一種流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 道路表面積雪在低溫和車輛荷載作用下極易形成薄冰，威脅道路交通安全，制約 道路通行能力和交通運輸效率。在國內(nèi)外眾多清除路面冰雪的方式中，撒布化學(xué)融雪劑因 材料來源廣泛、價格低廉等一系列優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，但其使用局限性和隨之而來的負面效 應(yīng)，促使各國學(xué)者相繼提出使用能量轉(zhuǎn)化型道路融雪系統(tǒng)代替化學(xué)融雪劑主動防止道路表 面結(jié)冰。按照能量來源不同，主要分為流體加熱系統(tǒng)、熱管加熱系統(tǒng)以及電加熱系統(tǒng)。其中， 流體加熱系統(tǒng)以其能源利用率高，系統(tǒng)可控性強，熱能來源廣泛等優(yōu)勢而備受推崇，并在國 外得到了廣泛的使用。
[0003] 目前，流體加熱道路融雪技術(shù)在我國尚處于起步階段?，F(xiàn)有的融雪特性研究成果 主要集中于融雪過程不同時刻路表溫度沿水平方向的分布規(guī)律及埋管布設(shè)參數(shù)等因素對 路表溫度分布特性的影響兩個方面;但融雪過程是一個隨時間連續(xù)變化的過程，以往的研 究雖然可以定性分析融雪特點，但無法從宏觀上定量地反映融雪特性隨時間/不同階段的 變化特點，更無法建立系統(tǒng)運行參數(shù)與融雪特性的定量關(guān)系，從而無法針對不同階段融雪 特點進行有效控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的流體加熱道路融雪系統(tǒng)存在運行過程中系統(tǒng)運 行參數(shù)設(shè)置盲目，且無法針對融雪過程不同階段進行有效控制的問題，而提出一種流體加 熱道路融雪系統(tǒng)的運行控制方法。
[0005] -種流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行控制方法，所述方法通過以下步驟實現(xiàn)：
[0006] 步驟一、確定流體加熱道路融雪系統(tǒng)運行的三個融雪階段:待融階段、融雪階段、 融后蒸發(fā)階段;并以待融時間表征待融階段的融雪性能，以融雪階段平均固液相變熱流密 度表征路表積雪融化能力，以融后平均液汽相變熱流密度表征融后蒸發(fā)階段路表水分蒸 發(fā)能力；
[0007] 步驟二、運用數(shù)值模擬方法，建立流體加熱道路融雪性能仿真評價系統(tǒng)；
[0008] 步驟三、獲得影響流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行狀況的相關(guān)影響因素：
[0009] 分別以待融階段、融雪階段、融后蒸發(fā)階段為研究對象，采用仿真分析法，確定單 位面積輸入熱負荷、環(huán)境溫度、初始等效雪層厚度、風(fēng)速及相對濕度對各階段融雪特性的影 響，并確定不同融雪階段的相關(guān)影響因素：
[0010] 在待融階段，隨著環(huán)境溫度的降低，待融時間逐漸增長；當環(huán)境溫度一定時，隨單 位面積輸入熱負荷的增加，待融時間逐漸降低；另一方面，待融時間對環(huán)境溫度的敏感性隨 著單位面積輸入熱負荷的降低而顯著增加;待融時間對單位面積輸入熱負荷的敏感性隨著 環(huán)境溫度的升高而降低；
[0011] 在融雪階段，隨著單位面積輸入熱負荷的增加，平均固液相變熱流密度逐漸上升； 隨著初始等效雪層厚度的增加，平均固液相變熱流密度上升速率顯著提高；
[0012] 在融后蒸發(fā)階段，融后蒸發(fā)熱流密度對單位面積輸入熱負荷的敏感性隨著環(huán)境溫 度的升高而顯著增大;融后平均液汽相變熱流密度對環(huán)境溫度的敏感性隨著溫度升高、單 位面積輸入熱負荷的增大而提尚；
[0013] 步驟四、以待融階段、融雪階段、融后蒸發(fā)階段所受的相關(guān)影響因素作為流體加熱 道路融雪系統(tǒng)運行參數(shù)，通過比較不同參數(shù)設(shè)置條件下的融雪性能，提出參數(shù)設(shè)置方式，從 而制定針對融雪過程不同階段的定量控制方法：
[0014] 待融階段：
[0015] 當環(huán)境溫度較高時，通過降低流體加熱道路融雪系統(tǒng)單位面積輸入熱負荷，提高 融雪效果；
[0016] 當環(huán)境溫度較低時，通過提高流體加熱道路融雪系統(tǒng)單位面積輸入熱負荷，提高 融雪性能；
[0017]融雪階段：
[0018]通過提高單位面積輸入熱負荷提高固液相變熱流密度，降低融雪時間；
[0019]融后蒸發(fā)階段：
[0020] 當環(huán)境溫度較高時，提高單位面積輸入熱負荷來減少水分蒸發(fā)所需時間，降低流 體加熱道路融雪系統(tǒng)運行成本；
[0021] 當環(huán)境溫度低于-21°c時，則需保證單位面積輸入熱負荷不小于0.4kW/m2,并加大 路拱橫坡，改善道路排水設(shè)施的方法排除路表融化雪水，防治道路二次結(jié)冰。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：
[0023] 由于融雪過程路表熱流密度是路表溫度變化的根本原因，也是分析和理解融雪特 性的關(guān)鍵，本發(fā)明從發(fā)生于路表的各種熱流密度著手，建立流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行 策略。
[0024] 本發(fā)明一種流體加熱道路融雪系統(tǒng)運行控制方法，包括（1)流體加熱道路融雪系 統(tǒng)融雪控制方法；（2)流體加熱道路融雪系統(tǒng)運行控制策略。
[0025] 可以從宏觀上定量反映系統(tǒng)運行參數(shù)與融雪過程不同階段的融雪特性的關(guān)系，從 而針對不同時刻/階段融雪特點開展運行過程控制。
[0026] 本發(fā)明所提出的流體加熱道路融雪系統(tǒng)運行控制方法可明確不同融雪階段的顯 著影響因素，針對其融雪特性合理調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，降低系統(tǒng)運行成本并取得良好的融雪效 果，特別是首次針對融后蒸發(fā)階段所提出的控制方法和運行策略更可顯著降低系統(tǒng)運行帶 來的負面影響，這對于改善目前流體加熱道路融雪系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置盲目，不能針對不同融雪 階段進行有效控制具有重要的經(jīng)濟效益和社會意義，并且可以為我國當前起步階段的流體 加熱道路融雪系統(tǒng)研究提供理論和技術(shù)支持。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0028]圖2為本發(fā)明涉及的環(huán)境溫度、系統(tǒng)輸入熱功率對待融過程的影響；
[0029]圖3為本發(fā)明涉及的初始雪層厚度對待融過程的影響；
[0030] 圖4為本發(fā)明涉及的風(fēng)速對待融過程的影響；
[0031] 圖5為本發(fā)明涉及的空氣相對濕度對待融過程的影響；
[0032] 圖6為本發(fā)明涉及的環(huán)境溫度、單位面積輸入熱負荷對固-液相變熱流密度的影 響；
[0033] 圖7為本發(fā)明涉及的初始雪層厚度對固液相變熱流密度的影響；
[0034] 圖8為本發(fā)明涉及的風(fēng)速對固液相變熱流密度的影響
[0035] 圖9為本發(fā)明涉及的空氣相對濕度對固液相變熱流密度的影響
[0036] 圖10為本發(fā)明涉及的環(huán)境溫度、單位面積輸入熱負荷對液汽相變熱流密度的影 響；
[0037] 圖11本發(fā)明涉及的風(fēng)速對液汽相變熱流密度的影響；
[0038] 圖12本發(fā)明涉及的相對濕度對液汽相變熱流密度的影響；
[0039]圖13本發(fā)明涉及的流體加熱道路融雪系統(tǒng)待融階段運行控制圖；
[0040]圖14本發(fā)明實施例1涉及的流體加熱道路融雪系統(tǒng)融雪階段運行控制圖；
[0041]圖15本發(fā)明實施例1流體加熱道路融雪系統(tǒng)融后蒸發(fā)階段運行控制圖；
【具體實施方式】
[0042]【具體實施方式】一：
[0043] 本實施方式的流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行控制方法，結(jié)合圖1所述，所述方法通 過以下步驟實現(xiàn)：
[0044] 步驟一、確定流體加熱道路融雪系統(tǒng)運行的三個融雪階段:待融階段、融雪階段、 融后蒸發(fā)階段;并以待融時間表征待融階段的融雪性能，以融雪階段平均固液相變熱流密 度表征路表積雪融化能力，以融后平均液汽相變熱流密度表征融后蒸發(fā)階段路表水分蒸發(fā) 能力；
[0045] 步驟二、運用數(shù)值模擬方法，建立流體加熱道路融雪性能仿真評價系統(tǒng)，實現(xiàn)了待 融時間、融雪過程平均相變熱流密度、融后5小時平均液汽相變熱流密度的準確獲取；
[0046]步驟三、獲得影響流體加熱道路融雪系統(tǒng)的運行狀況的相關(guān)影響因素 ：
[0047] 分別以待融階段、融雪階段、融后蒸發(fā)階段為研究對象，采用仿真分析法，確定單 位面積輸入熱負荷、環(huán)境溫度、初始等效雪層厚度、風(fēng)速及相對濕度對各階段融雪特性的影 響，并確定不同融雪階段的相關(guān)影響因素：
[0048] 在待融階段，隨著環(huán)境溫度的降低，待融時間逐漸增長；當環(huán)境溫度一定時，隨單 位面積輸入熱負荷的增加，待融時間逐漸降低；另一方面，待融時間對環(huán)境溫度的敏感性隨 著單位面積輸入熱負荷的降低而顯著增加;待融時間對單位面積輸入熱負荷的敏感性隨著 環(huán)境溫度的升高而降低；
[0049] 在融雪階段，隨著單位面積輸入熱負荷的增加，平均固液相變熱流密度逐漸上升； 隨著初始等效雪層厚度的增加，平均固液相變熱流密度上升速率顯著提高；
[0050] 在融后蒸發(fā)階段，融后蒸發(fā)熱流密度對單位面積輸入熱負荷的敏感性隨著環(huán)境溫 度的升高而顯著增大;融后平均液汽相變熱流密度對環(huán)境溫度的敏感性隨著溫度升高、單 位面積輸入熱負荷的增大而提尚；
[0051] 步驟四、以待融階段、融雪階段、融后蒸發(fā)階段所受的相關(guān)影響因素作為流體加熱 道路融雪系統(tǒng)運行參數(shù)，通過比較不同參數(shù)設(shè)置條件下的融雪性能，提出合理的參數(shù)設(shè)置 方式，從而制定針對融雪過程不同階段的定量控制方法：
[0052]待