屠艷平,李 杰,胡國祥,姜 文,張治軍

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430074;3.武漢工程大學(xué)交通研究中心,湖北 武漢 430074;4.湖北電力勘測設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430062;5.湖北工程建設(shè)總承包有限公司,湖北 武漢 430077)

0 引 言

道路交通事故在天氣惡劣條件下會(huì)增加.據(jù)資料統(tǒng)計(jì),2008年11月全國有19省(區(qū)、市)雨、雪、霧等惡劣天氣交通事故導(dǎo)致死亡人數(shù)同比上升,山東省2009年11月陰、雨、霧、雪等惡劣天氣條件下共發(fā)生道路交通事故、死亡人數(shù)分別占總數(shù)的16.8%、19.5%.在冬季下雪時(shí),路面積雪、結(jié)冰,導(dǎo)致車輛行駛困難,極易發(fā)生交通事故.據(jù)統(tǒng)計(jì),路面濕潤時(shí)發(fā)生的事故是干燥路面的2倍,降雪時(shí)是干燥路面的5倍,結(jié)冰時(shí)是干燥路面的8倍[1].2010年1月9日晚22時(shí)許,受路面結(jié)冰影響,漢十高速公路湖北棗陽段張凹水庫大橋處,發(fā)生4起道路交通事故,12臺(tái)車輛相繼連環(huán)追尾相撞,造成7人死亡、14人輕傷.可見道路融雪化冰對(duì)冬季道路交通條件的改善起到關(guān)鍵作用.目前國內(nèi)外道路融雪化冰新技術(shù)是采用熱力學(xué)法,包括導(dǎo)電混凝土、發(fā)熱電纜及地源熱泵.其中地源熱泵融雪化冰技術(shù)利用太陽能蓄熱,可節(jié)約能源[2],同時(shí)環(huán)保、高效,發(fā)展前景巨大.美國、日本、北歐等國家已經(jīng)有一批典型的地源熱泵道路、橋梁融雪示范工程,在國內(nèi)已有學(xué)者開展了相關(guān)研究,胡文舉[3]進(jìn)行了瀝青混凝土橋面融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究,王華軍[4]對(duì)流體加熱水泥混凝土道路融雪傳熱介質(zhì)特性進(jìn)行了研究,但目前還沒有對(duì)瀝青混凝土路面融雪化冰的研究.本文以武漢地區(qū)2010年1月5日的氣象條件為依據(jù),分析京珠高速湖北段瀝青混凝土路面融雪隨機(jī)傳熱機(jī)理,并確定武漢地區(qū)瀝青混凝土路面融雪熱流密度.

1 分析條件

1.1 氣象條件

分析計(jì)算采用武漢2010年1月5日歷史降雪記錄.降雪時(shí)段是2:00 PM～10:00 PM,持續(xù)8 h;積雪厚度為12.8 mm,瞬態(tài)降雪強(qiáng)度為1.6 mm/h;氣溫-3～2 ℃;偏北風(fēng)3～4級(jí);相對(duì)濕度60%～95%.

1.2 路面條件[5]

湖北省京珠高速公路全部采用瀝青路面,結(jié)構(gòu)如下:

a.4 cm SUPER-PAVE12.5或AK-16A抗滑表層;b.中面層為6 cm厚的AC-201型瀝青混凝土;c.底層為6 cm厚的AC20S瀝青混凝土.

1.3 材料熱物性參數(shù)

由于攤鋪瀝青混合料溫度不低于110～130 ℃,埋管采用耐高溫高密度聚乙烯管,導(dǎo)熱系數(shù)λp=0.39 W/(m·K),內(nèi)徑D1=22 mm,外徑D2=25 mm.瀝青混凝土λA=1.0 W/(m·K).

2 路面隨機(jī)傳熱分析

融雪化冰隨機(jī)傳熱機(jī)理如圖1所示.在瀝青混凝土面層中埋耐高溫高密度聚乙烯管,管內(nèi)流體溫度大于路面溫度,于是瀝青混凝土內(nèi)部存在溫差,熱量由埋管傳至路面(埋管下表面做絕熱處理).路面上的積雪吸收熱量,溫度升高直至融化成水并蒸發(fā),路面無積雪及水.這一過程是隨機(jī)非穩(wěn)態(tài)的,融雪所需的熱量主要包括:升高雪的溫度所需顯熱qs、融化雪所需潛熱qm、對(duì)流換熱qc、長波輻射換熱qr、水蒸發(fā)所需熱量qe;熱源為地源熱泵提供熱量q0及吸收太陽輻射熱qI.

依據(jù)能量平衡,有

q0+qI=qs+qm+Ar(qc+qr+qe)

(1)

圖1 融雪化冰隨機(jī)傳熱機(jī)理

則單位面積融雪化冰所需熱流密度為

q0=qs+qm+Ar(qc+qr+qe)

(2)

qs=ρsnowS(CwT0-CsnowTa

(3)

qm=ρsnowShf

(4)

qc=hc(Tf-Ta)

(5)

(6)

qe=hmHfρw(100-φ)

(7)

q1=αI

(8)

根據(jù)上述氣象條件,可分別求出qs、qm、qc、qr、qe、qI,計(jì)算出q0.

T0=0 ℃,Ta=-3 ℃,Tf=0 ℃=273 K,

Tsky=2.71 ℃=270.29 K,

qs=2.50 W/m2,qm=136 W/m2,

hc=23.37 W/(m2·K),qc=70.11 W/m2,

qr=5.99 W/m2,qe=40.3 W/m2 [6]

武漢地區(qū)全年累計(jì)太陽輻射量為4 497 MJ/m2,I=142.60 W/m2,qI=85.56 W/m2,Ar取1,則q0=169.34 W/m2

由于武漢地區(qū)冬天最低氣溫為-5 ℃,與北方相比較,氣溫較高,升高雪溫所需顯熱少,同時(shí)輻射散熱也很小,起主要作用的是融雪潛熱、對(duì)流換熱和蒸發(fā)熱.融雪潛熱與降雪量成線性關(guān)系,對(duì)流換熱主要與風(fēng)速和空氣溫度有關(guān),蒸發(fā)熱主要與風(fēng)速有關(guān).以上求出的是給定氣象條件下的最大熱負(fù)荷,同時(shí)考慮利用太陽能以節(jié)約資源,提高經(jīng)濟(jì)效益.

3 埋管傳熱分析

埋管埋入瀝青混凝土中,首先埋管內(nèi)流體與管壁進(jìn)行對(duì)流換熱,然后管壁內(nèi)傳熱,最后與瀝青混凝土進(jìn)行熱交換(假設(shè)熱量不向下傳遞).引入熱阻的概念,管內(nèi)平均溫度為tw的乙二醇水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,流量為12.5 L/s),以定熱流q給瀝青混凝土進(jìn)行傳熱.

tw=tb=qRB

(9)

tb-t0=qRA

(10)

tw-t0=q(RB+RA)

(11)

其中tw、tb、t0分別為管內(nèi)流體平均溫度、孔壁溫度和路面溫度,℃;RB為埋管熱阻,RA為埋管上瀝青混凝土面層熱阻,分別按式(12)、(16)計(jì)算.

RB=Rp+Rf

(12)

其中Rp為管壁熱阻、Rf管內(nèi)流體換熱熱阻,分別按式(13)、(14)計(jì)算.

Rp=ln(D2/D1)/(2πλp)

(13)

Rp=0.052 m2·K/W

Rf=1/(πD1hf)

(14)

其中hf為埋管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)

(15)

其中雷諾數(shù)Re=10 724,Pr為流體普朗特?cái)?shù)=57.65,λf為管內(nèi)流體導(dǎo)熱系數(shù),取0.558 W/(m·K),則hf=194 W/(m2·K)

Rf=0.075 m2·K/W

RA=δ/λA

(16)

δ為埋管深度,取40 mm.

RA=0.04 m2·K/W

tw-t0=q×(0.052+0.075+0.04),q取q0=169.34 W/m2,當(dāng)t0取0 ℃時(shí),tw=28.3 ℃.

從以上分析計(jì)算可知,管徑、管內(nèi)流體熱物性參數(shù)、流體流量、埋管深度對(duì)地源熱泵融雪化冰效果有很大影響,如果設(shè)計(jì)不合理,會(huì)影響到系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性.

4 不同氣候條件下的熱流密度

上述分析計(jì)算只是給定氣象條件下的熱流密度,不同天氣條件下熱流密度是不相同的.由以上分析知熱流密度與降雪量、空氣溫度、風(fēng)速和環(huán)境相對(duì)濕度有關(guān),而這些因素孰主孰次從以上的計(jì)算還無法推段出,因此很有必要進(jìn)行不同氣候條件下融雪熱流密度的計(jì)算.

4.1 不同降雪量時(shí)的熱流密度

空氣溫度為Ta=-3 ℃,風(fēng)速為V=4 m/s,環(huán)境相當(dāng)濕度為φ=60%,融雪等級(jí)Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,降雪量變化時(shí)的熱流密度見表1.

表1 不同降雪量時(shí)的熱流密度W/m2

4.2 不同風(fēng)速時(shí)的熱流密度

降雪量S=2 mm/h,空氣溫度Ta=-3 ℃,環(huán)境相對(duì)濕度φ=60%,融雪等級(jí)Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,風(fēng)速變化時(shí)的熱流密度見表2.

表2 不同風(fēng)速時(shí)的熱流密度W/m2

4.3 不同空氣溫度時(shí)的熱流密度

降雪量S=2 mm/h,風(fēng)速為V=4 m/s,環(huán)境相對(duì)濕度φ=60%,融雪等級(jí)Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,空氣溫度變化時(shí)的熱流密度見表3.

表3 不同室外空氣溫度時(shí)的熱流密度W/m2

4.4 不同環(huán)境相對(duì)濕度時(shí)的熱流密度

空氣溫度為Ta=-3 ℃,降雪量S=2 mm/h,風(fēng)速為V=4 m/s,融雪等級(jí)Ar=1,太陽輻射qI=85.56 W/m2保持不變,環(huán)境相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)的熱流密度見表4.

表4 不同相對(duì)濕度時(shí)的熱流密度W/m2

4.5 極端氣象條件

根據(jù)武漢地區(qū)近十年的氣象數(shù)據(jù),確定極端氣象條件是S=2 mm/h,Ta=-5 ℃,V=5 m/s ,太陽輻射qI=85.56 W/m2不變.在極端氣象條件下不同融雪等級(jí)的熱流密度見表5.

表5 極端氣象條件不同融雪等級(jí)時(shí)的熱流密度W/m2

由表1可知,降雪量從1 mm/h增大到2 mm/h、從2 mm/h增大到3 mm/h熱流密度均增加86.56 W/m2,且最大熱流密度出現(xiàn)在其他氣象條件不變降雪量為3 mm/h情況下.由表2可知風(fēng)速從3 m/s增大到4 m/s熱流密度增加22.67 W/m2、從4 m/s增大到5 m/s熱流密度增加18.30 W/m2.由表3可知室外溫度從-3 ℃降到-4 ℃熱流密度增加44.95 W/m2,從-4 ℃降到-5 ℃熱流密度均增加31.33 W/m2,其他氣象條件不變室外溫度在-5 ℃情況下熱流密度居第二位.由表4可知相對(duì)濕度每增加10%,熱流密度約增加10 W/m2.可見武漢地區(qū)降雪量及室外溫度是影響融雪化冰熱流密度的關(guān)鍵因素.主要是因?yàn)檠┑娜诮鉄岷艽?且根據(jù)式(5)在水膜溫度為0 ℃情況下溫度越低對(duì)流換熱也越大.風(fēng)速是主要因素,相對(duì)濕度是次要因素,是因?yàn)轱L(fēng)速對(duì)換熱及輻射換熱有較大影響,而模型中相對(duì)濕度只對(duì)蒸發(fā)熱有影響.由表5可知在極端氣候條件下不同的融雪等級(jí),熱流密度密度增加不大,但其取值對(duì)系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性影響極大.

5 結(jié) 語

地源熱泵融雪化冰高效、環(huán)保,在國外已經(jīng)有應(yīng)用,而在我國還處于起步階段.通過對(duì)瀝青混凝土路面融雪隨機(jī)傳熱機(jī)理的研究可確定不同氣象條件下的融雪熱流密度,通過對(duì)埋管的傳熱分析,埋管的參數(shù)選擇對(duì)融雪化冰的效果有很大影響.本文的研究為地源熱泵融雪化冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)祭奠了基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn):

[1]張志剛.道路因素、交通環(huán)境與交通事故分析[J].公路交通科技,2002,17(6):56-59.

[2]Koji Morita,Masashi Ogawa.Geothermal and Solar Heat Used to Melt Snow on Roads[R].United Kingdom,Harwell:CADDET Centre for Renewable Energy,Organization for Economic Co-operation Development(OECD),1998.

[3]胡文舉.基于土壤源熱泵橋面融雪系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[4]王華軍.流體加熱道路融雪傳熱介質(zhì)特性研究[D].天津大學(xué),2007.

[5]吳少鵬,黃曉明,趙永利.湖北京珠高速公路北段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(3):71-73.

[6]涂瓛,陳輝,吳少鵬,等.導(dǎo)電瀝青混凝土融雪化冰熱輸出功率計(jì)算方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(13):37-40.