集热蓄能路面融雪化冰过程模块化构造高青1，林密1，刘小兵2，马纯强1，李明1，黄勇1（1．吉林大学热能工程系长春市130025；2．ClimateMaster公司OK73179美国）摘要：路面集热蓄能融雪化冰作为新兴的路面融雪化冰方法，具有明显的可再生能源利用优势，实现夏季太阳能集热地下蓄能和冬季融雪化冰功能，促进太阳能的季节性利用。本文通过路面集热、地下蓄能和融雪化冰复合系统模块化设计和构造，设立基本的传热分析模块，系统研究了集热蓄能融雪化冰系统构成、融雪化冰过程传热现象、传热状态、道路传热体网格划分，确立传热分析方法。并在此基础上重点研究了融雪化冰过程的分析体系和物理模型的构建，为进一步的模拟计算分析奠定理论基础。关键词：融雪化冰，路面太阳能集热，蓄能，传热，模块体系中图分类号：U216.41+2文献标识码：A1前言液体循环加热路面融雪化冰是一种新的融雪化冰方法[1-3]。利用夏季路面上采集太阳能热量进行地下蓄能，可以保持地下热平衡，达到了太阳能的季节性高效利用，以供冬季融雪化冰。同时，避免化学融雪法带来的巨大环境危害，特别是桥路面和交通装备腐蚀、水质污染的后期环境问题。因此，路面集热蓄能融雪化冰是一项可持续发展的可再生能源利用新型绿色技术。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。如美国芝加哥O’Hare国际机场滑行跑道SNOWFREE融雪化冰示范实验工程[4]、瑞士A8高速公路Därligen路桥的SERSO热融雪实验工程[2]，挪威首都奥斯陆GARDERMOEN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[5]，日本二戸市的高速公路某弯坡路段全自动热融雪化冰系统Gaia工程[6]，波兰Goleniow机场地源热泵地面融雪化冰系统[7]等。1992年起，开始实施HBT(HeatedBridgeTechnologies)道桥热融雪化冰计划[8]。1998年，美国OklahomaStateUniversity（OSU）大学开始路桥热流体循环融雪化冰技术的研究，建立了当时世界上最大的路桥专用实验系统[8、9]。在实现蓄能融雪作用的同时，降低15-20℃的夏季路面峰值温度，减轻路面暴晒风化和热蚀损害；冬季提高10℃左右的路面平均温度，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开展计算分析，研究大热容体集热瞬变问题[10]。目前，国内在热融雪化冰方面研究应用还处于起步阶段。1997年，吉林大学研究者率先提出太阳能蓄能融雪化冰在我国北方应用设想[1]，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[3、11]。此外，国内一些研究单位近期相继开展其它形式的碳纤维导电混凝土、土壤蓄热和发热电缆等热融雪化冰技术研究和探索。尽管国际上集热蓄能融雪化冰技术得到一定的发展，但主要还是集中在实验应用探索，深入的基础研究有些滞后，国内的相关工作也不够深入。为此，本文将通过对其传热模型建立及其分析，构建集热融雪化冰过程分析体系，为进一步探讨能量、温度变化及不同条件下能耗和集热融雪化冰功效，研究时变特性和规律奠定理论基础。---------------------------------------------------基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.50776039）。作者简介：高青（1961-），男，教授，博士生导师；长春市人民大街5988号，130025；电话：0431-85095897，传真：0431-85682227，E-mail:gqing@jlu.edu.cn12集热蓄能融雪化冰系统构成2.1过程分析集热蓄能融雪化冰过程从热融雪化冰，到可再生能源利太阳用，再到蓄能技术，使融雪技术和可再生能源技术得到了可持续地向前发展和联系。同时该过程是一个复杂多变传热传质动态过程，涉及道桥和地下设施，试验研究周期长，投资大，传热设施一经装备，难于改造和调整。所以，国际上都重视模型分析和数值计算，依此开展广泛的基础性研究、可变性预测、控制策略研究及设计评价等工作，提高对复杂系统设计的有效性和认知程度。本文将着重研究集热蓄能融雪化冰过程分析构架体系，通过逐步的模块化，将实际过程模态化，为进一步准确模拟实际过程，开展计算分析奠定基础。图1集热蓄能热流体循环融雪化冰系统system图1是蓄能式循环热流体融雪化冰系统示意图。Fig.1SchematicofHISM-SC-TES2.2基本构成路面集热蓄能融雪化冰系统主要由地下换热器、热泵机组、循环水泵、路面热流管网等组成