一種新型的融雪化冰系統

侯雪梅

（1.西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安710121； 2.長安大學 信息工程學院，陜西 西安710054）

我國現階段普遍采用兩種融雪化冰技術即人工清除法（人工機械、人工撒鹽、沙子）和化學融化法（融雪劑、降低冰點的路面材料）［1］。前者需要花費大量的人力和物力；后者有很多負面效應如鋼筋銹蝕、剝蝕橋面及環境污染等［2］。且人工清除法和化學融化法融雪化冰技術在極端條件下更難適應現代交通安全和高效出行的需求，因此研究新型、高效、自動化程度高的融雪化冰設備呈現出了重要的應用價值和科學意義。

熱力融雪化冰技術是一種主動預防和清除道路積雪結冰的方法，其原理是利用外界提供的熱能對路面進行加熱，使路面溫度高于零攝氏度，從而防治道路積雪結冰［3］。根據熱能的性質不同可以將熱力融雪化冰技術分為地熱、電能、紅外線、太陽能等融雪化冰技術［4］。本文設計和研發了一種基于電能的熱力學融雪技術的新型融雪化冰系統，即泡沫玻璃／復合碳材料融雪化冰系統。系統通過實時監測外界天氣狀況，控制其加熱裝置的開啟和閉合，達到快速融化冰雪的目的。

1 新型融雪化冰系統的總體設計

1.1 工作原理

泡沫玻璃－復合碳層的融雪化冰系統鋪設示意圖如圖1所示。系統采用三層設計：隔熱層、導熱層和發熱層。其工作原理為：傳感器實時監測外界天氣狀況，從而控制發熱裝置開啟，發熱源產生熱量用于路面融雪化冰。同時，根據能量守恒定律，為了提高系統效率并減少熱量耗損，系統設計了導熱、隔熱部分，目的讓發熱電纜產生的熱量能快速且最大限度的向上傳遞給路面，保證了系統能源有效利用和工作效率。

圖1 系統鋪設示意圖

1.2 發熱層

考慮到電源來源的快捷和方便，系統采用了基于電能的熱力學融雪方案。發熱電纜具有安全、耐用、抗壓性能力強，能保證低溫融雪等優點［5］，因此采用發熱電纜作為發熱源。選用Ma－Li雙導雙發熱合金電阻絲電纜（U.S.A）。優化的發熱電纜的型號18W／m，鋪設的加熱功率150W／m2，設定的最高溫度是60℃，最低溫度是40℃。

1.3 隔、導熱層

在熱力融雪化冰系統中，選擇并組合性價比高的隔熱、導熱材料是熱力融雪化冰技術中核心技術，即性能優良的隔熱、導熱材料組合系統是提高能熱源利用率以及融冰效率的技術關鍵［6］。

導熱層設計為平板中間有均勻凹槽，凹槽用于鋪設發熱電纜，通過導熱板將發熱電纜產生的熱量均勻快速傳遞給路表。因此導熱層需選用導熱系數高的材料。選用復合碳材料，其主要的性能指標包括：復合碳材料的密度大約0.12kg／m3，平均導熱系數為400～500W／m·K，復合碳材料的厚度為0.5mm（厚度薄則承重強度達不到，太厚則浪費材料），材料上每隔100mm留有凹槽用來擺放導熱絲，這樣的距離正好能讓復合碳均勻受熱，不至于浪費熱量［5］。通過導熱層可以將熱量更為均勻的傳遞到上層路面，有效融雪面積會更大，加快了融雪化冰的速度。

隔熱層與導熱層的性能剛好相反，主要是為了防止熱量向下傳遞流失，因此在理論上需選用導熱系數低的材料。泡沫玻璃又稱多孔玻璃。是一種氣孔率在90%以上，由均勻的氣孔組成的隔熱玻璃。泡沫玻璃的導熱系數低，透濕系數幾乎為零。同時，泡沫玻璃本身的強度高，垂直于表面的拉伸粘結強度高，因此泡沫玻璃用作隔熱材料具有不透氣、不燃燒、不變形、不變質、不污染等特點［7］。近年來，泡沫玻璃在墻體保溫、機房降噪、高速公路吸音都有廣泛的用途，被稱之為綠色環保型絕熱材料［8］。選用泡沫玻璃作為隔熱層，其性能指標主要包括：密度為160±5kg／m3，導熱系數不超過0.060W／m·K，抗壓強度不低于0.7MPa，抗折強度不低于0.5，體積吸水率不超過0.5%。

1.4 控制部分

控制系統結構如圖2所示。主控制器選用超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器的MSP430芯片。MSP430單片機的特點：處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內資源豐富、方便高效的開發環境［9］。選用DHT21數字溫濕度傳感器對當前環境溫度和濕度進行監測，DHT21是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點［10－11］。

圖2 控制系統結構圖

控制部分通過傳感器采集外界參數，識別外界天氣狀況，并根據建立的數學模型預算出所需的電流值和加熱溫度，控制發熱單元的工作。融雪化冰工作結束后，主控器停止發熱單元的工作，系統停止加熱。系統設計了容錯處理，當有異常情況發生時，可自動調整到預設定的模式工作。

2 實驗與討論

新型泡沫玻璃／復合碳材料融雪化冰系統，采用三層設計思路，利用發熱電纜產生的熱量，提高路面溫度，從而消除了路面因結冰濕滑而帶來的交通安全隱患。為了驗證新型融雪化冰系統的性能，筆者從融冰效果和實時融雪效果分別進行了實驗研究。

為了模擬實際路面環境，系統路表用兩塊地板磚（總長1200×600mm）替代。實驗開始將碎冰均勻的鋪撒到路表，厚度約為5mm。

實驗1 路表溫度測試

電源開啟后，系統通過傳感器監測到路表有冰，開啟加熱系統，路表取樣點平均溫度變化如圖3所示。

圖3 路表平均溫度曲線圖

可以看出，通過發熱和導熱單元使得熱量向路表傳遞，路表溫度隨時間逐步上升。系統在大約26min后，溫度不再上升，是因為融冰結束后，系統停止加熱。同時，實驗測得路表各測試點的溫度隨時間變化基本相同，表明系統發熱和導熱都非常均勻，因此適合于在路面的均勻融雪化冰。

實驗2 融冰動力學測試

系統的融冰率與加熱時間的關系如圖4所示。

圖4 融冰動力學曲線圖

可以看出，系統在大約5min開始逐漸融冰，在15min后，50%的冰逐漸融化，30min后，碎冰全部融化。系統需要幾分鐘時間才明顯有融冰現象，這是因為碎冰撒到路表后，路表溫度會急劇下降，其表面溫度的升高需要發熱電纜花費較長的時間產生熱量使其溫度上升。

實驗3 隔熱性能測試

為了測試系統的能量損耗和隔熱效果，通過測定隔熱層底部溫度與環境溫度間的溫差變化，可直接反映出該系統的熱量損耗，如溫差大，則說明發熱電纜產生的熱能通過隔熱層流失到地表，能量被耗損掉，反之，則能量損耗最小。系統的隔熱層底部溫度與環境溫度變化如圖5所示。

圖5 隔熱板底部平均溫度與環境溫度曲線

可以看出，隨著時間的變化隔熱板底層平均溫度和環境溫度幾乎沒有變化，表明發熱電纜產生的熱能最大限度的向上傳遞給了路面融雪，泡沫玻璃隔熱層阻隔了熱量的向下傳遞，有效地防止了熱損失，使得系統的熱能耗損最小，從而保證了能源的利用率和系統工作效率。同時，泡沫玻璃的抗壓能力和承載能力很強，適合道路的融雪化冰。

為了實際進一步驗證系統的實時融雪效果，筆者進行了戶外融雪實驗，實驗時天空飄雪路面有積雪。系統開啟后，路表溫度高于零攝氏度，從而雪花落下即被融化，實時融雪效果較好。

從實驗結果來看，系統融化碎冰較融雪需要的時間更長，這是因為，相同體積的碎冰要比新雪的重量大很多倍，且碎冰溫度升高需要顯熱、部分冰融化成水及水蒸發時吸收潛熱，因此在融冰時系統可考慮提前預熱。同時，為了防止融化后的水原地結冰，系統在設計時應考慮融化后的水的及時排走。這在后續設計中加以改進。

3 結論

新型融雪化冰系統，即泡沫玻璃／復合碳材料融雪化冰系統是利用電熱原理融雪除冰，系統選用的三層導熱融雪化冰是一種可行的方式，通過優化控制使的該過程的能量損耗最小。

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