CN111501476B - 沥青路面浅层融雪化冰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路面融雪化冰领域，公开了一种沥青路面浅层融雪化冰系统及方法，该系统包括路面结构、发热流体管道和供热装置，所述路面结构结构具有沥青材料面层，所述发热流体管道埋设于沥青材料面层内，并与供热装置相连通，其特征在于，所述发热流体管道的埋设深度为2.5～5cm，管径为2～5mm，管壁厚度为大于0.3mm，发热流体管道材质的屈服强度大于160MPa，弹性模量为120～450GPa。该沥青路面融雪化冰系统将发热流体管道的埋设于路表以下2.5～5cm，提高融雪化冰的效率，降低施工难度，在防止发热流体管道变形损坏的同时，使发热流体管道与沥青混合料变形协调，最大限度地保持沥青路面的力学性能，提高沥青路面及融雪化冰系统的使用寿命。

Description

沥青路面浅层融雪化冰系统及方法

技术领域

本发明涉及路面融雪化冰领域，尤其是一种沥青路面浅层融雪化冰系统及方法。

背景技术

冬季道路积雪、结冰对交通通行有着严重的威胁，轻则造成交通拥堵，重则引发交通事故。目前道路除雪去冰方式主要有传统机械铲雪、融雪剂化雪和道路加热融雪等方式。其中，传统机械铲雪对交通影响大、效率低、可能破坏路面，融雪剂化雪对环境有一定的污染，道路加热融雪化冰虽然建设成本较高，但是也最具发展前景。

道路加热融雪化冰主要有电加热、流体管道加热、热管加热等方式。相较于电加热，流体管道加热常配合循环泵使用，具有较高的加热效率，还可以采用更为广泛多样的热源，但通常需要埋设大量的管道，管径较粗，且只能埋设较深层位，常用于水泥混凝土路面或桥面。热管是一种传热性极好的人工构件，其充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将热源的热量迅速传递到用热部位，其导热能力超过任何已知金属，热管加热式路面融冰雪主要采用重力式热管。重力式热管由三部分组成：主体为一根封闭的金属管(管壳)，内部空腔内有少量工作介质(工作液)和毛细结构(管芯)。从传热状况看，热管沿轴向可分为蒸发段和冷凝段，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。热管的基本工作原理是：在热管的蒸发段，管芯内的工作液体受热蒸发，并带走热量，该热量为工作液体的蒸发潜热，蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段，凝结成液体，同时放出潜热，在毛细力或重力的作用下，液体回流到蒸发段，这样，就完成了一个闭合循环，从而将大量的热量从加热段传到冷凝段。

目前，采用流体管道、热管加热融雪化冰现有技术中已有较多的公开，例如，申请号为201020616426.7、201020258711.6等专利申请以及《基于热管技术的机场道面融雪性能试验研究》、《重力热管/土壤源热泵符合式道路融雪系统传热特性研究》、《流体加热道路融雪系统温—湿耦合融雪模型及仿真分析》等文献中均有相关技术的公开。其融雪化冰所利用的热源有电能、地热、空气源、太阳能等，具体热量传输方式有热管传输、水热循环传输等。现有的重力式热管反重力能力差，只能用于重力场，且存在携带现象，热传导能力有限，特别是几乎没有水平传热能力，且管径粗为28～44mm，埋深较深，垂直段通常在10m左右，水平段8cm～15cm，施工难度大，造价高，限制了其使用范围。热管热负荷大都在40～100W/m²，极端情况下可达700W/m²，热流体加热可提供负荷400W/m²。

发明人研究表明，热管的埋设深度直接影响融雪化冰效果和能源的利用率，一般而言，热管埋设的深度越浅，融雪化冰的效果和能源利用率越好，但是，热管埋设的深度越浅，管道受到路面车辆影响越大，同时管道对路面本身的力学性能的影响也越大，特别是对于沥青路面而言，沥青路面具有明显的粘弹性，因而热管对其力学性能影响的尤为明显。沥青路面是新建公路中使用最为广泛的路面类型，对其进行融雪化冰改造是十分重要。

从现有的文献来看，绝大多数采用流体管道融雪化冰的方式埋设于水泥混凝土中，沥青路面则较为罕见。部分文献中为使融雪化冰结构的铺设不影响沥青路面的力学性能，则采用了其他的方式。例如，通过改变沥青路面的导电性能，直接向沥青路面通电，使其发热从而达到融雪化冰的目的，申请号为201810239907.1的专利申请的专利申请即是如此；又如，在沥青路面中铺设发热线缆，通过发热电缆发热实现融雪化冰，申请号为201320771565.0的专利申请即是如此。但是，这些方式相较于流体管道加热融雪也有一定的弊端：能源选择较为单一，仅能通过电能作为能源，能效相对较低，能源消耗大。

一般而言，发热管道的埋设深度越浅，则融雪化冰的效率越高、能耗越低；但是随着管道埋设的深度减小，会带来两方面的问题，其一，距离道路表面越近，管道所要承受的路面荷载越大，特别是对于沥青路面而言，沥青路面相对于水泥路面刚度更小，抗弯拉强度较低，埋设于其内的管道会承受更高的荷载，常规的融雪化冰管道难以承受如此大的荷载，容易造成管道变形、损坏，影响融雪化冰效果；其二，管道距离路表越近则对于路面的力学性能影响越大，越容易产生应力集中，降低路面的承载能力和使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种沥青路面浅层融雪化冰系统及方法，管道的埋设深度更浅，融雪效果更好，并能满足沥青路面的力学性能要求。

沥青路面融雪化冰系统，包括路面结构、发热管道和供热装置，所述路面结构具有沥青面层，所述发热管道埋设于沥青面层内，并与供热装置相连接，其特征在于，所述发热管道的埋设深度为2.5～6cm，管径为2～5mm，管壁厚度大于0.3mm，发热管道材质的屈服强度大于160MPa，弹性模量为120～450GPa。

优选地，所述发热管道的材质为201不锈钢、316不锈钢、304不锈钢、430不锈钢、铜铝复合管材、铁铜复合材料或经防腐处理的碳钢。

优选地，所述发热管道的材质为经退火处理的304不锈钢，弹性模量为120～220GPa。

优选地，所述发热管道为若干热管单元，所述热管单元包括蒸发段和发热段，所述热管与供热装置之间设置有主热媒管，所述热管单元的发热段埋设于沥青面层内，所述热管单元的蒸发段与主热媒管间壁换热。

优选地，所述热管单元为环路热管，所述环路热管包括发热回路、蒸发管、回液管和蒸发器，所述发热回路的两端分别与蒸发管以及回液管相连通，所述蒸发器与主热媒管隔离换热，所述蒸发管和回液管分别与蒸发器相连通，所述发热回路埋设于沥青面层内。

优选地，所述热管单元为重力型环路热管，所述主热媒管埋设深度为20～60cm。

优选地，所述发热管道包括发热段和保温段，所述发热段位于路面轮迹带的下方，所述保温段位于非轮迹带的下方。

本发明还公开了沥青路面融雪化冰方法，采用所述的沥青路面融雪化冰系统，单位面积加热功率大于100w/m²，环路热管内流体温度大于30℃，热管的间距小于12cm。

优选地，所述发热管道的流体温度为40℃到50℃，热管的间距为6-10cm。

优选地，在0℃～-5℃的环境温度下，单位面积功率优选100w/m²～200w/m²，在-5℃～-10℃的环境温度下，单位面积功率优选200w/m²～300w/m²，在-10℃～-15℃的环境温度下，单位面积功率优选250w/m²～400w/m²，在-15℃～-20℃的环境温度下，单位面积功率优选350w/m²～500w/m²。

优选地，所述供热装置包括有空气能热泵，水源热泵，地源热泵，太阳能热水器，电加热器，燃油锅炉，燃气锅炉和电磁锅炉其中的一种或几种的组合；

在环境温度为0℃～-15℃时，优先采用空气能热泵供热，在没有电力设施的地方，优先采用太阳能热水器，燃油锅炉或燃气锅炉供热；

在环境温度为-15℃以下时，采用电磁锅炉，太阳能热水器，燃油锅炉或燃气锅炉供热并以空气能热泵辅助。

本发明的沥青路面融雪化冰系统将发热管道的埋设于路表以下2.5～5cm，提高融雪化冰的效率，降低施工难度，同时使发热管道与沥青混合料变形协调，最大限度地保持沥青路面的力学性能，提高沥青路面及融雪化冰系统的使用寿命，还能防止发热管道变形损坏。

附图说明

图1a-图1c依次为环路热管间距6cm、8cm及10cm的布设示意图；

图2是温度传感器的竖向布置示意图；

图3是无冰条件下不同温度热管的流体温度升温到1℃时的升温速率图；

图4是采用不同管径热管的升温速率图；

图5是采用不同的热管间距的升温速率图；

图6a和图6b分别是不同加热功率条件下路表和4cm深度的升温速率图；

图7是不同温度下以3.5℃/h作为目标升温速率的区间示意图；

图8a和图8b分别是-5℃和-15℃环境下不同冰层厚度的加热温度变化曲线；

图9是不同环境温度下升温速率图；

图10a和图10b分别是加热开始时和加热4h后的红外温度图；

图11a和图11b分别是热管埋设深度4cm和埋设深度10cm的升温曲线；

图12是一种热管埋设实施方式的示意图；

图13是不同环境温度下传导热功率的折线图；

图14是不同热管间距传导热功率的条形图；

图15是采用多联机室外机作为热源时与热管换热埋设实施方式的示意图；

图16是环路热管与主管的布置图；

图17是轮迹带与非轮迹带的示意图；

图18是轮迹带和非轮迹带的红外温度图；

图19是供热装置的示意图。

附图标记：蒸发器1，蒸发管2，发热回路30，保温段3，发热段4，回液管5，保温材料6，主热媒管7，水泥混凝土8，管道支架9，止逆管10，空气能热泵11，电磁锅炉12，换热器13，换热槽14，环路热管15，非轮迹带16，轮迹带17。

具体实施方式

本发明公开的沥青路面融雪化冰系统，包括路面结构、发热管道和供热装置，所述路面结构具有沥青面层，所述发热管道埋设于沥青面层内，并与供热装置相连接。路面结构至上而下分为面层、基层、底基层，其面层为沥青面层，发热管道即埋设于沥青面层内。

沥青路面通常由面层、基层、底基层组成。其中，面层是直接承受车轮荷载反复作用和自然因素影响的结构层，通常由2～3层组成。2层面层结构可分为上面层和下面层，厚度依次为3cm+4cm、4cm+5cm、4cm+6cm、4cm+8cm或5cm+7cm，3层面层结构可分为上面层、中面层和下面层，厚度为4cm+5cm+6cm、4cm+6cm+6cm或4cm+6cm+8cm。根据发热管道埋设深度尽量浅的原则，但需要一定的路面保护层，将发热管道铺设于上面层的底部，也就是上面层与其下一层面层之间，则发热管道的埋设深度约为3～5cm。此深度相对于现有技术中融雪化冰管道的铺设深度要浅得多，为了使发热管道足以承受路面碾压荷载，同时最大限度地降低管道铺设对于路面本身结构性能的影响，经过发明人试验，当发热管道的埋设深度为2.5～5cm时，管外径取值为2～5mm，管壁厚度大于0.3mm，发热管道材质的屈服强度大于160MPa，弹性模量为120～450GPa，可以保证发热管道在摊铺机碾压下基本不变形，也足以承受路面车辆产生的荷载，同时，发热管道可以与沥青路面基本协同变形，最大限度地减少了埋设管道对于路面强度的影响。为了精确计量，这里以发热管道上表面与路面表面之间的距离作为发热管道的埋设深度的取值，沥青路面的上面层为3～5cm，再考虑到发热管道本身的直径，因而其埋设深度取值为2.5～5cm。

发热管道常用的管材有铝、不锈钢、铁、低碳钢、铜，其中导热系数排序为铜>铝>铁>不锈钢>低碳钢，常见铜、铝的模量较低，且韧性不足，难以承受施工期间压路机的碾压作用及运营后车辆的重复拉压作用，铁、低碳钢易生锈，埋入沥青路面受雨水长时间的作用可能锈蚀而影响使用寿命，且模量高，易形成应力集中造成路面损坏。不锈钢模量适中，不易生锈，导热系数适中，且优于一般的塑料管材，是性价比最好的材料。为验证不同管材在沥青路面中的适应性，选择304不锈钢、201不锈钢和铜三种材质，采用施工中常用的30t胶轮压路机、12t钢轮压路机及沥青混合料摊铺机，按照实际施工流程进行了碾压测试。从碾压结果来看，铜管被压路机完全压扁，304不锈钢、201不锈钢管保持完好，管外径为2～5mm，管壁厚度大于0.3mm时，在摊铺机碾压下基本不变形。

鉴于多数不锈钢具有相对较高的弹性模量，与沥青路面的协同变形效果并不十分契合，为此，本发明选择了弹性模量相对较小的304不锈钢，并对其进行退火处理，使管壁更柔软，弹性模量达到120～220Gpa，最大程度与沥青混合料变形协调。

经过有效防腐处理的某些金属管材也可用于本发明中作为发热管道，从而可以进一步降低材料成本。如邦迪管，镀锌管等。发热管道内具有流动的换热介质，换热介质可以为氨、丙酮、二氧化碳、氟利昂、已烷等，换热介质从主热媒管处获取热量通过发热管道输送至沥青面层内散发热量，从而实现融雪化冰作用。供热装置可以采用空气源热泵、水源热泵、电加热装置、锅炉、地热重力热管、太阳能发电或发热装置等，具体可采用单一的能源，也可采用多种能源相结合。

现有公开专利中除采用地热源的重力热管外，多数供热装置采用蛇形发热流体管、多根发热管直接与热源系统或者主热媒管连通，一旦有一处发热管道损坏，就会使管道内的换热介质泄漏，影响系统的整体融雪化冰效果，甚至会导致系统整体失效。为克服这一问题，作为优选实施方式，所述发热管道为若干热管单元，所述热管单元包括蒸发段和发热段，所述热管与供热装置之间设置有主热媒管，所述热管单元的发热段埋设于沥青材料面层内，所述热管单元的蒸发段与主热媒管间壁换热。同一主热媒管上连接多个热管单元，热管单元的数量和排列根据融雪化冰的具体要求铺设。

相较于现有的直接获取地热的重力式热管，本实施方式具有多方面的优势，其一，热管从主热媒管取热，而主热媒管的热源则可以有更加多元化的选择，无论是地热、水热、电能等是可行的，甚至可以将传统的重力式热管作为主热媒管，可以因地制宜选择合适的热源，其二，通常无须安装深入地基的热管，施工难度更低；其三，适用范围更广，不但适用于具有地热源的普通路基段路面融雪化冰，同样适用于高架、河流等桥面铺装的融雪化冰；其四，可使路面水平方向传热更加均匀，避免出现远端无法融雪化冰；其五，便于维修，当某一热管单元出现问题后，可以通过测试系统运行路表温度判断损坏位置，直接更换单组热管单元，方便快捷，费用低。

而相较于普通的直接通过流体介质将热量输送至路面进行融雪化冰的方式，本实施方式中，每个热管单元均为一个独立的热管，并且与主热媒管间壁换热，即使某个热管单元损坏，也仅会导致这一热管单元失效，而不会影响到其他热管单元的运行，整个融雪化冰系统仍可以正常运行。

考虑到本发明所采用的发热管道直径较小，所述热管单元优选为环路热管，所述环路热管包括发热回路、蒸发管、回液管和蒸发器，所述发热回路的两端分别与蒸发管以及回液管相连通，所述蒸发器与主热媒管隔离换热，所述蒸发管和回液管分别与蒸发器相连通，所述发热回路埋设于沥青材料面层内。蒸发器即为前述的蒸发段，发热回路即为前文的发热段，换热介质在蒸发器与主热媒管间壁换热，然后通过蒸发管进入发热回路，在发热回路放热后，再由回液管进入蒸发器，实现热量的循环输送。环路热管蒸汽管线和液体管线分离，克服了携带现象，传热性能更好，不需要垂直埋深段，适用范围更广，具有高热流密度、高负载的特性，可以在较小的管道直径条件下，为融雪化冰提供充足热能。

一般而言，热管单元均采用较为经济适用的重力型环路热管，热管的蒸发段和冷凝段需要保持一定的高差，以利于换热介质的回流，而鉴于本发明的热管单元埋设深度较浅，相对应的主热媒管埋设深度也就可以更浅，主热媒管具有较大的直径，埋设的更浅也就意味着可以一定程度上减少工程的施工量，在本发明中主热媒管埋设深度为20～60cm即可。

现有的融雪化冰系统中，发热管道的铺设往往覆盖道路的大部分区域，从而保证将路面绝大多数的冰雪融化，但是这无疑需要较大热量的投入，如图17所示，路面结构表面包括有轮迹带和非轮迹带，所谓轮迹带就是经常被车轮碾压的区域，所谓非轮迹带就是不经常被车辆碾压的区域，依据《公路路面技术状况自动化检测规程JTGT E61-2014》，通常的轮迹带17划分是距车道中心线0.6～1.4m的区域，而其余区域则是非轮迹带16。只要保证轮迹带上的无冰雪，则可以保障车辆最基本的安全行驶。有鉴于此，可以将发热管道的发热段埋设于轮迹带下方，仅融化路面轮迹带的冰雪，从而可以大幅降低热能的消耗。具体实施方式有两种，一种是仅在轮迹带下方布置发热管道，但是这就使得主热媒管或者其他的连接管道的埋设有了较大的限制，因为如主热媒管优选是埋设于路边的，为此，还是有一种实施方式如下，所述发热管道还包括有保温段，所述发热段位于路面轮迹带的下方，所述保温段位于非轮迹带的下方。保温段的具体保温方式可以是在环路热管对应的外表面喷涂保温陶瓷涂料，也可以在路面对应位置设置塑料橡胶、气凝胶等保温隔热材料包裹环路热管，实现保温，通过非轮迹带保温，轮迹带放热可以降低系统的能耗，增大热管水平传输距离。

针对本发明的沥青路面融雪化冰系统，发明人进行了室内模拟试验，采用50cm×30cm×10cm尺寸路面结构进行试验测试，路面结构两层：4cmAC-13上面层+6cmAC-20下面层，热管埋深4cm，位于上面层和下面层之间，模型底面和侧面用保温棉进行保温处理。

(1)热管布设方案

采用3mm、4mm、5mm三种管径环路热管进行试验，不同间距热管布设方案如图1a-1c所示，环路热管间距依次为6cm、8cm、10cm，图中尺寸标记单位为cm。

(2)传感器埋设方案

温度传感器考虑水平向和竖向两个布设方向，其中：水平向布设如图中所示圆圈编号，布设在紧挨热管(3#)、热管中间(2#)及距边缘热管5cm(1#)共3个位置；竖向布设如图2所示，在路表、2cm、4cm、10cm共4个深度位置，图中尺寸标记单位为cm。

(3)测试因素

环境温度：-5℃、-10℃、-15℃、-20℃；

加热功率：200w/m²、400w/m²、500w/m²；

流体温度：30℃、40℃、50℃、60℃；

冰层厚度：0mm、2mm、4mm；

热管管径：3mm、4mm、5mm；

热管间距：6cm、8cm、10cm。

(4)测试结果

对4mm热管，间距6cm，功率500w/m²，环境温度-15℃，无冰条件，流体温度分别采用30℃、40℃、50℃和60℃进行加热，计算达到1℃时的升温速率如图3所示。从图中可以看出，随着流体温度降低，路面升温速率均成减小趋势。以路表面为例，热水温度由60℃降到50℃时，热管升温速率降低了1％；温度由50℃降低到40℃时，3mm热管升温速率降低了28.4％；温度由40℃降低到30℃时，3mm热管升温速率降低了38.6％，可见，温度由40℃降低到30℃，升温速率降幅最大，到30℃时，升温速率小于2℃/h，-15℃环境加热路面融雪时间将超过8h。因此，为了控制加热时间、降低能耗，流体控制温度不宜低于40℃。考虑到流体温度越高，热量输送过程中的损耗越大，并且对于热泵等供热装置而言，加热温度越高，与环境温度差值越大，则能效越低，能耗越高，而热管内的流体温度从50℃升高到60℃以后，升温速率并无显著提升，因此，采用本发明中的环路热管，且按照前述埋设深度时，热管的流体温度优选为40℃到50℃。

对3mm、4mm和5mm，间距6cm，加热功率500w/m²，流体温度60℃，在不同环境温度无冰条件下进行加热，计算路表升温速率，如图4所示。可以看出，不同温度条件下规律一致，随着管径增加，路表升温速率均呈增大趋势，区别在于增加幅度有所差异；管径由4mm增加到5mm，升温速率增加幅度大于管径由3mm增加到4mm。管径由3mm增加到5mm，升温速率增加了0.9～2.5倍，管径越粗，内部携带的传热介质急剧增加，且传热面积增大，在相同的加热功率下，传热效率急剧增加。

对5mm热管，间距6cm、8cm和10cm，加热功率500w/m²，流体温度60℃，在不同环境温度无冰条件下进行加热，计算路表升温速率，如图5所示。可以看出，不同温度条件下规律一致，随着间距增加，升温速率不断减小，且减小幅度越来越大，管间距由6cm增加到10cm，升温速率降低了43.9％～64.3％，由图可知，管间距控制在6cm～8cm更佳。

对5mm热管，间距8cm，加热功率200w/m²、400w/m²和500w/m²，流体温度60℃，在不同环境温度无冰条件下进行加热，计算路表和4cm深度升温速率，如图6a和图6b所示，其中，图6a表示路表的升温速率，图6b表示4cm深度升温速率。可以看出，随着加热功率增加，不同位置升温速率不断增加，近似呈线性关系，区别在于不同温度条件增长速率有所差异；功率由200w/m²增加到500w/m²，不同位置升温速率增加了0.9～6.2倍。可见，应根据项目所在地的气候条件，设计合理的加热功率，有效节约能源。

考虑融雪效率，以3.5℃/h作为目标升温速率，结果如图7所示，其中部分数据重叠，-10℃对应的下数第2、3个数据分别是321w/m²和334w/m²，-20℃对应的上数第1、2个数据分别是550w/m²和545w/m²。通过图7再结合本发明系统的最优传热效率，在0℃～-5℃的环境温度下，单位面积功率优选100w/m²～200w/m²，在-5℃～-10℃的环境温度下，单位面积功率优选200w/m²～300w/m²，在-10℃～-15℃的环境温度下，单位面积功率优选250w/m²～400w/m²，在-15℃～-20℃的环境温度下，单位面积功率优选350w/m²～500w/m²。

对5mm热管，间距8cm，路面结构模型温度恒定后，用喷壶喷水形成0mm、2mm和4mm厚的冰层厚度，加热功率500w/m²，流体温度60℃进行加热试验，路表温度变化曲线如图8a和8b所示，其中图8a表示-5℃下不同冰层厚度的加热温度变化曲线，图8b表示-15℃下不同冰层厚度的加热温度变化曲线。从图中可以看出，路表温度0℃以下时，不同冰层厚度路表温度随加热时间变化曲线基本相同，区别在于0℃到1℃这个过程，冰层越厚，化冰所需要时间越长，可见，冰层厚度并不影响路面结构早期升温过程，仅仅影响化冰持续时间。

在实际融冰化雪时，可根据天气预报提前开启融冰化雪系统，避免道路积雪结冰，在遇到突发降雪，道路已有积雪结冰的时，需要根据结冰厚度延长融雪化冰时间，在确保路面结冰被完全融化以后，在进行有序恢复车辆通行，从8a和8b中可以看出，在0℃到1℃时，温度上升速度缓慢，则说明冰层未被完全融化，在1℃以后，温度快速上升，则说明冰层已被完全融化，因此，在实际融雪化冰过程中，若路面已有结冰，则需要待路表温度上升至1℃以后，并检查确认冰层已完全融化后，再恢复交通通行。

对3mm热管，间距6cm，加热功率500w/m²，流体温度60℃，无冰条件下，在-5℃、-10℃、-15℃和-20℃环境进行加热试验，计算路表和4cm深度升温速率，如图9所示。可以看出，随着温度降低，不同位置升温速率均呈降低趋势，路表降低幅度有限，为21.2％，热管埋设处4cm深度降幅较大，达到了40.5％，从此可以看出深度越深，在越冷的环境下，升温速率就越低，在融雪化冰过程中，热量是从埋管深度位置输送至路表的，这就意味着深度越深，越不利于低温下的快速融雪化冰，反之，埋设深度越浅，在更低的气温下，优势会更加明显。

(5)效果验证

利用冻库内2m×2.7m的面积，放置9组热管，热管上面铺设4cmAC-13混合料，热管从上到下管径依次为3mm、4mm、5mm，从左到右，管间距依次为6cm、8cm、10cm。加热功率500w/m²，在环境温度-15℃，流体温度60℃条件下，加热路面，加热前后路面红外温度如图10a和图10b所示。

实验开始后，路面加热1.5h左右，5mm管径路表冰层和覆盖的霜开始融化，随着加热时间增加，4mm管径区域开始出现融化，融化区域越来越大，到4h后，所有区域均融雪；通过观察各区域融雪时间发现，热管越粗，管间距越小，冰雪开始融化时间越早，与模型试验结果一致。

图10a表示开始加热时的红外温度图，图10b表示开始加热4h后的红外温度图，红外温度图表明，开始加热时路面温度比较均匀，仅在流体进出口位置处出现高温；加热4h后，热管埋设区域是整个路面的高温中心，温度比较均匀，最高温度达6.45℃，逐渐向埋设区域边缘降低，两组热管中间位置处为低温中心，最低温度-0.67℃，验证了环路热管具有较好的传热效果。

采用间距10cm，加热功率500w/m²，埋设深度分别为4cm和10cm，其中4cm深采用5mm热管，10cm深采用12mm热管，在-10℃环境下，测试热管所在层位及路表的温度变化如图11a和图11b，其中，图11a表示埋设深度4cm的升温曲线，图11b表示埋设深度10cm的升温曲线。可以看出，加热相同时间时，即使在加大管径的条件下，埋深10cm各处的温度均小于埋深4cm。路表达到1℃时间，4cm深只要2.7h，而10cm深两个位置分别需要6.1h和7.1h，是4cm深的2.3倍，可见埋深对环路热管加热效果有着显著的影响。埋设深度浅，可以大大减小管径和加热时间，节省能量和材料消耗，具有显著的经济效益。

申请人还进行了非轮迹带保温实验，图18表明，经过一定加热时间后，非轮迹带区域路表温度与环境温度基本一致，轮迹带区域路表温度达到了2.0℃左右，冰雪可融化。可见，非轮迹带采用保温处理，可以实现仅轮迹带融冰雪的效果，能大大节约系统运行消耗的能量，具有显著的经济性。

经过室内模拟试验后，发明人进行了道路试验，其热管采用重力环路热管，即热管循环动力来自于热管内冷媒冷凝后产生重力自然回流到蒸发器，蒸发器内部采用液封止逆形式形成环路单向循环。结构原理如图12所示，工作原理如下：

来自主热媒管7内热媒将蒸发器1内介质加热成蒸汽，蒸汽由于密度低沿蒸发管2逸出，热管蒸汽介质在发热回路内沿程冷凝放热，液化冷凝成液体，由于重力作用，经过回液管5流回至蒸发器1，在蒸发器1内重新蒸发成气体，再沿蒸发管2循环形成不可逆环路热流。同时将热量从管道内热媒传递给道路路面。

蒸发器1内充常见冷媒介质，如氨，丙烷，氟利昂等，蒸发器1采用金属材质，优选304不锈钢材质；该蒸发器1直径15-40mm，优选25mm；容积优选20-150ml；

为减少散热损失，在主热媒管7外包裹保温材料6，保温材料6为橡塑保温棉，聚氨酯发泡泡沫，气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩等，导热系数<0.06W/m.K，厚度10-50mm；

在保温材料6外面浇填水泥混凝土8，水泥混凝土标号优选C20-C40，厚度大于30mm；

主热媒管7敷设于管道支架9上，管道支架9和主热媒管7采用滑动管托固定。

经过发明人设计和验证，该型号热管在环境温度0摄氏度时，主热媒温度60摄氏度，传热功率为130W左右。

传热管路系统各尺寸参数范围如下：

最上层沥青厚度L0＝30-60mm；

热管路面发热宽度L1＝1800-2200mm

主热媒管路距发热回路高点距离L2＝300-400mm

环路热管储液器插入主热媒管深度L3＝75mm

主热媒管路外径L4＝80-100mm

环路热管储液器直径L5＝20-42mm

主热媒管路下保温厚度L6＝30-60mm

主热媒管路侧保温厚度L7＝30-60mm

主热媒管路上保温厚度L8＝30-60mm

主热媒管路保温后总宽度L9＝150-180mm

根据焓差法测得，本发明设计环热管结构传热能力如图13和14所示，图13表示不同环境温度下传导的热功率；图14表示不同间距传导的热功率，在环境温度-20摄氏度时，换热功率在140W～220W左右。热源温度60℃时，不同管径及不同间距下单位面积可提供的热负荷225W/m²～645.8W/m²，优于传统重力热管和热流体管道。

上述实施方式中，蒸发器设置于主热媒管内，这就要求主热媒管有较粗的管径，适用于覆盖面积较大的情况，如图15所示，为本发明的环路热管的另一种实施方式，该实施例中，采用多联机室外机作为热源，采用氟利昂作为主管路循环介质，可选用管径相对较小的主热媒管，所述蒸发器包覆于主热媒管外，所述蒸发管连接于蒸发器的顶部，所述蒸发器连接有止逆管，所述止逆管的上部与蒸发器相连通，所述回液管延伸至止逆管的底部。

如图16所示，热管采用5mm不锈钢管作为环路热管15的发热回路，其中占路面宽度1.8-2.2米。管间距80mm，每个热管占地面积2米×0.16米，

可换算出每平方米道路散热功率为：

130×1/(2×0.16)＝406.25(W)

因此计算可得，100米单车道路面需要埋设热管数量为

100/0.16＝625(个)

100米来回车道所需热管数量为：

625×2＝1250(个)

100米道路所需加热功率为：

130×1250＝162500(W)，即162.5(KW)

热源方案可采用多热源组合的方式，根据计算，选用空气能热泵11加电磁锅炉12组合热源形式。在气温较高，0摄氏度到零下15摄氏度时，空气能热泵11能效比在2-2.5左右，优先采用空气能热泵11供热，有较好的经济性。在气温较低，-15摄氏度到-25摄氏度时，优先采用电磁锅炉12供热，辅以空气能热泵11。如图19所示的实施例中，所述供热装置包括换热器和空气能热泵，所述空气能热泵包括低温管路与高温管路，所述换热器连接于低温管路，所述主热媒管连接于高温管路。其中虽然采用了空气能热泵，但是并非直接与空气换热，而是利用换热器收集热能，其优势在于换热器不但可以收集空气热源、还可以收集水热源。在该实施例设置有换热槽14，所述换热槽14与附近的河流或湖泊相连通，所述换热器设置于换热槽14内。通过换热槽14引河水直接冲刷换热器13，可与道路附近河流或湖泊换热，进而提高热泵蒸发温度，降低能耗。在同一套供热装置中可以设置2个以上的空气能热泵，各空气能热泵并联于高温管路上，多个空气能热泵的目的是增加流体的加热效率，而增设电磁锅炉的目的则在于增加主热媒管内流体的温度，因此，电磁锅炉连接于主热媒管上，并且与空气能热泵相串联，对经空气能热泵加热后的流体进行进一步加热。

Claims (10)

1.沥青路面浅层融雪化冰系统，包括路面结构、发热管道和供热装置，所述路面结构具有沥青面层，所述发热管道埋设于沥青面层内，并与供热装置相连接，其特征在于，所述发热管道的埋设深度为2.5～5cm，管径为2～5mm，管壁厚度大于0.3mm，发热管道材质的屈服强度大于160MPa，弹性模量为120～450GPa；

所述发热管道包括发热段和保温段，所述发热段位于路面轮迹带的下方，所述保温段位于非轮迹带的下方。

2.如权利要求1所述的沥青路面浅层融雪化冰系统，其特征在于：所述发热管道的材质为201不锈钢、316不锈钢、304不锈钢、430不锈钢、铜铝复合管材、铁铜复合材料或经防腐处理的碳钢。

3.如权利要求2所述的沥青路面浅层融雪化冰系统，其特征在于：所述发热管道的材质为经退火处理的304不锈钢，弹性模量为120～220GPa。

4.如权利要求1所述的沥青路面浅层融雪化冰系统，其特征在于：所述发热管道为若干热管单元，所述热管单元包括蒸发段和发热段，所述热管与供热装置之间设置有主热媒管，所述热管单元的发热段埋设于沥青材料面层内，所述热管单元的蒸发段与主热媒管间壁换热。

5.如权利要求4所述的沥青路面浅层融雪化冰系统，其特征在于：所述热管单元为环路热管，所述环路热管包括发热回路、蒸发管、回液管和蒸发器，所述发热回路的两端分别与蒸发管以及回液管相连通，所述蒸发器与主热媒管隔离换热，所述蒸发管和回液管分别与蒸发器相连通，所述发热回路埋设于沥青面层内。

6.如权利要求5所述的沥青路面浅层融雪化冰系统，其特征在于：所述热管单元为重力型环路热管，所述主热媒管埋设深度为20～60cm。

7.沥青路面浅层融雪化冰方法，其特征在于，采用如权利要求4所述的沥青路面融雪化冰系统，单位面积加热功率大于100w/m²，环路热管内流体温度大于30℃，热管的间距小于12cm。

8.如权利要求7所述的沥青路面浅层融雪化冰方法，其特征在于：所述发热管道的流体温度为40℃到50℃，热管的间距为6-10cm。

9.如权利要求7或8所述的沥青路面浅层融雪化冰方法，其特征在于：在0℃～-5℃的环境温度下，单位面积功率为100w/m²～200w/m²；在-5℃～-10℃的环境温度下，单位面积功率为200w/m²～300w/m²，在-10℃～-15℃的环境温度下，单位面积功率为250w/m²～400w/m²，在-15℃～-20℃的环境温度下，单位面积功率为350w/m²～500w/m²。

10.如权利要求7所述的沥青路面浅层融雪化冰方法，其特征在于：所述供热装置包括有空气能热泵、水源热泵、地源热泵、阳能热水器、电加热器、燃油锅炉、燃气锅炉和电磁锅炉其中的一种或几种的组合；

在环境温度为0℃～-15℃时，在有电力设施的地方，优先采用空气能热泵供热，在没有电力设施的地方，优先采用太阳能热水器，燃油锅炉或燃气锅炉供热；

在环境温度为-15℃以下时，采用电磁锅炉，太阳能热水器，燃油锅炉或燃气锅炉供热并以空气能热泵辅助。

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