新能源在寒區道路橋梁融雪問題的應用技術研究

吳定意， 申 路， 陶佳瑜， 肖劍芳

(四川師范大學工學院，四川成都 610101)

目前，我國寒冷地區的橋梁、道路在冬季面臨著積雪嚴重、橋梁腐蝕損壞嚴重等問題，導致人們出行不便、交通事故頻發，甚至造成嚴重的人員及財產損失。從現有的技術來看，大部分地區解決凍害問題主要是采用一些物理化學方法，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、新方法實現橋面的自動融雪對解決這一問題有重要意義。

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

1 研究路線

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

圖1 技術路線

2 國內外現有融雪技術

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，對結冰或是積雪的地方進行敲擊，實現除雪功能。該方法易于操作，但除雪效率極低，只適用于局部地區，對于規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，對周邊環境無污染，能實現冰雪的異地轉移，應用范圍較廣；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力，導致除雪不徹底，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 化學融化法

化學融雪的原理是通過給路面灑布一定量的防凍結和融冰雪的化學材料(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，目前使用的產品有：(1)傳統融雪材料：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合物;(3)新開發的融雪材料：鈣鎂乙酸鹽復合劑(CMA)、乙烯二醇等[3]。目前國內外使用最多的，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，是一種有效的防結冰、融雪化冰手段。

然而，隨著這些化學物質的使用，橋面遭到嚴重破壞，也對道路、橋梁內部的鋼筋混凝土產生了腐蝕作用，影響了混凝土的強度，導致其產生結構破壞；與此同時，大量氯化物的使用，會使綠色植被死亡，融雪劑所產生的溶液進入地表，會污染周圍的水資源，破壞自然的生態環境。

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、導電混凝土法、發熱電纜法等[7]。紅外加熱燈法，升溫比較遲緩，且很容易受到外部風力的影響，因此不可取；電熱絲法是在路面上安裝電熱絲用于發熱，但此方法由于車輛的運動，會導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；導電混凝土法有鋼纖維導電混凝土和碳纖維導電混凝土，由于安全性不好、工藝復雜、價格昂貴等因素，不宜實行；發熱電纜法是通過熱交換將其余的能量轉化為熱能，然后進行融雪，但從能量品質的利用上來說，十分不合理，且費用較高，能量利用率低。目前，只有日本等少數發達國家將這種方法應用在鐵路冰雪消除上，還沒有應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，使加熱流體在管內循環流動，以達到融雪的目的。傳統的用來加熱循環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，化學融雪法和熱融化法具有很多的局限性：污染環境、破壞結構、費用昂貴、工藝繁瑣等。因此，新型能源的開發及應用是目前最具有可行性的方法，其不僅能節約能源、保護環境，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 寒區日照條件(西北地區)

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，為太陽能設備的設置及安裝提供理論依據。我國的年平均日照時長數如圖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，年平均日照時數都在2 200h以上。

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

由年均日照時數圖可知，西北地區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

太陽能融雪技術的原理主要是利用太陽能光熱應用技術，利用太陽能光伏發電裝置，將太陽能轉化為電能，再把電能由發熱電纜轉化為熱能，實現三者之間的轉換，從而達到融雪的目的。

4.1 發展歷史

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年總結了部分熱量計算方法，此后又對融雪技術進行了很多的研究；1999年James.W.Ramsey給出了ASHAE研究的最新的計算方法和規則，同時，提出了很多的參數，如對流換熱系數，特征長度等，這些參數的提出為后來進行融雪技術的詳細計算提供了理論基礎。

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的計算方法，進行了融雪實驗和數值模擬，最后與各方面條件的結合形成了融雪系統模型，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，在該領域開展了許多的研究和應用，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熱能。

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

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

這些應用為太陽能在融雪方面的研究提供了一定的經驗。

4.3 太陽能融雪技術的可行性

根據目前西北地區的年日照時數看來，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。太陽能融雪技術不僅能改善現有融雪技術的污染及資源消耗過大問題，也可使橋梁的內部結構免遭破壞，而且太陽能是用之不竭的。

目前，可嘗試將應用在屋面融雪上的技術及方法，合理地選取利用到橋梁上，如：在橋面下安裝光伏發電裝置，將太陽能轉化為電能，再利用發熱電纜，將電能轉化為熱能，實現三者之間的轉化；也可以參照太陽能的采暖系統設置，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得到了一定的發展，但是在應用示范和基礎研究兩方面的發展不夠平衡，前期比較注重應用，使得基礎研究有些滯后。近年來，國外的研究者們意識到了這個問題，已經開始重視深入的融雪過程的理論研究。而國內由于起步較晚，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、利用能量轉化實現融雪功能是一個長期而復雜的過程，同時也涉及到了許多的基礎設施，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。

從目前的發展情況來看，我國面臨的問題也是注重基礎理論的研究，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 結束語

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

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