電發(fā)熱主動融冰雪路面專利技術(shù)發(fā)展研究

莊瑞華

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

1 電發(fā)熱主動融冰雪路面專利技術(shù)背景

我國大部分地區(qū)屬于季節(jié)性冰凍地區(qū)，冬季甚至早春季節(jié)，路面積雪結(jié)冰現(xiàn)象十分普遍。路面積雪結(jié)冰將降低路面摩擦力，嚴(yán)重影響道路交通安全。為了保障道路暢通和行車安全，交通部門必須采取有效的除冰雪措施。

目前，我國交通部門通常會根據(jù)天氣預(yù)報提前在路面上撒布融冰雪劑，或在路面出現(xiàn)冰雪后采用機(jī)械除冰雪設(shè)備進(jìn)行鏟除。融冰雪劑不但費用高昂，而且會鹽漬土地、污染地下水，嚴(yán)重影響環(huán)境，而采用機(jī)械除冰雪設(shè)備存在滯后性，會延誤交通，并對路面造成不同程度的傷害。因此，如何合理、有效地使路面本身能夠融雪化冰或加速冰雪融化成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于主動加熱的路面融冰雪技術(shù)逐漸問世，其中包括電發(fā)熱主動融冰雪路面。電發(fā)熱主動融冰雪路面具有環(huán)境友好、穩(wěn)定性高、控制方便等優(yōu)勢，對于冰雪強度大、持續(xù)時間長的北方地區(qū)具有很大的適用性。為此，本文嘗試對電發(fā)熱主動融冰雪路面相關(guān)專利進(jìn)行全面分析，深入研究該技術(shù)中的各項技術(shù)細(xì)節(jié)，以期為該技術(shù)在道路工程中的實際應(yīng)用提供參考。

2 電發(fā)熱主動融冰雪路面專利技術(shù)發(fā)展

電發(fā)熱主動融冰雪路面是指在道路路面下一定深度處預(yù)埋電發(fā)熱元件的路面，它通過電發(fā)熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，由道路結(jié)構(gòu)層將熱量傳到路面進(jìn)行融雪化冰。電發(fā)熱主動融冰雪路面主要由供電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)三部分組成，它們都是現(xiàn)有專利中改進(jìn)的重點。

2.1 加熱系統(tǒng)

2.1.1 電熱元件

加熱系統(tǒng)是指由道路內(nèi)預(yù)埋電熱元件組成的，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過結(jié)構(gòu)層向路面?zhèn)鬟f熱量的系統(tǒng)?，F(xiàn)有技術(shù)中用于電發(fā)熱主動融冰雪路面的電發(fā)熱元件多種多樣，主要有發(fā)熱電纜、碳纖維發(fā)熱線、電熱絲、電熱片、碳纖維電熱膜、石墨烯發(fā)熱膜等，其中，線型的發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線是最主要的兩類。[1]

2.1.2 電熱元件的布置

不同電熱元件的平面布置方式有所不同，總體的原則就是使路面的發(fā)熱均勻。發(fā)熱電纜一般采用蛇形鋪裝，而碳纖維發(fā)熱線的布設(shè)可選擇回折型（旋轉(zhuǎn)型）或平行型（直列型）。[2]

而在橫斷面上，電發(fā)熱元件通常設(shè)置在導(dǎo)熱層和隔熱層之間，這是因為，電發(fā)熱元件通電后通常是向四周均勻散發(fā)熱量的，而積雪位于電發(fā)熱元件上方，故需要在電發(fā)熱元件下部設(shè)置隔熱層阻止熱量向下傳遞，并在其上部設(shè)置導(dǎo)熱層引導(dǎo)熱量向上傳遞，使熱量盡可能多地快速到達(dá)路面，提高融冰雪效率。為了進(jìn)一步提高電發(fā)熱元件的熱量利用率，專利技術(shù)中對導(dǎo)熱層和隔熱層進(jìn)行了改進(jìn)。CN203462377U 中將鋼纖維石墨混凝土層作為導(dǎo)熱層，利用其優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，顯著提高了融冰雪效率，減少了熱量傳遞過程中的損失。[3]JP2010133233A 中采用中空粒子作為隔熱層材料，提高了隔熱效果。CN103821067A 公開了應(yīng)用于融冰雪橋面的復(fù)合功能層及其所用隔熱層和導(dǎo)熱層的配比，給定配比的隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.3～0.5w/m·k，導(dǎo)熱層的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到3～8w/m·k，通過采用這種給定配比的隔熱層和導(dǎo)熱層，實現(xiàn)了熱量的單向傳導(dǎo)，極大地提高了熱能的利用效率。

2.1.3 電熱元件的施工

1.鋼筋網(wǎng)固定法。鋼筋網(wǎng)固定法就是將發(fā)熱電纜或者碳纖維發(fā)熱線先固定在鋼筋網(wǎng)上，然后澆筑于路面內(nèi)部，充分克服了發(fā)熱電纜和碳纖維發(fā)熱線由于柔軟而難以固定在路面中的缺點。[4]如CN101235621A 公開的水泥混凝土橋面融冰雪化冰電熱法中，碳纖維發(fā)熱電纜通過綁扎在鋼筋網(wǎng)上澆筑在混凝土橋面內(nèi)，而CN104060515A 公開的機(jī)場瀝青跑道中，碳纖維加熱線以蛇形排列的方式布置在鋼絲網(wǎng)上而澆筑在瀝青混凝土中。

2.刻槽法?？滩鄯ň褪鞘紫仍诼访鎯?nèi)刻槽，然后將發(fā)熱電纜或者碳纖維發(fā)熱絲放入凹槽內(nèi)。如CN102002 907A 公開了一種橋梁融冰雪化冰碳纖維加熱系統(tǒng)，橋面板上依次為發(fā)泡水泥層和橋面鋪裝層，為了防止碳纖維發(fā)熱線被壓壞，便在發(fā)泡水泥層上開設(shè)了鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線的凹槽；CN102322011A 公開了一種路面主動保溫防滑設(shè)施的施工方法，在路面基層的表面開設(shè)凹槽，并于凹槽內(nèi)鋪設(shè)發(fā)熱電纜；CN103821067A 公開了一種融雪橋面，該橋面中以齒狀凹槽鋪設(shè)加熱電纜，并在凹槽底部設(shè)置隔熱墊層。

雖然刻槽法能夠有效保護(hù)發(fā)熱元件，取得不錯的發(fā)熱效果，但也存在缺點：一方面，刻槽會對發(fā)熱元件所在結(jié)構(gòu)層造成一定程度的損壞；另一方面，在施工時需清理凹槽中的碎屑，處理大量的接頭，增加了施工的難度。

為了便于形成凹槽，JPH11152708A 公開了一種長條構(gòu)件，包括硬橡膠制成的長條體和硬塑料制成的長條體，兩者嵌合。瀝青路面鋪設(shè)時，將長條構(gòu)件埋在瀝青混合料中，路面壓實后，取出長條體，形成防止發(fā)熱電纜的凹槽。

3.發(fā)熱管法。發(fā)熱管法就是將發(fā)熱電纜或者碳纖維發(fā)熱線穿設(shè)在鋼管內(nèi)鋪設(shè)于路面內(nèi)部。CN202359480U公開了一種地?zé)嵬杆孛娼Y(jié)構(gòu)，在墊層中固定鋼管，在鋼管內(nèi)穿設(shè)發(fā)熱電纜形成發(fā)熱管。鋼管不但能夠?qū)Πl(fā)熱電纜起到很好的保護(hù)作用，而且能夠提高路面的強度，但是這種方法鋼管耗費較多，造價較高。

發(fā)熱管法中，鋼管與發(fā)熱電纜或者碳纖維發(fā)熱線之間存在一定的空隙，發(fā)熱電纜或者碳纖維發(fā)熱線通電發(fā)熱時，首先將熱量傳遞給鋼管，然后再傳遞給路面，這個過程會導(dǎo)致一部分熱量的損失，降低熱量的利用率。為了解決這個問題，JP2001118665A 公開了一種方法，即在發(fā)熱電纜與鋼管的空隙之間填充具有優(yōu)良熱傳導(dǎo)性能的粉末如氧化鋁。

普通鋼管的熱量是向四周均勻發(fā)散的，而路面積雪位于鋼管上部，向上傳遞的熱量才是有效熱量。為了使熱量盡可能地向上傳遞，揚州希德電氣有限公司研發(fā)了兩種定向散熱管道，CN202055138U、CN20205513 9U 中公開了其具體結(jié)構(gòu)。

在管體的內(nèi)表面沿管體長度方向120～180 度的弧度區(qū)間內(nèi)設(shè)置陶瓷層后，陶瓷層可以對所覆蓋的管體部分進(jìn)行局部保溫、隔熱，使大部分熱量由無陶瓷層的管體向外傳導(dǎo)。發(fā)熱電纜或碳纖維發(fā)熱線穿設(shè)在這種定向散熱管內(nèi)，通過定向安裝鋪設(shè)于道路路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，使設(shè)置陶瓷層的管體部分朝下，即可實現(xiàn)大部分熱量向上方散發(fā)的目的，充分利用發(fā)熱電纜或碳纖維發(fā)熱線散發(fā)的熱能，節(jié)約電能。

4.混編法?；炀幏ㄖ饕槍μ祭w維發(fā)熱線，就是直接將碳纖維與其他材料編織成網(wǎng)格鋪設(shè)在路面內(nèi)部，或者通過膠粘劑將碳纖維束粘合在連續(xù)纖維絲束上形成土工格柵鋪設(shè)在路面內(nèi)部，膠粘劑同時起絕緣和保護(hù)的作用。CN101413240A 中將直接將碳纖維和玻璃纖維共同編織成網(wǎng)格，進(jìn)行粘砂處理絕緣增韌后，鋪設(shè)在道路中。CN101701445A 中利用改性瀝青、丙烯酸乳液或耐高溫?zé)峁绦詷渲瑢⑻祭w維發(fā)熱線粘貼在玄武巖纖維土工格柵的經(jīng)紗或者緯紗上，改性瀝青、丙烯酸乳液或耐高溫?zé)峁绦詷渲瑫r起絕緣作用。

5.其它方法。除發(fā)熱電纜、碳纖維發(fā)熱線以外的電熱元件施工時主要參考上述4 種施工方法進(jìn)行，但有時也會針對所用電發(fā)元件的特點進(jìn)行改進(jìn)。

CN203904797U 公開了一種智能環(huán)保型防凍路橋面，將電熱片作為內(nèi)置電發(fā)熱元件埋設(shè)與路橋面內(nèi)部，所采用的施工方法則是鋼筋網(wǎng)固定法，將電熱片固定在鋼筋網(wǎng)上，埋設(shè)于路橋面內(nèi)部。CN101230555A 中公開了一種可發(fā)熱公路，將電熱絲作為內(nèi)置電發(fā)熱元件，多條電熱絲形成網(wǎng)狀直接鋪設(shè)在瀝青路面內(nèi)部。由于瀝青路面在車輛長期的行駛過程中容易發(fā)生變形，因此，電熱絲容易外露，造成損害。為了解決上述問題，CN202124819U、CN203096611U、CN203113219U中將電熱絲穿設(shè)在鋼管內(nèi)形成發(fā)熱管，不但避免了電熱絲外露，還提高了路面的強度。同時，由于電熱絲細(xì)且柔軟，現(xiàn)場施工十分不便，為了解決該問題，CN205115953U 中將發(fā)熱絲固定在粗纖維鋼絲網(wǎng)夾層內(nèi)形成彈性發(fā)熱卷材，該卷材可以直接在工廠批量生產(chǎn)，然后運送至施工路面鋪設(shè)在路面相應(yīng)結(jié)構(gòu)層之間形成主動融冰雪路面，大大降低了施工難度。

2.2 供電系統(tǒng)

這里所說的供電系統(tǒng)是指為加熱系統(tǒng)提供電能的系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)中，可以根據(jù)電能的來源進(jìn)一步分為市電供電系統(tǒng)、綠色能源供電系統(tǒng)和混合供電系統(tǒng)。[5-6]市電供電系統(tǒng)就是將市政用電作為加熱系統(tǒng)的電能來源，較為常規(guī)和簡單，下面主要針對綠色能源供電系統(tǒng)和混合供電系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

2.2.1 綠色能源供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)/風(fēng)能供電系統(tǒng)就是利用太陽能發(fā)電設(shè)備/風(fēng)能發(fā)電設(shè)備將太陽能/風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中用于路面加熱的系統(tǒng)。冬天用電需求大，利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電可以大大地緩解市政電網(wǎng)的供電壓力，節(jié)約電能。CN101979770A、CN102061655A、CN203113219U、KR20080066507A 中均采用了太陽能供電，CN201343683Y、KR20130077491A 中均采用了風(fēng)能供電。

除太陽能和風(fēng)能外還有少量其他綠色能源供電系統(tǒng)。CN104481823A 提出了在減速帶中設(shè)置發(fā)電機(jī)構(gòu)，這種發(fā)電機(jī)構(gòu)以減速帶壓板為驅(qū)動件，將汽車駛過減速帶壓板是形成的壓力作為動力持續(xù)不斷發(fā)電，并將產(chǎn)生的電量通過蓄電設(shè)備存儲起來，用于路面融冰雪。CN102535307A 中在公路路基與路面之間設(shè)置壓電陶瓷，汽車通過公路路面時，在壓電陶瓷的作用兩側(cè)產(chǎn)生電壓，利用溫度觸電開關(guān)，在溫度低于零度時閉合電路，電流流過電發(fā)熱元件產(chǎn)生熱量。

2.2.2 混合供電系統(tǒng)

混合供電主要是市電供電和綠色能源供電的組合利用，一方面節(jié)省電能，另一方面為路面融冰雪提供雙重保障。CN101979770A 提出了太陽能發(fā)電與市政供電互補的混合供電方式，將太陽能供電作為第一優(yōu)先級，只有在太陽能供電不足時才開啟市政供電。通過這種混合供電方式，不僅充分利用了清潔能源，而且保證了太陽能供電不足或失效的情況下整個系統(tǒng)的可靠性。

2.3 監(jiān)測控制系統(tǒng)

監(jiān)測控制系統(tǒng)包括監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，用于根據(jù)監(jiān)測信息對加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行精確控制。由于控制系統(tǒng)基于監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息進(jìn)行控制，因此，對于監(jiān)測系統(tǒng)而言，全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測顯得尤為重要。

監(jiān)測系統(tǒng)主要經(jīng)歷了由單一的溫度監(jiān)測向環(huán)境監(jiān)測的轉(zhuǎn)變。單一的溫度監(jiān)測是指僅針對路面溫度的監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果作為控制系統(tǒng)的控制依據(jù)。如CN108755340A 中，僅在路面上面層內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，基于設(shè)定的溫度閾值控制加熱系統(tǒng)的加熱。但僅通過路面溫度很難準(zhǔn)確判斷路面是否有冰雪，比如，當(dāng)溫度在冰點以下，但路面或者空氣中濕度很低時，路面無法形成冰雪。此時，如果對路面進(jìn)行加熱無疑是浪費能源。[7-8]

環(huán)境監(jiān)測就是在溫度監(jiān)測的基礎(chǔ)上同時對路面所處環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)多個監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合控制。如CN112482128A 中不僅路面表層溫濕度傳感器，還同時獲取實時天氣信息，不僅能夠提高控制精度，而且能夠提前預(yù)測結(jié)冰或積雪風(fēng)險。

3 結(jié)語

本文對電發(fā)熱主動融冰雪路面相關(guān)專利進(jìn)行了梳理，詳細(xì)剖析了該類路面在供電、加熱和監(jiān)控三方面的專利技術(shù)細(xì)節(jié)，不難看出，上述三個方面共同決定著電發(fā)熱主動融冰雪路面的工作性能，屬于該類路面的核心技術(shù)。后續(xù)的研究者應(yīng)當(dāng)充分重視上述三個方面的專利技術(shù)，確定合理的研究方向，在避免侵犯他人的專利權(quán)的同時做好專利布局。