一种流体加热道路融雪系统的运行控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种流体加热道路融雪系统的运行控制方法。
【背景技术】
[0002] 道路表面积雪在低温和车辆荷载作用下极易形成薄冰，威胁道路交通安全，制约 道路通行能力和交通运输效率。在国内外众多清除路面冰雪的方式中，撒布化学融雪剂因 材料来源广泛、价格低廉等一系列优势被广泛应用，但其使用局限性和随之而来的负面效 应，促使各国学者相继提出使用能量转化型道路融雪系统代替化学融雪剂主动防止道路表 面结冰。按照能量来源不同，主要分为流体加热系统、热管加热系统以及电加热系统。其中， 流体加热系统以其能源利用率高，系统可控性强，热能来源广泛等优势而备受推崇，并在国 外得到了广泛的使用。
[0003] 目前，流体加热道路融雪技术在我国尚处于起步阶段。现有的融雪特性研究成果 主要集中于融雪过程不同时刻路表温度沿水平方向的分布规律及埋管布设参数等因素对 路表温度分布特性的影响两个方面;但融雪过程是一个随时间连续变化的过程，以往的研 究虽然可以定性分析融雪特点，但无法从宏观上定量地反映融雪特性随时间/不同阶段的 变化特点，更无法建立系统运行参数与融雪特性的定量关系，从而无法针对不同阶段融雪 特点进行有效控制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的流体加热道路融雪系统存在运行过程中系统运 行参数设置盲目，且无法针对融雪过程不同阶段进行有效控制的问题，而提出一种流体加 热道路融雪系统的运行控制方法。
[0005] -种流体加热道路融雪系统的运行控制方法，所述方法通过以下步骤实现：
[0006] 步骤一、确定流体加热道路融雪系统运行的三个融雪阶段:待融阶段、融雪阶段、 融后蒸发阶段;并以待融时间表征待融阶段的融雪性能，以融雪阶段平均固液相变热流密 度表征路表积雪融化能力，以融后平均液汽相变热流密度表征融后蒸发阶段路表水分蒸 发能力；
[0007] 步骤二、运用数值模拟方法，建立流体加热道路融雪性能仿真评价系统；
[0008] 步骤三、获得影响流体加热道路融雪系统的运行状况的相关影响因素：
[0009] 分别以待融阶段、融雪阶段、融后蒸发阶段为研究对象，采用仿真分析法，确定单 位面积输入热负荷、环境温度、初始等效雪层厚度、风速及相对湿度对各阶段融雪特性的影 响，并确定不同融雪阶段的相关影响因素：
[0010] 在待融阶段，随着环境温度的降低，待融时间逐渐增长；当环境温度一定时，随单 位面积输入热负荷的增加，待融时间逐渐降低；另一方面，待融时间对环境温度的敏感性随 着单位面积输入热负荷的降低而显著增加;待融时间对单位面积输入热负荷的敏感性随着 环境温度的升高而降低；
[0011] 在融雪阶段，随着单位面积输入热负荷的增加，平均固液相变热流密度逐渐上升； 随着初始等效雪层厚度的增加，平均固液相变热流密度上升速率显著提高；
[0012] 在融后蒸发阶段，融后蒸发热流密度对单位面积输入热负荷的敏感性随着环境温 度的升高而显著增大;融后平均液汽相变热流密度对环境温度的敏感性随着温度升高、单 位面积输入热负荷的增大而提尚；
[0013] 步骤四、以待融阶段、融雪阶段、融后蒸发阶段所受的相关影响因素作为流体加热 道路融雪系统运行参数，通过比较不同参数设置条件下的融雪性能，提出参数设置方式，从 而制定针对融雪过程不同阶段的定量控制方法：
[0014] 待融阶段：
[0015] 当环境温度较高时，通过降低流体加热道路融雪系统单位面积输入热负荷，提高 融雪效果；
[0016] 当环境温度较低时，通过提高流体加热道路融雪系统单位面积输入热负荷，提高 融雪性能；
[0017]融雪阶段：
[0018]通过提高单位面积输入热负荷提高固液相变热流密度，降低融雪时间；
[0019]融后蒸发阶段：
[0020] 当环境温度较高时，提高单位面积输入热负荷来减少水分蒸发所需时间，降低流 体加热道路融雪系统运行成本；
[0021] 当环境温度低于-21°c时，则需保证单位面积输入热负荷不小于0.4kW/m2,并加大 路拱横坡，改善道路排水设施的方法排除路表融化雪水，防治道路二次结冰。
[0022] 本发明的有益效果为：
[0023] 由于融雪过程路表热流密度是路表温度变化的根本原因，也是分析和理解融雪特 性的关键，本发明从发生于路表的各种热流密度着手，建立流体加热道路融雪系统的运行 策略。
[0024] 本发明一种流体加热道路融雪系统运行控制方法，包括（1)流体加热道路融雪系 统融雪控制方法；（2)流体加热道路融雪系统运行控制策略。
[0025] 可以从宏观上定量反映系统运行参数与融雪过程不同阶段的融雪特性的关系，从 而针对不同时刻/阶段融雪特点开展运行过程控制。
[0026] 本发明所提出的流体加热道路融雪系统运行控制方法可明确不同融雪阶段的显 著影响因素，针对其融雪特性合理调整系统参数，降低系统运行成本并取得良好的融雪效 果，特别是首次针对融后蒸发阶段所提出的控制方法和运行策略更可显著降低系统运行带 来的负面影响，这对于改善目前流体加热道路融雪系统参数设置盲目，不能针对不同融雪 阶段进行有效控制具有重要的经济效益和社会意义，并且可以为我国当前起步阶段的流体 加热道路融雪系统研究提供理论和技术支持。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明的流程图；
[0028]图2为本发明涉及的环境温度、系统输入热功率对待融过程的影响；
[0029]图3为本发明涉及的初始雪层厚度对待融过程的影响；
[0030] 图4为本发明涉及的风速对待融过程的影响；
[0031] 图5为本发明涉及的空气相对湿度对待融过程的影响；
[0032] 图6为本发明涉及的环境温度、单位面积输入热负荷对固-液相变热流密度的影 响；
[0033] 图7为本发明涉及的初始雪层厚度对固液相变热流密度的影响；
[0034] 图8为本发明涉及的风速对固液相变热流密度的影响
[0035] 图9为本发明涉及的空气相对湿度对固液相变热流密度的影响
[0036] 图10为本发明涉及的环境温度、单位面积输入热负荷对液汽相变热流密度的影 响；
[0037] 图11本发明涉及的风速对液汽相变热流密度的影响；
[0038] 图12本发明涉及的相对湿度对液汽相变热流密度的影响；
[0039]图13本发明涉及的流体加热道路融雪系统待融阶段运行控制图；
[0040]图14本发明实施例1涉及的流体加热道路融雪系统融雪阶段运行控制图；
[0041]图15本发明实施例1流体加热道路融雪系统融后蒸发阶段运行控制图；
【具体实施方式】
[0042]【具体实施方式】一：
[0043] 本实施方式的流体加热道路融雪系统的运行控制方法，结合图1所述，所述方法通 过以下步骤实现：
[0044] 步骤一、确定流体加热道路融雪系统运行的三个融雪阶段:待融阶段、融雪阶段、 融后蒸发阶段;并以待融时间表征待融阶段的融雪性能，以融雪阶段平均固液相变热流密 度表征路表积雪融化能力，以融后平均液汽相变热流密度表征融后蒸发阶段路表水分蒸发 能力；
[0045] 步骤二、运用数值模拟方法，建立流体加热道路融雪性能仿真评价系统，实现了待 融时间、融雪过程平均相变热流密度、融后5小时平均液汽相变热流密度的准确获取；
[0046]步骤三、获得影响流体加热道路融雪系统的运行状况的相关影响因素 ：
[0047] 分别以待融阶段、融雪阶段、融后蒸发阶段为研究对象，采用仿真分析法，确定单 位面积输入热负荷、环境温度、初始等效雪层厚度、风速及相对湿度对各阶段融雪特性的影 响，并确定不同融雪阶段的相关影响因素：
[0048] 在待融阶段，随着环境温度的降低，待融时间逐渐增长；当环境温度一定时，随单 位面积输入热负荷的增加，待融时间逐渐降低；另一方面，待融时间对环境温度的敏感性随 着单位面积输入热负荷的降低而显著增加;待融时间对单位面积输入热负荷的敏感性随着 环境温度的升高而降低；
[0049] 在融雪阶段，随着单位面积输入热负荷的增加，平均固液相变热流密度逐渐上升； 随着初始等效雪层厚度的增加，平均固液相变热流密度上升速率显著提高；
[0050] 在融后蒸发阶段，融后蒸发热流密度对单位面积输入热负荷的敏感性随着环境温 度的升高而显著增大;融后平均液汽相变热流密度对环境温度的敏感性随着温度升高、单 位面积输入热负荷的增大而提尚；
[0051] 步骤四、以待融阶段、融雪阶段、融后蒸发阶段所受的相关影响因素作为流体加热 道路融雪系统运行参数，通过比较不同参数设置条件下的融雪性能，提出合理的参数设置 方式，从而制定针对融雪过程不同阶段的定量控制方法：
[0052]待