专利名称：太阳能光热融雪路面集成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及交通安全领域，具体是在雪天环境下利用太阳能技术融化路面积雪的 系统。
背景技术：
国内外交通部门一直非常重视季冻和寒冷地区路面的交通事故和抗滑问题，尤其 是在路面积雪结冰地区，并作了大量研究，探索出多种抑制路面积雪结冰的方法。目前国内 外常用的融雪化冰方法包括清除法和融化法。清除法又可分为人为清除法和机械清除法两 种；融化法包括化学融化法和热融化法。具体可以分为以下几点。1、撒布融雪剂该方法是国际上较常用的一种路面除冰雪的手段，通过在路面上撒布化学药剂来 降低冰雪融点，使冰雪融化，进而清除积雪和积冰。国内外常用的融冰雪剂主要有盐类和醇 类。从实际使用效果来看，在一定的环境条件下，撒布融雪剂可以有效清除道路冰雪， 改善道路安全状况，提高道路运输效率。但是，醇类融雪剂的除冰雪效果受环境温度影响较 大，并具有反结冰现象，即一旦环境温度下降，被融化的积雪会再冻结成冰，使路面更滑，交 通事故率更高。如果环境温度过低或降雪量过大，融雪剂自身很难快速溶解、融化，须借助 车辆轮胎的碾压作用，所以融冰雪持续时间长，效果差，导致综合成本大幅度升高。绝大多数的盐类融雪剂产品都存在腐蚀性，易腐蚀破坏道路结构和机动车辆，还 会对土壤、水体和大气等造成污染，破坏生态环境。根据美国的一项统计报告，在每年使用 1000万吨融雪剂的情况下，会对道路、车辆造成四亿 59亿美元的损失，对停车场造成 0. 75亿 1. 5亿美元的损失，导致5% 10%的植物病变甚至枯死。另外，融雪剂的使用曾 造成北京2003年有4000多棵大树和4万多株灌木死亡，草地受害面积达3万多平方米，直 接经济损失1500多万元。这种方法对冰雪清除较彻底，但效率低，费用高，作业时影响车辆通行及行车安 全，不能长时间作业，适用于雪量较小时或重点难点路段的冰雪清除。2、撒布砂石材料在冰雪路面上撒布一定粒径的砂石材料，如砂、石屑、炉灰、煤渣和砂盐混合料等， 能提高冰雪路面的摩擦系数。砂石的存在一方面使冰雪层的冻结强度不均勻，另一方面，砂 石在冰雪层的运动使得雪不易压实，达到了抗滑的目的。该方法对积雪清除较彻底，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，主要适用于小雪及难点路段的 积雪清除，且该方法是被动方式操作，具有滞后性。3、机械清除方法机械清除法由于采用机械设备(机械车辆铲、推、扫等)故设备效率高，适合于大 面积机械化清除作业，但当气温较低时，由于冰与路面之间的粘结力较大，单独使用机械除 雪效果并不好，对冰面清除不彻底，不能从根本上解决路面的抗滑能力，行车安全得不到有效保障。而机械吹雪方式虽然除雪安全环保，但只适用于机场等便于管理、较小范围、未经 碾压过、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，而且积雪一旦 被碾压或结冰则无能为力，该方式不适合交通量较大的公路和城市道路除雪。可见，机械式 除雪需要大量的人力、物力和设备，且属于被动式滞后操作，需要一定时间才能使交通恢复 正常，且除雪机械受季节影响强、使用频率低、经济效益较差。4、热力融冰雪方法此种方法利用热水、燃气、电等产生的热量使冰雪融化，如喷洒热水法、喷洒融雪 剂法、汽车加热-机械融化法等。此类方法融雪化冰虽效果较好，但这些方法往往耗能较大，且融化的雪水进入路 面结构时会将路表的灰尘等杂质带入，在路面结构内部积存，进而堵塞孔隙，致使排水不 畅，影响雪水的排除。5、自应力路面抑制冰雪技术主要通过在路面铺装材料内添加一定量的弹性颗粒材料，改变路面与轮胎的接触 状态和路面的变形特性，利用弹性材料局部变形能力较强的特性，通过路面在外荷载作用 下产生的自应力，使路面冰雪破碎融化，从而有效抑制路面积雪和结冰。此类技术中常用的 弹性材料多为由废旧轮胎加工而成的橡胶颗粒。这不但可以有效提高路面的除冰雪能力， 提高道路安全性能和运输效率，而且为废旧弹性材料的回收利用提供科学、合理的新途径， 利于环境保护，节省资源。这是一种被动融雪方式，融雪的效果不太好。6、导电铺面融冰雪技术在路面铺装材料中掺入聚合物类、碳类或金属类导电掺合料，使高绝缘性的路面 铺装材料具备热和电的感知和转换能力，将电能转变为热能，热能通过铺面材料与冰雪的 接触面向上传导，冰雪吸收热量后温度逐渐升高，实现融雪(冰)的目的，该方法耗能较大， 路面绝缘材料的研究和应用也没有完成，其研究和推广值得进一步的探讨和升华。7、能量转化型融冰雪技术能量转化型融冰雪技术是通过能量转化设备，将其他形式的能量转化为热能，达 到融雪(冰)的目的。可以利用的能量主要有工业电能、太阳能和地热等多种能量。该项技术可以提高 能源利用率，而且清洁环保，适合于机场、桥面和高速公路的长大纵坡等局部路段的融冰雪 的需要。常见的有发热电缆法、红外线热源法、储蓄地热源热管融化法、太阳能热管法等，由 于受能量来源的限制，利用土壤源热管和太阳能电管的融冰雪技术正逐步成为研究热点。土壤源热管融冰雪技术是在路(桥)面内埋置热管，利用土壤源热管，经地下换 热器从地下提取热土壤中的低位热能，经热管提升后，通过水泵把温度较高的流体输送到 路(桥)面内的排管里面。高温热流体在排管内流动时，把热量通过对流换热方式，传入路 (桥)面。当路(桥)面的温度达到o°c以上时，其表面上的冰雪就会融化，从而达到融雪 (冰)的目的。而太阳能电能融雪化冰路面技术，是利用太阳能储存转换系统给埋置在路面 中的电管加热，在规定的不影响交通安全的时间内，使路面积攒的冰雪迅速融化，从而达到 路面除冰雪的目的。现有的融雪技术主要有通过机械铲雪吹雪，融雪剂等方法，具有环境破坏性及融 雪滞后性。另外还有采用工业电能和地源热泵融雪，其成本较高。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种太阳能光热融雪路面集成 系统，该系统直接将太阳能转化为热能，可以有效融化路面积雪。太阳能光热融雪路面集成系统，其技术方案是所述系统主要由太阳能集热系统、 路面散热系统和控制系统组成。所述太阳能集热系统包括集热器和蓄热水箱，所述路面散 热系统包括热管，所述控制系统包括控制器和温度传感器。集热器一端通过集热器供水管 与蓄热水箱连接，所述集热器供水管上有温度传感器与控制器连接，集热器另一端通过集 热器回水管与蓄热水箱的底部连接，所述集热器回水管上有止回阀、循环泵和温度传感器， 循环泵、温度传感器与控制器连接；所述蓄热水箱通过热管供水管与热管的一端连接，所述 热管供水管上有止回阀、循环泵和温度传感器，循环泵、温度传感器与控制器连接，所述蓄 热水箱通过热管回水管与热管的另一端连接，所述热管回水管上有温度传感器。所述蓄热水箱上有温度传感器。所述蓄热水箱的顶部有排气阀。所述蓄热水箱有辅助加热电源。太阳能光热融雪路面集成系统的工作原理是太阳能集热系统将太阳能直接转化 为热能(加热液体或热空气形式)，路面散热系统将热能循环传入热管，热管加热路面板而 实现有效融雪，控制系统为控制融雪系统的集热和散热过程。以水介质为例，太阳能集热器通过太阳能来加热集热器中的水，热水通过集热器 供水管进入蓄热水箱储存。当热水储存到一定容量时，通过控制器开动循环泵，蓄热水箱的 热水从热管供水管向热管供应热水，然管即加热路面实现融雪，使用过的水通过热管回水 管返回蓄热水箱继续被加热。当蓄热水箱内的水温降低到一定温度时，通过控制器开动循 环泵，蓄热水箱内的水从集热器回水管返回到集热器内继续被加热，这样实现水的循环，保 证蓄热水箱内部的储存水稳定在一定温度。路面的加热，需要热管中的热水保证在一定的 温度范围，但当蓄热水箱内的储存水依然无法达到所述温度范围的热水时，开动辅助加热 电源给蓄热水箱的储存水加热。在集热器回水管和热管供水管设置止回阀的目的是为了防止水的逆流。在蓄热水 箱的顶部设置排气阀的目的是当蓄热水箱积聚太多蒸汽时利于排气。在集热器供水管和集 热器回水管设置温度传感器的目的是为了监控集热器和蓄热水箱的温度变化，保证将蓄热 水箱的水温控制在一定范围内。在热管供水管和热管回水管上设置温度传感器的目的是为 了监控热管和蓄热水箱的温度变化，再通过设置在蓄热水箱上的温度传感器来开动辅助加 热电源，保证蓄热水箱向热管的供水温度达到所需要求。
图1太阳能光热融雪路面集成系统结构图。图中，1为集热器，2为集热器供水管，3为蓄热水箱，4为集热器回水管，5为循环 泵，6为止回阀，7为温度传感器，8为温度传感器，9为排气阀，10为辅助加热电源，11为温 度传感器，12为循环泵，13为止回阀，14为温度传感器，15为温度传感器，16为热管供水管， 17为热管回水管，18为热管，19为路面，20为控制器。
具体实施例方式如图1所示，太阳能光热融雪路面集成系统，所述系统主要由太阳能集热系统、路 面散热系统和控制系统组成。所述太阳能集热系统包括集热器1和蓄热水箱3，所述路面散 热系统包括热管18，所述控制系统包括控制器20和温度传感器。集热器1 一端通过集热器 供水管2与蓄热水箱3连接，所述集热器供水管2上有温度传感器7与控制器20连接，集 热器1另一端通过集热器回水管4与蓄热水箱3的底部连接，所述集热器回水管4上有止 回阀6、循环泵5和温度传感器8，循环泵5、温度传感器8与控制器20连接；所述蓄热水箱 3通过热管供水管16与热管18的一端连接，所述热管供水管16上有止回阀13、循环泵12 和温度传感器14，循环泵12、温度传感器14与控制器20连接，所述蓄热水箱3通过热管回 水管17与热管18的另一端连接，所述热管回水管17上有温度传感器15。所述蓄热水箱3上有温度传感器11，蓄热水箱3的顶部有排气阀9，蓄热水箱3有 辅助加热电源10。常用集热器有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器。平板太 阳集热器结构简单、固定安装、可以采集太阳直射辐射和散射辐射、集热器与环境间温差不 大时热效率较高、成本较低，但它防冻抗冻能力差，不适合在寒冷地区使用。全玻璃真空管 集热器具有保温性能好、热效率高和抗冰雹等优点，但也存在着运行不安全、密封不可靠、 结垢、不承压、集热器寿命短等缺点。热管式真空管集热器具有以下优点热管工质热容量 小，启动快；真空集热管内没有水，耐冰冻；真空集热管内没有水，耐热冲击；热管和连集管 是金属，承压能力强；热管有“热二极管效应”，保温好；“干性连接”不漏水，运行安全可靠； 真空集热管“干性连接”，易于安装维修，但成本高，当集热器与环境之间温度差小时，其热 效率低。从技术经济性能综合考虑，平板集热器适用于华南地区，即冬季温度高于o°c的地 区，全玻璃真空管集热器适合华北及部分西北东北地区，即冬季最低温度高于-15°C的地 区，热管真空管适宜高寒地区应用。集热器可以通过并联、串联和串并联混合等方式连接成集热器组。在保证管路等 程的前提下，尽量多串联，少并联。其并联机组不易超过六组，并联太多，宜造成循环流量不 均衡，阀门调节不能保证流量均勻，这样会造成系统热效率下降。集热器传热介质应根据地区气温条件确定。比如，冬季的极端最低气温在-16. 5°C 以下的地区，易引起集热器侧传热介质的冻结，导致集热器的冷损伤，在传热介质中加入防 冻剂(例如乙二醇)是解决传热介质冻结的有效方法，采用闭合循环，考虑到传热介质的泄 露损失，需要设置传热介质补给箱。路面散热系统在室内试验时采用的是热水循环系统，常见埋管形式有三种螺旋 形、往复型和直列型。热管铺设在混凝土路基中，考虑到加工工艺的复杂性，目前热力道路 融雪系统一般选取直列型埋管方式。由于太阳辐射强度既受到昼夜、季节和地理位置等规律性因素的影响，又受到天 气变化等随机因素的制约，因此，太阳能蓄热技术显得尤为重要。在各种蓄热技术中，显热 蓄热的原理最简单、技术最成熟、成本最低。显热蓄热包括液体显热蓄热和固体显热蓄热， 采用液体进行显热蓄热，是各种显热蓄热方式中技术最成熟、应用最普遍的一种，因路面加 热系统采用液体循环，所以采用液体显热储热。
太阳能热水系统的蓄热水箱一般为常压水箱，具有足够的强度和刚度。蓄热水箱 由冷轧钢板制成，可延长其使用寿命。一般蓄热水箱的大小与集热面积以及集热温度有关， 一般Im2集热器对应蓄热水箱的体积为50 100L。蓄热水箱外采用聚氨酯硬质泡沫塑料 保温层。集热器与蓄热水箱的位置关系及管道阻力，采用强制循环方式，蓄热水箱蓄热与 否由集热器侧循环泵的运行决定。考虑到太阳能利用的间歇性和不可靠性，不宜采用手动 控制循环泵的启停，因此，采用控制器自动控制集热器侧循环泵的启停。由于太阳能的不稳定性，太阳能光热系统中必须有一辅助加热电源，当太阳辐照 不足时，可开启三通阀，利用辅助热源加热。辅助热源的选择有多种方式，可以采用电加热 方式，也可以采用地源热泵。系统的控制原理如下集热器温度与水箱中的水温之差大于6°C时，循环泵5启 动，将集热器中的热水与水箱热交换，两者温差小于;TC时，循环泵5自动停止。水箱中温度 小于所要求温度40°C时启动辅助热源，将温度加热到45°C时自动停止。由于系统只在融雪时运行，循环流体选用乙二醇防冻液，故系统不需要防冻循环， 若循环流体采用水，则需要防冻循环，使运行成本增加。
权利要求
1.太阳能光热融雪路面集成系统，其特征在于所述系统主要由太阳能集热系统、路 面散热系统和控制系统组成；所述太阳能集热系统包括集热器(1)和蓄热水箱(3)，所述路 面散热系统包括热管(18)，所述控制系统包括控制器00)和温度传感器；集热器(1) 一端 通过集热器供水管( 与蓄热水箱( 连接，所述集热器供水管( 上有温度传感器(7)与 控制器00)连接，集热器(1)另一端通过集热器回水管(4)与蓄热水箱C3)的底部连接，所 述集热器回水管(4)上有止回阀(6)、循环泵(5)和温度传感器(8)，循环泵(5)、温度传感 器⑶与控制器OO)连接；所述蓄热水箱(3)通过热管供水管(16)与热管(18)的一端连 接，所述热管供水管(16)上有止回阀(13)、循环泵(12)和温度传感器(14)，循环泵(12)、 温度传感器(14)与控制器OO)连接，所述蓄热水箱⑶通过热管回水管(17)与热管(18) 的另一端连接，所述热管回水管(17)上有温度传感器(15)。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热融雪路面集成系统，其特征在于所述蓄热水箱 (3)上有温度传感器(11)。
3.根据权利要求1所述的太阳能光热融雪路面集成系统，其特征在于所述蓄热水箱 (3)的顶部有排气阀(9)。
4.根据权利要求1所述的太阳能光热融雪路面集成系统，其特征在于所述蓄热水箱 (3)有辅助加热电源(10)。
全文摘要
本发明公开了一种太阳能光热融雪路面集成系统，所述系统主要由太阳能集热系统、路面散热系统和控制系统组成。所述太阳能集热系统包括集热器和蓄热水箱，所述路面散热系统包括热管，所述控制系统包括控制器和温度传感器，集热器、蓄热水箱、热管通过管道依次相连，再通过控制系统来实现集热和散热。该系统直接将太阳能转化为热能，可以有效融化路面积雪。
文档编号E01C11/26GK102061654SQ20101055863
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者刘迎文, 喻林青, 夏旺民, 尉学勇, 贾志裕 申请人:西安中交公路岩土工程有限责任公司