CN108914743B - 热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法 - Google Patents

Abstract

热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法，它涉及机场道面融雪系统及其运行策略技术领域。本发明解决了现有的机场道面除雪方法存在除雪效率低，环境污染严重，道面损伤大及能源消耗大的问题。本发明的热管加热系统的多根重力式热管平行布置在路面结构层和地下土壤层的内部，每个重力式热管的冷凝段、绝热段和蒸发段由上至下顺次连接，冷凝段倾斜布置在路面结构层内部，蒸发段竖直布置在地下土壤层内部，蒸发段的下部设有储液池，流体加热系统包括地下取热系统、热泵机组和道面系统，热泵机组位于地下取热系统和道面系统之间。本发明不仅降低了流体加热系统的运行费用，同时扩宽了热管加热系统的温度适用域。

Description

热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法

技术领域

本发明涉及机场道面融雪系统及其运行策略技术领域,具体涉及一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法。

背景技术

我国超过100座机场处于降雪带。冬季道面积雪、结冰问题已经成为制约机场安全运营的主要影响因素。主要原因为冰雪层的存在降低轮胎与道面间摩擦系数，极易引发飞行事故。

现有的机场道面除冰雪技术主要采用机械除雪、化学融雪及电加热融雪等。其中机械除雪法效率较低，且清除不彻底，容易在道面产生薄冰层危害飞行安全；化学融雪法主要适用于小雪，当气温较低降雪量较大时效果较差，同时化学除雪法对道面损坏严重，污染环境；电加热融雪法需要消耗大量的电能进行积雪融化，同时当电流强度较大时容易干扰飞机信号。同时，国家倡导进行绿色机场建设、运营及管理，因此，研发一种具有高效、节能、环保的道面融雪技术极其重要。

热管传热技术通过工质的相变作用可快速的实现热量传递。其工作原理为：当管道底部温度较高时，工质由液体蒸发为气体并携带热量传递至管道顶部，而管道顶部温度较低，此时工质由气体冷凝为液体释放热量并在重力作用下沿管壁回流至底部，往复循环，实现底部热量传递至顶部。该传热技术具有传热效率高、节能、环保等优点，然而该系统存在一定的温度适应性。

流体加热系统主要由地下取热系统、热泵机组系统和路面换热系统三部分组成。系统运行过程中首先利用循环泵提取地下土壤的热量，其次通过热泵机组将提取的低位热能提升品味，最后再通过循环泵将高温热流传递至道面进行融雪。该系统具有融雪效率高，可控性强，绿色环保等优点，然而该系统具有运行费用高的缺点。

综上所述，现有的机场道面除雪方法存在除雪效率低，环境污染严重，道面损伤大及能源消耗大的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的机场道面除雪方法存在除雪效率低，环境污染严重，道面损伤大及能源消耗大的问题，传统的电加热法存在能源消耗大的问题，进而提供一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法。

本发明的技术方案是：

一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统，所述融雪系统包括路面结构层和地下土壤层，它还包括热管加热系统和流体加热系统；热管加热系统包括多根重力式热管，多根重力式热管平行布置在路面结构层和地下土壤层的内部，每个重力式热管包括冷凝段、绝热段、蒸发段和储液池，冷凝段、绝热段和蒸发段由上至下顺次连接，冷凝段倾斜布置在路面结构层内部，蒸发段竖直布置在地下土壤层内部，绝热段位于冷凝段和蒸发段之间的冻土层处，蒸发段的下部设有储液池；流体加热系统包括地下取热系统、热泵机组和道面系统，热泵机组位于地下取热系统和道面系统之间；地下取热系统包括地下取热管、取热系统进水管、取热系统出水管、第一循环泵和第一控制阀，地下取热管的入口端通过取热系统进水管与热泵机组的第一出口端连通，地下取热管的出口端通过取热系统出水管与热泵机组的第一入口端连通，地下取热管与热泵机组之间的取热系统出水管上由前至后依次设有第一循环泵和第一控制阀；道面系统包括道面散热管、道面系统进水管、道面系统出水管、第二循环泵、第二控制阀，道面散热管的入口端通过道面系统进水管与热泵机组的第二出口端连通，道面散热管的出口端通过道面系统出水管与热泵机组的第二入口端连通，道面散热管与热泵机组之间的道面系统出水管上由前至后依次设有第二控制阀和第二循环泵。

一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法，所述运行控制方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、建造基层：

进行道面垫层和基层施工，铺筑山皮石并浇筑水泥稳定碎石基层；

步骤二、在基层上钻孔取芯，

在基层上进行钻孔取芯，并根据重力式热管竖直段长度进行土基钻孔；

步骤三、安装重力式热管：

埋入重力式热管并固定位置，采用砂浆进行钻孔回填；

步骤四、安装S形道面散热管：

在路面结构层的内部安装S形道面散热管并固定位置；

步骤五、安装U形地下取热管：

进行流体加热地下取热井钻孔，安装U形地下取热管；

步骤六、安装热泵机组：

安装热泵机组并与道面散热管和地下取热管进行连接；

步骤七、安装温度传感器和应力传感器：

在热管管道与流体管道及道面表面安装温度传感器和应力传感器；

步骤八、进行道面养生：

浇筑道面混凝土，进行表面处置及养生；

步骤九、采集系统运行数据：

在使用过程中实时采集道面表面及热管管道与流体管道温度数据，及时确定流体加热系统运行时间，在运行流体加热系统时，应保障温度应力与荷载应力满足式(1)，

γ_r(σ_p+σ_t)≤f_r (1)

式中：γ_r为可靠度系数；σ_p为行车荷载应力；σ_t为温度应力；f_r为混凝土极限破坏强度，

至此完成了热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的热管加热与流体加热复合式道面融雪系统包括热管加热系统和流体加热系统，兼具了热管加热与流体加热方法的优点。热管加热系统融雪方法在冬季通过埋置于地下土壤中的重力式热管内部工质的相变作用高效的将地下土壤层热量传递至路面结构层进行融雪，该系统传热效率高，无能耗，自主运行，结构整体性好；而流体加热系统融雪方法通过热泵机组可将地下土壤层热量提升品味后再传递至路面结构层进行融雪，因此具有较宽的温度适用域。采用热管加热与流体加热复合式道面融雪系统在未达到极端气候时仅依靠热管加热系统即可完成道面融雪，当达到极端气候时运行流体加热系统进行复合融雪。

2、本发明针对目前民航局关于绿色机场的运营需求，研发一种基于热管加热与流体加热复合式道面融雪系统及其运行策略，在极端低温环境下热管加热与流体加热复合式道面融雪系统也能够高效的完成道面积雪融化。该复合式道面融雪系统不仅降低了流体加热系统的运行费用，同时扩宽了热管加热系统的温度适用域，可实现机场道面冬季安全、高效、环保运营，实现冬季机场道面全天候运营。

附图说明

图1是热管加热系统的结构示意图；

图2是重力式热管的结构示意图；

图3是重力式热管的融雪道面平面布置图；

图4是流体加热系统的结构示意图；

图5是热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的融雪道面平面布置图；

图6是冬季仅采用热管加热系统工作时道面温度和环境温度变化图图；

图7是12月29日运行流体加热系统作为补充热源的道面温度和环境温度变化图；

图8是11月10日单纯热管加热系统加热融雪效果图；

图9是12月29日热管加热与流体加热复合式道面融雪系统加热融雪效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统，所述融雪系统包括路面结构层1-1和地下土壤层1-3，它还包括热管加热系统和流体加热系统；

热管加热系统包括多根重力式热管1-2，多根重力式热管1-2平行布置在路面结构层1-1和地下土壤层1-3的内部，每个重力式热管1-2包括冷凝段1-4、绝热段1-5、蒸发段1-6和储液池1-8，冷凝段1-4、绝热段1-5和蒸发段1-6由上至下顺次连接，冷凝段1-4倾斜布置在路面结构层1-1内部，蒸发段1-6竖直布置在地下土壤层1-3内部，绝热段1-5位于冷凝段1-4和蒸发段1-6之间的冻土层处，蒸发段1-6的下部设有储液池1-8；

流体加热系统包括地下取热系统、热泵机组2-2和道面系统，热泵机组2-2位于地下取热系统和道面系统之间；

地下取热系统包括地下取热管2-1、取热系统进水管2-4、取热系统出水管2-5、第一循环泵2-6和第一控制阀2-7，地下取热管2-1的入口端通过取热系统进水管2-4与热泵机组2-2的第一出口端连通，地下取热管2-1的出口端通过取热系统出水管2-5与热泵机组2-2的第一入口端连通，地下取热管2-1与热泵机组2-2之间的取热系统出水管2-5上由前至后依次设有第一循环泵2-6和第一控制阀2-7；

道面系统包括道面散热管2-3、道面系统进水管、道面系统出水管、第二循环泵2-12、第二控制阀2-13，道面散热管2-3的入口端通过道面系统进水管与热泵机组2-2的第二出口端连通，道面散热管2-3的出口端通过道面系统出水管与热泵机组2-2的第二入口端连通，道面散热管2-3与热泵机组2-2之间的道面系统出水管上由前至后依次设有第二控制阀2-13和第二循环泵2-12。

本实施方式的热管加热系统的储液池1-8内部装有工质，所述工质通常采用相变材质，一般为液氨或氟利昂。冬季地下土壤层1-3温度较高，使得埋置于地下的储液池1-8内的工质蒸发，沿蒸发段1-6将热量传递至冷凝段1-4，而后在重力作用下沿倾斜设置的冷凝段1-4回流至储液池1-8，并循环，热量将沿着路面结构层1-1传递至雪层，进行融雪。在实际道面应用中，由于单根重力式热管1-2的融雪范围有限，需采用多根重力式热管1-2进行平行布置，根据道面融雪均匀性合理确定相邻重力式热管1-2间距。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的流体加热系统的热泵机组2-2包括蒸发器2-8、冷凝器2-9、空气压缩机2-10、第三控制阀2-11、冷凝器出水管和冷凝器进水管，蒸发器2-8的第一入口端与取热系统出水管2-5连通，蒸发器2-8的第一出口端与取热系统进水管2-4连通，蒸发器2-8的第二入口端通过冷凝器出水管与冷凝器2-9的第一出口端连通，蒸发器2-8与冷凝器2-9之间的冷凝器出水管上设有空气压缩机2-10，蒸发器2-8的第二出口端通过冷凝器进水管与冷凝器2-9的第一入口端连通，蒸发器2-8与冷凝器2-9之间的冷凝器进水管上设有第三控制阀2-11，冷凝器2-9的第二入口端与道面系统出水管连通，冷凝器2-9的第二出口端与道面系统进水管连通。如此设置，流体加热系统运行时，首先通过第一循环泵2-6和地下取热管2-1将地下土壤层1-3的热量传递至蒸发器2-8，然后再通过空气压缩机2-10将冷凝器2-9的低位热量提升品味达到能够融雪的温度(冷凝器2-9出水温度可达30°-40度)，再通过第二循环泵2-12输送至道面散热管2-3，进行融雪。流体加热系统内的防冻液为10％-40％的乙二醇水溶液，其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式的流体加热系统的道面散热管2-3采用S形盘管布置于路面结构层1-1的内部，热管加热系统的多根重力式热管1-2布置于道面散热管2-3管间位置，道面散热管2-3距路面结构层1-1上表面深度与重力式热管1-2距路面结构层1-1上表面深度一致设置，道面散热管2-3距路面结构层1-1上表面深度的范围为6-15cm。多根重力式热管1-2之间为独立存在。由于道面尺寸较长，为便于热传，宜采用双排重力式热管1-2布置形式。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的热管加热系统的冷凝段1-4的水平倾角α的范围为2-10°。如此设置，为了便于重力式热管1-2内的工质在冷凝段1-4回流。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式的热管加热系统的多根重力式热管1-2中相邻热管的间距的范围为20-30cm。如此设置，根据道面融雪均匀性合理确定相邻重力式热管1-2间距。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式的所述融雪系统还包括温度传感器和应力传感器，温度传感器和应力传感器安装在路面结构层1-1内部的重力式热管1-2位置及路面结构层1-1表面。如此设置，在使用过程中实时采集道面表面及热管管道与流体管道温度数据，及时确定流体加热系统运行时间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式七：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法，所述运行控制方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、建造基层：

进行道面垫层和基层施工，铺筑山皮石并浇筑水泥稳定碎石基层；

步骤二、在基层上钻孔取芯，

在基层上进行钻孔取芯，并根据重力式热管1-2竖直段长度进行土基钻孔；

步骤三、安装重力式热管1-2：

埋入重力式热管1-2并固定位置，采用砂浆进行钻孔回填；

步骤四、安装S形道面散热管2-3：

在路面结构层1-1的内部安装S形道面散热管2-3并固定位置；

步骤五、安装U形地下取热管2-1：

进行流体加热地下取热井钻孔，安装U形地下取热管2-1；

步骤六、安装热泵机组2-2：

安装热泵机组2-2并与道面散热管2-3和地下取热管2-1进行连接；

步骤七、安装温度传感器和应力传感器：

在热管管道与流体管道及道面表面安装温度传感器和应力传感器；

步骤八、进行道面养生：

浇筑道面混凝土，进行表面处置及养生；

步骤九、采集系统运行数据：

在使用过程中实时采集道面表面及热管管道与流体管道温度数据，及时确定流体加热系统运行时间，在运行流体加热系统时，应保障温度应力与荷载应力满足式(1)，

γ_r(σ_p+σ_t)≤f_r (1)

式中：γ_r为可靠度系数；σ_p为行车荷载应力；σ_t为温度应力；f_r为混凝土极限破坏强度，

至此完成了热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式的步骤六中的热泵机组2-2包括蒸发器2-8、冷凝器2-9、空气压缩机2-10、第三控制阀2-11、冷凝器出水管和冷凝器进水管，

首先，通过取热系统出水管2-5将蒸发器2-8的第一入口端与地下取热管2-1的出口端连通，通过取热系统进水管2-4将蒸发器2-8的第一出口端与地下取热管2-1的入口端连通；

然后，将蒸发器2-8的第二入口端通过冷凝器出水管与冷凝器2-9的第一出口端连通，在蒸发器2-8与冷凝器2-9之间的冷凝器出水管上安装空气压缩机2-10，将蒸发器2-8的第二出口端通过冷凝器进水管与冷凝器2-9的第一入口端连通，在蒸发器2-8与冷凝器2-9之间的冷凝器进水管上安装第三控制阀2-11；

最后，通过道面系统出水管将冷凝器2-9的第二入口端与道面散热管2-3的出口端连通，通过道面系统进水管将冷凝器2-9的第二出口端与道面散热管2-3的入口端连通。如此设置，流体加热系统运行时，首先通过第一循环泵2-6和地下取热管2-1将地下土壤的热量传递至蒸发器2-8，然后再通过空气压缩机2-10将冷凝器2-9的低位热量提升品味达到能够融雪的温度，再通过第二循环泵2-12输送至道面散热管2-3，进行融雪。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

工作原理：

本发明的热管加热与流体加热复合式道面融雪系统包括热管加热系统和流体加热系统，

热管加热系统的热管传热技术通过工质的相变作用可快速的实现热量传递。其工作原理为：当热管加热系统的重力式热管底部温度较高时，工质由液体蒸发为气体并携带热量传递至重力式热管顶部，而重力式热管顶部温度较低，此时工质由气体冷凝为液体释放热量并在重力作用下沿重力式热管管壁回流至底部，往复循环，实现底部热量传递至顶部。

流体加热系统主要由地下取热系统、热泵机组和道面系统三部分组成。系统运行过程中首先利用热泵机组的第一循环泵提取地下土壤层的热量，其次通过热泵机组将提取的低位热能提升品味，最后再通过第二循环泵将高温热流传递至路面结构层进行融雪。

以哈尔滨地区为例，采用下述实验证明本发明的热管加热与流体加热复合式道面融雪系统及其运行控制方法的有益效果：

图6为冬季仅采用热管加热系统工作时道面温度和环境温度变化，可以看出单纯热管加热系统加热可提高冬季道面温度约10℃，在12月1日之前道面温度可维持于0℃以上；而当环境温度降低至-20℃时，道面温度降低至-6℃；

图7为12月29日降雪过程中运行流体加热系统作为补充热源的道面温度，可以看出在极端低温条件下，运行流体加热系统可有效保障道面温度处于0℃以上，且由于热管加热系统的加热作用使得道面初始温度相对较高，因此道面升温耗时较短；

图8为11月10日单纯热管加热系统加热融雪效果，可以看出在气温相对较高时仅依靠热管加热系统加热即可完成道面融雪；

图9为12月29日实测热管加热与流体加热复合式道面融雪系统道面融雪效果，在极端低温环境下热管加热与流体加热复合式道面融雪系统也能够高效的完成道面积雪融化。该复合式道面融雪系统不仅降低了流体加热系统的运行费用，同时扩宽了热管加热系统的温度适用域，是一种高效、节能、环保的道面融雪技术。

Claims (2)

1.热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行控制方法，热管加热与流体加热复合式道面融雪系统，它包括热管加热系统和流体加热系统，热管加热系统包括多根重力式热管(1-2)，多根重力式热管(1-2)平行布置在路面结构层(1-1)和地下土壤层(1-3)的内部，每个重力式热管(1-2)包括冷凝段(1-4)、绝热段(1-5)、蒸发段(1-6)和储液池(1-8)，冷凝段(1-4)、绝热段(1-5)和蒸发段(1-6)由上至下顺次连接，冷凝段(1-4)倾斜布置在路面结构层(1-1)内部，蒸发段(1-6)竖直布置在地下土壤层(1-3)内部，绝热段(1-5)位于冷凝段(1-4)和蒸发段(1-6)之间的冻土层处，蒸发段(1-6)的下部设有储液池(1-8)；流体加热系统包括地下取热系统、热泵机组(2-2)和道面系统，热泵机组(2-2)位于地下取热系统和道面系统之间；地下取热系统包括地下取热管(2-1)、取热系统进水管(2-4)、取热系统出水管(2-5)、第一循环泵(2-6)和第一控制阀(2-7)，地下取热管(2-1)的入口端通过取热系统进水管(2-4)与热泵机组(2-2)的第一出口端连通，地下取热管(2-1)的出口端通过取热系统出水管(2-5)与热泵机组(2-2)的第一入口端连通，地下取热管(2-1)与热泵机组(2-2)之间的取热系统出水管(2-5)上由前至后依次设有第一循环泵(2-6)和第一控制阀(2-7)；道面系统包括道面散热管(2-3)、道面系统进水管、道面系统出水管、第二循环泵(2-12)、第二控制阀(2-13)，道面散热管(2-3)的入口端通过道面系统进水管与热泵机组(2-2)的第二出口端连通，道面散热管(2-3)的出口端通过道面系统出水管与热泵机组(2-2)的第二入口端连通，道面散热管(2-3)与热泵机组(2-2)之间的道面系统出水管上由前至后依次设有第二控制阀(2-13)和第二循环泵(2-12)；

所述融雪系统还包括温度传感器和应力传感器，温度传感器和应力传感器安装在路面结构层(1-1)内部的重力式热管(1-2)位置及路面结构层(1-1)表面；

其特征在于：所述运行控制方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、建造基层：

进行道面垫层和基层施工，铺筑山皮石并浇筑水泥稳定碎石基层；

步骤二、在基层上钻孔取芯，

在基层上进行钻孔取芯，并根据重力式热管(1-2)竖直段长度进行土基钻孔；

步骤三、安装重力式热管(1-2)：

埋入重力式热管(1-2)并固定位置，采用砂浆进行钻孔回填；

步骤四、安装S形道面散热管(2-3)：

在路面结构层(1-1)的内部安装S形道面散热管(2-3)并固定位置；

步骤五、安装U形地下取热管(2-1)：

进行流体加热地下取热井钻孔，安装U形地下取热管(2-1)；

步骤六、安装热泵机组(2-2)：

安装热泵机组(2-2)并与道面散热管(2-3)和地下取热管(2-1)进行连接；

步骤七、安装温度传感器和应力传感器：

在热管管道与流体管道及道面表面安装温度传感器和应力传感器；

步骤八、进行道面养生：

浇筑道面混凝土，进行表面处置及养生；

步骤九、采集系统运行数据：

在使用过程中实时采集道面表面及热管管道与流体管道温度数据，及时确定流体加热系统运行时间，在运行流体加热系统时，应保障温度应力与荷载应力满足式(1)，

γ_r(σ_p+σ_t)≤f_r (1)

式中：γ_r为可靠度系数；σ_p为行车荷载应力；σ_t为温度应力；f_r为混凝土极限破坏强度，

至此完成了热管加热与流体加热复合式道面融雪系统的运行。

2.根据权利要求1所述的一种热管加热与流体加热复合式道面融雪系统运行控制方法，其特征在于：步骤六中的热泵机组(2-2)包括蒸发器(2-8)、冷凝器(2-9)、空气压缩机(2-10)、第三控制阀(2-11)、冷凝器出水管和冷凝器进水管，蒸发器(2-8)的第一入口端与取热系统出水管(2-5)连通，蒸发器(2-8)的第一出口端与取热系统进水管(2-4)连通，蒸发器(2-8)的第二入口端通过冷凝器出水管与冷凝器(2-9)的第一出口端连通，蒸发器(2-8)与冷凝器(2-9)之间的冷凝器出水管上设有空气压缩机(2-10)，蒸发器(2-8)的第二出口端通过冷凝器进水管与冷凝器(2-9)的第一入口端连通，蒸发器(2-8)与冷凝器(2-9)之间的冷凝器进水管上设有第三控制阀(2-11)，冷凝器(2-9)的第二入口端与道面系统出水管连通，冷凝器(2-9)的第二出口端与道面系统进水管连通；

首先，通过取热系统出水管(2-5)将蒸发器(2-8)的第一入口端与地下取热管(2-1)的出口端连通，通过取热系统进水管(2-4)将蒸发器(2-8)的第一出口端与地下取热管(2-1)的入口端连通；

然后，将蒸发器(2-8)的第二入口端通过冷凝器出水管与冷凝器(2-9)的第一出口端连通，在蒸发器(2-8)与冷凝器(2-9)之间的冷凝器出水管上安装空气压缩机(2-10)，将蒸发器(2-8)的第二出口端通过冷凝器进水管与冷凝器(2-9)的第一入口端连通，在蒸发器(2-8)与冷凝器(2-9)之间的冷凝器进水管上安装第三控制阀(2-11)；

最后，通过道面系统出水管将冷凝器(2-9)的第二入口端与道面散热管(2-3)的出口端连通，通过道面系统进水管将冷凝器(2-9)的第二出口端与道面散热管(2-3)的入口端连通。

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