新能源在寒区道路桥梁融雪问题的应用技术研究

吴定意， 申 路， 陶佳瑜， 肖剑芳

(四川师范大学工学院，四川成都 610101)

目前，我国寒冷地区的桥梁、道路在冬季面临着积雪严重、桥梁腐蚀损坏严重等问题，导致人们出行不便、交通事故频发，甚至造成严重的人员及财产损失。从现有的技术来看，大部分地区解决冻害问题主要是采用一些物理化学方法，但其效率低下、耗费大量人力、财力且效果不显著。因此，利用新能源、新方法实现桥面的自动融雪对解决这一问题有重要意义。

近年来，已经初步实现了利用太阳能进行室内采暖以及太阳能集热，若能将太阳能这一天然能源应用在寒区桥梁、道路的自动融雪上，将显著提升融雪效率有效保护桥梁，保证寒区的交通安全。

1 研究路线

对国内现有的一些融雪技术进行总结，并对其原理进行分析，再结合我国寒冷地区(西北地区)的日照条件，将太阳能的转换与传统的融雪技术进行比较，确定利用太阳能实现融雪的可行性。具体流程如图1所示。

图1 技术路线

2 国内外现有融雪技术

2.1 消除法

2.1.1 人工除雪

人工除雪是最早的一种除雪方式，人们一般用铁锹、锤头等工具，对结冰或是积雪的地方进行敲击，实现除雪功能。该方法易于操作，但除雪效率极低，只适用于局部地区，对于规模较大的道路或桥梁不适用。

2.1.2 机械除雪

机械除雪是通过机械对冰雪直接作用，解除冰雪危害。目前广泛使用的除雪机械主要有3种，即犁板式、旋切式、扫滚式除雪机械。机械除雪代替了人工除雪，效率有了一定的提高，对周边环境无污染，能实现冰雪的异地转移，应用范围较广；尽管如此，机械除雪仍然存在许多问题：由于路面和冰雪之间有一定的粘结力，导致除雪不彻底，而且影响车辆和行人的通行、破坏路面等。

2.2 融化法

2.2.1 化学融化法

化学融雪的原理是通过给路面洒布一定量的防冻结和融冰雪的化学材料(融雪剂)，降低冰雪的冰点，使路面冰雪融化或降低其强度。

作为路面除冰雪剂，目前使用的产品有：(1)传统融雪材料：氯化钠、尿素；(2)改进型融雪材料:氯化钙、氯化镁或它们与氯化钠的复合物;(3)新开发的融雪材料：钙镁乙酸盐复合剂(CMA)、乙烯二醇等[3]。目前国内外使用最多的，仍然是氯化物类融雪剂。 使用融雪剂，可以弥补物理方法效率低下、除雪不彻底、易损坏路面等不足， 且该方法在气温相对较高、降雪量不大时，除雪效果好，是一种有效的防结冰、融雪化冰手段。

然而，随着这些化学物质的使用，桥面遭到严重破坏，也对道路、桥梁内部的钢筋混凝土产生了腐蚀作用，影响了混凝土的强度，导致其产生结构破坏；与此同时，大量氯化物的使用，会使绿色植被死亡，融雪剂所产生的溶液进入地表，会污染周围的水资源，破坏自然的生态环境。

2.2.2 热融化法

2.2.2.1 电热融法

电热融雪法包括如红外线灯照加热法、电热丝法、导电混凝土法、发热电缆法等[7]。红外加热灯法，升温比较迟缓，且很容易受到外部风力的影响，因此不可取；电热丝法是在路面上安装电热丝用于发热，但此方法由于车辆的运动，会导致电热丝被拔出路面，影响交通安全，所以不得不放弃该种融雪方法；导电混凝土法有钢纤维导电混凝土和碳纤维导电混凝土，由于安全性不好、工艺复杂、价格昂贵等因素，不宜实行；发热电缆法是通过热交换将其余的能量转化为热能，然后进行融雪，但从能量品质的利用上来说，十分不合理，且费用较高，能量利用率低。目前，只有日本等少数发达国家将这种方法应用在铁路冰雪消除上，还没有应用到公路桥梁融雪等方面。

2.2.2.2 流体加热法

流体加热法是在路面下安装管道，使加热流体在管内循环流动，以达到融雪的目的。传统的用来加热循环的流体热源主要是来自石油、天然气，这些能源不仅运行费用较高、污染较大，而且是不可再生资源，总量有限，因此没有得到推广。

长远来看，化学融雪法和热融化法具有很多的局限性：污染环境、破坏结构、费用昂贵、工艺繁琐等。因此，新型能源的开发及应用是目前最具有可行性的方法，其不仅能节约能源、保护环境，还是可再生型能源，可以从自然界中源源不断的获取。因此，考虑太阳能等无污染能源来进行融雪就是比较可取的一种方法。

3 寒区日照条件(西北地区)

日照是重要的气候因素，研究日照时长，对太阳能的合理利用有重要的意义，为太阳能设备的设置及安装提供理论依据。我国的年平均日照时长数如图2所示。

图2 我国年平均日照时长

(1)秦岭淮河以北，青藏、云南高原东坡以西的高原地区，年平均日照时数都在2 200h以上。

(2)北纬 36°以北地区，除了东北的北部和东部以外，日照时数都在2 600h以上。

由年均日照时数图可知，西北地区的太阳能资源较丰富，可以充分考虑使用太阳能来进行道路、桥梁融雪。

4 太阳能融雪技术

太阳能融雪技术的原理主要是利用太阳能光热应用技术，利用太阳能光伏发电装置，将太阳能转化为电能，再把电能由发热电缆转化为热能，实现三者之间的转换，从而达到融雪的目的。

4.1 发展历史

利用热能来进行融雪早在20世纪就形成了雏形。1952年，William.P.Chapman[7]在论文里对融雪的热量公式进行了描述，提出了表面无雪率的概念，并在1956年总结了部分热量计算方法，此后又对融雪技术进行了很多的研究；1999年James.W.Ramsey给出了ASHAE研究的最新的计算方法和规则，同时，提出了很多的参数，如对流换热系数，特征长度等，这些参数的提出为后来进行融雪技术的详细计算提供了理论基础。

2001年，MahadevanRamamoorthy提出冬季利用地源热泵给道路融雪，夏季通过路面收集热量以提高冬季融雪性能的研究；2004年腾井光、石上孝等为了改进融雪技术的计算方法，进行了融雪实验和数值模拟，最后与各方面条件的结合形成了融雪系统模型，该模型为改善融雪效率、降低电力消耗提供了更进一步的参考方向，对融雪模型进行了优化计算，使能量和效率得到更进一步的平衡。

4.2 实际工程应用

在国际上，利用新型能源融雪主要以美国、日本、北欧等国家为代表，在该领域开展了许多的研究和应用，已有一批典型的实验示范工程。

早在1940年就开展了利用热管来融化积雪的研究，当时主要的考虑是利用地热能。

目前太阳能在工程上的应用已经屡见不鲜。利用太阳能实现屋面的融雪是目前比较成熟的一种技术。其原理是在屋顶安置发热电缆，利用太阳能光伏发电装置，实现太阳能到电能，再到热能的转换，其施工步骤主要是：隔热保温层的铺设、反射层的铺设、低碳钢丝网的铺设及发热电缆的铺设。

除了屋面融雪之外，太阳能室内采暖也得到普遍应用：采用被动式技术，让太阳光中的短波全部透入暖廊而阻挡内部长波向外辐射，提高太阳能的利用率；地面铺设暖石蓄热层，提高接收外界辐射热量和减少向外辐射热量。

这些应用为太阳能在融雪方面的研究提供了一定的经验。

4.3 太阳能融雪技术的可行性

根据目前西北地区的年日照时数看来，使用太阳能来进行道路和桥面的自动融雪是具有可行性的。太阳能融雪技术不仅能改善现有融雪技术的污染及资源消耗过大问题，也可使桥梁的内部结构免遭破坏，而且太阳能是用之不竭的。

目前，可尝试将应用在屋面融雪上的技术及方法，合理地选取利用到桥梁上，如：在桥面下安装光伏发电装置，将太阳能转化为电能，再利用发热电缆，将电能转化为热能，实现三者之间的转化；也可以参照太阳能的采暖系统设置，将集热装置(如平板型集热器等)合理的布置在桥梁下部，使之能自动的接受太阳能，并选用合适的材料将收集到的太阳能均匀发散至整个桥面，使太阳能的利用率达到最大化，提高能量接收率等。

4.4 存在问题

在国际上，虽然新能源式的融雪技术得到了一定的发展，但是在应用示范和基础研究两方面的发展不够平衡，前期比较注重应用，使得基础研究有些滞后。近年来，国外的研究者们意识到了这个问题，已经开始重视深入的融雪过程的理论研究。而国内由于起步较晚，许多的研究还在萌芽阶 段，利用太阳能融雪这一意识及研究氛围还不是如此的浓厚。

由于采集太阳能、利用能量转化实现融雪功能是一个长期而复杂的过程，同时也涉及到了许多的基础设施，所以试验研究周期长、投资大、集热装置的改造也需要花费大量的人力和物力。

从目前的发展情况来看，我国面临的问题也是注重基础理论的研究，要紧跟国际前沿的科技水平，提高认知程度，将重点集中在融冰雪、道路桥梁传热、利用率等方面。

5 结束语

综合上述，每种除雪方法都有各自的优缺点，但相比较而言，在西北这些冬季寒冷、日照充足的地区，采用太阳能技术进行融雪，是比较科学、可行的方法。不仅能利用天然的资源，也减少了人工的消耗，节约了人力。

以上是结合我国现有的技术及寒冷地区的日照条件，得出的在严寒地区比较适用的一种新型融雪方法——太阳能融雪技术。虽然这种技术目前还在萌芽时期，还没有完整的体系支撑，但随着研究的不断深入，这项技术将来一定会广泛应用于桥梁、道路融雪中。