基于网络技术的智能化融雪化冰系统研究

马骏腾，原伟杰

（1.北京新桥技术发展有限公司，北京 100010；2.河南省水利第二工程局，河南 郑州 450000）

0 引言

神农架林区位于湖北省西北部，境内最高峰神农顶海拔3 105.4m，最低处海拔398m，平均海拔1 700m。神农架以亚热带季风气候为基带，随海拔增高，依次迭现暖温带、中温带、寒潮带等多种气候类型，境内极端低温-21℃，极端高温38.5℃。神农架的旅游旺季在4~10月，由于冬季长期积雪，交通中断，造成旅游产业基本处于瘫痪状态。因此，冰雪产业成为破解旅游季节平衡和旅游转型升级难题的一个重要突破口。为保障和加速冬季旅游的发展，一种经济可行的融雪化冰技术显得尤为迫切。

1 路面融雪化冰技术现状

目前，国内外实际工程针对道路融雪化冰技术已进行了大量应用，主要分为主动式融雪技术和被动式融雪技术。主动式融雪技术主要为铺设融雪化冰设备和添加抗凝冰改性剂，被动式融雪技术主要为依靠机械除雪和撒融雪剂。

主动式融雪技术和被动式融雪技术在实际应用中均有利弊，但是随着绿色公路的要求不断提高和互联网技术的飞速发展，“互联网+”技术在道路工程中的应用越来越多。本设计将电能转化为热能，以碳纤维加热电缆为载体，将其提前铺设于路面结构中，通过互联网实现远程控制，使其达到融雪化冰的目的。

2 融雪化冰系统简介

2.1 系统原理

2.2 系统组成

系统组成：本系统主要由加热系统、控制系统组成。

加热系统：加热系统主要为碳纤维发热线缆，该线缆主要组成部分为阻燃PVC、特氟龙、碳纤维和特制母液，见图1。加热系统通过控制系统与电源系统相连；RTU控制器通过温度、湿度传感器结合图片比对技术，在道路刚开始下雪或结冰初期通电自动检测，使降落在路面上的冰雪及时融化，从而有效预防路面结冰；或根据交通量特点进行手动或自动控制，使加热系统间歇式做功，达到路面无冰目的，确保交通的畅通。

图1 碳纤维发热线缆结构图

控制系统：包括手动控制、自动控制和远程智能控制，可根据实际情况选用。控制系统包括前端监测系统和网络传输系统，其中前端监测包括路面结冰探测、雪深探测、温湿度探测，主要用于监控系统测量公路的温度、湿度、降雪结冰情况等数据；网络传输系统主要为互联网无线传输，用于现场信息、指令的传输。

2.3 系统工作流程

山区旅游公路融雪化冰系统工作流程见图2，具体步骤如下：①通过智能化融雪化冰系统中的温湿度传感器、智能监控系统实时监测路表变化；②当路面温度达到系统预设温度值时，传感器将信息反馈给控制系统；③控制系统依据探测到的温度信息，结合监控系统信息，计算加热功率，以此为依据判断是否开启碳纤维加热系统；④碳纤维加热工作完成后，继续重复新的一轮工作。同时系统内部可实时记录工作过程，运营一段时间后可根据实际情况优化碳纤维加热功率及工作时间。

图2 融雪化冰拓扑图

2.4 系统优势

本系统的优势有：①高效、主动预防：系统可自动启动，对路面进行预热，可使道路常年不积雪、不结冰；②省心、全自动融雪：路面有融雪需求时，RTU智能融雪控制系统通过多种传感器收集的信息自动分析并启动加热系统，实现全自动融雪化冰；③方便、远程可视化养护：可通过远程端（电脑、手机）24小时观测路面融雪情况；④环保、零污染：使用清洁能源，无任何化学成分，无污染；⑤节能、彻底快捷：碳纤维发热电缆电热转化率高达98.2%，远高于同类型产品；电热法融雪化冰时间短，受热均衡，可迅速达到无冰无雪的最佳效果，融雪效率高；⑥无需维护、使用简单：施工、使用简单易行，无后期维护费用；⑦安全、使用寿命长：碳纤维发热材料采用非金属材料作为发热体，无功率衰减，其外绝缘层的材质经过改良后应用于公路铺设，发热线理论寿命在50年以上。

3 碳纤维加热路面技术的应用

3.1 发热电缆功率设计

发热电缆功率的确定是构造系统的重要环节。本系统主要需计算必需发热量、融雪必需热量、防止冻结必需的热量。

（1）必需发热量的计算方法

道路融雪滑冰设备的必需发热量QO可通过下式计算：

2.1.1 农作物灌溉用水。村里的田地都是依靠南马河供给的河水进行分流引水灌溉。村里田地旁有一条从南马河流下来，灌溉用的水渠，用土坎从高往低处引流出一道水渠，农田灌溉都是在自家田地里用短胶管开出水流灌溉通道，将水渠流过的水引到自家地里，进行水稻灌溉，等到水量可以满足作物需水量的时候，用石头将流向自家田地的水堵上，防止水量过大淹没农田，但是田里主要的经济作物是水稻，需水量很大，所以基本很少会去控制流进水田的水量。南马河的水主要靠雨水补给，该地地处亚热带，降水量充足，所以河水水量充沛，可以满足种植水稻的需水量，基于此，村寨居民之间基本不存在灌溉用水分配等方面的问题。

式（1）中：QS为雪传达的显热量（W/m2）；Qm为雪的融化潜热（W/m2）；Qe为水蒸气的蒸发潜热（W/m2）；Qh为对流以及辐射产生的传热量（W/m2）；Ar为融雪面上没有雪的部分所占比例；η为热效率；QS+Qm表示融雪所需热量；Ar(Qe+Qh)表示为防止路面冻结所需的热量（空气从路面带走的热量）。

（2）融雪所必需热量的计算方法

进行融雪时，如果有一层薄雪覆盖在路面的状态被允许，那么由于空气所带走的热量很小，就算省略也不会有大的影响，因此Qs+Qm就可视为融雪所必需的热量。

式（2）~式（5）中：ρ为雪的密度（kg/m³），取值范围在50~300kg/m³；c为雪的比热（kJ/（kg·K）），c=2.1kJ/（kg·K）；S为平均降雪强度（m/h），通常取0.02~0.03m/h；γ为冰的溶解热（kJ/kg），γ=336kJ/kg；Tm为融雪温度（℃），Tm=1℃；To为外气温度（℃）；Hm为平均日降雪厚度（cm/d），由累计降雪厚度（cm）除以降雪总天数得到。

（3）防止冻结必需热量的计算方法

由于路面温度和大气温度都比较低，蒸发量也较小，即使忽略不计，也不会有较大影响，因此，在计算防止冻结必需的热量时，可仅计算从路面向空气的发热量（对流、辐射）。这种情况下，认为不存在被雪覆盖的部分，则Ar为1。

式（6）~式（7）中：α为路面的表面热传导率[W/（m2·K）]；V为风速（m/s），通常为2~3m/s。

道路融雪设备必需的发热量Q通常采用融雪热量和防止冻结热量中的较大值。根据理论计算，本项目采用的设计发热量为300W/m2。

3.2 碳纤维发热系统路面安装工法

路面碳纤维发热电缆一般铺设为平行形和旋转形，如图3所示。为达到使用效果最优和降低施工难度，本项目采用平行式。碳纤维加热电缆多采用路面刻槽铺设法，但是本项目路面基层为水泥稳定碎石，刻槽施工难度大；本系统通过改善电缆设计，提高抗拉强度，可采用直接铺设的方式进行固定铺设，大幅降低了施工难度。

图3 路面碳纤维发热电缆铺设形式

3.3 碳纤维发热电缆铺设位置

3.3.1 碳纤维发热电缆立面位置设计

神农架林区项目为两层沥青层的路面铺装，可采用的发热电缆埋设位置有两种：

（1）将发热电缆布设在沥青上、下面层之间。碳纤维电缆距离路面表面最近，融雪化冰效果最优且耗能较低。但如果采用位置铺装，若在运营后期进行大中修，铣刨面层过程中可能会对电缆造成破坏，使得系统无法使用，寿命周期仅为10年左右。

（2）将发热电缆布设在上基层与沥青下面层之间。该方法由于发热电缆距离路基表面较远，融冰化雪效果略差且耗能较高。但是其在运营后期进行大中修时不会对电缆造成破坏，具有较长寿命。

综合考虑融冰化雪效果、使用寿命以及耗能情况，本系统采用方案二，将碳纤维电缆布设在沥青下面层与上基层之间。

3.3.2 碳纤维电缆平面位置设计

发热电缆在路面主要有两种铺设形式，一种是全行车道满铺，一种是仅在轮迹带铺设。行车道满铺具有融雪化冰效果优、投资大、耗能高等特点，轮迹带铺设会降低融雪化冰效果，却能减少近70%的投资。根据项目投资以及融雪化冰要求，本项目采取仅在轮迹带铺设的方案。

4 结语

本文以神农架林区旅游公路为例，设计了基于网络技术的智能融雪化冰系统。融雪化冰系统以网络监测为依托，使景区旅游公路实现了实时融雪化冰的功能。碳纤维发热电缆具备高抗拉强度、发热稳定、绿色环保等优点，是山区公路，尤其是自然保护区等旅游景区冬季融雪化冰的最佳方案。

本文不仅介绍了系统的组成及工作原理，而且从多角度分析了该系统的特点。为降低施工难度，本系统了提高碳纤维发热电缆的强度，可使其直接固定在基层上方。又考虑到系统的发热效果和使用寿命，将加热电缆回折铺设于下面层与上基层之间。该系统可有效进行融雪化冰，保证了景区冬季行车安全，为发展景区冬季旅游经济做出了贡献。