1、运输经理世界道路工程与技术1预埋碳纤维电缆融化冰雪基本原理碳纤维电缆融化冰雪技术是一个系统性的电热能转换和传递技术体系，总系统除碳纤维电缆系统外，还有电源、保护、路面工程结构三个子系统。电源系统包括外接电源、接断电控制、电压调节等电学功能控制系统。增加变压器来调整电压，利于发热功率的发挥和调整，从而获得期望的电热效果。保护系统是电路防水、防漏电、防腐蚀以及防止其他损害的保障和维护系统，电、地接触1，安全运行，这样的保护系统不可或缺。路面工程结构系统主要是路面结构与电热系统的配套结构设计、部件配备等。合理的结构或部件配备设计，将产生不同的热功效。路面融化冰雪加热系统简化结构如图 1 所示。图 1
2、 路面融化冰雪加热系统简化结构示意图2碳纤维电缆融化冰雪的优化能耗设计计算融化冰雪控制系统的主要控制影响因素包括：路面成分结构、碳纤维电缆埋设深度、电热功率、配套排水系统设计、电加热时间等。埋在地下某一层的碳纤维发热电缆，在充电后会产生热量，直接与公路路面接触，从而将一部分热量从电热系统向路面结构直至路表传导散发出去。部分热量被地面冰雪吸收，也有部分热量与周围的空气进行了热交换，从而导致大量的热量流失。融 化 冰 雪 所 需 的 热 量Q包 括：使 雪 升 温 的 热 量Qs，雪融化所需的热量Qm，参与对流换热的热量Qc，太阳热辐射热量Ql，长波辐射热量Qr等。基于能量守恒定律，可得式（1）：
3、Q+Ql=Qs+Qm+Qc+Qr（1）冰雪融化后的电转换速率可以用qs表示，其数值是积雪融化所需的热量Q和融化期间的电功率消耗量 We之比。qs=Q/We 100%（2）Ql=A()1+2I（3）Qs=m()CwT0-CsTa=AH()CwT0-CsTa（4）Qm=mhf=AHhf（5）Qc=Ahc()Tf-Ta（6）Qr=r()T4f-T4sA（7）式（2）式（7）中：m为雪的重量；Cw为水的比热，即4.2kJ/（kgK）；Cs为雪的比热，为 2.05kJ/（kgK）；1和2分别为路表太阳能的集热率和雪的融解热；T0为冰雪融化成水的温度；Ta为冰雪的融解热，通常取路面融化冰雪应用碳纤维电缆加
4、热技术的设计研究吴刚（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330209）摘 要：应用预埋碳纤维电缆，通过电力加热实现融化路面冰雪，是一种具备一定科技含量的技术。为了在实现融雪功能的同时尽可能地节约电力，围绕工程设计案例对碳纤维电缆加热技术的优化能耗设计进行研究，介绍预埋碳纤维电缆融化路面冰雪的基本原理，对优化能耗的环境影响因素及其设计计算问题展开探讨，为碳纤维电缆加热融雪技术的设计及应用提供一些参考。关键词：融化冰雪；碳纤维电缆；优化能耗；设计计算中图分类号：U416文献标识码：A25运输经理世界道路工程与技术334kJ/kg；hc为对流换热系数，通常取 6.19+4.3v；Tf为
5、路 表 形 成 的 水 膜 温 度；r为 斯 特 藩-玻 尔 兹 曼 常量；Ts为环境天空的辐射温度；为路面热辐射率。根据式（2）式（7），可以求出融化冰雪过程中所消耗的热量Q，从而反映出应用该系统融化冰雪的能源利用率。在传热问题中，存在着三种边界条件：一是恒温条 件，也 就 是Tw=a；二 是 恒 热 流 密 度 条 件，也 就 是q=-dt/d=b，可 以 理 解 为 导 热 过 程 中 的 热 流 量 密度，q是一个定值b；三是热对流条件，也就是环境热交换条件，即q=-dt/d=hc()Tf-Ta，换热系数可以由热流密度和液体的温差比来代替。应用数理仿真实验对温度场进行瞬态热力计算时，须
6、设定上述边界条件。主要因素影响融化冰雪效果的机理：一是电功率控制影响。通过形成和调节热源的温度，从而对路面结构的导热过程产生影响，增加电功率，就等于增加了热源的温度，增加了碳纤维电缆和混凝土的温差t，由导热公式可知，导热效率将得到线性改善。二是碳纤维电缆的埋入深度影响。由于碳纤维电缆的埋入深度对混凝土的上传性能有一定的影响，如果单位时间内放出相同的热量，则结构层上层厚度越大，加热速度就会变慢，反之就会变快。三是环境温度影响。从式（4）和式（6）可以看出，空气温度Ta越低，交换热量就越大，而且冰雪融化所需的显热也会增大。因此随着环境气温的降低，融化冰雪的消耗也会随之越来越大。四是气流速率影响。由
7、式（6）可知，在风速增加，空气温度与水膜温度保持不变时，风速v与传热系数hc的变化规律相同，从而得出了风速v与传热系数hc之间的函数关系。风速对热传递的影响是个动态的影响过程。五是排线间隔影响。当电功率不变时，排线间隔会对加热元件的温度产生影响，随着排线间隔的增加，损耗的电缆长度和热源的温度也相应地升高。但碳纤维线的有效加热距离是有限的，如果排线间隔太小，不但浪费的线材太多，也一定程度上增加发生问题的概率；如果排线间隔太大，热量不能很好地传导到整条公路上，会相应形成部分融化失效区域。研究和过程经验显示，排线间距离一般采取 50100mm 较为适用，在这个范围内，碳纤维线可以有效地发挥融化路面冰
8、雪作用2。3优化能耗的环境影响因素设计计算优化能耗的环境影响因素有路面材料以及结构方面的影响因素，也有外在的环境影响因素，因研究方向和所掌握材料的限制，本设计计算主要围绕后者进行。3.1 环境温度设计计算本文利用置信区间估算方法，对优化设计所参考的环境温度资料进行处理，以确定环境温度的设计值。采集了案例项目所在地的整年气温资料，所获得的 年 度 气 温 状 态 的 发 生 概 率 呈 正 态 分 布，如 图 2所示。图 2 正态分布函数图形从 统 计 学 的 角 度 分 析 可 知：X(),2 Y=X-(0,1)，经过转换，如果温度众数发生的概率为P=12，则值的计算方法如式（8）所示：=12
9、P2（8）引入该设计所需要的温度设计参数td()td=-z，则 使 得Pz=u-zf(x)0.97。通 过 查 正 态 分 布 函 数P-z表，得 知 其P0.97 置 信 区 间 所 对 应 的z值 是1.96（见图 3）。图 3 置信区间的正态分布状态最后可以获得式（9）：td=-1.96（9）则 td取值区间应在-15，-2，只有极特殊条件下才取比-15更低的值，比如有的北方地区年度最低气温在-15以下，根据以往的极端低温气候条件，在进行供热规划时，可以以此为参考。如果在某一个地区，发生了 10 年来罕见的低温，并且持续很长的一段时期，就可以用这一极端的最低气温作为计算基准3。3.2 积
10、雪厚度设计计算在具体的工程应用中，可以根据项目所在区域最近几年出现的雪灾或极端气候条件，利用该地区的雪层密度和液态水密度的关系，推导出相应的设计厚度。雪的密度是指在每一层雪中单位面积的水分含量，单位是 g/cm3。雪密度一般差异很大，自然降雪的26运输经理世界道路工程与技术密度一般在 0.040.1g/cm3之间，由于实际工程中自然降雪是会融化的，所以密度要参照松软雪的密度，在实际计算中多采用 0.08g/cm3。在用降雪量求雪深度时，需要引进 30 年内最大雪量。3.3 风速设计计算对风速进行分类，具体的分级如表 1 所示。结合案例地区最近 10 年来的气象资料，由最小的风级统计天数逐日累积
11、，在满足条件的情况下，确定为设计风级，以此风级最大风速值为设计值。可以说，这是在95%的正常气候下，不包括极端的大风，因为即便是最强的风，也只会使积雪融化的速度变得更慢，融化的时间会更长。4节能供热实例设计计算案例工程位处西部地区，根据该地区近 10 年的平均风速统计资料可知（见表 1），其中 2018 年最低气温有 36d 出现-27温度众数，最大日降雪量 10mm，区域积雪最大深度 13cm。P=36/365=0.09863=12P2=16.4td=-1.96=-5.14因此环境温度设计取-5.14。根据案例地区 2018 年至 2019 年的气象数据，地区的风向数据如表 2 所示。因此在
12、设计时，将风级定为3 级，即风速 3.405.40m/s，计算时要留出一定的冗余，因此将 5.40m/s 作为设计风速。v=5.40(m/s)表 2 案例风力资料统计风力等级天数/d6级风25级风04级风63级风362级风841级风68微风44因为 12.510130，所以积雪厚度设计计算 H 取值为 130mm。H=130(mm)因此设计参考的融化冰雪的最小速率应是 H/t=130/24=5.42mm/h。引入设计计算的雪层厚度应为5.428=43.36mm，因此在选取排线间隔时，考虑到排线间距对整体融化冰雪的效果影响不大，为了节省材料，将排线间距设定为 100mm；在选择埋设深度时，由于埋
13、设深度对融雪加热效果有很大的影响，而且很明显，由于随着埋设深度的增加，热量从发热层向路面的传导会变得更加困难，融化的时间也会大幅度延长，因此在确保碳纤维线的热效应和使用寿命的情况下，将埋设深度设定为 5cm。通过对上述排线间距和埋设深度的控制，可以在一定的雪层厚度情况下，对不同功率下的融化冰雪效果进行预测，具体结果如表 3 所示。表 3 不同功率下的融化冰雪效果电功率/(W/m2)240300360400440480冰雪厚度/mm43.3643.3643.3643.3643.3643.36融雪速度/(mm/h)7.007.748.509.039.419.51融雪时间/h6.195.605.10
14、4.804.614.56耗电量/(kWh/m2)1.491.681.841.922.032.19表 3 显示，240480W/m2的电功率范围均符合融雪功效要求，融雪速率 v5.42mm/h。在此基础上，电力消耗随着电功率增加而增加。因此 240W/m2的电功率即可满足案例项目的融雪需要，该功率足以融化路面积雪。利用 BP 神经网络对预热时间进行预测，得 出 了 1.18h 的 预 热 时 间，意 味 在 降 雪 1.18h 之前，预先启动融化冰雪系统，即可实现较好的预埋碳纤维电缆融化路面冰雪的效果。5结语综上所述，本文围绕工程设计案例，就碳纤维电缆加热技术的优化能耗设计计算问题展开探讨。计算
15、出案例中预埋碳纤维电缆加热融化路面冰雪的设计方案：碳纤维电缆埋设深度为 5cm，U 形排列间隔为 100mm，240W/m2的电功率即可满足该项目的融雪功能需要。该设计方案预计在 6.18h 内，能将厚度为13cm 的雪融化，预热时间至少应提前 1.18h。采用该加热方式，可以实现在降雪时，融化冰雪的速度比降雪的速度快，并且能有效防止因电功率过大而造成的能源损耗。参考文献：1杨飞.碳纤维发热线用于道路除冰雪的技术研究D.西安：长安大学，2014.2郭斌.预埋碳纤维发热线沥青混凝土桥面融雪化冰技术研究D.开封：河南大学，2018.3武海琴.发热电缆用于路面融雪化冰的技术研究D.北京：北京工业大学，2005.作者简介：吴刚（1975-），男，山东枣庄人，本科，高级工程师，从事公路桥梁勘察设计相关工作风力等级风速/（m/s）6级风10.8013.805级风8.0010.704级风5.507.903级风3.405.402级风1.603.301级风0.301.50微风0.000.20表 1 风速与风级的对应关系27
