薛相美

（佛山市高级技工学校，广东528200）

道路地热融雪化冰研究现状

薛相美

（佛山市高级技工学校，广东528200）

阐述了道路地热融雪化冰的工作原理，着重介绍了地热融雪化冰技术在国内外的研究现状，并分析该系统的一些存在问题。由于在节能和环保方面有着明显的优势，地热融雪化冰系统在我国将有广泛的应用前景。

地热；融雪化冰；道路；节能环保

0 引言

路面冰雪问题一直困扰着各国交通部门，每年由于路面积雪结冰所造成的直接经济损失平均达数亿元。因此，对路面积雪结冰的处理问题，各国一直非常重视，并作了大量研究，探索出多种抑制路面积雪结冰的方法［1］。

冬季除雪方法主要有清除法和融化法两类，清除法可分为人工清除和机械清除，融化法则分为化学法和热融化法。机械除雪，除雪机械设计技术难度较大，设备制造成本较高，除净率低，工作效率低，功率消耗非常大，使用效果不理想。化学法通过在路面上散布融雪剂（CaCl2、MgCl2）等来融雪化冰，但盐类除雪剂对环境、土壤、结构构造物等存在危害，具有一定的负面效应［2］。热融化法利用热水、地热、燃气、电等产生的热量使冰雪融化，其中地热融雪受到极大地关注。因为地球作为一个载热的星体，不断从内部向地表与空间释放热能，浅层土壤地热资源是可再生能源的重要组成部分，是一种取之不尽，经济效益较高，又不会产生任何污染的可再生能源，是一种高环保、高效益的可持续发展能源［3］，而且地热融雪符合国家的产业政策，有很好的发展前景。

1 道路地热融雪化冰系统

1.1 工作原理

道路地热融雪化冰技术是在路 （桥）面内埋置热管，利用机组，经地下换热器从地下提取低位地热能，经热泵提升后，通过水泵把温度较高的流体输送到路 （桥）面内的排管里面。高温热流体在排管内流动时，把热量通过对流换热方式，传入路 （桥）面。当路 （桥）面的温度达到0℃以上时，其表面上的冰雪就会融化，从而达到融雪化冰的目的。

道路地热融雪化冰系统主要由埋地换热器、控制装置、集分水器以及融雪管道等组成 （图1）。地热融雪系统主要的运行模式分为夏季蓄热模式和冬季融雪模式。夏季利用道路循环热流体将强烈的太阳能辐射热能传至地下土壤储存，即地下蓄能；冬季循环热流体再将热量提取至路面提高路面温度融雪化冰。所以太阳能-地热道路融雪系统可以实现跨季节蓄热利用，大大提高了能量的利用率，实现季节性蓄能再利用。如果再通过地源热泵实现升温、控温运行，可进一步提高能量的利用程度。

图1 道路地热融雪化冰系统图

1.2 地热融雪系统特点

（1）使用稳定、廉洁、清洁的地热能作为热源。利用天然丰富地热能源，即使是在寒冷的冬天，都能够提供足够的和稳定数量的热量。此外，该系统还采用了高效能地源热泵技术，以降低运行成本，并减少二氧化碳排放量。

（2）高换热器效率。在换热器方面，双U形管在工程中被使用。相比传统的换热器，吸取的地热约多20%以上。

（3）稳定积雪融化性能。利用恒定的低温热能，而且土壤的比热容大，意味着能够储存在土壤中的热量多，使得运行的地源热泵长期都有较高的效率。

（4）降低运行费用。利用廉价的融雪化冰系统，并提高整个系统性能系数 （COP），大大降低了运行成本，比使用电炉丝节省约30%的能量。

2 国内外研究现状

2.1 世界各国重视道路地热融雪化冰技术的开发

在国际上，道路热融雪化冰技术主要以美国、日本、北欧等国家为代表，1992年起，在美国能源部（DOE）、交通部（DOT）联邦高速公路管理局和国家基础研究基金的联合资助下，开始实施HBT（Heated Bridge Technologies）计划［4］。系统研究道桥地热融雪化冰问题。1994年至1999年的5年间，美国5个州分别开展道路和桥梁热融雪化冰应用示范工程，比较和探索循环热流体、热管传递、电加热、燃料加热等多种方式间的能源利用和融雪化冰效果。日本国家资源环境研究所 （NIRE）在国际经合组织（OECD）和能源组织（IEA）的可再生能源专项促进下，于1995年在日本二户市建造了首例全自动路面集热蓄能式循环热流体融雪化冰系统［5］，取得了阶段性成果。在中国，国家“十一五”科技支撑计划 “区域规划与城市土地节约利用关键技术研究”中，特别强调了道路冰雪自融与防滑关键技术研究内容。这些都表明国内已经开始关注地热融雪化冰技术的研发、应用和示范。

2.2 国外研究现状

近年来，美、日以及北欧瑞士、冰岛、挪威、波兰等国家开展道路热融雪研究比较多。从1998年开始，美国俄克拉荷马州大学 （OSU）开展路桥热流体循环融雪化冰技术的研究工作，在OSU建立了目前世界上最大的路桥专用实验系统［6，7］，结合当地气候条件，将路面作为太阳能集热系统，采用利用竖孔地下换热器的地源热泵封闭系统，开展地热融雪化冰过程研究。研究工作主要涉及冰雪多孔介质传热，利用有限元方法求解路面传热过程，对地热融雪进行了模拟计算分析和实验。

美国俄勒冈州理工学院地热中心对路面热融雪化冰技术进行了全面的比较和分析工作［8］，并且采用竖直重力式热管方式，分别在弗吉尼亚州西部橡树岭的高速公路坡道路段和怀俄明州Cheyenne高速公路的两处坡道路段进行了试验研究。

日本北海道大学研究者们［9］对日本早期的地面蓄能融雪化冰试验工程进行比较分析。研究表明，平均地面集热率可达36%，北海道地区的季节变化可以实现用能与蓄能的基本平衡。研究结论指出，道路地热融雪化冰方式是一项极具发展前景的能源技术，尽管初期投资较高，技术难度较大，但是利用自然可再生能量资源，节能效果显著，环保和资源合理利用功效优势明显，便于实现自动化和及时处理。

在瑞士A8高速公路Darligen路段［10］的路桥上开展了太阳能-地热道路融雪系统试验运行，在冬季有效提高路面平均温度10℃左右，路面换热效果很好，大幅度地提高融雪的性能，而且由于路面温度的升高，减轻冻裂板结。在夏季，系统又可降低路面峰值温度15～20℃，减轻路面暴晒风化和热蚀损害，提高路面的使用寿命。

Senser［11］用计算机模拟机场跑道地热融雪系统，基于响应因子技术，开发设计了路面热管采暖系统。由此产生的算法被证明是高效率和准确的。研究指出：在芝加哥使用低品位水源的跑道路面加热系统具有很大的潜力；

Aoki等人研究的融雪模型［12］划分三层，分别是水渗透层、冰层、洁白雪层，模型边界条件是积雪表面上是对流作用，热流量是不变的，以及底部表面接触板的水饱和度为100%。方程采用有限差分法和可变空间网格移动层来求解。研究表明：上表面的热损失是不同的，取决于雪的类型；积雪融化所需时间依赖于水的渗透力和饱和层再冰冻。该模型也能估计出每层的水排出量。

Kilkis模型［13］基于能量平衡方程，分析路面的几何参数和管道分布，能确定路面最低和最高气温，并得出相关联式，但模型没有通过实验验证。而该模型只是通过有限元方法验证，结果表明：在稳态条件下，与数值模拟解相比较，结果偏差10%左右。

Ramsey模型［14］是在Kilkis模型的基础上提出来的，两者差别于以何种方式计算热损失。该模型也没有实验验证过，但做的唯一的验证是分析比较6个城市以往的状况，误差范围为5%～15%。

在Chiasson［15］提出有限差分矩形网格模型（FD-RG）的基础上，Liu等人［16］提炼出新的关联式和网格划分，改进了Chiasson模型。Liu模型是在一个以节点为中心长方形网格中采用有限差分法，解释了路面上的积雪和不同边界条件问题，通过软件（HVACSIM+）来运行计算，使用起来有些方便。

Rees等人［17］发展了有限体积-边界确定网格（FV-BFG）模型，利用边界确定的网格算法，详细分析路面瞬态过程和复杂的几何分布，解决瞬态条件下的热平衡问题。研究人员还将更进一步细化和为模型作实验验证。

2.3 国内研究现状

目前，国内在地热融雪化冰方面的研究应用还处于起步阶段。近年来，国内高校相继开始在道路地热融雪化冰技术研究和探索。由于试验研究周期长，投资大，所以国内的研究还处在模型分析和数值计算阶段。

天津大学［18］对地热融雪过程进行了稳态传热数值模拟，基于典型年逐时气象数据与复合边界条件，分析了不同埋管深度和加热温度对道路融雪性能的影响，确定降雪量为0.1cm/h、相对湿度为60%～70%、Class-III时，最大融雪热负荷与环境温度和风速之间的关系，模拟结果表明，路面融雪热流和路面温度随着埋管深度增加而减小，随着流体加热温度的增大而增大。对于高寒地区，可以考虑采用热泵机组来提高埋管内循环工质温度以满足降雪速率和融雪热负荷的要求。对应用工程设计提供一定参考价值。

哈尔滨工业大学［19］建立桥面融雪的数学物理模型，基于融雪的能量守恒方程，并利用有限单元法对其稳态工况进行二维数值模拟。结果表明：桥面热流密度和温度呈非线性分布，且其表面分布不均匀性随着埋管深度增加而变小；所需加热流体温度随埋管间距或埋深的增加非线性增高；无保温措施时，可通过优化埋管埋置深度使桥面热量损失最小。

我国从上世纪90年代开始介入地能利用和地源热泵领域，开展研究和应用，取得许多宝贵的本土经验，发展势头极为迅速，这将有助于道路地热融雪化冰技术的发展。但国内的研究相对薄弱，因此，迫切要求进行对系统的基础性和前瞻性研究，充分认识地热融雪化冰过程的传热规律和时变特性，提高技术综合利用水平。同时，应该注重节能，结合各种辅助方式来融雪化冰，充分利用其他可再生能源，综合利用能源，使融雪化冰达到最佳效果。

3 存在问题

（1）理论基础研究不够，缺乏理论与实践的有效结合。应该重视融雪化冰基础理论研究，加快完成不同路面的传热系数的确定，选择合适的传热强化手段，提高换热效率，探索道路地热和混合能源的融雪化冰系统的机理过程，拓展和完善路面融雪化冰方面的基础理论，使理论研究与试验工程达到平衡，指导工程应用。

（2）与道路施工相结合问题。地热融雪化冰技术需要与道路现场施工技术相结合，两者缺一不可。在实际工程中，在埋设换热管道时，考虑管材和混凝土等影响因素对温度场，换热效果的影响，使不利因素减少到最小。这要求工程组织者和工程技术人员能够合理协调、做好充分的技术经济分析。

（3）不同冷、热负荷下，道路地热融雪化冰系统最佳匹配技术的研究不够。在融雪系统中，自动监测、控制系统应当加以利用，优化系统，改进运行模式，使融雪系统效率发挥到最佳。

（4）传质影响的问题。目前文献中大部分模型是关于传热的，但物质的传递对融雪效果的影响不容忽视。考虑到路面的湿度和水分渗透等影响因素，将对模型改进起到重要作用。

4 结语

由于道路地热融雪化冰技术具有节能、环保等优点，适用于道路、高速公路、机场跑道等，受到许多研究机构和单位的重视，但在我国的实际应用工程不多。目前对道路地热融雪化冰技术的推广主要关键在于三个方面：

（1）国家给予足够的重视和相应的鼓励政策，对地热融雪化冰技术的研究和生产给予扶持，给予政策上的优惠等。

（2）加快基础理论研究与实际工程相结合，确定国内设计院、生产厂家等推广应用部门能够实际采用的较简便的设计计算方法及依据，推动地热融雪化冰技术的实用化。

（3）综合利用能源，比如太阳能、废热，以及其他低品位能源等，完善复合能源多功能系统来融雪化冰。同时对系统作经济性分析，力争降低成本。

随着地能利用研究和应用工作的不断展开，节能和可再生能源利用的不断深化，道路表面材料和埋地管道的不断改进，道路施工技术的提高，道路地热融雪化冰技术在中国的发展前景巨大。

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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［文献标示码］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.014

ISSN1005-9180（2015）03-074-05

2015-3-27

薛相美（1969-），男，硕士研究生，主要从事新型制冷技术与设备、节能技术方面研究。Email：jobxxm@163.com