內置碳纖維發(fā)熱線融冰技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

彭余華+鮑夢捷+陳紹輝

0 引言

在冬季，中國大部分地區(qū)的道路會因降雪、凍雨等自然氣候而結冰，給道路暢通和行車安全帶來嚴重的影響。寒冷地區(qū)和海拔較高的高速公路橋梁及隧道洞口路面，因處在自然水體或峽谷之上，自然風較大，當寒冷氣候來臨時，路面和橋面極易結冰，是高速公路冰災的高發(fā)區(qū)段。交通管理部門為了保證道路的暢通和安全，每到冬天需調動大量的人力、物力參與抗冰保通，雖然成效較好，但是成本很大。

國內針對橋面結構融冰化雪的研究相對較少，相關研究成果不盡如人意，如使用工業(yè)鹽、化學融雪劑等方法融冰化雪對環(huán)境造成的負面影響不可估量，從材料組成方面嘗試降低橋面瀝青上面層冰點或采用彈性路面形成自破冰路面結構的方法難以在實踐中達到令人滿意的效果。

發(fā)熱電纜加熱法是以電力為能源，以發(fā)熱電纜為發(fā)熱體，將電能轉化為熱能，通過結構層將熱量傳遞到物體表面，再通過物體表面與冰雪之間的熱交換進行融冰化雪的方法。發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)具有無污染、運行費用低、熱穩(wěn)定性好、控制方便等優(yōu)勢。目前發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)主要應用于民用建筑、室外設施和路面、橋面除冰雪等方面。

1 發(fā)熱電纜加熱法的國內外研究現(xiàn)狀

早在20世紀40年代，發(fā)熱電纜地暖系統(tǒng)風靡歐美，覆蓋世界寒冷地帶1/3的區(qū)域。發(fā)熱電纜的室外應用技術起源于北歐，北歐各國地處高寒地區(qū)，嚴寒和積雪使得道路堵塞，交通事故頻發(fā)，排水管道凍結，屋頂荷載過大，嚴重影響了當?shù)厝藗兊恼Ｉ?，甚至引發(fā)安全問題。為了保障嚴寒期間人們的生命安全并提高生活質量，通常運用發(fā)熱電纜的融雪化冰技術，及時將道路、屋頂及排水管（溝）的積雪融化，預防事故的發(fā)生。另外，為了在嚴寒的冬季也能保持體育場內草坪的綠色，開發(fā)了發(fā)熱電纜土壤加熱技術，使得體育場一年四季綠草如茵。近20年，發(fā)熱電纜系統(tǒng)發(fā)展迅速，幾乎各類建筑都有應用實例。德國發(fā)熱電纜地暖系統(tǒng)在歐洲首屈一指，發(fā)展尤其迅速，而且使用效果令人十分滿意；挪威發(fā)熱電纜的應用也非常廣泛。

近幾年來，芬蘭、丹麥、挪威、俄羅斯等國不斷進行發(fā)熱電纜的制造、安裝和技術研究工作，對于發(fā)熱電纜的設計、材料、安裝施工、檢驗、調試和驗收都已經(jīng)具備了相當豐富的經(jīng)驗。發(fā)熱電纜低溫輻射系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢，很快得到了廣泛的應用，如地板輻射采暖系統(tǒng)，管道伴熱系統(tǒng)，足球場、草坪、花壇供熱系統(tǒng)，特殊建筑（如廠房、機庫等）供熱系統(tǒng)，屋頂及屋頂天溝冰雪融化系統(tǒng)等。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)也逐漸應用到路面橋面的融冰化雪中（圖1）。1961年，Henderson等[1]在New Jersey（USA）的Newark一座瀝青混凝土橋面上安裝了一套電纜加熱裝置，按照每小時融雪25 mm設計橋面及路面所需的功率分別為378 W·m-2和430 W·m-2。但由于車輛對橋面板的作用使電纜線被拔出，所以試驗并不成功；加上在安裝后的第二年遇到了暖冬，并沒有獲得有意義的數(shù)據(jù)。

1964年該電熱裝置又被安裝在Teterboro、New Jersey的兩個斜坡和一座橋面板上，這一系統(tǒng)的運行令人滿意，能量消耗平均為323、430 W·m-2，年運行費用平均為每平方米5美元。

1970年，在Omaha，Nebr.的一座混凝土橋面板上安裝了電纜發(fā)熱裝置，系統(tǒng)由溫度傳感器返回的信號來控制，然而這個自動控制系統(tǒng)有時并不可靠，需要人工操作。美國俄勒岡州距La Grande以南11 mi的路面和橋面也采用埋置發(fā)熱線的方式融雪化冰，工程于2005年1月開工，發(fā)熱線沿車道縱向埋置于事先開槽的瀝青混凝土路面上，埋設深度為44.5 mm，間距229 mm，溝槽用密封劑填充，橋面76.2 mm深度處布置熱電偶監(jiān)測溫度。當環(huán)境溫度低于-0.28 ℃時系統(tǒng)開啟。該系統(tǒng)冬季月平均耗電費用為5 000美元，峰值耗電費用為9 000美元。2005年及2006年冬季，系統(tǒng)運行良好，路段未出現(xiàn)需要封閉的情況。

中國發(fā)熱電纜技術從2000年開始在電熱地暖行業(yè)快速發(fā)展，被大量用于游泳館、賓館、健身房、醫(yī)院、商場等大型公共建筑，同時也用于民用住宅、土壤加熱系統(tǒng)（如綠地、花壇、足球場及農業(yè)種植大棚等）以及屋檐屋面化雪融冰等方面（圖2）。羅延齡、黃新武等[2]在研究防凍保溫用自控溫加熱電纜的國內外現(xiàn)狀的基礎上，提出了PTC加熱控溫原理，并介紹了電纜的結構、材質及材料特性；劉紅梅[3]研究了低溫發(fā)熱電纜在住宅工程中的應用，介紹了其施工工藝和質量保證措施；李國榮[4]研究了低溫埋地發(fā)熱電纜采暖在住宅中的應用，具體研究了低溫發(fā)熱電纜的系統(tǒng)設計，并對其在節(jié)能建筑中的運行費用進行了分析；楊金剛、朱林等[5]研究了發(fā)熱電纜低溫輻射供暖系統(tǒng)的構成及工作原理，以及發(fā)熱電纜在地下車庫中的應用及安裝方法；武毅等[6]研究了發(fā)熱電纜在住宅低溫地板輻射采暖的電氣設計和在管道保溫中的應用；趙志強、賈衡等[7]對低溫電熱地板輻射供暖的熱舒適性和能耗進行了試驗研究；莊猛、劉冠軍等[8]介紹了加熱電纜的種類、型式和主要應用，并對其特殊的部分試驗項目作了說明?？紫閺?、李瑛等[9]對列車客車用低溫發(fā)熱電纜地面輻射供暖系統(tǒng)進行了模擬計算和試驗研究，提出了詳細的數(shù)學模型，并對其進行了試驗驗證。

北京工業(yè)大學的李炎峰、賈衡、李俊梅、趙志強等[10-13]對發(fā)熱電纜在露天管道防凍方面的應用（圖3）進行了系統(tǒng)的研究，提出了露天管道層絕熱保溫加電伴熱防凍方案，并進行了經(jīng)濟分析和試驗研究，以及新型管道防凍方案的動態(tài)運行特性和節(jié)能研究等。研究結果表明了防凍方案的可行性，并獲得一些有價值的成果。

哈爾濱理工大學的劉群對低熱電纜的物理模型進行了分析，用有限元法和建筑學算法進行了熱場研究和分析。上海交通大學的管數(shù)園[14]建立了電纜加熱系統(tǒng)的數(shù)值模型，進行了融雪的數(shù)值分析和模擬，并開發(fā)了一套電纜加熱系統(tǒng)分析軟件。

國內對發(fā)熱電纜加熱系統(tǒng)在路面、橋面融冰方面的研究較少。郭振國、德穎等[15]研究了發(fā)熱電纜在車道融冰化雪中的應用，并詳細介紹了施工工藝。盧曉玲、樊浩博等[16]依托圖們至琿春段高速公路，研究了發(fā)熱電纜在寒區(qū)公路隧道路面防滑中的應用，提出了設計方案和施工組織方案，可為寒區(qū)隧道路面防滑措施的實施提供參考。楊潔、李海濤等[17]對電熱法除路面冰雪的技術進行了探討，對發(fā)熱電纜相關技術指標進行了研究，并說明了發(fā)熱電纜用于道路融冰化雪在理論、經(jīng)濟、技術上是可行的。同時，楊潔等還指出，發(fā)熱電纜用于道路除冰雪實際工程時，需要針對耗電量、安裝方法等進行試驗分析。

2005年，北京工業(yè)大學的武海琴等[18]以北京地區(qū)路面除冰雪為研究背景，開展了發(fā)熱電纜用于道路融雪化冰的試驗研究，并建立發(fā)熱電纜埋設于混凝土路面的數(shù)學模型。北京工業(yè)大學的李炎峰、武海琴等人[19-20]研究了發(fā)熱電纜用于路面融雪化冰的模型，采用有限元分析方法對路面溫度變化進行研究，得到不同氣候條件下道路表面及結構層內的溫度分布、升溫規(guī)律，并進行了試驗研究。將數(shù)值模擬結果與試驗測量結果進行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合較好。研究表明：依據(jù)北京地區(qū)近10年的氣溫數(shù)據(jù)，采用鋪裝功率為250～350 W·m-2的發(fā)熱電纜可滿足北京地區(qū)路面融雪化冰的要求。

2006年12月，哈爾濱市內的文昌橋建成，成為國內首座鋪設“電加熱溫控融雪技術”的橋梁。該項目采用的電加熱溫控融雪技術是從丹麥引進的，在上橋處匝道部分的面層下鋪設了長達32 000 m的電纜線，電纜鋪設的總面積達到了1 760 m2，發(fā)熱電纜實際使用效果目前正在研究測試中。該方法環(huán)保無污染，熱穩(wěn)定性較好，便于控制，但是耗能較高、技術難度高，而且發(fā)熱電纜一旦受到損害，進行維修時比較麻煩。

2010年，大連理工大學的趙宏明[21]進行了布置發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的有限元分析，以及混凝土板內布置發(fā)熱線間距的試驗研究，混凝土板溫升及融雪化冰試驗研究，混凝土大板室外融雪化冰的試驗研究，發(fā)熱線混凝土板融雪化冰的溫度場有限元分析及預測，驗證了布置發(fā)熱線混凝土板融雪化冰方法的可行性，為實際工程中混凝土板內發(fā)熱線設計及輸入功率的選取提供了參考和借鑒。

發(fā)熱電纜加熱法的除冰雪在中國工程中的應用雖然較少，但可借助國內外的經(jīng)驗，并根據(jù)工程的地理、氣候、環(huán)境、經(jīng)濟情況進行具體的研究分析。該方法的成功應用不但可減少環(huán)境負荷，還能大大提高行車安全性，對保障交通的暢通具有十分重大的意義。

2 碳纖維發(fā)熱線加熱技術的應用與發(fā)展

2.1 碳纖維的特性

碳纖維（Carbon Fiber）是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。用碳纖維制成的各種規(guī)格的發(fā)熱電纜與傳統(tǒng)的金屬電纜有本質上的不同，它屬于新型發(fā)熱材料，具有低密度、耐高溫、耐磨擦、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、壽命長、安全、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，是傳統(tǒng)電加熱材料的最佳替代產(chǎn)品，圖4為某款碳纖維發(fā)熱電纜。發(fā)熱線材料種類繁多，與其他材料相比，碳纖維發(fā)熱迅速，電熱轉換效率高，發(fā)熱溫度、發(fā)熱能量可隨電線長度、電壓進行調節(jié)控制；在相同的電流負荷面積下，碳纖維的強度比金屬絲高6～10倍，在使用過程中不易折斷，使用壽命長。

碳纖維發(fā)熱線與以往發(fā)熱電纜相比具有多項優(yōu)勢：價格相當于同等長度金屬發(fā)熱線的十分之一，生熱迅速，最高運行溫度可達100 ℃以上，熱轉化效率高，質量輕、體積小，對混凝土本體結構受力影響小。由于該方式具有環(huán)保、節(jié)能、易于施工、安全可靠、經(jīng)濟性好的優(yōu)勢，使其應用于實際工程成為可能。利用布置碳纖維發(fā)熱線的混凝土板融雪化冰的技術可以用于橋面、路面、人行道、機場跑道等重要地段。該技術的應用避免了由于使用融冰鹽對環(huán)境和結構所產(chǎn)生的負面影響，有效解決了冬季路面積雪結冰問題，改善了行車環(huán)境，保障道路通暢和車輛行人的出行安全，避免人民生命財產(chǎn)受到威脅，國家經(jīng)濟遭受損失。

2.2 碳纖維發(fā)熱線融冰技術的應用

碳纖維發(fā)熱電線雖多用于家用取暖，但將其應用于道路融冰化雪也能取得良好的效果。由于碳纖維過于柔軟，為將其固定在路面中，需要采取不同的鋪設方法。根據(jù)項目所在地環(huán)境的差異和融冰時間長短需求的不同，碳纖維的規(guī)格和功率選擇可根據(jù)具體情況而定。

例如烏阿高速福?？h福海漁場收費站項目采用了碳纖維發(fā)熱電纜進行融冰化雪。該項目路面為水泥混凝土路面，由于水泥路面需現(xiàn)場澆筑，所以一般采取將碳纖維綁扎在鋼筋網(wǎng)上的方法將其固定。在澆注混凝土之前，需要事先將發(fā)熱線并列固定到鋼絲網(wǎng)上，并將每根發(fā)熱線的兩端與銅芯電極用絕緣膠帶固定好。根據(jù)項目的環(huán)境情況，采用輸入功率為487.5 W·m-2的24K碳纖維發(fā)熱電纜可達到融雪除冰的要求。圖5所示為烏阿高速福海縣福海漁場收費站融冰化雪工程實例圖片。該固定碳纖維的方法適用于水泥混凝土路面，且在鋼絲網(wǎng)鋪設時，可能會因下層混凝土強度不足導致鋼絲網(wǎng)翹起，露出地面，從而產(chǎn)生裂縫，使路面強度降低。

蘭海高速貴遵段采用玄武巖纖維和碳纖維混編成土工格柵發(fā)熱材料（圖6），該路段主要將大修的路面加以改造，去除路面舊瀝青后，在原有的路面結構上噴灑粘層油，然后鋪設事先制備好的發(fā)熱格柵，再進行上面層的碾壓。根據(jù)項目的環(huán)境情況，采用輸入功率為330 W·m-2的12K碳纖維發(fā)熱電纜可達到融雪除冰的要求。采用發(fā)熱格柵的方法鋪設碳纖維雖然施工簡單，但由于發(fā)熱格柵本身具有一定厚度，跟原路面相比，剛度和強度有一定的差異性，通車后可能會對路面造成一定的損害，且在攤鋪機碾壓過程中，可能將發(fā)熱格柵卷起，并且損壞發(fā)熱線。

除了發(fā)熱格柵的碳纖維鋪設方法之外，還可采用刻槽方法鋪設碳纖維。該方法是在中面層刻槽后將碳纖維安裝于槽中，雖然對中面層造成一定程度的破壞，但對上面層無影響。對于施工而言，采用刻槽方式時，需清理凹槽中的碎屑，避免破壞發(fā)熱線，而且在現(xiàn)場布設時，需要處理大量的接頭。該方法雖增加了施工的難度，但能取得不錯的發(fā)熱效果。

對比現(xiàn)有的融冰項目可知，內置碳纖維發(fā)熱線融冰化雪方法安全、環(huán)保、施工方便，具有廣闊的應用前景，可以全面提升公路、橋梁瀝青路面抵抗冰雪天氣的能力，提高行車的安全性。但結合成本考慮，碳纖維發(fā)熱線加熱融冰技術適用于道路線形的凹凸點（道路線形中易發(fā)生交通安全事故的危險路段，一旦道路線形的凹凸點結冰，將大大影響行車安全性，發(fā)生事故的概率大幅度增加），以及陰暗段（無陽光照射，溫度較低，易結冰）、隧道口（涵洞口與隧道口與大地熱量相連，冬暖夏涼，當外界的冷空氣與涵洞口的熱空氣對流，熱空氣會凝結為水，寒冷天氣里易結冰）、收費站（車輛減速掉頭路段在冬季結冰時易打滑，從而造成交通事故）等特殊地段，且降雪量過大時，采用碳纖維發(fā)熱方法來融冰化雪的效果并不理想。

3 結語

內置碳纖維發(fā)熱線融冰技術更加高效、環(huán)保，且施工方便，借助碳纖維優(yōu)異的發(fā)熱性能，利用電熱融雪技術避免橋面結冰，以主動方式解決路面、橋面結冰問題，彌補現(xiàn)有路面、橋面融冰除雪技術的不足。碳纖維具有質量輕、升溫快、電熱轉換效率高、使用壽命長等優(yōu)點，長遠經(jīng)濟效益好。該技術可以避免因使用融雪劑、工業(yè)鹽對橋梁等重要設施帶來的損害，降低環(huán)境負荷，節(jié)省橋梁等重要設施的維修費用，延長橋梁使用年限。同時，對于提高道路交通的行車安全性、保障交通的暢通具有十分重大的意義，有利于公路項目發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益、社會效益，推動中國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展與和諧交通的建設。

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