地熱融雪化冰技術(shù)在中國的發(fā)展前景巨大。

［1］鄧洪超，馬文星，荊寶德.道路冰雪清除技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.工程機械，2005，（12）：47-50

［2］駱虹，羅立斌.融雪劑對環(huán)境的影響及對策 ［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2004，1（20）：55-57

［3］汪集暘，馬偉斌，龔宇烈.地熱利用技術(shù) ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005

［4］L DavidM insk.Heated Bridge Technology［R］.Report on ISTEA Sec.6005 Program，Publication No.FHWA-2RD-99-158，U.S.Department of Transportation and Federal Highw ay Administration，July，1999

［5］KojiMo rita，MasashiOgawa.Geothermal and Solar Heat Used to Melt Snow on Roads［R］.Technical Brochure，CADDETCent re for Renew able Energy，IEA，Organization for Economic Co-operation and Development（OECD），Harwell，United Kingdom，1998

［6］M.D.Smith，Task 4.6.1-testing of a medium-scale bridge deck heating system.Quarterly Progress Reportof the Geothermal Smart Bridge Project，Oklahoma State University，Stillwater，OK，1999-2002

［7］D.Espin，Experimental and computational investigation of snow melting on a hydronically heated concrete slab，M.S.thesis，Oklahoma State University，Stillwater，OK，2003

［8］John W Lund.Pavement Snow Melting［R］.Bulletin of Geo-Heat Center，Oregon Institute of Technology，Klamath Falls，OR，2000

［9］Kinya Iwamoto，Shigeyuki Nagasaka，Yasuhiro Hamada，Makoto Nakamura，Kiyoshi Ochifuji，Katsunori Nagano-Prospects of Snow Melting Systems（SMS）Using Underground Thermal Energy Storage（UTES）in JAPAN［C］. The Second Stockton International Geothermal Conference，March，1998

［10］Walter JEugster，Jürg Schatzmann.Harnessing Solar Energy forWinter Road Clearing on Heavily Loaded Expressways［C］.Proceeding of X Ith PIARC International Winter Road Congress，Sapporo，Japan，January，2002

［11］Senser，D.W.Performance Evaluation of a Runway Heating System Utilizing a Low Grade Energy Source and Heat Pipes，A Thesis submitted to the Departmentof Mechanical Engineering，and Graduate School，University ofWyoming，Laramie，WY，1982

［12］Aoki，K.，Hattori，M.and Ujiie，T.（1987）.“Snow Melting by Heating from the Bottom.”1987 International Symposium on Cold Regions Heat Transfer.University of Alberta，Edmonton，Alberta，Canada，American Society of Mechanical Engineers（ASME）：189-194

［13］Kilkis，I.B.（1994b）.“Design of Embedded Snow-Melting Systems：Part2，Heat Transfer in the Slab-A Simplified Model.”ASHRAE Transactions.100（1）：423-433

［14］Ramsey，J.，M.J.Hewett，T.H.Kuehn，and S.D.Petersen（1999）.“Updated Design Guidelines for Snow Melting Systems”.ASHRAE Transactions.105（1）：1055-1065

［15］Chiasson，A.D.，Spitler，J.D.，Rees，S.J.Smith，M.D.（1999）.“A model for Simulating the performance of a Pavement Heating System as a Supplemental HeatRejecter with Closed-Loop Ground-Source Heat Pump Systems”.ASME journal of Solar Energy

［16］Liu，X.Rees，S.J.Spitler，J.D.，（2002）.“Simulation of a Geothermal Bridge Deck Antiicing System and Expirimental Validation.”Proceedings of the Transportation Research Board 82nd Annual Meeting.Washington，D.C.January 12-16，2003

［17］Rees，S.J.，Spitler，J.D.，Xiao，X.（2002）.“Transient Analysis of Snow-Melting System Performance.”ASHRAE Transactions.108（2）：406-423

［18］胡文舉，姜益強，姚楊，等.橋面熱力融雪模型研究與分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，12（39）：1895-1899

［19］王華軍，趙軍，陳志豪，等.太陽能地熱道路融雪系統(tǒng)路面?zhèn)鳠崽匦缘臄?shù)值研究 ［J］.太陽能學報，2007，6（28）：608-611

Research Situation of Ice and Snow M elting Process on Pavement Utilizing Geothermal

XUE Xiangmei
（Foshan Advanced Technical School，Guangdong 528200）

The process of ice and snow melting on pavement utilizing geothermal is introduced，and research situation of ice and snow melting technology with geothermal at home and abroad is described detailed.Because the ice and snow melting system has clear superiority in the aspects of energy conservation and environmental protection，it can be predicted that the system will be widely used in the future.

Geothermal；Ice and snow melting；Pavement；Environmental protection

TB6［文獻標示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.014

ISSN1005-9180（2015）03-074-05

2015-3-27

薛相美（1969-），男，碩士研究生，主要從事新型制冷技術(shù)與設(shè)備、節(jié)能技術(shù)方面研究。Email：jobxxm@163.com