碳纤维供暖系统应用于高速公路桥面融雪的策略研究

【摘要】冬季降雪已经成为影响高速公路交通的一个重要因素，尤其是桥上交通。为了改善这种现状，最主要的是如何保持降雪时，桥梁面层有一定的温度。本文从高速公路桥梁结构的自身特点出发，利用碳纤维发热线地面辐射供暖的优势，分析了供暖负荷的计算方法，桥面供暖系统的施工工艺及供暖系统的控制策略。

【关键词】高速公路；碳纤维；地面辐射供暖；负荷计算；施工工艺；控制策略

1.研究背景

冬天或者寒冷地区的道路结冰、积雪，严重影响国家的交通、经济以及正常的户外活动和工作。2008 年初的一场特大降雪，给我国特别是南方地区带来巨大灾害。降雪量之大、降雪时间之长、受灾区域之广、造成交通中断堵塞时间之长，都是百年不遇的，直接经济损失达537.9 亿元。

世界各国为解决冬天道路结冰、积雪这一难题，大多是根据天气预报提早准备扫雪设备和工业盐水（或融雪剂），下雪后立即对主干道公路、城市道路进行清扫或洒盐水或洒融雪剂等，被动除雪化冰以减少或降低其不利影响。人为除雪费时费力，而使用工业盐水和融雪剂又会造成宝贵的水资源浪费并产生环境污染。一旦进入冬天，北美、北欧、西伯利亚及我国北方等地的交通道路积雪结冰现象非常严重，往往造成交通中断或事故。据不完全统计，30%左右的交通事故与道路冰雪有关，严重影响了交通运输和经济建设。路面冰雪问题一直困扰着世界各国交通部门，人们为此作了大量研究，探索出许多抑制、控制和消除冰雪的技术和方法。

我国在公路热融冰雪研究方面还处于起步阶段。1997年，吉林大学率先提出太阳能蓄热融冰雪在我国北方应用的设想，并不断在地下蓄能及公路融雪技术领域开展研究工作。河北省建筑科学研究院从2002年起，一直致力于碳纤维供暖系统的研发、设计、生产以及安装工作，至今已经在民建、工建、地下车库以及管道伴热中取得了优异的成绩，采暖效果 得到了一致的认可，2011年与河北工程大学合作，开始了碳纤维供暖系统对道路融雪的应用研究。

碳纤维地面辐射采暖系统是目前应用于建筑采暖行业效果较好的一种采暖方式。但地面辐射采暖系统不能简单的照搬到桥面融雪中来。虽然在建筑行业和桥面融雪中的地面辐射采暖系统都是为了创造人工小气候环境，但是二者的应用确实不同的。在建筑行业中，应用地面辐射采暖系统，是为了创造人们适宜生活的室内环境，其载热体是铺设在地板层的下部，固定在地面层以下，施工完成后基本不存在复杂的工作环境；而桥面融雪的供热系统则不同，其是为了营造在室外环境下，桥面上面层保持一定的温度，以达到冬季降雪时，将其及时融化的目的，而且高速公路上桥梁上，还要保证交通正常运行时，桥梁面层结构不被破坏。

2.采暖负荷计算

2.1桥梁面层温度的选取

由于应用场合的不同，桥梁的面层设计温度不应简单的采用《JGJ142-2012_辐射供暖供冷技术规程》中的规定温度，还应考虑温度变化对桥梁结构的影响，沥青路面对温度变化十分敏感，沥青混合料的强度、劲度以及松弛性能等都随着温度的变化而变化[1]。根据融雪的实际需求以及外置空气环境下，降雪时，桥梁面层的温度应保持在6℃左右。温度高，一方面可能破坏面层沥青混凝土的特性，另一方面造成一定程度上的热量损失。温度过低又达不到融雪的目的。

2.2 采暖负荷计算

桥梁面层的采暖负荷包括桥梁上面层结构的散热、桥梁下面层以下结构的散热、冷风渗透散热的总量[4]。

根据上述公式，计算出桥梁面层所需的供暖负荷，再根据供暖负荷计算桥梁面层采暖工程所需的发热线条数。对于连续运行或手动控制的公路的表面：约为200W/O。对于间断运行或全自动控制的地方，应在250～300W/O的范围内。对于间断运行或全自动控制的地方，应在300～400W/O的范围。

3. 施工工艺

3.1桥梁面层碳纤维供暖系统的施工工艺见下图所示：

图中，1桥梁基层、2桥梁下面层、3钢丝网、4碳纤维发热线、5桥梁中面层、6桥梁上面层。

具体的施工工艺包括：在基层的基础上打10cm厚的高标号混凝土――铺装固定好的碳纤维电热线――连接线路――打8cm厚的高标号混凝土――检测――打6cm厚的沥青混凝土――检测――调试运行。

3.2发热线长度和布线间距应根据下列公式计算[2]

（1-5）

式中： ――按发热线产品规格选定的发热线总长度（mm）；

――敷设发热线的地面面积（ ）。

根据功率选定范围和铺装面积，电热线的铺装间距约为6-8cm。固定间距设定为15cm。

碳纤维电热线供暖系统的高热转换率以及辐射供暖的均热性，保证了路面的积雪能够及时融化；上下两层的高标号混凝土，能够保证路面所需的强度；将碳纤维电热线预先固定在钢丝网上，待下面层10cm厚的高标号混凝土摊铺后，及时将电热线敷设其上，紧接着打打8cm厚的高标号混凝土，整个过程保证在24小时内，这样保证了中下面层成为一个整体，将电热线紧紧包裹在混凝土内，防止了车辆紧急刹车时，由于剪力对电热线带来的破坏；智能的温控系统，保证了路面所需的温度，避免了大温差的出现，防止过热过冷造成的路面开裂现象；定制防水接线盒的应用，增强了电热线采暖系统的安全防护性能。

4.控制方式及策略

结合高速公路的实际情况，拟采用的控制方式有两种：手动控制和智能控制，

4.1手动控制

需要随时启动，即：降雪开始前30分钟时，手动打开控制箱，启动加热电缆。当地面积雪融化后，手动关闭控制箱，实现断电加热电缆，真正的实现以人为本的功能。但是这种控制方式也有一定的缺点，一方面不能根据温度的变化，智能地开启闭合电路，这样造成了多余热量的散失或者热量不足降雪积压；另一方面不能实时地监测桥梁中面层的温度变化，从而不能监测上表层沥青混凝土随温度的变化情况，达不到安全养护的目的。

4.2智能控制

管理人员根据天气预报的情况，将供热系统提前开启，当开始降雪时，桥面上面层已经有了一定的温度，这样积雪就能及时融化，当桥面上面层的温度达到预定值时，控制系统自动断开线路，当桥面上面层的温度低于预定值时，控制系统自动开启供电线路，真正地实现了智能、节能控制的功效。控制流程图如图2所示：

5.结论

本文通过理论分析，研究了碳纤维发热线地面辐射采暖技术在高速公路桥梁面层融雪的应用。碳纤维供暖系统以其独有的技术优势，为道路融雪提供了一种有效的途径，同时智能控温系统，既能保证降雪的及时融化，防止因路面的湿滑造成的交通事故，又能使得热量充分利用，防止面层的各层温度过高或过低。本文的主要结论包括以下几点：

（1）根据高速公路桥梁的自身特点，给出了计算高速公路桥面采暖负荷的计算方法及计算公式。

（2）根据高速公路桥梁的结构特点，给出了一种碳纤维发热线地面辐射采暖系统的施工工艺，以便指导实际工程的进行。

（3）根据桥面面层的控制温度，结合碳纤维发热线的特点，制定了用于桥面面层采暖工程的控制策略。

参考文献

[1] 杨天军，司伟.基于温度应力的拉萨至贡嘎机场公路沥青路面结构适应性分析[D]. 北京工业大学，2008.

[2]DB13（J）153-2013.碳纤维电热地面辐射供暖技术规程[S].

[3]范立础.桥梁工程[ M] .北京：人民交通出版社， 2001.

[4]章熙民，任泽霈.传热学[M].北京：中国建工出版社，2001.

[5]胡克旭， 卢 凡， 蔡正华.高温下碳纤维-混凝土界面受剪性能试验研究[J] .同济大学学报：自然科学版， 2009， 37（12）：1592-1597 .

作者简介：彭月明，1980年12月，男，硕士研究生

王在磊，1985年2月，男，硕士研究生