CN113174806A - 一种道路融雪装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶‑水合盐‑多孔材料复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口；所述封装管道埋设于道路下方；该发明可实现封装管道内相变材料的及时更换，当相变材料需要更换或达到使用年限后，可利用混凝土泵或颗粒泵等在预留的出入口方便进行注入或回收再生，也可利用自流作用和负压作用进行相变材料注入和更换，注入和更换成本低。

Description

一种道路融雪装置及其使用方法

技术领域

本发明属于道路建筑技术领域，具体涉及一种道路融雪装置及其使用方法

背景技术

当道路出现积雪或积冰后，由于路面摩擦作用大为减弱，行人容易滑倒、摔跤，造成摔伤；车辆容易打滑、失控，进而造成交通事故。高速公路、民航机场、停机坪等都会因积雪、积冰而关闭，人员物资将无法高效运送，对交通造成严重影响。目前，对于积雪和积冰的处理办法主要有喷洒融雪剂和人工清理，融雪剂一般含有大量的氯化物盐类，其不但会对混凝土、钢筋等的结构造成持久的盐蚀伤害，而且大量长期使用会对道路周边的土壤、生态产生严重的不良影响。组织人工清理效率低、容易造成二次伤害，每年清理积雪、积冰的人员被行驶车辆撞死、撞伤的事故时有发生。

相变储能技术是利用材料在相变的过程中吸收或释放大量的热能，从而起到控温和储能的作用，可以解决能量供求在时间和空间上分配不平衡的矛盾，是提高能源利用效率的有效手段。在航空航天、太阳能利用、工业余热回收、采暖和空调、医学工程、军事工程、蓄热建筑和极端环境服装等众多领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

目前，用于道路预防、融化积雪和积冰的相变储能技术主要是将混凝土与相变材料相结合制成相变混凝土，以相变混凝土吸收的自然热能为热源，熔化积雪、积冰。采用相变混凝土的技术尚存在如下问题：首先相变材料会在一定程度上弱化、恶化混凝土的力学性能，现有的道路、机场施工条件、标准必然需要随之调整；此外，当前相变混凝土所用的相变储能材料有效使用年限和性能稳定性尚有待检验，不确定风险较高；在自然热能不足的地区或时间段，相变混凝土吸收的自然热能完全释放后，其将失去融冰、融雪的功能；更为重要的是，相变混凝土一旦应用，即使应用过程中出现问题，其更换成本极高，需要进行整体混凝土结构的更换，无法单独更换其中的相变材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种道路融雪装置，该装置采用地下埋管的方式将相变材料封装在管道中，并在管道上预留出入口，方便及时更换其内部已达到使用期限的相变材料，以持续满足寒冷季节道路融雪、融冰的需求。

本发明的另一个目的是，提供一种道路融雪装置的使用方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口，所述封装管道埋设于道路下方；

所述具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系，包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50；所述水合盐-多孔材料复合物包括多孔材料和吸附于所述多孔材料的开放孔道内的水合盐相变化合物，所述水溶胶体系包括水溶胶和分散于所述水溶胶中的沉淀剂，位于所述开放孔道的开放端的水合盐相变化合物与沉淀剂反应形成不溶性沉淀，封堵所述开放端；

所述水溶胶体系中的水溶胶为成胶剂与水的混合物，所述成胶剂为无机成胶剂和/或有机成胶剂；由于水玻璃或者水溶硅易于沉积在固体表面，难以清除，在脱水后，更可以形成粘稠的胶状物，工业上甚至用作胶黏剂，流动性相对较差，故此处不采用成胶剂与水溶胶/水玻璃混合的方式，而成胶剂与水混合可以保证水溶胶具有较高流动性，不容易堵塞封装管道，方便水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的排出及填充；

其中：所述无机成胶剂为蒙脱土、膨润土或硅溶胶中的一种或任意比例的混合物；

所述有机成胶剂为聚丙烯酸、淀粉、聚乙烯醇、羧基纤维素、羧基纤维素钠、琼脂、聚糖、黄原胶、明胶、甲壳糖、纤维素醚、海藻酸钠或聚氨酯中的一种或任意比例的混合物；

所述水合盐相变化合物为水合氯化镁、水合氯化钙、八水氢氧化钡、十水硫酸钠、十二水碳酸钠、六水硝酸镁、硫酸钠、氯化铵、氯化钠、氯化钾六水磷酸氢二钾、十水硫酸钠中的一种或任意比例的混合物；

所述多孔材料为多孔硅、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔碳或膨胀珍珠岩；所述多孔材料的粒度至少为200目；

所述沉淀剂为碳酸钠、硫酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氯化镁、氯化钙、氯化钡、氢氧化钡、氢氧化钙、水溶性磷酸盐中的一种或任意比例的混合物；所述水溶胶体系中的沉淀剂与所述水合盐-多孔材料复合物的质量比为(1～10):(85～50)；

所述不溶性沉淀为碳酸镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、碱式氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化钙、碱式碳酸钙或硫酸钡中的一种或任意比例的混合物。

上述技术方案中，所述排出口连接有真空负压动力装置，用于强化封装管道中所述具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的流动。

上述技术方案中，所述封装管道之间通过法兰连接；所述封装管道管口直径为6～10cm；所述封装管道上相邻的注入口与排出口之间距离为60m～80m。

上述技术方案中，所述封装管道外壁还设置金属导热结构，所述金属导热结构为金属丝编制的平面网格、钢筋笼或钢管等，所述平面网格铺展于管道上方的道路结构中，以利于热量的均匀吸收和释放。

上述技术方案中，所述封装管道的排出口高度低于封装管道水平高度。

上述技术方案中，所述的水溶胶体系中还添加有传热强化剂，所述传热强化剂为金属纳米粉末、陶瓷纳米粉末或石墨粉末中的一种或任意比例的混合物，所述传热强化剂的质量为所述水溶胶质量的0.5wt％～2wt％，所述传热强化剂具有提高复合相变材料的导热系数的功能。

上述技术方案中，所述封装管道内填充的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的制备方法，包括以下步骤：

水溶胶体系直接与水合盐-多孔材料复合物混合得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

或者成胶剂、沉淀剂与水合盐-多孔材料复合物均匀混合后加水和/或有机溶剂得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

或者成胶剂、沉淀剂以及传热强化剂与水合盐-多孔材料复合物均匀混合后加水和/或有机溶剂得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系中包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50。

上述技术方案中，所述混合为超声混合、剧烈搅拌混合或加热混合；

所述水合盐-多孔材料复合物采用以下方法中的一种或多种方式的组合制备：

A，加大多孔材料的用量，多孔材料的质量与水合盐相变化合物的质量比为10～50：90～50,更优选为20～50：80～50；

B，超声排出多孔材料孔道中的气体以后，再行与熔化的水合盐相变化合物混合；

C，对多孔材料抽真空后，再行引入熔化的水合盐相变化合物；

D，含有水合盐-多孔材料的密闭容器内，加热熔化同时通气加压；

E，多孔材料与熔化的水合盐相变化合物混合之后再加入沉淀剂进行混合，所述沉淀剂质量为多孔材料与熔化的水合盐相变化合物质量之和的3％～5％；提前在固相状态下预混合沉淀剂与水合盐-多孔材料复合物，使得多孔材料外表面吸附的水合盐与沉淀剂发生固固反应，初步形成沉淀包覆层，减少水溶胶中沉淀剂的消耗，维持水溶胶对水合盐-多孔材料复合物的长期修复能力。

上述技术方案中，所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的相变放热温度为3～7℃，潜热为30～80J/g，黏度为600～800mPa·s，导热系数≥0.65W·m^-1·K^-1(25.0℃)，循环1000次后相变焓衰减0.3～0.5％。

一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括贮槽、循环泵、封装管道、所述封装管道上设有注入口和排出口，所述贮槽的物料出口与所述循环泵的物料进口通过管道相连，循环泵的出口与所述封装管道的注入口管道连接，所述封装管道的排出口与所述贮槽的物料进口管道连接，所述封装管道中填充具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；所述封装管道埋设于道路下方；

所述具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系，包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50；所述水合盐-多孔材料复合物包括多孔材料和吸附于所述多孔材料的开放孔道内的水合盐相变化合物，所述水溶胶体系包括水溶胶和分散于所述水溶胶中的沉淀剂，位于所述开放孔道的开放端的水合盐相变化合物与沉淀剂反应形成不溶性沉淀，封堵所述开放端；

所述水溶胶体系中的水溶胶为成胶剂与水的混合物，所述成胶剂为无机成胶剂和/或有机成胶剂；由于水玻璃或者水溶硅易于沉积在固体表面，难以清除，在脱水后，更可以形成粘稠的胶状物，工业上甚至用作胶黏剂，流动性相对较差，故此处不采用成胶剂与水溶胶/水玻璃混合的方式，而成胶剂与水混合可以保证水溶胶具有较高流动性，不容易堵塞封装管道，方便水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的排出及填充；

其中：所述无机成胶剂为蒙脱土、膨润土或硅溶胶中的一种或任意比例的混合物；

所述有机成胶剂为聚丙烯酸、淀粉、聚乙烯醇、羧基纤维素、羧基纤维素钠、琼脂、聚糖、黄原胶、明胶、甲壳糖、纤维素醚、海藻酸钠或聚氨酯中的一种或任意比例的混合物；

所述水合盐相变化合物为水合氯化镁、水合氯化钙、八水氢氧化钡、十水硫酸钠、十二水碳酸钠、六水硝酸镁、硫酸钠、氯化铵、氯化钠、氯化钾六水磷酸氢二钾、十水硫酸钠中的一种或任意比例的混合物；

所述多孔材料为多孔硅、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔碳或膨胀珍珠岩；所述多孔材料的粒度至少为200目；

所述沉淀剂为碳酸钠、硫酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氯化镁、氯化钙、氯化钡、氢氧化钡、氢氧化钙、水溶性磷酸盐中的一种或任意比例的混合物；所述水溶胶体系中的沉淀剂与所述水合盐-多孔材料复合物的质量比为(1～10):(85～50)；

所述不溶性沉淀为碳酸镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、碱式氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化钙、碱式碳酸钙或硫酸钡中的一种或任意比例的混合物。

上述技术方案中所述的道路融雪装置的使用方法，包括以下步骤：

相邻封装管道之间通过法兰连接，埋设于道路待融雪区域下方，埋深在当地冬季土壤温度的零度线深度以下；

将所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系通过封装管道上的注入口填充至所述封装管道中；在使用过程中，当外界的温度低于水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的放热温度时，水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系通过相变潜能而向外释放热量，该热量通过封装管道传给道路表面而实现融雪化冰，这个过程不需要外界能量的输入，经过多次循环，直至道路表面上的积雪和结冰全部融化；

需要更换水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系时，通过封装管道上的排出口将待替换的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系排出。

上述技术方案中，所述封装管道沿与道路延伸方向的平行方向进行埋设，相邻封装管道之间间距沿道路中心向道路边缘方向逐渐减小，原因在于排水管道一般布置于道路边缘，且冰雪也易于积存于道路边缘，相变管道释放的热能可优先融化路缘冰雪，便于尽快排出融化后积水；且公路路面一般中间高，两侧低，在大量降雪情况下，布置于公路中间隔离栏或绿化带下方的相变管道释放的热能可使道路中间融化冰雪形成的融水流向两侧，进一步加速融化全部路面的冰雪。

上述技术方案中，将所述封装管道置于钢筋笼或钢管之内，或在封装管道外壁连接金属丝编制的平面网格，网格铺展于管道上方路层以利于热量的均匀吸收或释放，相邻封装管道之间通过法兰连接，埋设于道路待融雪区域下方。

上述技术方案中，需要更换水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系时，启动真空负压动力装置通过封装管道上的排出口将待替换的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系排出。

上述技术方案中，所述道路融雪装置的封装管道埋深20cm～35cm，且位于当地冬季土壤温度的零度线深度以下，以免水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系整体凝固，同时适当的埋深也可避免水合盐相变化合物在夏季发生过热现象；所述道路融雪装置的封装管道埋设于道路边缘下方，或道路隔离栏、绿化带下方，管道平行于道路方向，以尽量方便维护，并减少路面通行及各类事件对管道可能的影响。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明采用地下埋设管道的方式铺设相变材料，相变材料封闭于管道内，在提高浅层地表(50cm以浅)储能密度的同时，不会影响混凝土结构的性能，不会对周边土壤和生态造成影响。

2、本发明使用的相变材料负载于溶胶中，在出现需要更换情况或达到使用年限后，可利用胶体泵或颗粒泵等在预留的出入口方便进行注入或回收再生，也可利用自流作用和负压作用进行相变材料注入和更换，注入和更换方便、成本低。

3、水溶胶赋予了复合体系一定的缓冲能力，使得复合在水溶胶体系中的水合盐-多孔材料颗粒在长期应用过程中由于摩擦、振动和撞击等造成的破损率大为降低，保证了其结构和性能的长期稳定性。

4、现有技术的包覆结构形成后无法在使用中进行修复，包覆层破损即失效。本发明所述的水溶胶中溶解的沉淀剂可随时修复由于原有包覆层破损形成的新的开放端口，形成新的包覆层和封堵结构，其包覆和对孔道开口端的封堵效果具有长期可持续性。本发明通过在水溶胶中溶解沉淀剂，与封存于多孔材料开放孔道开口端的水合盐原位生成沉淀，实现了多孔材料开放孔道的封堵。原位生成的沉淀实现了多孔材料孔道内水合盐与水溶胶的隔离，避免了水合盐对水溶胶的盐析效应，使得水合盐在相变过程中可充分发挥其储放热性能。

5、水合盐被多孔材料吸附后，多孔材料表面不可避免会有少量水合盐黏附，这部分暴露于多孔材料外表面的水合盐会大量消耗水溶胶中添加的少量沉淀剂，本发明提前在固相状态下预混合沉淀剂与水合盐-多孔材料复合物，使得多孔材料外表面吸附的水合盐与沉淀剂发生固固反应，初步形成沉淀包覆层，减少水溶胶中沉淀剂的消耗，维持水溶胶对水合盐-多孔材料复合物的长期修复能力。

6、本发明将管道铺设于道路边缘的下方，原因在于排水管道一般布置于道路边缘，且冰雪也易于积存于道路边缘，相变管道释放的热能可优先融化路缘冰雪，便于尽快排出融化后积水；公路路面一般中间高，两侧低，在大量降雪情况下，布置于公路中间隔离栏或绿化带下方的相变管道释放的热能可使道路中间融化冰雪形成的融水流向两侧，进一步加速融化全部路面的冰雪。

7、本发明的相变管道布设于钢筋笼内或管道外壁连接有金属丝编制的平面网格，可快速吸收和释放热能，使得路面整体温差处于可控范围。

附图说明

图1.实施例1道路融雪系统示意图；

图2.实施例2道路融雪系统示意图；

图3.为实施例3封装管道在待融雪道路下埋设的平面示意图；

1：贮槽、2：循环泵、3：封装管道、4：注入口、5：排出口、6：真空负压动力装置、7：金属平面网格、8：道路结构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口，所述封装管道相邻的注入口与排出口之间距离为60m；所述封装管道的排出口高度低于封装管道水平高度；所述封装管道之间通过法兰连接，所述封装管道管口直径为10cm，所述封装管道埋设于道路下方；

其中，所述封装管道内填充的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按质量比75:25称取32％硫酸钠-12％氯化铵-14％氯化钠-42％水与膨胀蛭石，混合均匀，使水合盐被膨胀蛭石吸收，膨胀蛭石粒度为200目，得到水合盐-膨胀蛭石复合物，按质量比95：5称取水合盐-膨胀蛭石复合物与八水氢氧化钡(沉淀剂)，混合，得到预混合的水合盐-膨胀蛭石复合物；

步骤2，向水中添加3％八水氢氧化钡(沉淀剂)、2％羧乙基纤维素(有机成胶剂)和5％纳米铜粉(传热强化剂)，混合均匀，制备得到包覆材料；

步骤3，按照质量比为40:60称取所述预混合的水合盐-膨胀蛭石复合物和包覆材料，混合均匀，得到水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系；

经测算，该水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系的相变放热温度为7℃，相变焓40J/g，黏度为600mPa·s，导热系数1.50W·m^-1·K^-1(25.0℃)，循环1000次后相变焓衰减0.5％。

使用时，所述道路融雪装置可配备贮槽及循环泵，所述贮槽的物料出口与所述循环泵的物料进口通过管道相连，循环泵的出口与所述封装管道的注入口管道连接，所述封装管道的排出口与所述贮槽的物料进口管道连接；所述贮槽和循环泵也可以为移动式，如所述贮槽的具体形式也可以为罐车等；

所述道路融雪装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，相邻封装管道之间通过法兰连接，埋深0.2m，沿与道路延伸方向平行方向布置于地区1道路两侧靠近路缘石下方；

步骤2，启动循环泵，将所述水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系通过封装管道上的注入口填充至所述封装管道中，所述水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系可通过循环泵在封装管道和贮槽内强制循环流动；在使用过程中，当外界的温度低于水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系的放热温度时，水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系通过相变潜能而向外释放热量，该热量通过封装管道传递给道路表面而实现融雪化冰(融雪时空气温度较低，但地面和地底温度较高，相变材料将储存的热能逐渐向地面释放，从而达到融雪除冰的目的，相变材料可以提高土壤的储能密度)，这个过程不需要外界能量的输入；当封装管道中的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系的潜热被释放后，无法持续向路面传递热量，此时启动循环泵，将贮槽中新的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系强制循环至封装管道中，向路面传递热量，经过多次循环，直至道路表面上的积雪和结冰全部融化；

步骤3，正常情况下，水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系使用年限为4～6年，需要更换时，水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系仍处于可流动状态，打开封装管道的注入口和排出口，由于排出口高度低于封装管道水平高度，水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系向排出口流动，通过自流作用排出。待替换的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系排出后，通过循环泵向封装管道内重新充入新的水溶胶-水合盐-膨胀蛭石复合体系。

所述地区1，全年霜期150天，平均气温13℃，0.2m深土壤的冬季平均温度为1℃，冬季平均地表温度-1℃，城市道路机动车车道宽3.5m。因路面宽度有限，两侧管道向中间散热可以满足融雪需要，如路面很宽，可在中间隔离栏下或者车道分界线下另行铺设管道，初步设定为两个管道之间的距离不远于4m。通过安装上述道路融雪装置，地区1冬季路面温度平均提升0.2℃，路面结冰天数减少30天。

实施例2

一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口，所述封装管道相邻的注入口与排出口之间距离为80m；所述排出口上连接有真空负压动力装置；所述封装管道之间通过法兰连接，所述封装管道管口直径为8cm，所述封装管道埋设于道路下方；所述封装管道外壁还设置金属丝编制的平面网格，所述平面网格均匀铺展于管道上方的道路结构中；

其中，所述封装管道内填充的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按质量比80:20称取31％硫酸钠-16％氯化钾-13％氯化钠-40％水与珍珠岩，混合均匀，使水合盐被珍珠岩吸收，珍珠岩粒度为600目，得到水合盐-珍珠岩复合物，按质量比95：4称取水合盐-珍珠岩复合物与八水氢氧化钡(沉淀剂)，混合，得到预混合的水合盐-珍珠岩复合物；

步骤2，向水中添加3％氢氧化钡(沉淀剂)、2％羧丙基纤维素(有机成胶剂)和5％氧化铝纳米颗粒(传热强化剂)，混合均匀，制备得到包覆材料；

步骤3，按照质量比为50:50称取所述预混合的水合盐-珍珠岩复合物和包覆材料，混合均匀，得到水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系；

经测算，该水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系的相变放热温度为3℃，相变焓80J/g，黏度为800mPa·s，导热系数0.65W·m^-1·K^-1(25.0℃)，循环1000次后相变焓衰减0.3％。

使用时，所述道路融雪装置可配备贮槽及循环泵，所述贮槽的物料出口与所述循环泵的物料进口通过管道相连，循环泵的出口与所述封装管道的注入口管道连接，所述封装管道的排出口与所述贮槽的物料进口连接管道上设置有真空负压动力装置；所述贮槽和循环泵也可以为移动式，如所述贮槽的具体形式也可以为罐车等；

所述道路融雪装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，相邻封装管道之间通过法兰连接，埋深0.3m，沿与道路延伸方向平行方向布置于地区2道路两侧靠近路缘石下方及道路中间隔离栏下方；

步骤2，启动循环泵，将所述水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系通过封装管道上的注入口填充至所述封装管道中，所述水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系可通过循环泵在封装管道和贮槽内强制循环流动；在使用过程中，当外界的温度低于水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系的放热温度时，水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系通过相变潜能而向外释放热量，该热量通过封装管道传递给管道上方的金属丝编制的平面网格，并通过所述平面网格将热量均匀地传递至道路表面，使得路面整体温差处于可控范围，而实现道路表面融雪化冰，这个过程不需要外界能量的输入；当封装管道中的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系的潜热被释放完毕后(融雪时空气温度较低，但地面和地底温度较高，相变材料将储存的热能逐渐向地面释放，从而达到融雪除冰的目的，相变材料可以提高土壤的储能密度)，无法持续向路面传递热量，此时启动循环泵，将贮槽中新的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系强制循环至封装管道中，向路面传递热量，经过多次循环，直至道路表面上的积雪和结冰全部融化；

步骤3，正常情况下，水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系使用年限为4～6年，需要更换时，水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系仍处于可流动状态，打开封装管道的注入口和排出口，通过真空负压动力装置将其抽出，待旧的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系排出后，通过循环泵向封装管道内重新充入新的水溶胶-水合盐-珍珠岩复合体系。

所述地区2全年霜期195天，平均气温6.5℃，0.3m深土壤的冬季平均温度为0.2℃，冬季平均地表温度-6.0℃，城市道路机动车车道宽4.5m。通过安装上述道路融雪装置，地区2冬季路面结冰天数减少30～40天。

实施例3

一种道路融雪装置，所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口，所述封装管道相邻的注入口与排出口之间距离为70m；所述排出口上连接有真空负压动力装置；所述封装管道之间通过法兰连接，所述封装管道管口直径为6cm，所述封装管道埋设于道路下方；所述封装管道外壁还设置钢筋笼；

其中，所述封装管道内填充的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按质量比70:30称取52％六水磷酸氢二钾-33％十水硫酸钠-12％氯化钠-3％水与硅藻土，混合均匀，使水合盐被硅藻土吸收，硅藻土粒度为600目，得到水合盐-硅藻土复合物，按质量比95：3称取水合盐-硅藻土复合物与氢氧化钙(沉淀剂)，混合，得到预混合的水合盐-硅藻土复合物；

步骤2，向水中添加5％氢氧化钙(沉淀剂)(部分为未溶颗粒)、2％黄原胶(有机成胶剂)和3％碳化硅纳米颗粒(传热强化剂)，混合均匀，制备得到包覆材料；

步骤3，按照质量比为30:70称取所述预混合的水合盐-硅藻土复合物和包覆材料，混合均匀，得到水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系；

经测算，该水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系的相变放热温度为5℃，相变焓30J/g，黏度为750mPa·s，导热系数0.90W·m^-1·K^-1(25.0℃)，循环1000次后相变焓衰减0.3％。

使用时，所述道路融雪装置可配备贮槽及循环泵，所述贮槽的物料出口与所述循环泵的物料进口通过管道相连，循环泵的出口与所述封装管道的注入口管道连接，所述封装管道的排出口与所述贮槽的物料进口连接管道上设置有真空负压动力装置；所述贮槽和循环泵可以为移动式，如所述贮槽的具体形式也可以为罐车等；

所述道路融雪装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1，相邻封装管道之间通过法兰连接，埋深0.35m，道路宽21m，沿与道路延伸方向平行方向布置于地区3道路下方，以道路中间隔离栏为中心，左右分别对称布置4条封装管道，从左到右依次为封装管道1～8，相邻封装管道之间间距沿道路中心向道路边缘方向逐渐减小，封装管道1和2之间间隔2m，封装管道2和3之间隔3m，封装管道3和4之间间隔3.5m，封装管道4和5之间间隔4m；

步骤2，启动循环泵，将所述水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系通过封装管道上的注入口填充至所述封装管道中，所述水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系可通过循环泵在封装管道和贮槽内强制循环流动；在使用过程中，当外界的温度低于水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系的放热温度时，水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系通过相变潜能而向外释放热量，该热量将通过封装管道传递给管道上方的钢筋笼，并通过所述钢筋笼将热量均匀地传递至道路表面，使得路面整体温差处于可控范围，而实现道路表面融雪化冰，这个过程不需要外界能量的输入；当封装管道中的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系的潜热被释放完毕后，无法持续向路面传递热量，此时启动循环泵，将贮槽中新的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系强制循环至封装管道中，向路面提供热量，经过多次循环，直至道路表面上的积雪和结冰全部融化；该实施例中由于道路边缘相邻封装管道之间间距小，封装管道内水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系释放的热能可优先融化路缘冰雪，且排水管道一般布置于道路边缘，便于尽快排出融化后积水；公路路面一般中间高，两侧低，在大量降雪情况下，布置于公路中间隔离栏或绿化带下方的封装管道释放的热能可使道路中间融化冰雪形成的融水流向两侧，进一步加速融化全部路面的冰雪；

步骤3，正常情况下，水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系使用年限为4～6年，需要更换时，水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系仍处于可流动状态，打开封装管道的注入口和排出口，通过真空负压动力装置将其抽出，待替换的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系排出后，通过循环泵向封装管道内重新充入新的水溶胶-水合盐-硅藻土复合体系。

所述地区3全年霜期240天，平均气温4.5℃，0.3m深土壤的冬季平均温度为-1.0℃，冬季平均地表温度-8.0℃。通过安装上述道路融雪装置，地区3冬季路面结冰天数减少20～30天。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种道路融雪装置，其特征在于：所述道路融雪装置包括封装管道和所述封装管道内填充的具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；所述封装管道上设有注入口和排出口，所述封装管道埋设于道路下方；

所述具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系，包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50；所述水合盐-多孔材料复合物包括多孔材料和吸附于所述多孔材料的开放孔道内的水合盐相变化合物，所述水溶胶体系包括水溶胶和分散于所述水溶胶中的沉淀剂，位于所述开放孔道的开放端的水合盐相变化合物与沉淀剂反应形成不溶性沉淀，封堵所述开放端；

所述水溶胶体系中的水溶胶为成胶剂与水的混合物，所述成胶剂为无机成胶剂和/或有机成胶剂；

其中：所述无机成胶剂为蒙脱土、膨润土或硅溶胶中的一种或任意比例的混合物；

所述有机成胶剂为聚丙烯酸、淀粉、聚乙烯醇、羧基纤维素、羧基纤维素钠、琼脂、聚糖、黄原胶、明胶、甲壳糖、纤维素醚、海藻酸钠或聚氨酯中的一种或任意比例的混合物；

所述水合盐相变化合物为水合氯化镁、水合氯化钙、八水氢氧化钡、十水硫酸钠、十二水碳酸钠、六水硝酸镁、硫酸钠、氯化铵、氯化钠、氯化钾六水磷酸氢二钾、十水硫酸钠中的一种或任意比例的混合物；

所述多孔材料为多孔硅、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔碳或膨胀珍珠岩；所述多孔材料的粒度至少为200目；

所述沉淀剂为碳酸钠、硫酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氯化镁、氯化钙、氯化钡、氢氧化钡、氢氧化钙、水溶性磷酸盐中的一种或任意比例的混合物；所述水溶胶体系中的沉淀剂与所述水合盐-多孔材料复合物的质量比为(1～10):(85～50)；

所述不溶性沉淀为碳酸镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、碱式氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化钙、碱式碳酸钙或硫酸钡中的一种或任意比例的混合物。

2.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述排出口连接有真空负压动力装置。

3.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述封装管道之间通过法兰连接；所述封装管道管口直径为6～10cm；所述封装管道上相邻的注入口与排出口之间距离为60m～80m。

4.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述封装管道外壁还设置金属导热结构，所述金属导热结构为金属丝编制的平面网格、钢筋笼或钢管等，所述金属导热结构铺展于管道上方的道路结构中。

5.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述封装管道的排出口高度低于封装管道水平高度。

6.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述的水溶胶体系中还添加有传热强化剂，所述传热强化剂为金属纳米粉末、陶瓷纳米粉末或石墨粉末中的一种或任意比例的混合物，所述传热强化剂的质量为所述水溶胶质量的0.5wt％～2wt％。

7.根据权利要求1所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述封装管道内填充的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的制备方法，包括以下步骤：

水溶胶体系直接与水合盐-多孔材料复合物混合得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

或者成胶剂、沉淀剂与水合盐-多孔材料复合物均匀混合后加水和/或有机溶剂得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

或者成胶剂、沉淀剂以及传热强化剂与水合盐-多孔材料复合物均匀混合后加水和/或有机溶剂得到水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系；

所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系中包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50。

8.根据权利要求7所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述混合为超声混合、剧烈搅拌混合或加热混合；

所述水合盐-多孔材料复合物采用以下方法中的一种或多种方式的组合制备：

A，加大多孔材料的用量，多孔材料的质量与水合盐相变化合物的质量比为10～50：90～50,更优选为20～50：80～50；

B，超声排出多孔材料孔道中的气体以后，再行与熔化的水合盐相变化合物混合；

C，对多孔材料抽真空后，再行引入熔化的水合盐相变化合物；

D，含有水合盐-多孔材料的密闭容器内，加热熔化同时通气加压；

E，多孔材料与熔化的水合盐相变化合物混合之后再加入沉淀剂进行混合，所述沉淀剂质量为多孔材料与熔化的水合盐相变化合物质量之和的3％～5％。

9.根据权利要求8所述的一种道路融雪装置，其特征在于：所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的相变放热温度为3～7℃，潜热为30～80J/g，黏度为600～800mPa·s，25.0℃时的导热系数≥0.65W·m^-1·K^-1，循环1000次后相变焓衰减0.3～0.5％。

10.一种道路融雪装置，其特征在于：所述道路融雪装置包括贮槽、循环泵、封装管道、所述封装管道上设有注入口和排出口，所述贮槽的物料出口与所述循环泵的物料进口通过管道相连，循环泵的出口与所述封装管道的注入口管道连接，所述封装管道的排出口与所述贮槽的物料进口管道连接，所述封装管道中填充具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系，所述封装管道埋设于道路下方；

所述具有流动性的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系，包括水溶胶体系和分散于所述水溶胶体系内的水合盐-多孔材料复合物，所述水溶胶体系与水合盐-多孔材料复合物的质量比例为80:20～50:50；所述水合盐-多孔材料复合物包括多孔材料和吸附于所述多孔材料的开放孔道内的水合盐相变化合物，所述水溶胶体系包括水溶胶和分散于所述水溶胶中的沉淀剂，位于所述开放孔道的开放端的水合盐相变化合物与沉淀剂反应形成不溶性沉淀，封堵所述开放端；

所述水溶胶体系中的水溶胶为成胶剂与水的混合物，所述成胶剂为无机成胶剂和/或有机成胶剂；

其中：所述无机成胶剂为蒙脱土、膨润土或硅溶胶中的一种或任意比例的混合物；

所述有机成胶剂为聚丙烯酸、淀粉、聚乙烯醇、羧基纤维素、羧基纤维素钠、琼脂、聚糖、黄原胶、明胶、甲壳糖、纤维素醚、海藻酸钠或聚氨酯中的一种或任意比例的混合物；

所述水合盐相变化合物为水合氯化镁、水合氯化钙、八水氢氧化钡、十水硫酸钠、十二水碳酸钠、六水硝酸镁、硫酸钠、氯化铵、氯化钠、氯化钾六水磷酸氢二钾、十水硫酸钠中的一种或任意比例的混合物；

所述多孔材料为多孔硅、膨胀石墨、膨胀蛭石、多孔碳或膨胀珍珠岩；所述多孔材料的粒度至少为200目；

所述沉淀剂为碳酸钠、硫酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、氯化镁、氯化钙、氯化钡、氢氧化钡、氢氧化钙、水溶性磷酸盐中的一种或任意比例的混合物；所述水溶胶体系中的沉淀剂与所述水合盐-多孔材料复合物的质量比为(1～10):(85～50)；

所述不溶性沉淀为碳酸镁、氢氧化镁、碱式碳酸镁、碱式氢氧化镁、碳酸钙、氢氧化钙、碱式碳酸钙或硫酸钡中的一种或任意比例的混合物。

11.根据权利要求1～10中任意一项所述的一种道路融雪装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

相邻封装管道之间通过法兰连接，埋设于道路待融雪区域下方，埋深在当地冬季土壤温度的零度线深度以下；

将所述水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系通过封装管道上的注入口填充至所述封装管道中；在使用过程中，当外界的温度低于水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系的放热温度时，水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系通过相变潜能而向外释放热量，该热量通过封装管道传给道路表面而实现融雪化冰，这个过程不需要外界能量的输入，经过多次循环，直至道路表面上的积雪和结冰全部融化；

需要更换水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系时，通过封装管道上的排出口将待替换的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系排出。

12.根据权利要求11所述的一种道路融雪装置的使用方法，其特征在于：所述封装管道沿与道路延伸方向的平行方向进行埋设，相邻封装管道之间间距沿道路中心向道路边缘方向逐渐减小。

13.根据权利要求11所述的一种道路融雪装置的使用方法，其特征在于：将所述封装管道置于钢筋笼或钢管之内，或在封装管道外壁连接金属丝编制的平面网格，网格铺展于管道上方路层；相邻封装管道之间通过法兰连接，埋设于道路待融雪区域下方。

14.根据权利要求11所述的一种道路融雪装置的使用方法，其特征在于：需要更换水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系时，启动真空负压动力装置通过封装管道上的排出口将待替换的水溶胶-水合盐-多孔材料复合体系排出。

15.根据权利要求11所述的一种道路融雪装置的使用方法，其特征在于：所述道路融雪装置的封装管道埋深20cm～35cm，且位于当地冬季土壤温度的零度线深度以下；所述道路融雪装置的封装管道埋设于道路边缘下方，或道路隔离栏、绿化带下方，管道平行于道路方向。

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