（制冷及低温工程专业论文）太阳能土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 我国北方大部分地区，冬季都会有不同程度的降雪天气。路面积雪或结冰给交通造 成很大的影响，给人民生活和国民经济造成损失。目前广泛使用的融雪剂融化方法不仅 对路面造成破坏，而且污染环境。而机械除雪法不够彻底，并且除雪过程中会阻断交通。 因此，迫切需要寻求一种更为节能和有效的融雪化冰方法。 太阳能一土壤蓄热融雪是在冬季利用夏季储存在土壤中的太阳能来融化路面冰雪 的方法。这种方法更为安全、有效、环保和节能。因此，很多道路包括人行道、车行道、 斜坡、桥梁、高速公路以及医院紧急进口等都安装了太阳能土壤蓄热融雪系统。 本文建立了管壁一土壤一雪耦合模型对太阳能一土壤蓄热融雪系统融雪机理进行 了分析。得出了融雪过程中温度场和相界面移动规律，并对系统参数的选择进行分析， 得出融雪所需时间与影响融雪系统工作特性的一些参数( 外晃环境条件，管径，埋管深 度，管间距) 的关系。在此模型基础上，本文又考虑了将雪作为多孔介质，加入了更为 符合实际情况的两点模型，深化了对雪融化机理的研究。并将这两种模型进行了对比， 分析了两者的不同之处。在此同时，对夏季土壤蓄热路基得热部分进行了初步的模拟计 算，得出哈尔滨市某日逐时路面平均温度、得热量和出口温度，讨论了系统参数( 入口 流速和路面沥青导热系数) 对系统性能的影响，并得出了安装本系统可起到降低路面温 度的作用。本文采用采用建模软件g a m b i t 建立物理模型，以数值计算软件f l u e n t 进行模拟计算。 所得结论对太阳台卜土壤蓄热融雪系统的设计与优化有重要的参考价值。 关键词：太阳能；土壤蓄热；融雪 太阳能一土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 r e s e a r c ho nh e a ts t o r a g ei nr o a d b e da n ds n o w - m e l t i n gm e c h a n i s mi n s o l a r - h e a ts t o r a g ei ns o i ls n o w - m e l t i n gs y s t e m s a b s t r a c t s n o w f a l la l w a y sh a p p e n si nn o r t hp a r to fo u rc o u n t r y a n dt h es n o wo ri c eo nr o a dw i l l s i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h et r a f f i ca n db r i n gd a m a g e st ob o 也p e o p l e sl i f ea n dn a t i o n a le c o n o m y n e d e i c i n gs a l tn o wu s e dn o to n l yd a m a g e st h er o a db u ta l s op o l l u t e st h ee n v i r o n m e n t a n d t h em a c h i n em e t h o do fs n o wr e m o v i n gc o u l dn o tr o m o v et h es n o wc l e a r l ya n dc o u l da f f e c t t h e 锄cd u r i n gr e m o v i n gp r o c e s s s oam o r ee n e r g y - s a v i n ga n de f f e c t i v ew a yt or e m o v et h e s n o wi sn e e d e du r g e n t l y s o l a r - h e a ts t o r a g ei ns o i ls n o wm e l t i n gs y s t e mi sad e i c i n gm e t h o dw h i c hu s e ss o l a rh e a t s t o r a g e di ns o i li ns u n l n l e r i ti ss a f e r , m o r ee f f e c t i v ea n dm o r ee n e r g y s a v i n g s om a n yr o a d s i n c l u d i n gs i d e w a y ，h i g h w a y ，g r a d e ，b r i d g ea n dh o s p i t a le m e r g e n c yi n l e ta n ds oo na r ea l l i n s t a l l e dt h es o l a rh e a ts t o r a g ei ns o i ls n o wm e l t i n gs y s t e m s ht h i sp a p e r , t h e p i p e s o i l - s n o wc o u p l i n gm o d e l ”h a sb e e nd e v e l o p e dt os t u d yt h es n o w m e l t i n gm e c h a n i s m t e m p e r a t u r ef i e l d so f s o i la n ds n o wa r eo b t a i n e d n l cp r o p a g a t i o no f t h e p h a s ei n t e r f a c ei sa l s oc a l c u l a t e d a tt h es a l n et i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e l t i n gt i m ea n d t h eg e o m e t r yp a r a m e t e r ss u c ha sd i a m e t e r , p i p es p a c i n ga n dd e p t ho ft h ep i p ei nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa r ea e q t a i r e d b a s e do nt h i sm o d e l ，t h er e s e a r c ho f t h es n o wm e l t i n g m e c h a n i s mh a sb e e nd e e p e n e db yc o n s i d e r i n gt h es n o wa sp o r o n sm e d i u ma n da d d i n gam o r e p r a c t i c a lt w o n o d em o d e l a n dt h et w om o d e l sh a v eb e e nc o m p a r e da n dt h ed i f f e r e n c e s b c t w e e nt h e mh a v eb e e na n a l y s e d a tt h es a m et i m e ，t h er o a dh e a ts t o r a g ei ns u m m e rh a s b e e ns t u d i e d a v e r a g er o a dt e m p e r a t u r e ，a v e r a g eo u t l e tt e m p e m t t t r ea n dt h ea m o u n to fh e a t s t o r a g ev a r i e sw i t hs u n t i m ei no d a yh a sb e e na c q u i r e d 硼1 cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s y s t e mp a r a m e t e r s ，s u c h 嬲i n l e tv e l o c i t ya n dc o n d u c t i v ee o e 伍c i e n ta n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c eh a sb e e nd i s c u s s e d i nt h i sp a p e r , t h eg a m b i tw a su s e dt oc o n s t i t u t ep h y s i c a lm o d e l 1 1 f l u e n ts o f t w a r e w a su s e dt ot a f f yo u tt h es u m e d c a ls i m u l a t i o ns t u d y t h er e s u l t sc a nb ec o n s i d e r e da sb a s i cr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h e s o l a r - h y d r o n i cs n o w - m e l t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ；h e a ts t o r a g ei ns o f t = s n o wm e l t i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：坦吼型坐 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：j 丢疟 导师签名：名兰蔓型! ! 牛导师签名：趔! ! i 盟年旦月兰日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究的背景和意义 交通运输是人类文明的生命线，是构成支持经济增长的基础结构的一个重要组成部 分。发达的运输业是实现合理的地理分工，实现企业专业化和协作的必要条件，是保证 工农业之间、国家各地区之间的可靠、稳固的经济联系的必要条件。交通运输业是城市 和经济布局形成的重要因素之一。它能够改变资源的分配状况，有利于降低与稳定物价 1 1 。交通运输是我国国民经济的命脉。我国正在加快发展步伐，重点公路建设项目稳步 推进。到2 0 0 6 年底，在将1 5 5 万公里村到纳入统计之后，全国公路通车总里程达3 4 8 万公里。全年新改建公路里程3 4 万公里，其中高速公路4 4 6 0 公里。2 0 0 7 年计划建成高 速公路5 0 0 0 公里以上吲。 大量的调查和研究表明，路面状况的好坏是影响道路交通的重要因素。在我国的东 北、华北和西北的大部分地区属于冬季积雪地带，有些地区积雪期达3 4 个月。雪能给 人们带来恩惠，也能给人们带来一些灾害。在多雪与积雪地域，它影响交通运输的畅通 与安全。在冰雪天气中，路面附着能力大大降低，对车辆行驶的动力性和安全性极为不 利。据分析：冰雪常常使汽车刹车失灵、方向失控，交通事故频繁发生，连续追尾车事 故也屡见不鲜。冰雪天交通事故成倍增长。据统计，1 5 左右的交通事故与道路积雪有 关；冰雪天公路运输效率极低，交通事故不但威胁司乘人员的生命安全，同时对交通设 施及车辆造成严重破坏，甚至造成道路关闭，给客货运输带来不便，也给建设单位造成 巨大的经济损失闭。 因此，在我国公路与城市道路建设飞速发展、交通车辆急剧增加的时期，研究道路 的防雪与除雪，就显得十分重要。如何在冬季降雪天气保证道路的畅通安全，以保证国 民经济的正常运行，成了交通运输部门工作中的重中之重。怎样及时清除路面冰雪，减 少交通事故的损失，也是政府及城市管理部门的重要课题。因此，在一些重要场合，如 收费站、斜坡、高速公路、桥梁、机场跑道、医院紧急入口等地区采用除雪措施具有非 常重要的现实意义。 目前广泛使用的除雪方法对路面以及环境破坏严重，或者除雪不够彻底，降低了公 路的使用寿命，造成严重的经济损失。因此，迫切需要应用一种更为安全、有效、环保 和节能的融雪方法。 太阳能一土壤蓄热融雪是在冬季将夏季储存的太阳能用来融化路面冰雪的方法。在 国外已有应用。它储存并利用取之不尽、用之不竭的太阳能，不但节约了能源，保护了 太阳能土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 环境，而且除雪彻底，融雪过程中不阻断交通。是一种首选的融雪方式。但是目前国内 该项技术的应用与研究处于空白状态。 本论文对太阳能一土壤蓄热融雪系统融雪机理进行了研究，对融雪系统参数对融雪 效果的影响进行了讨论；并对夏季蓄热路基得热进行了模拟计算，讨论了各参数对夏季 蓄热产生的影响。本文对太阳能壤蓄热融雪系统的设计和优化具有一定的指导和参 考价值。对太阳能一土壤蓄热系统在我国的应用及推广具有很好的促进作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 道路除雪方法介绍 目前广泛使用的融雪方法有以下几种。 ( 1 ) 人工清除法 人工清除法即通过人工的方法清除积雪。该法对于积雪清除较彻底，但效率低、费 用高、影响交通通行及行车安全、且不能长时间作业，主要适用于小雪及重难点路段的 积雪清除，且这种方法是被动方式操作，具有滞后性。 ( 2 ) 机械铲雪法 机械铲雪法是采用机械铲雪设备将路面积雪清除的方法。具有效率高的优点，适合 大面积机械化清除作业。主要用于降雪量较大、天气寒冷的地区。我国北方地区冬季一 般气温在，2 0 左右，降雪量比较大，而且冬季持续时间长，采用铲雪机械设备比较适 宜。但这种情况不能从根本上解决路面的抗滑能力。虽然铲除了路面上的大量积雪，宏 观上看，露出了路面，但从微观观察，路面凹凸不平处仍积满冰雪，使路面形成一个冰 雪层，汽车在其上面行使，与路面的附着力仍然很低，车辆可操纵性及刹车的效果仍然 较差，行车安全得不到有效保障。除雪后常常还要在路面上在洒一些抗滑剂或盐等，而 且国内生产的铲雪功能单一，设各利用率较低；国外综合性的除雪机械价格昂贵，维修 保养费用高。“1 。 ( 3 ) 机械吹雪法 机械吹雪方式除雪安全环保，但只适用于机场等便于管理的较小范围的除雪，适用 范围较小，除雪对象是未经碾压过的厚度较薄的路面积雪，一般是边下雪边作业，机械 需求量大，费用高，面且积雪一旦被碾压或结冰则无能力。该种方式不适合交通量较大 的公路和城市道路除雪【3 】。 ( 4 ) 化学融化法 化学融化法是通过在路面上撤布化学药剂使冰雪融化的方法。目前世界各国主要通 过撤盐来融雪化冰( n a c l ，c a c l 2 ) 。这一方法是利用盐降低冰雪的融点，是积雪融化， 大连理工大学硕士学位论文 通常适合路面积雪厚度较小，环境温度较高的地域。该法具有材料来源广泛、价格便宜、 化雪效果好等特点，因而得到了普遍应用。玛栝特大学公共与环境工程部研究表明，雪 天撒盐，可使以外伤害事故降低8 8 3 ，氯盐类融雪剂的确效能强大功不可没。然而， 其负面作用却不可忽略【5 1 。氯盐类融雪剂的化学污染与环境影响，特别是其腐蚀问题逐 渐突现出来。例如：钢筋锈蚀、路面及隔离墩剥蚀破坏从而影响道路的耐久性；含盐的 融化水排入排水管道降低管道的使用寿命；含有盐水成分的积雪倒入绿地、花坛、树穴 会降植物杀死、破坏生态环境。喷洒盐水使水滴中含有的溴和氯与雪混合，当气温升高 积雪融化后，这两种物质以及气体形式被释放出来，它们上升破坏了对流层，使大气中 较低的臭氧层受到损耗。除冰盐的使用已在世界范围内造成严重危害并带来巨大的经济 损失，在我国的危害也逐渐显现。据北京市园林绿化部门最近一项数据统计显示，2 0 0 4 年底到2 0 0 5 年初，城八区超过1 万株行道树死亡，1 4 9 万余株绿篱、色块等灌木、近 2 0 万平方米草坪遭受到严重盐害或死亡，直接经济损失超过3 0 0 0 万元1 6 ”。 环保融雪剂是绿化盐的替代品，比如尿素、醋酸镁钙、焦鳞酸四钾等。这类融雪剂 无氯盐、硫酸盐等腐蚀性成分，腐蚀性比较小，对城市设施和花木影响小，而其融雪速 度快于食盐水溶液。但是其价格昂贵，是氯化钠价格的近1 5 3 0 倍，因此只能在特定的 环境下才能使用。同时醋酸钙、硝酸钙和尿素的降低冰点性能均逊于氯盐，用量大且只 能用于不太冷的条件下。就中国目前国情而言，我们不可能使用每吨上万元昂贵的非氯 盐类融雪剂，在没有研制出新的具有明确环保功能、造价又比较低的融雪剂前，只能继 续使用氯盐类r ”。 ( 5 ) 电热丝法 电热丝法即在路面上加入电热丝用于加热，此方法不需要使用变压器或服务设施， 加热的效果也不错，但最后发现电热丝由于车流的运动被拔出了沥青混凝土铺层而不得 不放弃【1 0 1 。 ( 6 ) 地热管法 地热管法是通过管道将地热传到地表面来融雪化冰，缺点是安装和建造加热管道比 较复杂，而且受到地域条件的限制 1 0 1 。 ( 7 ) 红外加热灯法 红外加热法是利用红外线的热量将路面冰雪融化的方法。因为升温过于迟缓且受到 外部风向的影响而不可取，仅在一些实验研究路面和桥梁中使用【l q 。 ( 8 ) 导电混凝土法 导电混凝土主要有两种，钢纤维导电混凝土和碳纤维混凝土。导电混凝土电热除雪 的工作原理是：通过在普通混凝土中添加适当种类和适当含量的导电组分材料，使混凝 太阳能土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 土变成具有良好导电性能的导电体。利用其热效应使路面温度升剐】。导电混凝土消除 了盐的使用给道路结构和环境所带来的负面效应。但钢纤维导电混凝土的缺点是电阻会 随着时间而增大，安全性不好，而碳纤维混凝土制作工艺复杂，价格昂贵( 约为普通混 凝土的5 - 6 倍) ，不便于控制【j 2 】。 ( 9 ) 热虹吸管法 热虹吸管又称两相闭式热虹吸管( t w o - p h a s ec l o s e dt h e r m o s y p h o n ) 或重力热管，是 冻土区广泛使用的一种热管。其结构简单，制造方便，成本低廉，传热性能优良，工作 可靠。热管融雪法就是将热管埋于地下，使其在冬季融化冰雪的方法。由于目前热管主 要应用在冻土区，而应用在这方面较少，尚未成熟i l 硼。 ( 1 0 ) 发热电缆融雪化冰法 发热电缆加热系统是一电力为能源，发热电缆为发热体，将电能转化为热能，通过 结构层内的导热将热量传到物体表面，再通过物体表面的与冰雪之间的显热河潜热交换 进行融雪化冰。该系统具有无污染、热稳定性好、控制方便等优势【“】。但是，随着我国 电能的日益紧张，在很多城市已出台限电措施和分时间段供电措施。再应用发热电缆来 融化路面的冰雪就会增大城市对电的需求，特别是北方降雪频繁，积雪过多的地方，这 种方式就会加重城市电力负担。 1 2 2 太阳能一土壤蓄热融雪系统的应用及研究现状 ( 1 ) 国外发展现七睁 在国际上，道路热融雪化冰技术主要以美国、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示范工作，已有一批典型的实验示范工程。如美国芝加哥 o h a r e 国际机场滑行跑道s n o wf r e e 融雪化冰示范试验工型1 5 】、瑞士a 8 高速公路 d a r l i g e n 路桥的s e rs 0 热融雪试验工程【j 曰，挪威首都奥斯陆g a r d e r m oe n 机场的 地源热泵空调系统和停机坪热循环流体融雪化冰系统【17 1 ，日本二户市的高速公路弯坡道 路全自动热融雪化冰系统g a i a 工程【1 8 】，波兰g ol e n i o w 机场地源热泵地面融雪化冰系 绀1 明等。 早期的热融雪化冰方式主要取材于当地的地热资源。1 9 8 4 年，美国就开展尝试利用 地下热水的路面融雪化冰技术，并在美国俄勒冈州k l a m a t h 的一段1 4 0 m 的道路上实施 试验工程，直到1 9 9 7 年该系统运行了近5 0 年，系统地铸铁管路由于外部腐蚀泄露，而 与1 9 9 8 年秋季采用聚乙烯管路翻新系统重新启用【1 9 】。1 9 8 0 年开始，冰岛国也利用丰富 的地热水资源，推广道路融雪化冰工程应用，目前全国利用面积达7 4 万m 2 ，其中首都 雷克雅未克地区达4 6 万m 2 们。 大连理工大学硕士学位论文 1 9 9 2 年起，在美国能源部( d o e ) 、交通部( d o t ) 联邦高速公路管理局和国家 基础研究基金的联合资助下，开始实施h b t ( h e a t e db r i d g et e c h n o l g i e s ) 计划【2 1 】，系 统研究道路桥梁热融雪化冰问题。1 9 9 4 年一1 9 9 9 年的5 年间，美国5 个州分别开展道 路和桥梁热融雪化冰应用示范工程，比较和探索循环热流体、热管传递、电加热、燃科 加热等多种方式间的能源利用和融雪化冰效果。 美国o k a h o m as t a t eu n i e r i s i t y ( o s u ) x 学，在国家能源部、联邦高速公路管理局和 o k l a h o m a 州交通厅资助下，从1 9 9 8 年开始，开展路桥热流体循环融雪化冰技术的研究 工作，在o s u 建立了目前世界上最大的路桥专用试验系统 2 2 捌。结合当地气候条件， 将路面作为太阳能集热系统，采用利用赎金地下换热器的地热泵封闭系统，开展融雪化 冰河集热蓄熟过程的研究。研究工作主要涉及冰雪多孔介质传热、建立桥面融雪、集热 数学模型，利用有限元方法求解路面传热过程，整合路面热过程模型、热泵模型和气候 模型等，对热蓄能循环热流体融雪化冰过程进行了模拟计算分析和试验。此外，美国俄 勒冈州理工学院低热中心对路面热融雪化冰技术进行了全面的比较和分析工作刚，并采 用竖直重力式热管方式，分别在弗吉尼亚州西部橡树岭的高速公路坡道段和怀俄明州 c h e y e n n e 高速公路的两处坡道路段进行了试验研究。 日本国家字样环境研究所( n 逼) 在国际经合组织( o e c d ) 和能源组织( m a ) 的可再生能源专项促进下，与1 9 9 5 年在日本二户市建造了蓄例全自动路面集热蓄能循 环热流体融雪化冰系统，即g a i a 工型1 8 1 。在公路急弯坡道处，建设了6 5 m 长的该系统， 解决防滑安全问题。冬季通过热泵运行，夏季通过路面太阳能集热蓄能，采用套管式地 下换热器。经试验钡9 试比较，该热流体蓄能系统较较热电缆系统节省电能8 4 以上【2 甄。 1 9 9 8 年，日本北海道大学研究者们【2 6 j 对日本早期的1 9 项地面集热蓄能融雪化冰试 验工程进行比较分析。研究表明；平均地面集热率可达3 6 ，北海道地区的季节变化可 以实现用能与蓄能的基本平衡。研究结论指出，道路集热蓄热融雪化冰方式是一项极具 发展前景的能源技术，尽管初期投资较高，技术难度较大，但是利用自然可再生能量资 源，节能效果显著，环保和资源合理利用功效优势明显，便于实现自动化和及对处理。 2 0 0 7 年，他们又发表最新研究进展报告【2 7 】，介绍利用自然能源资源的道路融雪和楼宇 空调的复合能源系统。 日本第八技术咨询公司于山口大学合作闭，对u s h i n o g o u 高速公路隧道出口的融雪 化冰方案进行了细致的研究和比较。先后提出地下水喷淋、电热、地源热泵，以及热管 附带热能等多种方式，并对经济型、实用性和能源特性进行了分析比较。最终确定，以 热管附带自然热源，即采用隧道积聚温泉水和地热稽核热源的方式为最佳。 太阳能土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 从1 9 9 4 年开始，日本环境技术株式会社先后开展了4 0 余项示范工程 2 9 】。由于蓄能 融雪化冰技术对未来生态的突出贡献和显著的社会作用，该公司的“g e o t h e r m a le n e r g y s y s t e md c v e l o p m e n & p r o m o t i o n ”系列成果获得著名的全球生态技术2 0 0 5 年百家大奖。 ( g l o b a l1 0 0e c o i i e c h a w a d s ) 。 瑞士道路桥梁委员会和苏黎世p o l y d y n a m i c sl i d 合作【16 】，1 9 9 4 年，在瑞士a 8 高速 公路d a r l i g e n 路段的路桥上开展了s e r s o 蓄能融雪试验运行，在实现蓄能融雪作用的 同时，又可降低路面峰值温度1 5 2 0 ，减轻路面暴晒风化和热蚀损害；冬季有效提高 路面平均温度1 0 c 左右，减轻冻裂板结，提高路面的使用寿命。波兰华沙大学研究者对 桥面埋置列管的路面太阳能集热过程传热开展模拟计算，考虑非透明实体平面集热，以 及巨大热容体集热的传热瞬变问题。此外，对路面存在行驶车辆韵瞬态遮阳和再对流影 响，以及纯平面辐射集热等问题进行了研究分析啪，。 ( 2 ) 国内发展状况 目前，国内在热融雪化冰方面研究应用还处于起步阶段。1 9 9 7 年，吉林大学研究者 率先提出太阳能蓄热融雪化冰在我国北方应用设想o ”，此后，不断在地能利用和地下传 热方面开展研发工作，以及在地下蓄能及融雪化冰技术领域开展探索工作o “蜘。近年来 武汉理工大学、天津大学、北京工业大学开始不同形式的热融雪化冰技术研究和探索。 分别在碳纤维导电混凝热融雪化冰阱唧、太阳能一土壤蓄热的融冰技术啪1 ，以及发热 电缆用于路面融雪化冰等方面开展探索研究。此外，北京市市政工程研究院也在开展 发热电缆用于桥梁坡道融雪的工程实践，华瑞科技和爱德姆等公司在发热电缆等方面提 供技术支持。因此，热融雪化冰技术的应用在国内也已经得到高度重视，并有了一定的 开端。 尽管目前更多关注与电热直接转化方式，但是随着技术的不断成熟，节能和可再生 能源利用的不断深化，利用开再生能源的蓄能型融雪化冰技术将得到迅速发展。我国从 上世纪9 0 年代开始介入地能利用和地源热泵领域，开展研究和应用，取得许多宝贵的 本经验，发展势头极为迅速。相信随着她能利用和地下蓄能研究和应用工作的不断开 展，蓄能型融雪化冰技术发展前景巨大。 ( 3 ) 存在问题 在国际上，尽管蓄能式融雪化冰技术得到一定的发展，但是，在应用示范和基础研 究两方面的发展不够平衡。先期重点主要在示范试验应用，尝试感性认识，加强推动作 用，使基础研究有些滞后。对复杂集热蓄能融雪化冰过程理论研究欠缺。 大连理工大学硕士学位论文 在国内，目前还处于起步阶段，研究工作极为有限，还没能形成研究氛围。我们应 在系统基础研究，特别是枧理分析、模型建立、模拟分析和工程设计软件开发等工作上 开展研究。这将对工程设计和应用具有更重要的推动作用和理论指导意义。 1 ，3 融雪模型的发展 太阳能土壤蓄热系统的模型包括土壤的导热和路面的质量平衡。大多数的模型可以 分为两类：稳态模型和瞬态模型。 1 3 1 稳态模型 ( 1 ) 一维稳态模型 早在1 9 5 2 年，融雪系统能量需求主要包括两项：融雪所需热量和土壤的热量损失。 路表面热质传递被忽略。1 9 5 2 年，c h a p m a ne ta l 认识到系统设计其他的复杂性。1 9 5 2 年到1 9 5 7 年之间，c l l a p m a ne ta 1 发表了一系列关于融雪系统设计的文章。建立了一个 概括的公式来描述融雪系统能量的需要并给出了在一系列天气条件下的例子。所有这些 文章都是对一维稳态模型的分析。 c h p m 弛和k a t i m i c h ( 1 9 5 2 a ) 发表的第一篇文章，指出能量损失，例如蒸发和对流 换热经常是很重要的，是不能被忽略的。作者指出，完整的能量分析取决于5 个能量项。 这五项之和等于供热系统需要提供的热量。这五项是：融化热、降雪显热、蒸发热、辐 射热和对流换热、土壤热损失。其中前四项之和等于路面热量输出量，如公式( 1 1 ) 所 刁彳 一 g o = 乳+ 日k + 劬+ 舶( 1 1 ) 其中，函是路表面总热量需要量，b t u h r - f t 2 w m 2 ， 函是把雪的温度升到融化温度的显热，b t u 1 1 r - f t 2 呻2 ，等于 册q p ，一厶) ( 1 1 丑) 其中， 庐5 2 s ，l b ( 雪) l r f t 2 ，( 液体水的密度是5 2 1 b f t u i n ) ， 萨降雪率，英寸( 水当量) h r 呦h r ， 铲冰的比热= o 5b t u l b a f ， 护水膜温度，下 o c ，应用3 3 下 铲空气温度，下 。c 。认为雪层温度等于空气温度。 这样，驴2 6 s ( t f 一( 1 1 曲 锄= 雪融化需要的热量( 融化热) ，b t u h r - 铲 w m 2 ， = 1 4 3 m = 5 2 + s 1 4 3 4 = 7 4 6 s ( 1 1 曲 太阳能壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 办= 对流换热和辐射换热量，b t u h r f ? w m 2 1 ， 喂倚- u ( 1 1 一d ) 其中，五是综合传热系数；v 是风速，m p h m s ， 磊= ，j 4 ( 0 0 2 0 1 v + 0 0 5 5 ) ( 1 1 e ) 参数是经验值。 q e = 蒸发热，b t u h r - f ：咖】， = 白+ 6 ，+ 九v 伽，一) 4 魄盘 ( 1 1 0 其中经验常数a = o 0 2 0 1 ，6 ；0 0 5 5 ；p 。是水在空气中蒸发压力英寸汞柱；p 。是路 表面水蒸发压力英寸汞柱。 可以通过给路面总热量除以系数占来估计总热量g f ，其中e - = 4 ，伊五，是热损失部 分。热损失是指向周围土壤中散发的热量或者桥梁下表面对地的辐射热。作者并没有给 出任何关于计算辐射热损失的信息。热损失大概在3 0 一5 0 之间，这取决于绝热的程度。 如果系统连续运行，即时的热损失就会降低，但是如果没有绝热处理的话，仍然会高达 3 0 。同时应注意公式( l1 ) 中路表面被认为完全没有雪。 c h a p m a n ( 1 9 5 2 b ) 发表的第二篇文章中提出了设计能量输出应该基于负荷的分散频 率。文章强调正确的程序是以小时为基础决定实际负荷，然后做出频率分布分析来确定 满足每年给定小时数量的设计容量。本文中，作者引入了有效率的概念，指无雪区域对 整个区域的比率。并推荐根据实际应用需要选择不同的有效率。加上有效率，公式( 1 1 ) 就可以写为： 舶2 甄+ 钿+ 西( q h + ( 1 2 ) 其中，4 ，指有效率，无量纲。在这种情况下，认为雪覆盖的路面部分不发生对流换 热，辐射换熟或蒸发。当有效率4 ，为o ，路面完全被雪覆盖。当有效率加为1 ，路面 完全没有雪。这种情况需要对路面提供最大能量。路面的作用决定了系统运行的必要性， 也就决定了有效率的大小。例如，桥面斜坡4 ，必须高，而私家车道可以小一点。 c h a p m a n 和k a 乜m j c h ( 1 9 5 6 ) 发表了对融雪系统热需要的进一步的研究文章。以前文 章中给出的大概的公式被实验数据说证实。并且根据实验数据对计算对环境了传热传质 的总换热系数进行更正以便能够使其同时适应于不降雪( 空闲) 时期和运行时期。 实验中采取两种融雪样板。一种包括1 0 个一英尺见方的板，包含绝热镍铬铁舍金 供热单元，间距3 4 英寸，深度为1 2 英寸。另外一个是1 0 平方英尺的圆形样板。它的 供热单元和绝热和前面正方形样板类似。调整供给面板的热量来保持平衡条件下不同雪 的厚度。所有的测量条件，例如有效率，传热传质，流体温度都是在样板在平衡条件下 进行的。空闲时刻代表路面对环境对流和辐射换熟的方程如下： 8 - - 大连理工大学硕士学位论文 q b = 何2 7 v + 3 影+ 亿- u( 1 3 ) 其中舶是裸露样板的传热量，b t u h r - f t 2 w m 2 。t p 是样板表面的温度，o f o c 】。 c h a p m a n ( 1 9 5 7 ) 给出了美国各个地区融雪系统热需求量计算的一篇总结性的文章。 美国被分为1 1 个气候区域。在每个区域中选择几个城市作为代表。作为代表的城市有 着相似的气候形式。东北地区的代表城市为b u f f a l o ，b u r l i n g t o n 和c a r i b o u 每一个城市 都有着美国东北地区的典型气候形式，也就是，天气变化无常，冬天延长并且相对寒冷， 伴随着降雪。穿孔卡片和统计列表机可以用来生成相关的气候参数的数值和分布，例如 湿度，风速，空气温度和降雪率。计算出每个区域中各个代表城市的热需求量。 文中给了4 个表供设计时使用。第一张表给出了每一个代表城市的降雪情况，例如； 每年降雪平均厚度以及地面上雪的最高厚度。第二张表包含每一个代表城市在结冰和降 雪期间融雪系统的操作信息。“结冰期间”是指没有发生降雪而气温等于或低于3 2 下并 且系统处于预热时期。计算了在结冰期间的平均大气温度，用来计算“预热”载荷。第 二张表给出的最重要的信息是在降雪期间为了维持有效率为0 或1 需要输出的热量分配 频率。例如：在芝加哥降雪期间，为了维持路面没有积雪，降雪时间的3 7 4 需要热输 出量在5 0 9 9 b t u f t 2 - h r 之间，而且降雪时间的11 4 需要热输出量在1 0 0 1 4 9 b t u f t 2 - h r 之 间等等诸如此类。第三张表和第四章表都是以这种分配为基础的。第三张表给出了在1 1 部分所描述的不同的融雪系统所需要的设计热需求量。设计者可以根据对设计热负荷的 应用和重新计算来调整预热时间。第四张表给出了融雪系统运行的估计费用信息，例如： 每年的预热融化时间一届每一个系统每年热输出量。 ( 2 ) 2 d 有限差分模型 s c h n u r r 和r o g e r s ( 1 9 7 0 年) 给出了对于地下埋管融雪系统热流量和埋管壁温需求对 管间距，埋管深度，管径以及天气情况的函数。这篇文章给出了2 - d 模型。和以往的研 究不同，这个2 - 1 ) 模型可以计算路表面温度分布而不需要假设路面热输出为一个统一的 值。本文做的假设是系统稳态运行，地下埋管表面温度恒定。作者认为地下埋管管壁温 度的能够接受的值是这个温度可以保持路面最低温度为3 3 o 5 下。可以通过数值松弛 因子模型来解决定义1 4 管外径间距的四边形网格来接近求解区域。每一个网格节点 的方程来自于对网格节点稳态能量平衡分析和给出在有限差分条件下包含温度梯度的 表达式。用c h a p m a a 给出的公式( 公式1 1 ) 来对每一个上表面的点建立热平衡方程。 对埋管直径，埋管深度，管间距等参数作了研究，并且天气条件也是变化的。在每一种 情况下，计算出了用来达到稳态条件下路面温度为3 3 0 5 下的必需的热流量和管壁温 度。 ( 3 ) 简化模型 太阳能土壤蓄热融雪系统路基得热和融雪机理研究 k i l k i s ( 1 9 9 4 年) 发表了两篇关于地下埋管融雪系统的文章。在他的第一篇文章中指 出a s h r a e 指导方针似乎过度估计了热量的需求量。原因有以下三点：过度估计了表 面热损失的经验公式，缺少对风速和地形的调整以及对降雪频率数据的解释方法。从公 式( 1 1 d ) 就可以看出来，分析中并没有区分辐射和对流换热损失，而这两者是取决于 不同的大气因素的。公式( 1 1 f ) 中的经验系数是从预热测试系统的来得，因此这种方 法可能会过度估计大表面的蒸发负荷因为在小表面时对流换热系数和质量传递系数会 高一些。大部分的风速的数据是在大空间地面以上3 3 f t 的地方记录的而雪融化除特殊情 况外大都发生地面高度。因此关于风的气候数据应该根据地形环境和融雪表面高度进行 调整。为了避免对降雪频率过度精细分析，定义了和它一致的空气温度来推动工程计算。 由于冷空气的含湿量小，因此大雪一般会伴随着空气温度的升高，所以室外温度的设计 和大雪是不一致的。要用与降雪率相关的空气温度来定义重合空气温度。为了给出重合 温度的表达式，要考虑空气温度，降雪率的关系以及融雪负荷。对降雪频率的对比分析 发现空气重合温度和室外设计温度成简单的近似线性的关系。 在k i l k i s ( 1 9 9 4 b ) 给出的另一篇文章中，给出了基于2 d 几何形状的有限容积法来描 述稳态过程。假设融雪表面的两边被雪覆盖，而且表面温度等于重合空气温度。这种表 面允许和天空进行辐射热交换。用公式( 1 2 ) 来描述融雪表面的换热。然而作者并没有 给出数值分析中近似2 - d 几何模型的更多的信息。文中声称这种模型能够达到足够的工 程精确度，而且和其他报道( 例如p o t t e r ( 1 9 6 7 年) 给出的对于美国9 3 个地点“成功 运行”系统) 非常接近。 r a m s e y ( 1 9 9 9 a ) 给出了a s h r a e 研究工程9 2 6 中的一些结果，“融雪负荷设计发展 算法和世界各地的数据”。总共计算了美国4 6 个城市。热损失计算的主要方法是对 c h a p m a n ( 1 9 5 2 年) 计算程序的一些改进。用目前广为接受的表面紊流对流换热系数来计 算对流换热率( i n c r o p e r a 和d e w i t t1 9 9 6 年) 。用基于空气干球温度、相对湿度和天空 云层覆盖百分数的有效天空温度( r a m s e ye ta 1 1 9 8 2 ) 来计算辐射热损失。用传质和传 热的类似来确定水蒸气传质系数。对流换热损失和蒸发热损失是风速和路面尺度特性的 函数。结果表明需要融雪负荷的时间百分数并没有超过报道的值。然而，结果同样指出 对于给定的负荷需求量由于融化，对流换热，辐射和蒸发自吁不同，负荷分布区别很大。 文中指出对于融雪热负荷的精确估计最关键的因素是即使天气情况。 在稳态计算中，并没有考虑暴风雪的发生以及加热路面的动态响应。在实际应用中， 系统运行时间是和小时类似的值。设计的热流量是不会同时到达路面的。这就意味着表 面并没有达到设计情况所需要的值，并且要满足设计工矿，实际的热负荷和稳态负荷是 不同的。c h a p m a n 在1 9 5 2 年发表的第二篇文章中指出，正确的计算程序是先确定每小 大连理工大学硕士学位论文 的实际负荷，然后做频率分析。需要用瞬态模拟工具在考虑系统瞬态响应得基础上来计 算实际的表面情况，之后进一步估计要维持满意的表面状况所需的热容量。 1 3 2 瞬态模型 瞬态模型的目的是在现实的瞬态天气状况下确定融雪系统的瞬态性能。这个问题可 以分成两部分：一、路面以下二维瞬态导热问题；二、路面和周围环境传热和传质问题。 ( 1 ) l e a l 和m i l l e r ( 1 9 7 2 ) 二维有限差分模型 以s c h n u r r 和r o g e r s ( 1 9 7 0 年) 给出的稳态模型为基础，l e a l 和m i l l e r ( 1 9 7 2 年) 给出了二维瞬态模型。其中瞬态导热问题用计算机通过“点匹配”技术来解决。但是， 作者并没有给出“点匹配”的更多的信息。应用c h a p m a n 给出的方程( t y 程1 1 ) 莱计 算表面边界的热平衡。下表面被视为完全绝热。给出的结果并不是在实际的融雪条件下。 严格的讲，这片文章只是尝试着去解决融雪系统瞬态条件。 ( 2 ) s c h n u r r 和f a l k ( 1 9 7 3 ) 二维有限差分模型 s c h n u r r 和f a l k ( 1 9 7 3 ) 给出了融雪系统二维瞬态模型。这个瞬态问题是通过显式的 有限差分解决的。这个问题由“混合边界条件”和一个圆柱边界( 管壁) 组成。但是文 中并没有清楚的给出怎么解决混合边界问题。作者指出，应用四边形网格来代表数值计 算中的区域。上边界采用c h a p m a n 给出的方程( 1 1 ) 而下表面假设绝热。为了设计任 何时刻路面都没有积雪，假设降雪之前提前一段时间将系统开启。在降雪之前只考虑对 流换热开始降雪之后所有的方面都要考虑进来。示例中给出恒定的天气条件下系统运 行情况。对于恒定降雪率的假设可能会导致极端保守的预热时间所以变化的天气情况 对于融雪系统模拟很关键。 ( 3 ) c h i a s s o n ，e ta 1 ( 2 0 0 0 a ) 两维有限差分模型 c h i a s s o n , e ta 1 ( 2 0 0 0 a ) 描述了用液体循环加热混凝土路面的融雪模型。至于解决 路面以下热扩散的问题，这个模型和s c h n u r r 和f a l k ( 1 9 7 3 ) 建立的非常相似。唯一的 不同是网格尺寸是由路面以下埋管管半径的默认值来确定的。 和以往的模型不同，本模型应用了不同的算法来计算计算区域边界的热流量。在上 表面热量平衡中考虑了太阳辐射，并且辐射热量从对流换热量中分离了出来。在计算辐 射换热量时，天空的温度( 1 k ) 是应用b l i s s ( 1 9 6 1 ) 给出的关系式，其中，1 西只和 周围空气的露点温度以及于球温度有关，而并没有考虑云层的重要影响。所以理论上只 适用于晴朗的天气状况。 这种模型和以前其他的模型另外一个重要的不同之处是管子的