内置碳纤维发热线融冰技术的现状与发展

内置碳纤维发热线融冰技术的现状与发展

彭余华;鲍梦捷;陈绍辉

【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》

【年(卷),期】2016(033)002

【总页数】6页(P28-33)

【作者】彭余华;鲍梦捷;陈绍辉

【作者单位】长安大学公路学院,陕西西安710064;长安大学公路学院,陕西西安710064;云南省公路科学技术研究院,云南昆明650051

【正文语种】中文

在冬季，中国大部分地区的道路会因降雪、冻雨等自然气候而结冰，给道路畅通和行车安全带来严重的影响。寒冷地区和海拔较高的高速公路桥梁及隧道洞口路面，因处在自然水体或峡谷之上，自然风较大，当寒冷气候来临时，路面和桥面极易结冰，是高速公路冰灾的高发区段。交通管理部门为了保证道路的畅通和安全，每到冬天需调动大量的人力、物力参与抗冰保通，虽然成效较好，但是成本很大。

国内针对桥面结构融冰化雪的研究相对较少，相关研究成果不尽如人意，如使用工业盐、化学融雪剂等方法融冰化雪对环境造成的负面影响不可估量，从材料组成方面尝试降低桥面沥青上面层冰点或采用弹性路面形成自破冰路面结构的方法难以在实践中达到令人满意的效果。

发热电缆加热法是以电力为能源，以发热电缆为发热体，将电能转化为热能，通过结构层将热量传递到物体表面，再通过物体表面与冰雪之间的热交换进行融冰化雪的方法。发热电缆加热系统具有无污染、运行费用低、热稳定性好、控制方便等优

势。目前发热电缆加热系统主要应用于民用建筑、室外设施和路面、桥面除冰雪等方面。

早在20世纪40年代，发热电缆地暖系统风靡欧美，覆盖世界寒冷地带1/3的区域。发热电缆的室外应用技术起源于北欧，北欧各国地处高寒地区，严寒和积雪使得道路堵塞，交通事故频发，排水管道冻结，屋顶荷载过大，严重影响了当地人们的正常生活，甚至引发安全问题。为了保障严寒期间人们的生命安全并提高生活质量，通常运用发热电缆的融雪化冰技术，及时将道路、屋顶及排水管（沟）的积雪融化，预防事故的发生。另外，为了在严寒的冬季也能保持体育场内草坪的绿色，开发了发热电缆土壤加热技术，使得体育场一年四季绿草如茵。近20年，发热电缆系统发展迅速，几乎各类建筑都有应用实例。德国发热电缆地暖系统在欧洲首屈一指，发展尤其迅速，而且使用效果令人十分满意；挪威发热电缆的应用也非常广泛。

近几年来，芬兰、丹麦、挪威、俄罗斯等国不断进行发热电缆的制造、安装和技术研究工作，对于发热电缆的设计、材料、安装施工、检验、调试和验收都已经具备了相当丰富的经验。发热电缆低温辐射系统以其特有的优势，很快得到了广泛的应用，如地板辐射采暖系统，管道伴热系统，足球场、草坪、花坛供热系统，特殊建筑（如厂房、机库等）供热系统，屋顶及屋顶天沟冰雪融化系统等。

随着科学技术的不断发展，发热电缆加热系统也逐渐应用到路面桥面的融冰化雪中（图1）。1961年，Henderson等［1］在New Jersey（USA）的New ark

一座沥青混凝土桥面上安装了一套电缆加热装置，按照每小时融雪25mm设计桥面及路面所需的功率分别为378W·m-2和430W·m-2。但由于车辆对桥面板的作用使电缆线被拔出，所以试验并不成功；加上在安装后的第二年遇到了暖冬，并没有获得有意义的数据。

1964年该电热装置又被安装在Teterboro、New Jersey的两个斜坡和一座桥面

板上，这一系统的运行令人满意，能量消耗平均为323、430W·m-2，年运行费用平均为每平方米5美元。

1970年，在Om aha，Nebr.的一座混凝土桥面板上安装了电缆发热装置，系统

由温度传感器返回的信号来控制，然而这个自动控制系统有时并不可靠，需要人工操作。美国俄勒冈州距La Grande以南11m i的路面和桥面也采用埋置发热

线的方式融雪化冰，工程于2005年1月开工，发热线沿车道纵向埋置于事先开槽的沥青混凝土路面上，埋设深度为44.5mm，间距229mm，沟槽用密封剂

填充，桥面76.2mm深度处布置热电偶监测温度。当环境温度低于-0.28℃时系统开启。该系统冬季月平均耗电费用为5000美元，峰值耗电费用为9000

美元。2005年及2006年冬季，系统运行良好，路段未出现需要封闭的情况。

中国发热电缆技术从2000年开始在电热地暖行业快速发展，被大量用于游泳馆、宾馆、健身房、医院、商场等大型公共建筑，同时也用于民用住宅、土壤加热系统（如绿地、花坛、足球场及农业种植大棚等）以及屋檐屋面化雪融冰等方面（图2）。罗延龄、黄新武等［2］在研究防冻保温用自控温加热电缆的国内外现状的

基础上，提出了PTC加热控温原理，并介绍了电缆的结构、材质及材料特性；刘

红梅［3］研究了低温发热电缆在住宅工程中的应用，介绍了其施工工艺和质量保证措施；李国荣［4］研究了低温埋地发热电缆采暖在住宅中的应用，具体研究了低温发热电缆的系统设计，并对其在节能建筑中的运行费用进行了分析；杨金刚、朱林等［5］研究了发热电缆低温辐射供暖系统的构成及工作原理，以及发热电缆在地下车库中的应用及安装方法；武毅等［6］研究了发热电缆在住宅低温地板辐射采暖的电气设计和在管道保温中的应用；赵志强、贾衡等［7］对低温电热地板辐射供暖的热舒适性和能耗进行了试验研究；庄猛、刘冠军等［8］介绍了加热电缆的种类、型式和主要应用，并对其特殊的部分试验项目作了说明。孔祥强、李瑛等［9］对列车客车用低温发热电缆地面辐射供暖系统进行了模拟计算和试验研究，

提出了详细的数学模型，并对其进行了试验验证。

北京工业大学的李炎峰、贾衡、李俊梅、赵志强等［10-13］对发热电缆在露天管道防冻方面的应用（图3）进行了系统的研究，提出了露天管道层绝热保温加电伴热防冻方案，并进行了经济分析和试验研究，以及新型管道防冻方案的动态运行特性和节能研究等。研究结果表明了防冻方案的可行性，并获得一些有价值的成果。哈尔滨理工大学的刘群对低热电缆的物理模型进行了分析，用有限元法和建筑学算法进行了热场研究和分析。上海交通大学的管数园［14］建立了电缆加热系统的数值模型，进行了融雪的数值分析和模拟，并开发了一套电缆加热系统分析软件。国内对发热电缆加热系统在路面、桥面融冰方面的研究较少。郭振国、德颖等［15］研究了发热电缆在车道融冰化雪中的应用，并详细介绍了施工工艺。卢晓玲、樊浩博等［16］依托图们至珲春段高速公路，研究了发热电缆在寒区公路隧道路面防滑中的应用，提出了设计方案和施工组织方案，可为寒区隧道路面防滑措施的实施提供参考。杨洁、李海涛等［17］对电热法除路面冰雪的技术进行了探讨，对发热电缆相关技术指标进行了研究，并说明了发热电缆用于道路融冰化雪在理论、经济、技术上是可行的。同时，杨洁等还指出，发热电缆用于道路除冰雪实际工程时，需要针对耗电量、安装方法等进行试验分析。

2005年，北京工业大学的武海琴等［18］以北京地区路面除冰雪为研究背景，开展了发热电缆用于道路融雪化冰的试验研究，并建立发热电缆埋设于混凝土路面的数学模型。北京工业大学的李炎峰、武海琴等人［19-20］研究了发热电缆用于路面融雪化冰的模型，采用有限元分析方法对路面温度变化进行研究，得到不同气候条件下道路表面及结构层内的温度分布、升温规律，并进行了试验研究。将数值模拟结果与试验测量结果进行比较，发现二者吻合较好。研究表明：依据北京地区近10年的气温数据，采用铺装功率为250～350W·m-2的发热电缆可满足北京地区路面融雪化冰的要求。