双向热传导路面.doc

1、特殊路段双向热传导路面的应用分析摘要：地球本身是一个巨大的热平衡体，距离地面 15 米以下的土壤温度几乎常年恒定，受地面温度波动影响不大。因此夏季地下土壤的温度低于地面温度，而在冬季，地下土壤温度却远高于地面温度 【1】 。双向热传导路面就是根据这一现象在夏季将地面一定量的热量通过导热方式传至介质并通过介质在地下，冬季通过换热介质将这些热量提取出来为路面融雪化冰，从而达到夏季提高路面高温稳定性和舒适度，冬季改善路面状况，减少交通事故的目的。这种技术实质是通过对可再生能源的蓄存利用来进行路面的夏季制冷和冬季制暖的环保技术，具有良好的可持续发展前景。关键词：双向热传导；热传导系数；石墨；传热管道1

2、.概述路面在夏季高温状态下路表的最高温度可能达到七十摄氏度作用，所产生的高温病害将严重影响道路路用性能和结构耐久性，并且在城市道路中还会加重热岛效应；在冬季低温时，路面易积雪结冰，严重影响道路行车安全。而地球本身是一个巨大的热平衡体，距离地面 15 米以下的土壤温度几乎常年恒定，这里用到路面双向热传导技术就是利用路面和地下土壤存在的温度差，夏季利用道路循环热流体将强烈的太阳能辐射热能传至地下土壤储存, 即地下蓄能; 冬季循环热流体再将热量提取至路面提高路面温度融雪化冰。实际上, 集热蓄能一方面收集道路太阳能热量蓄积, 实现夏蓄能冬利用; 另一方面夏季有效降低路面温度, 减少路面热蚀破坏 , 提

3、高道路寿命。对于交通负载较重的特殊路段区域(机场跑道、高速公路端口、桥梁、坡路和弯道等) 的路面降温是尤为必要的【2】 。还有一个重要的问题是如何提高这种传热技术的传热效率，大连理工大学王庆艳的研究表明通过提高沥青路面材料导热系数的方法可以有效提高路面的传热效率 【3】 。但是普通沥青混凝土是热的不良导体，要想在道路结构中实现双向热传导，将普通沥青混凝土材料改为热传导率高的传导沥青混凝土材料就成为提高系统工作效率的重要前提。2.石墨在道路中应用的可行性分析 【4】2.1 应用背景目前常用的导热相填料包括金属填料和非金属填料，形状为粉末、晶须和纤维。金属填料由于耐腐蚀性能较差，对有防腐性能要求的

4、导热材料，往往选用具有耐腐蚀性能的非金属材料，如石墨、碳纤维等。石墨具有导热率高，耐腐蚀性能好，与沥青相容性强等优点，易形成导热网络，有利于材料导热系数的提高，片状结构的石墨具有润滑作用，有利于在沥青混凝土中的分散，石墨填料具有较高的耐热性能，在沥青混合料的制备过程中不会因拌合温度高而变色。下面本文就双向热传导路面的可行性进行具体的分析。下表所示为河北邢台矿业有限公司生产的鳞片状石墨，其主要性能如表 2-1 所示表 2-1但在沥青混凝土中掺入过多的石墨，易削弱其力学性能。本文选用碳纤维作为导热沥青混凝土的增强剂。碳纤维是一种由有机纤维经固相反应转变而成的纤维状聚合碳，具有一般碳素材料耐高温、耐

5、摩擦、耐腐蚀、化学稳定以及导热、导电等特性，而且碳纤维对沥青混凝土既有良好的加筋增强作用。碳纤维的性能指标如表 2-2 所示表 2-12.2 石墨应用的试验分析石墨的加入可能对沥青路面性能产生一定影响，故需对添加石墨材料的沥青路面进行试验分析2.2.1 试验用原材料原材料主要包括粗集料、细集料、矿粉、沥青以及导热相填料。沥青是形成沥青混合料粘弹特性的重要组成部分，对路面的使用性能有很大影响。目前，沥青在我国的使用情况大致为:南方炎热多雨地区选择较硬的50 号或 70 号沥青;长江流域采用 70 号沥青;黄河流域采用 90 号沥青;东北地区则用 90 号或 110 号沥青。本文所用沥青为生产的

6、90 号道路石油沥青，其基本指标和指标要求如表 2-3 所示。表 2-3试验所用集料，粗集料(16-9.5mm )、细集料(0-2.36mm)均为玄武岩，矿粉为石灰岩矿粉。各种集料性能实验按文献 【5】 相关规程进行，指标要求和具体性能指标如表 2-4，2-5 ， 2-6 所示表 2-4表 2-5表 2-62.2.2 级配本试验采用 Superpave 级配设计方法进行导热沥青混凝土级配设计。美国公路战略研究计划(SHRP)改进级配设计方法，采用 0.45 次方最大级配线图，同时特定了级配的控制点和禁区。控制点为级配曲线必须通过的几个特定尺寸，禁区为级配曲线在最大理论密度线0.3-2.36mm

7、 附近不希望通过的区域，为集料间留有一定的空隙，以便导热相填料的填充。采用 Superpave 12.5的级配，合成级配如图 2-1 所示 : 图 2-12.2.3 试验方法2.2.3.1 沥青及沥青混合料基本性能依据中华人民共和国行业标准 JTJ052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行沥青胶浆的软化点、针入度、延度及沥青混合料的体积性能、水稳定性、高温稳定性试验 【6】 。2.2.3.2 沥青胶浆粘度采用美国 Brookfield Engineering 公司生产的 Brookfield 粘度计(ModelDV-II+)测试沥青胶浆的粘度。2.2.3.3 沥青胶浆流变性能利用奥地

8、利 Anton Paar 公司生产的 Physical MCR 101 型动态剪切流变仪测试不同石墨掺量下沥青胶浆的复数剪切模量(G) 和相位角(s) ，以分析其流变性能。 2.2.3.4 导热沥青混凝土热学参数采用瑞典 Hot Disk 公司生产的导热系数仪测试石墨掺量对沥青混凝土热学参数的影响。2.2.3.5 导热沥青路面温度场分布利用有限元软件，建立基于材料热学参数的二维、瞬态路面温度场分布模型，以评价材料的热学参数对路面温度场分布的影响。2.2.3.6 沥青混凝土的动态及疲劳特性利用澳大利亚 IPC 公司生产的 UTM-25 动态侍服液压试验系统测试导热沥青混凝土的动态模量及疲劳特性。

9、2.2.4 试验结果分析(1)适量石墨掺入后，沥青胶浆表现出针入度下降、软化点升高、延度减小、粘度增大、当量脆点降低、温度敏感性下降的趋势，表明适量石墨既能提高胶浆的高温稳定性，又能改善其低温抗裂性能，但延度下降表明石墨会削弱沥青之间的内聚力。(2)适量的石墨能够增大沥青胶浆的复合剪切模量，降低其相位角，表明石墨能够增加沥青胶浆的弹性部分，尤其在较低温度时，石墨对弹性部分的改善效果更为明显，但过多的石墨会造成复合剪切模量的下降及相位角的升高。车辙因子随着石墨掺量的增加而增大，表明石墨能提高沥青胶浆的高温稳定性，且石墨的这种改善作用在复合剪切模量主曲线的低频端表现得更加显著。(3)当石墨掺量由

10、0%增加至 22%时，沥青混凝土的导热系数增大了 37导温系数增大了 63，说明石墨能大大加快热量及温度在沥青混凝土中的传递速率。(4)材料的热学参数对路面温度场的分布具有很大影响，沥青混凝土的导热性能越好，路表温度稍有下降，但路面内部温度随之增大;在 10cm 处，导热系数每增加 1W/mK，温度将增加 0.4590；当石墨掺量为 22%时，10cm 处的最高温度增加了 3.40。(5)石墨掺入后，沥青路面具有更大的变温速率，即路面升温快，降温也快;同时，路面的温度梯度减小了，即路面具有小的正温度梯度和大的负温度梯度，这表明石墨掺入后，能加快热量从路表传到路面内部，从而减少由温度梯度引起路面

11、的热应力破坏。(6)掺入石墨后，沥青混凝土的温度一与频率依赖性没有变化; 在 37.8以下，动态模量随石墨掺量的增加而增大，相位角随石墨掺量的增加而减小;在 37.80摄氏度以上，动态模量随石墨掺量的增加而增大，相位角随石墨掺量的增加先减小，当石墨掺量超过 18%时，相位角又增大。沥青混凝土的车辙因子随石墨掺量的增加而增加，但过多的石墨对车辙因子己无进一步改善效果。(7)掺入石墨后，水稳定性评价指标满足规范要求，但沥青混合料的强度大大下降，碳纤维的掺入能够起到明显的增强效果;石墨能够大幅提高沥青混合料的高温稳定性，碳纤维的掺入能够进一步提高其高温稳定性。在间接拉伸的应力模式下，当应力小于 1.

12、2MPa 时，掺入石墨的沥青混凝土具有更好的耐疲劳性能，且掺入碳纤维后，疲劳寿命有进一步的改善效果。(8)综合考虑沥青及沥青混凝土的路用性能、沥青混凝土的热学参数及其对路面温度的影响，可得:当石墨掺量为 12%时，沥青混凝土具有较好的路用性能 ;石墨掺量越大，路面传热效果越好，但石墨掺量为 18%和 22%的沥青混凝土，两者对路面温度场的影响已相差不大;掺入碳纤维对导热性能无改善作用，但能显著改善沥青混凝土的路用性能。因此，对于导热沥青路面太阳能集热面层来说，宜同时掺入石墨与碳纤维作为导热相填料，且石墨的用量不宜超过 18%。2.3 石墨在道路中应用的可行性由以上试验结果可知，石墨的掺入对沥青

13、路面的路用性能不会产生大的不利影响，甚至在有些方面还会对路面进行加强。另一方面，从成本的角度来看，一吨石墨粉的价格大概在 1200 元左右，并不会对道路造价产生太大影响。综合以上两方面来说，加入石墨的传导沥青混凝土路面的应用是完全可行的。3.利用传热管道实现路面双向热传导的可行性分析在本文的第二部分考虑了加入石墨来提高沥青路面的热传导系数，虽然这样能起到一定调节路面温度的效果，但是单纯依靠路面本身进行的热传导并不能起到很好的调节效果。这里可以利用距离地表 15 米以下土壤的温度常年相对恒定的特点，选取路面中的合适位置加铺传热管道，利用如图 3-1【7】 所示装置来实现温度调节的目的冬季供暖时，

14、通过土壤源热泵装置 3 从地下含水土层 2 中取出热量，通过管道输送至路面 1，用于路面融雪化冰，夏季供冷时，通过土壤源热泵装置 3 从地下含水土层2 中取出冷量，再通过管道输送至路面 1 吸收热量，防止路面高温变行。 图 3-13.1 应用背景路面的双向热传导实质就是对能量的一种蓄存利用，在夏季通过热传导一方面降低路表温度，另一方面实现了能量的储存；冬季时通过热传导使热量由下往上传递，可以达到冬季路面的融雪化冰目的。能量的储存利用技术是未来能源领域可持续发展的重要组成部分和发展战略, 是实现能源可再生化和高效利用的一种有效途径。在能源系统中, 通过可再生能源的蓄存再利用, 提高能量利用率和实

15、现能源补充, 可很好地解决用能效率, 弥补能量耗失。地下作为一个良好的蓄能体和清洁能源库, 越来越被人类所认识。将地能、太阳能、地下蓄能等多种能源整合利用, 并实现于道路安全技术中, 必将成为能源工程的创新技术和极具可持续发展前景的工程技术。依托蓄能再利用, 一直是能源领域的国际前沿问题, 也为 21 世纪能源环境领域的绿色用能提出了新的机遇和挑战。它将减少对常规能源的依赖, 减轻环境污染和改善能源结构。近年来, 美、日以及北欧瑞士、冰岛、挪威、波兰等国家开展道路热融雪研究比较多, 并在循环热流体融雪化冰系统中, 已经实现了季节性蓄能再利用。夏季利用道路循环热流体将强烈的太阳能辐射热能传至地下

16、土壤储存, 即地下蓄能; 冬季循环热流体再将热量提取至路面提高路面温度融雪化冰。如果再通过地源热泵实现升温、控温运行, 可进一步提高能量的利用程度 【8】 。3.2 在路面中加入管道的可行性分析加入传热管道可以实现路面和地下土壤之间的热交换，但是加入这种管道对路面结构有什么影响，还需要下面进一步的探究。3.2.1 路面埋管承重强度的计算路基受力包括两部分:(1)路面和路基自重引起的静载荷(2)车轮载荷引起的动载荷路基土在车轮载荷作用下所引起的垂直应力，1 可用如下公式计算其中:P 车轮的单位压力 (kpa)D 圆形均布荷载作用面积直径(m)Z 圆形均布荷载中心下应力作用点深度(m)路基土自重在

17、路基内深度 Z 处所引起的压应力可用如下公式计算其中R 土的重度(KN/m3)Z 应力作用深度(m)路基内任一点出的车轮荷载所产生的垂直力，土重自重引起的垂直应力 2及两者的应力曲线如图 3-1 所示图 3-1如图埋管深度为 =O.lm，在工作区深度内aZ标准轴载 P=1/2*100KN单轮传压面当量圆直径 D=21.30cm由计算可得管道所受到的压强为 43.3kpa，如果采用的是高密度的聚乙烯管，FE80 (GB/T13663, PrEN1220. 2, IS004427)其能承受的压强为 1.25Mpa，所以在路面以下埋管从受力上看是可行的。3.2.2 管道耐久性分析1948 年, 美国

18、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 Klamath 的一段 140 m 的道路上实施试验工程 , 直到 1997 年该系统运行了近 50 年 , 系统的铸铁管路由于外部腐蚀泄漏, 而于 1998 年秋季采用聚乙烯管路翻新系统重新启用。在我国要求最高的高速公路和一级公路的设计年限是 15 年，其他等级公路设计年限更少，所以在这里管道的耐久性也是不用考虑的。3.3 双向传热管道参数分析3.3.1 传热管道布置间距分析图 3-2 为融雪时间随管间距的变化(外界环境温度为-5 度)。由图可以得融雪所需时间随着管间距的增大而增大。我们注意到当管间距在 0.3m 以内变化时，融雪

19、所需时间变化不大，而当管间距超过 0.3m(取 0.35m)时，融雪所需时间飞速上升，需要 3 倍以上的时间才能融化完。可见管间距对于融雪时间影响较大。所以在设计系统时要注意管间距的选择不要过大。同时，通过该图我们图我们还可以得出在管间距相同的情况下，管径取不同的值对于融雪时间的影响并不明显。也就是说，虽然管径增大能在一定程度上够缩短融雪时间，但是如果我们用增大管间距同时增大管径的方法来融雪，效果不会有很大的改善。 图 3-23.3.2 管道埋置深度与管径分析图 3-3 为融雪时间随埋管深度的变化(外界环境为-5 度)。由图可以得出融雪所需时间随着埋管深度的增大而增大，同埋管深度下管径大融雪所需时间小。相对于等管间距而言，等埋管深度时取不同的管径对于融雪时间影响较大。 图 3-33.4 双向传热管道传热效果分析3.4.1 冬季传热融雪效果应用前文提到的掺入导热相填料石墨的传导沥青混凝土，这里还是采用 Superpave 级配设计，沥青铺装层上面层和中间层采用 Superpave12. 5 级配, 下面层采用 Superpave19. 0 级配, 如表 3-1 所示。表 3-1