CN112554120A - 一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统及方法，系统包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的加热管道和与加热管道相连的地热系统，所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述远程控制系统用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制融雪化冰模块的换热量大小，以及发出桥面结冰预警。本发明能对桥面实行监测，预判桥梁结冰时间和厚度，自动启停融冰系统，智能控制加热时段、区域、功率，实现主动、智能、精准融冰。

Description

一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统及方法

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，涉及一种桥梁融雪化冰技术，具体涉及一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统及方法。

背景技术

我国56％的国土，70％的桥梁都处于结冰区域。结冰导致路面汽车制动距离为正常道路的6-7倍，极容易造成交通事故。极端天气会使司机视线变得模糊，公路运输效率低，对交通设施和车辆造成损坏，严重的导致道路关闭。现有的融雪化冰的方式多采用化学和机械融冰融雪，需要大量的劳动力和施工机械，同时也会对周围环境造成破坏，并且有些技术难以实施，不能根据实际情况除雪融冰。本发明提供一种基于地热法新型深层埋管式能源桩桥梁智能融雪化冰系统，智能化的控制融冰除雪，同时与深层埋管式能源桩结合起来，较现有技术而言，通过智能化的管理，监控，预警与深层埋管式能源桩进行地热循环水的热交换。如此一来既利用了桥梁桩基的高导热性，又可以达到传统地源热泵的换热量大的优势，节省占地面积，提高换热效率，降低造价与后期能耗。自动启停融冰系统，智能控制加热时段、区域、功率，实现主动、智能、精准融冰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地热法新型深层埋管式能源桩桥梁智能融雪化冰系统，是将智能化管理，监测，预警与深层埋管式地热法换热结合起来。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，所述气象监测器用于监测桥面所处环境气象情况，所述温湿度传感器用于监测桥面温度和湿度，所述结冰探测器用于监测桥面是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的加热管道和与加热管道相连的地热系统，所述控制模块用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器监测到桥面结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面温度、湿度和气象信息进行桥面结冰预警和提前启动地热泵。

进一步地，所述温湿度传感器包括湿敏元件、多个温敏元件、底座和外壳体，所述外壳体固定在底座上，所述外壳体顶部设有一个横槽内，所述湿敏元件安装在横槽内，所述温敏元件安装在外壳体四周的夹层内，所述湿敏元件和温敏元件的信号线均经过外壳体夹层从底座引出，所述湿敏元件两侧的外壳体顶部设有起保护作用的钢化玻璃。

进一步地，所述外壳体下部与底座通过树脂胶合剂密封相连。

进一步地，所述气象监测器和结冰探测器通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器和结冰探测器。

进一步地，所述桥梁的桥墩通过承台支撑，所述承台通过多根能源桩支撑，所述地热系统包括地热泵和埋设于能源桩内的地热循环管，所述加热管道通过地热泵与地热循环管相连。

进一步地，所述加热管道为换热盘管，所述地热循环管为U型管，所述换热盘管的进出口分别通过地热泵与U型管相连。

进一步地，所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连。

进一步地，所述现场控制系统为微处理器，所述远程控制系统包括神经网络芯片、预警系统和人机交互系统，所述神经网络芯片内预置神经网络模型，首先通过带标签的实验数据训练神经网络模型，然后通过现场数据持续自训练改进。

进一步地，所述桥面上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

一种基于地热的桥面智能融雪化冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在实验室环境下搭建上述桥面自动融雪化冰系统；

步骤2、利用实验环境下的带标签的数据对神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型，所述带标签的数据包括桥面温度、湿度、大气温度、结冰速度、融雪化冰速度及地热系统的加热功率；

步骤3、在现场环境下搭建上述桥面自动融雪化冰系统，在神经网络芯片预置训练好的神经网络模型；

步骤4、所述远程控制系统根据现场桥面温度湿度和气象环境计算结冰温度，根据桥面温度及温度变化情况启动或者提前启动地热系统对桥面进行融雪化冰，所述远程控制系统还根据气象环境预测存在结冰可能性时，发出结冰预警，通过现场结冰探测器检测和摄像头观察判断现场桥面是否结冰。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)建立起智能化的监测，预警控制系统，该系统能预判桥梁结冰的时间和厚度，自动启停融冰系统，智能控制加热时段、区域、功率，实现主动、智能、精准融冰。智慧远程控制监测系统与新型能源桩技术相结合，节约能源，形成桥梁的智慧融冰。

(2)新发明的温湿度传感器利用电阻随着温度改变的性质，通过其变化测出温度，监测桥面水分、温湿度、降雪量。设置处与桥面平整，并不会影响车辆通行。

(3)新型深层埋管式能源桩技术，通过利用地热法，钻孔埋设换热管，不仅在保证桥梁承载力的同时，还提高了桥梁桩基的传热导热性，节省了占地面积，提高了换热率。

附图说明

图1为本发明温湿度传感器正视图。

图2为本发明温湿度传感器俯视图。

图3为本发明温湿度传感器三维图。

图4为本发明湿敏元件俯视图。

图5为本发明地热系统布置图。

图6为本发明温湿度传感器，气象监测器，结冰探测器布置图。

图7为深层埋管式能源桩结构图，其中图7(a)为能源桩整体示意图，图7(b)为能源桩钢筋笼示意图。

图8为本发明实施例中基本融雪化冰逻辑示意图。

图中：1-外壳体，2-温敏元件，3-引出线，4-钢化玻璃，5-湿敏元件，6-底座，7-树脂胶合剂，8-绝缘基片，9-电极，10-桥截面，11-桥面，12-道路标线，13-换热盘管，14-换热液进口，15-换热液出口，16-地热泵，17-承台，18-能源桩，19-U型管，20-地热环境，21-桥墩，22-气象监测器，23-结冰探测器，24-温湿度传感器，25-换热管进出口，26-深井，27-钢筋笼。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1至图7所示，本发明提供了一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统，包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器22和设于桥面11的温湿度传感器24、结冰探测器23，所述气象监测器22用于监测桥面11所处环境气象情况，所述温湿度传感器24用于监测桥面11温度和湿度，所述结冰探测器23用于监测桥面11是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面11下方的加热管道和与加热管道相连的地热系统，所述控制模块用于根据桥面11温度和湿度判断桥面11是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器23监测到桥面11结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面11温度、湿度和气象信息进行桥面11结冰预警和提前启动地热泵16。

所述温湿度传感器24包括湿敏元件5、多个温敏元件2、底座6和外壳体1，所述外壳体1固定在底座6上，所述外壳体1为圆柱体结构，圆柱体顶部设有一个横槽内，所述湿敏元件5安装在横槽内，所述温敏元件2安装在外壳体1四周的夹层内，所述湿敏元件5和温敏元件2的信号线均经过外壳体1夹层从底座6引出，所述湿敏元件5两侧的外壳体1顶部设有起保护作用的钢化玻璃4，所述所述湿敏元件5包括电极9和绝缘基片8，电极9位于上面，所述电极9和绝缘基片8上用湿敏薄膜覆盖，吸收水分，利用离子的导电率变化测出湿度，用于监测空气中的湿度。

本发明温湿度传感器24安装时，首先在桥面11需要安装的位置开设凹槽，将温湿度传感器24放置在凹槽内，并通过螺栓固定，之后在湿敏元件5两侧的外壳体1顶部安装钢化玻璃4保护传感器本身，所述外壳体1下部与底座6通过树脂胶合剂7密封相连。

所述气象监测器22和结冰探测器23通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器22和结冰探测器23。气象监测器22和结冰探测器23既可以采用数据线或者无线通信天线与监测模块的数据采集器相连，采集数据，所述结冰探测器23设置冰厚度表，冰厚度表电镀防氧化层。

所述桥梁的桥墩21通过承台17支撑，所述承台17通过多根能源桩18支撑，所述地热系统包括地热泵16和埋设于能源桩18内的地热循环管，所述加热管道通过地热泵16与地热循环管相连，所述加热管道为换热盘管13，所述地热循环管为U型管19，所述换热盘管13的进出口分别通过地热泵16与U型管19相连。

所述能源桩18为深层埋管式能源桩18，深度达120m左右，在桥墩21的桩基施工完成后，在桩基正中进行钻孔，然后埋管。所述埋管为深层U型管19，包括进水管和出水管，同时与地热泵16相连，埋管内部填充回填料，所述能源桩18是混凝土桩基。远程智能控制器启动地热泵16，换热管内循环介质开始流动，置换浅层地热能，以热传导方式将热能传递到桥面11，起到加热桥面11的目的；

所述桥面11上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连，所述现场控制系统为微处理器，所述远程控制系统包括神经网络芯片、预警系统和人机交互系统，所述神经网络芯片内预置神经网络模型，首先通过带标签的实验数据训练神经网络模型，然后通过现场数据持续自训练改进。

所述的远程控制系统控制整个设备的开关机；远程控制相关设备的恢复功能；远程控制各传感器命令的执行，远程修改除冰时间与检测时间，远程浏览当地路况，道路特征；获取被控制道路的详细信息，及时预警司机前方道路危险；与被控制端进行监测，出现物件损坏，及时派检测人员质检；摄像头监控内容远程浏览。

所述的温湿度传感器24在金属套管中的温敏元件2测出一定温度的时候，引出线3中电流通过，接线座电流流通，利用电阻体的阻值随着温度的变化性质，温度传感器开始工作感应，湿度传感器中，湿敏元件5的上表面基片覆盖一层利用感湿材料制成的膜，空气中有水分湿度时，两电极9之间的电阻值和阻率会发生变化，因此监测桥面11水分、温湿度、降雪量。同时测量桥面11状况、冰点温度和化学系数。监测模块基于GPRS传输，通过网络基站将温湿度数据上传到远程终端控制系统。气象探测器利用红外线离子放热性原理对桥面11进行监控和探测，红外线探测气候，放射性物质形成电流，使得线路中有电流通过，电子芯片记录此时电流强度。天线与远程终端控制系统信号接收，监测局部区域段的天气状况，自动化收集气象相关信息。结冰探测器23底部设置有探测金属感应片，可以探测凝冰情况，冰厚度表时刻刷新此时道路冰厚及道路情况，同时考虑气象数据，并且计算露点和霜点。

所述的远程控制系统可以接收监测模块发来的信息。利用机器学习技术对桥面11图像进行识别接收来自监测系统发来的信息，自动化处理温湿度、降雪量、实时凝冰情况、周围的环境温度等信息，用云存储技术将生成的路面冰雪数据存入数据库，结合气象数据及GIS信息，借助大数据分析及数据挖掘技术对路面冰雪云数据进行智能分析，以f℃为融冰系统与预警系统的启停界限，主动式，智能化，精确化的对桥面11进行预热，保证桥面1124h不结冰。远程控制终端系统，通过上述信息处理，预测桥梁温度的实时变化情况，当预测桥面11温度在未来时段会低于f℃时，会开启桥梁智慧预警系统，预警系统会将该预测结冰信号发送至交通平台、道路电子显示屏以及手机导航APP中，做到三重提醒，保障司机安全出行。若高于f℃时，则会再回到温度监测，从而进行循环操作。

所述能源桩为深层埋管式能源桩，所述桥梁融雪化冰系统能源供给是由深层埋管式能源桩提供地热能，深层埋管式能源桩通过对桥梁桩基进行改造，在桩基施工完成后，于桩基正中进行钻孔，然后埋管。所述埋管为深层U型管19，包括进水管和出水管，同时与热泵系统相连，埋管内部填充回填料。所述能源桩18是混凝土桩基。钻孔深度由桥面11融雪化冰时所需的热量决定，并结合智能控制系统数据计算融雪化冰系统能源所需峰值，利用换热管内的循环换热介质流动，使整个桩基与浅地层进行热交换。

本发明深层埋管式能源桩的总换热量与单位截面内循环介质的热量和进出水口的温差决定，换热效率与总换热与换热路径的长度有关。进口和出口水温通过热响应仪测量，可以得到热交换率，并且可以使用公式(1)和(2)计算出单位长度的热交换率，如下：

Q＝c_pρvΔT＝c_pρv(T_out-T_in) (1)

其中Q是总换热量，q是每单位长度的热交换率(W/m)，c_p是在恒定压力下循环介质的比热容，本试验循环介质为水，水的比热容为4.2*103J/(kg·℃)；v是循环水速度(m/s)，ρ是循环液的密度(kg/m³)，取值1000kg/m³；ΔT是出口温度(T_out)和入口温度(T_in)之间的差，L是热交换器的长度(m)。

本发明提供多种模式的融雪化冰方法，如图7所示，最基本的一种就是利用湿度和气象数据计算桥面11的结冰温度T_f，当温湿度传感器24所检测的桥面11温度T<T_f时，桥面11即将出现结冰现场，启动地热泵16进行融雪化冰，这是最基本的融雪化冰方式，但是一般的结冰具有滞后性，融雪化冰也具有滞后性，特别是地热泵16启动过程中，换热功率是逐渐变化的，并不是一开始就最大，所以融雪化冰最优的方式是提前启动地热系统，但是提前幅度不能太大，过度提前会造成能源浪费，所以，本发明还提供一种基于神经网络的融雪化冰方法，具体包括以下步骤：

步骤1、在实验室环境下搭建上述桥面11自动融雪化冰系统；

步骤2、利用实验环境下的带标签的数据对神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型，所述带标签的数据包括桥面11温度、湿度、大气温度、结冰速度、融雪化冰速度及地热系统的加热功率；

步骤3、在现场环境下搭建上述桥面11自动融雪化冰系统，在神经网络芯片预置训练好的神经网络模型；

步骤4、所述远程控制系统根据现场桥面11温度湿度和气象环境计算结冰温度，根据桥面11温度及温度变化情况启动或者提前启动地热系统对桥面11进行融雪化冰，所述远程控制系统还根据气象环境预测存在结冰可能性时，发出结冰预警，通过现场结冰探测器23检测和摄像头观察判断现场桥面11是否结冰。

本发明桥面11自动融雪化冰系统根据桥面11结冰的临界点，本发明确定了所用的监控器，探测器所用的数量，管道之间的连接方式，按本发明所述的方法进行施工，即：

(1)布置温湿度传感器24，根据距离要求和周围环境选择布置温湿度传感器24的位置。

(2)温湿度传感器24埋设进桥面11层内的凹槽处，并用螺丝固定于凹槽内，温湿度传感器24表面设置与桥面11水平，温度传感器上表面与桥相连接处布设钢化玻璃4防止车辆运行中爆碎，湿敏材料元件处预留元件孔，不布设钢化玻璃4，温湿度传感器24周围设置金属套管，金属套管内部设置温敏元件2，温敏元件2与引出线3固定住，同时引出线3又与接线底座6相连，接线底座6连接桥面11布置的换热管线。温湿度传感器24上部分与接线底座6用融合剂相连接固定，湿敏元件5布设在预留元件孔处，与道路平齐，湿敏元件5上设置电极9和绝缘基片8，湿敏元件5上覆盖一层感湿材料制成的薄膜，并涂有防氧化剂，防止湿敏材料长期暴露在空气中氧化。

(3)内部布设同位素的结冰探测器23支架进行组装，气象监测器22支架上设置放射性红外线，光伏板进行光的反射和接收，设置于桥拦内侧，距离100m布置一处，用螺丝金属固定，并涂抹防氧化剂，监测器外表用ABS外壳包裹。将所有的支架脚全部与桥拦内侧桥面11固定住。

(4)桥面11按深度挖设换热管道，从桥起始一段开挖至桥墩21处，桥墩21作为一段换热网格的分界点，用土进行回填密实。换热管布设耐热聚乙烯管和碳纤维发热电缆，用特殊材料包裹，平行排列在桥面11。

(5)按深度挖设混凝土基桩，基桩中埋设U型换热管，同时基桩作为换热井，用水泥进行回填压实，再进行试压，因此换热管上部用混凝土桩基包裹，下部用回填料包裹。

(6)换热液进出口埋设在桥面11两侧，与热泵系统相连。

(7)根据工程实施案例中，单桩的换热量为40W/m，桥面11换热量需求为200W/㎡，取标准桥梁单跨长度40m，宽8m为例，一跨桥面11所需总换热量为64kW，在40m桥长中，单桩总换热量为4kW，因此一跨桥的桥墩21中所需的桩数为16根。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于地热的桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：包括监测模块、融雪化冰模块和控制模块，所述监测模块包括气象监测器和设于桥面的温湿度传感器、结冰探测器，所述气象监测器用于监测桥面所处环境气象情况，所述温湿度传感器用于监测桥面温度和湿度，所述结冰探测器用于监测桥面是否结冰，所述融雪化冰模块包括埋设于桥面下方的加热管道和与加热管道相连的地热系统，所述控制模块用于根据桥面温度和湿度判断桥面是否会结冰，然后根据结果提前启动融雪化冰模块，控制模块根据结冰探测器监测到桥面结冰情况控制融雪化冰模块的换热量大小，所述控制模块根据监测模块监测到的桥面温度、湿度和气象信息进行桥面结冰预警和提前启动地热泵。

2.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述温湿度传感器包括湿敏元件、多个温敏元件、底座和外壳体，所述外壳体固定在底座上，所述外壳体顶部设有一个横槽，所述湿敏元件安装在横槽内，所述温敏元件安装在外壳体四周的夹层内，所述湿敏元件和温敏元件的信号线均经过外壳体夹层从底座引出，所述湿敏元件两侧的外壳体顶部设有起保护作用的钢化玻璃。

3.如权利要求2所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述外壳体下部与底座通过树脂胶合剂密封相连。

4.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述气象监测器和结冰探测器通过塑料外壳保护后安装在桥梁两侧的桥栏内侧，桥栏上每间隔80-120m布置一组气象监测器和结冰探测器。

5.如权利要求1所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述桥梁的桥墩通过承台支撑，所述承台通过多根能源桩支撑，所述地热系统包括地热泵和埋设于能源桩内的地热循环管，所述加热管道通过地热泵与地热循环管相连。

6.如权利要求5所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述加热管道为换热盘管，所述地热循环管为U型管，所述换热盘管的进出口分别通过地热泵与U型管相连。

7.如权利要求1-6任意一项所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述控制模块包括现场控制系统和远程控制系统，所述监测模块还包括数据采集器，所述数据采集器采集各传感器数据并传输给现场控制系统，所述现场控制系统通过无线通信与远程控制系统通信相连。

8.如权利要求7所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述现场控制系统为微处理器，所述远程控制系统包括神经网络芯片、预警系统和人机交互系统，所述神经网络芯片内预置神经网络模型，首先通过带标签的实验数据训练神经网络模型，然后通过现场数据持续自训练改进。

9.如权利要求8所述桥面自动融雪化冰系统，其特征在于：所述桥面上还设有用于监测现场情况的摄像头，所述远程控制系统还包括用于显示摄像头所拍摄信息的显示器。

10.一种基于地热的桥面智能融雪化冰方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在实验室环境下搭建权利要求9所述桥面自动融雪化冰系统；

步骤2、利用实验环境下的带标签的数据对神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型，所述带标签的数据包括桥面温度、湿度、大气温度、结冰速度、融雪化冰速度及地热系统的加热功率；

步骤3、在现场环境下搭建权利要求9所述桥面自动融雪化冰系统，在神经网络芯片预置训练好的神经网络模型；

步骤4、所述远程控制系统根据现场桥面温度湿度和气象环境计算结冰温度，根据桥面温度及温度变化情况启动或者提前启动地热系统对桥面进行融雪化冰，所述远程控制系统还根据气象环境预测存在结冰可能性时，发出结冰预警，通过现场结冰探测器检测和摄像头观察判断现场桥面是否结冰。

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