新能源在寒區(qū)道路橋梁融雪問題的應(yīng)用技術(shù)研究

吳定意， 申 路， 陶佳瑜， 肖劍芳

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川成都 610101)

目前，我國寒冷地區(qū)的橋梁、道路在冬季面臨著積雪嚴重、橋梁腐蝕損壞嚴重等問題，導(dǎo)致人們出行不便、交通事故頻發(fā)，甚至造成嚴重的人員及財產(chǎn)損失。從現(xiàn)有的技術(shù)來看，大部分地區(qū)解決凍害問題主要是采用一些物理化學(xué)方法，但其效率低下、耗費大量人力、財力且效果不顯著。因此，利用新能源、新方法實現(xiàn)橋面的自動融雪對解決這一問題有重要意義。

近年來，已經(jīng)初步實現(xiàn)了利用太陽能進行室內(nèi)采暖以及太陽能集熱，若能將太陽能這一天然能源應(yīng)用在寒區(qū)橋梁、道路的自動融雪上，將顯著提升融雪效率有效保護橋梁，保證寒區(qū)的交通安全。

1 研究路線

對國內(nèi)現(xiàn)有的一些融雪技術(shù)進行總結(jié)，并對其原理進行分析，再結(jié)合我國寒冷地區(qū)(西北地區(qū))的日照條件，將太陽能的轉(zhuǎn)換與傳統(tǒng)的融雪技術(shù)進行比較，確定利用太陽能實現(xiàn)融雪的可行性。具體流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 國內(nèi)外現(xiàn)有融雪技術(shù)

2.1 消除法

2.1.1 人工除雪

人工除雪是最早的一種除雪方式，人們一般用鐵鍬、錘頭等工具，對結(jié)冰或是積雪的地方進行敲擊，實現(xiàn)除雪功能。該方法易于操作，但除雪效率極低，只適用于局部地區(qū)，對于規(guī)模較大的道路或橋梁不適用。

2.1.2 機械除雪

機械除雪是通過機械對冰雪直接作用，解除冰雪危害。目前廣泛使用的除雪機械主要有3種，即犁板式、旋切式、掃滾式除雪機械。機械除雪代替了人工除雪，效率有了一定的提高，對周邊環(huán)境無污染，能實現(xiàn)冰雪的異地轉(zhuǎn)移，應(yīng)用范圍較廣；盡管如此，機械除雪仍然存在許多問題：由于路面和冰雪之間有一定的粘結(jié)力，導(dǎo)致除雪不徹底，而且影響車輛和行人的通行、破壞路面等。

2.2 融化法

2.2.1 化學(xué)融化法

化學(xué)融雪的原理是通過給路面灑布一定量的防凍結(jié)和融冰雪的化學(xué)材料(融雪劑)，降低冰雪的冰點，使路面冰雪融化或降低其強度。

作為路面除冰雪劑，目前使用的產(chǎn)品有：(1)傳統(tǒng)融雪材料：氯化鈉、尿素；(2)改進型融雪材料:氯化鈣、氯化鎂或它們與氯化鈉的復(fù)合物;(3)新開發(fā)的融雪材料：鈣鎂乙酸鹽復(fù)合劑(CMA)、乙烯二醇等[3]。目前國內(nèi)外使用最多的，仍然是氯化物類融雪劑。 使用融雪劑，可以彌補物理方法效率低下、除雪不徹底、易損壞路面等不足， 且該方法在氣溫相對較高、降雪量不大時，除雪效果好，是一種有效的防結(jié)冰、融雪化冰手段。

然而，隨著這些化學(xué)物質(zhì)的使用，橋面遭到嚴重破壞，也對道路、橋梁內(nèi)部的鋼筋混凝土產(chǎn)生了腐蝕作用，影響了混凝土的強度，導(dǎo)致其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞；與此同時，大量氯化物的使用，會使綠色植被死亡，融雪劑所產(chǎn)生的溶液進入地表，會污染周圍的水資源，破壞自然的生態(tài)環(huán)境。

2.2.2 熱融化法

2.2.2.1 電熱融法

電熱融雪法包括如紅外線燈照加熱法、電熱絲法、導(dǎo)電混凝土法、發(fā)熱電纜法等[7]。紅外加熱燈法，升溫比較遲緩，且很容易受到外部風(fēng)力的影響，因此不可?。浑姛峤z法是在路面上安裝電熱絲用于發(fā)熱，但此方法由于車輛的運動，會導(dǎo)致電熱絲被拔出路面，影響交通安全，所以不得不放棄該種融雪方法；導(dǎo)電混凝土法有鋼纖維導(dǎo)電混凝土和碳纖維導(dǎo)電混凝土，由于安全性不好、工藝復(fù)雜、價格昂貴等因素，不宜實行；發(fā)熱電纜法是通過熱交換將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，然后進行融雪，但從能量品質(zhì)的利用上來說，十分不合理，且費用較高，能量利用率低。目前，只有日本等少數(shù)發(fā)達國家將這種方法應(yīng)用在鐵路冰雪消除上，還沒有應(yīng)用到公路橋梁融雪等方面。

2.2.2.2 流體加熱法

流體加熱法是在路面下安裝管道，使加熱流體在管內(nèi)循環(huán)流動，以達到融雪的目的。傳統(tǒng)的用來加熱循環(huán)的流體熱源主要是來自石油、天然氣，這些能源不僅運行費用較高、污染較大，而且是不可再生資源，總量有限，因此沒有得到推廣。

長遠來看，化學(xué)融雪法和熱融化法具有很多的局限性：污染環(huán)境、破壞結(jié)構(gòu)、費用昂貴、工藝繁瑣等。因此，新型能源的開發(fā)及應(yīng)用是目前最具有可行性的方法，其不僅能節(jié)約能源、保護環(huán)境，還是可再生型能源，可以從自然界中源源不斷的獲取。因此，考慮太陽能等無污染能源來進行融雪就是比較可取的一種方法。

3 寒區(qū)日照條件(西北地區(qū))

日照是重要的氣候因素，研究日照時長，對太陽能的合理利用有重要的意義，為太陽能設(shè)備的設(shè)置及安裝提供理論依據(jù)。我國的年平均日照時長數(shù)如圖2所示。

圖2 我國年平均日照時長

(1)秦嶺淮河以北，青藏、云南高原東坡以西的高原地區(qū)，年平均日照時數(shù)都在2 200h以上。

(2)北緯 36°以北地區(qū)，除了東北的北部和東部以外，日照時數(shù)都在2 600h以上。

由年均日照時數(shù)圖可知，西北地區(qū)的太陽能資源較豐富，可以充分考慮使用太陽能來進行道路、橋梁融雪。

4 太陽能融雪技術(shù)

太陽能融雪技術(shù)的原理主要是利用太陽能光熱應(yīng)用技術(shù)，利用太陽能光伏發(fā)電裝置，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再把電能由發(fā)熱電纜轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)三者之間的轉(zhuǎn)換，從而達到融雪的目的。

4.1 發(fā)展歷史

利用熱能來進行融雪早在20世紀就形成了雛形。1952年，William.P.Chapman[7]在論文里對融雪的熱量公式進行了描述，提出了表面無雪率的概念，并在1956年總結(jié)了部分熱量計算方法，此后又對融雪技術(shù)進行了很多的研究；1999年James.W.Ramsey給出了ASHAE研究的最新的計算方法和規(guī)則，同時，提出了很多的參數(shù)，如對流換熱系數(shù)，特征長度等，這些參數(shù)的提出為后來進行融雪技術(shù)的詳細計算提供了理論基礎(chǔ)。

2001年，MahadevanRamamoorthy提出冬季利用地源熱泵給道路融雪，夏季通過路面收集熱量以提高冬季融雪性能的研究；2004年騰井光、石上孝等為了改進融雪技術(shù)的計算方法，進行了融雪實驗和數(shù)值模擬，最后與各方面條件的結(jié)合形成了融雪系統(tǒng)模型，該模型為改善融雪效率、降低電力消耗提供了更進一步的參考方向，對融雪模型進行了優(yōu)化計算，使能量和效率得到更進一步的平衡。

4.2 實際工程應(yīng)用

在國際上，利用新型能源融雪主要以美國、日本、北歐等國家為代表，在該領(lǐng)域開展了許多的研究和應(yīng)用，已有一批典型的實驗示范工程。

早在1940年就開展了利用熱管來融化積雪的研究，當時主要的考慮是利用地?zé)崮堋?/p>

目前太陽能在工程上的應(yīng)用已經(jīng)屢見不鮮。利用太陽能實現(xiàn)屋面的融雪是目前比較成熟的一種技術(shù)。其原理是在屋頂安置發(fā)熱電纜，利用太陽能光伏發(fā)電裝置，實現(xiàn)太陽能到電能，再到熱能的轉(zhuǎn)換，其施工步驟主要是：隔熱保溫層的鋪設(shè)、反射層的鋪設(shè)、低碳鋼絲網(wǎng)的鋪設(shè)及發(fā)熱電纜的鋪設(shè)。

除了屋面融雪之外，太陽能室內(nèi)采暖也得到普遍應(yīng)用：采用被動式技術(shù)，讓太陽光中的短波全部透入暖廊而阻擋內(nèi)部長波向外輻射，提高太陽能的利用率；地面鋪設(shè)暖石蓄熱層，提高接收外界輻射熱量和減少向外輻射熱量。

這些應(yīng)用為太陽能在融雪方面的研究提供了一定的經(jīng)驗。

4.3 太陽能融雪技術(shù)的可行性

根據(jù)目前西北地區(qū)的年日照時數(shù)看來，使用太陽能來進行道路和橋面的自動融雪是具有可行性的。太陽能融雪技術(shù)不僅能改善現(xiàn)有融雪技術(shù)的污染及資源消耗過大問題，也可使橋梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)免遭破壞，而且太陽能是用之不竭的。

目前，可嘗試將應(yīng)用在屋面融雪上的技術(shù)及方法，合理地選取利用到橋梁上，如：在橋面下安裝光伏發(fā)電裝置，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再利用發(fā)熱電纜，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)三者之間的轉(zhuǎn)化；也可以參照太陽能的采暖系統(tǒng)設(shè)置，將集熱裝置(如平板型集熱器等)合理的布置在橋梁下部，使之能自動的接受太陽能，并選用合適的材料將收集到的太陽能均勻發(fā)散至整個橋面，使太陽能的利用率達到最大化，提高能量接收率等。

4.4 存在問題

在國際上，雖然新能源式的融雪技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但是在應(yīng)用示范和基礎(chǔ)研究兩方面的發(fā)展不夠平衡，前期比較注重應(yīng)用，使得基礎(chǔ)研究有些滯后。近年來，國外的研究者們意識到了這個問題，已經(jīng)開始重視深入的融雪過程的理論研究。而國內(nèi)由于起步較晚，許多的研究還在萌芽階 段，利用太陽能融雪這一意識及研究氛圍還不是如此的濃厚。

由于采集太陽能、利用能量轉(zhuǎn)化實現(xiàn)融雪功能是一個長期而復(fù)雜的過程，同時也涉及到了許多的基礎(chǔ)設(shè)施，所以試驗研究周期長、投資大、集熱裝置的改造也需要花費大量的人力和物力。

從目前的發(fā)展情況來看，我國面臨的問題也是注重基礎(chǔ)理論的研究，要緊跟國際前沿的科技水平，提高認知程度，將重點集中在融冰雪、道路橋梁傳熱、利用率等方面。

5 結(jié)束語

綜合上述，每種除雪方法都有各自的優(yōu)缺點，但相比較而言，在西北這些冬季寒冷、日照充足的地區(qū)，采用太陽能技術(shù)進行融雪，是比較科學(xué)、可行的方法。不僅能利用天然的資源，也減少了人工的消耗，節(jié)約了人力。

以上是結(jié)合我國現(xiàn)有的技術(shù)及寒冷地區(qū)的日照條件，得出的在嚴寒地區(qū)比較適用的一種新型融雪方法——太陽能融雪技術(shù)。雖然這種技術(shù)目前還在萌芽時期，還沒有完整的體系支撐，但隨著研究的不斷深入，這項技術(shù)將來一定會廣泛應(yīng)用于橋梁、道路融雪中。