被动地热式融雪融冰装置的制作方法

本实用新型涉及一种道路加热技术，尤其是一种被动地热式融雪融冰装置。

背景技术：

在机场跑道、高速公路、市政道路等大面积露天设施的使用中，冰雪天气会带来巨大的影响，轻则延误交通通行，重则会导致安全事故。因此，上述设施在冰雪天气使用时应该需要进行融雪解冻操作，传统的方式为撒融雪融冰剂，但是撒融雪融冰剂成本较高，对地面设置造成腐蚀，同时还会污染环境。

专利公布号为CN1238721A的中国实用新型专利中公开了一种超导传热介质，可以快速传递热量。

授权公告号为CN201236307Y的中国实用新型专利中公开了一种地热热管式消融路面冰雪装置，利用多根热管将地下温度传递至地表，进行融雪，但是此方案存在缺点。热管难以深入地下，寒冷地区仅靠极浅层的地热能难以进行融雪作业，另外，为了保证供热均匀，还需在使用处密集打孔放置热管，对地面强度造成影响，同时不方便后期维护或翻新。

授权公告号为CN201459566U的中国实用新型专利中公开了一种可及时消除路面积雪的地热式路面融雪装置，利用循环水对路面加热，防止表面冻结。此方案同样存在缺点，利用地埋循环水管的方案，虽然加热效果好，但是液体容易受热胀冷缩，影响地表质量，并且损坏时需要将整片路面破坏掉，而且寒冷季节为了防止循环水冻结，需要持续加热，大部分晴朗天气同样需要进行加热，浪费大量能源。

授权公告号为CN1194145C的专利公开了一种利用地热的融雪装置，通过垂直埋设在地下的采热器，和在热交换器之间循环着的第一不冻液采集地热，采集的地热通过热交换器，并随在热交换器与融雪场所设置的放热管之间循环着的第二不冻液的推移，在融雪场所释放热量来融化积雪，采热器和热交换器之间为了使第一不冻液循环而设有往路和回路，在该回路上设置有用于循环第一不冻液的循环泵。本专利是将地下的第一不冻液利用热交换器交换到第二不冻液，该技术利用热交换器进行换热，换热过程增加了热量损失，第二不冻液不能完全吸收第一不冻液的热量，降低了融雪速度。随着热交换器长时间的使用，易出现堵塞、结垢等问题，降低换热效率。在不冻液循环管路中增加了循环泵，增加了能耗。放热管采用水平S型盘管，管路长，增加了管路的沿程阻力，也增加了水泵的能耗。采热器、S型放热管路、热交换器、循环泵，各部分的连接增加了连接口的数量，对管道、设备的连接施工精度有着较高的要求，如若施工质量控制不严格，系统发生泄漏，则会污染岩土体及地下水。

授权公告号为CN103225281B的专利公开了一种利用浅层地热即时融化机场跑道降雪的地源热泵蓄热加热系统，由地埋管换热器、跑道供热管和地源热泵设备这三部分组成，相互之间通过管路连接，管路内灌有热变化介质的，形成三个闭合回路，以满足系统不同的加热、蓄热模式，分别为：将地埋管换热器通过第一进出水总管与地源热泵设备的取热端连成闭合回路一；跑道供热管通过第二进出水总管与地源热泵设备的供热端连成闭合回路二；地埋管换热器通过第三进出水总管与跑道下方供热管连成可独立循环闭合回路三；所述跑道下方供热管的布设采用“分区域分等级的布管方案”，其中，不同区域管路采用并联方式；同一区域不同等级管路并联。本专利技术进行融雪的介质为热变化介质，未披露介质的具体成分，普通介质传热慢，换热效率低。增加地源热泵设备，即增加了投资费用，在积雪不厚或未结冰的时候，开启热泵机组增加了系统的运行费用。放热管采用水平S型盘管，而且增加了第三进出水总管，管路较长，容易出现三方面问题：其一增加了加热管路的沿程阻力，管路的最远端由于水流流速的下降会降低换热效率，影响融雪融冰的速度；其二，在道面下埋设大量的管道，对道面的承载力造成一定的破坏，且由于热胀冷缩的特性，会引起供热管及机场跑道不同程度的热胀冷缩，进而影响跑道的使用寿命；其三，采用水平S型盘管，增加了管道间的连接口，增加了泄漏的风险。本方案中的蓄热模式较难实现，热变化介质存储于管道内，储存热量能力有限，并不能将大量的太阳能热量储存在跑道附近的岩土中。

授权公告号为CN104594156B的专利公开了一种利用隧道内地热的融雪化冰系统，包括热泵机组、供热管和热交换管，所述供热管和热交换管分别与热泵机组联通形成相互独立的两个循环管路；供热管和热交换管内的流体由热泵机组提供循环流动的动力并且通过热泵机组进行热交换。该系统的热交换管布置在隧道的拱顶和两侧边墙，可利用的岩土体的热量值较低，而且仅适用于高温地热区且地热资源丰富的区域，其适用面较窄。供热管内的循环介质为流体，在道面下埋设大量的循环流体的管道，对道面的承载力造成一定的破坏，而且流体一般具有热胀冷缩的特性，会引起供热管及道面不同程度的热胀冷缩，从而影响道路的使用寿命；其三，采用水平S型盘管，增加了管道间的连接口，增加了流体泄漏的风险。

申请公布号为CN107245923A的专利公开了一种利用浅层地热能的智能型桥面融雪化冰系统，包括地下集热系统、桥面散热系统、地源热泵、路面状况检测器和PLC控制系统，地下集热系统由水平和数值地埋管构成循环回路，桥面散热系统由输送管、散热管和回流管构成循环回路，路面状况检测器嵌入到桥面表层并与PLC控制系统连接。地下集热系统与桥面散热系统之间通过地源热泵连接。竖直地埋管埋设于桥梁桩基内部，热量由桩基通过桥墩传递至桥面的过程中会暴露于空气中，且桥墩一般为混凝土结构，是热的良好导体，因此热量损失严重，不能完全将竖直地埋管吸收的地热释放到桥面用以融雪化冰。水平地埋管埋设于路基内部，由于路基脱离了大地岩土体，因此路基的蓄热量较少，且也因为暴露于空气中，热量损失也较为严重。因此该技术的集热系统存在集热量不足且热损失严重的缺陷。地下集热系统及桥面散热系统的换热介质为氯化钠、氯化钙盐水溶液或乙二醇、丙二醇水溶液，以上换热介质均为防冻液，是为了防止换热介质在循环过程中冻结。盐水溶液对大部分的金属具有腐蚀性，虽然该技术中的管材采用聚乙烯或聚丙烯塑料管，但仍会对热泵换热器产生腐蚀，且对皮肤和眼睛有刺激，若发生泄漏则对地下水的品质有影响。乙二醇、丙二醇水溶液使用寿命有限，且有毒。乙二醇在低温工况下粘度增加，这就需要增大泵的功耗，降低了整个热泵系统的效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种被动地热式融雪融冰装置，该装置构造简单，可快速进行道面加热、进行融雪和化冰作业。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种被动地热式融雪融冰装置，包括横向埋设于浅层地表的路面加热管组，在所需升温路面两侧设置有与路面长度方向平行的水平集管和竖向深层埋设的地埋管组，所述路面加热管组和地埋管组均与水平集管连接，水平集管上安装有为循环液在地埋管组及水平集管间的循环提供驱动力的水泵；

所述路面加热管组由总管和支管组成，总管安装于路面外侧且与路面长度方向平行，总管包括嵌套在一起的外管和内管，内外管之间填充有无机导热介质层，且无机导热介质层的两端密封，支管与外管垂直连接，总管内外管间的空腔与支管内腔相连通，形成封闭的内腔；

总管内管两端分别与水平集管连接，且水平集管与路面加热管组总管的内管相联通，水平集管汇集的热量传递至加热管组总管内管，并将总管的内管和外管之间填充的无机导热介质加热，热量传递至路面加热管组的支管，支管将热量传递至道面，实现道面的融雪融冰。

所述内管长度大于外管长度，内管的两端均延伸出外管之外。

所述支管内壁涂有厚度为8～12μm的无机导热介质层。

所述支管以与水平面呈仰角1～2°的状态铺设在道面混凝土层内，最高点距地面为80～100mm。

所述支管采用钢筋支架固定，钢筋支架直接插入混凝土垫层而固定。

所述支管外表面设置有环氧沥青和玻璃丝布缠绕的防腐层，采用“三油两布”式的施工工艺。

所述地埋管组包括多根并列设置的U形地埋管。

所述U形地埋管为单U或双U形管，管径为De32或De25，管材及管件采用高密度聚乙烯PE管。

所述水平集管与U形地埋管组采用热熔方式连接。

水平集管连接U形地埋管组的数量根据集管长度设定，集管管径范围为De40-De90，可根据连接U形地埋管组的数量和水平集管的长度选择合理的水平集管的管径。

水平集管上安装有设置于道面两侧的检查井内的循环水泵、温度计、压力表及高位水箱，检查井为砖砌结构。设置温度计及压力表可方便查看水平集管的温度和压力情况；高位水箱可为系统进行补水，同时可将水系统循环过程中产生的气体及时排出，减少系统运行的阻力。

本实用新型中无机导热介质层中的无机导热介质与中国专利CN1238721A采用的技术方案相同，而且该无机导热介质在市场中有销售，属于公知技术，在此不再赘述。

本实用新型在道面下的加热管组内的传热介质为相变材质，介质受热激发后沿腔壁将受热端热能向冷端传递。加热管组表面具有良好的传热性能，热阻几乎为零，传热速度快，换热效率高。

本实用新型中，融雪融冰装置，由U形地埋管组、水平集管、路面加热管组组成，U形地埋管组与水平集管间由水泵提供循环动力，热量通过热传导的方式传递至路面加热管组。地埋管利用循环液与大地进行换热，可将地热能传递至水平集管，循环泵使循环液在地埋管与水平集管之间循环，水平集管内的热量通过热传导的方式传递至路面加热管，路面加热管通过导热介质将地热能快速覆盖地面，防止地面温度较低而冻结。

冬季地下温度场的温度约为12～16℃（根据项目所在地的纬度及地下水赋存情况而定），被动式的道面加热装置即只有循环水泵，此种升温装置，采用清洁能源，充分符合绿色环保节能的理念，节约了投资和管理费用。该装置仅需在道路施工前，一次性将换热管道埋入地下，且不影响路面的物理性能，不影响使用寿命。U形地埋管组及水平集管采用的PE管材质，具有抗腐蚀、抗氧化，使用寿命长，导热性能较高的优点。

本实用新型相对于传统道路融雪方式投资费用及优点对比如下：

本实用新型的优点如下：

1.应用领域广，可在桥面施工，解决桥面融雪融冰难题；

2.避免道面下走流体，不会因管道损坏而引起道面的破坏；

3.可持续对道面进行加热，不会出现二次积雪结冰现象；

4.绿色环保节能，符合国家政策，不破坏道面结构，不造成环境污染；

5.一次安装成型，无需更换，使用寿命长，节约了后期维护和更换的成本；

6.不需在跑道、路面下钻孔，不破坏地基强度，方便后期系统的维护。

7.道路或机场跑道全时使用，不会因为积雪、冰的存在而停用，提高了使用效率，也增加了经济效益。

8. 在道面施工前完成道面加热管组的铺设，不占用道面施工的工期。

传统的通过融雪剂除冰雪技术的优点是单次撒布用时短，操作简单。缺点是：

1.对混凝土路面设施造成腐蚀，污染路边土质和水质，造成极大的环境污染；

2. 不能即时进行融雪融冰，需立即撒融雪剂，人员机械成本高；

3.降雪导致气温降低后，出现再次积雪结冰的情况，需要多次进行撒布融雪剂，占据大量劳力物力；

4.融雪速度慢，耗时长，降低了道路或飞机跑道的经济效益。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图；

图2是图1中A-A向剖面结构示意图；

图3是本实用新型地埋管换热钻孔剖面图；

图4是图3中B-B向剖面图；

图5是本实用新型施工工艺图；

其中，1.水平集管，2.路面加热管组，3.总管，4.支管，5.地埋管组，6.水泵，7.检查井，8.铜球阀，9.钢塑法兰，10.路面混凝土层，11.无机导热介质层，12.循环液，13. 道路或机场跑道，14.回填材料，15.至供水管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1-图4所示，被动地热式融雪融冰装置，包括横向埋设于浅层地表的路面加热管组2，在所需升温路面两侧设置有与路面长度方向平行的水平集管1和竖向深层埋设的地埋管组5，所述路面加热管组2和地埋管组5均与水平集管1连接，水平集管1上安装有为循环液12在地埋管组5及水平集管1间的循环提供驱动力的水泵6；

路面加热管组2由总管3和支管4组成，总管3安装于路面外侧且与路面长度方向平行，总管3包括嵌套在一起的外管和内管，内管长度大于外管长度，内管的两端均延伸出外管之外。内外管之间填充有无机导热介质层11，外管采用DN65～DN150无缝钢管。加热总管3单根长度为2～3m，可多根串联，总管内外管间的空腔与支管内腔相连通，形成封闭的内腔，无机导热介质不会泄漏。

水平集管1与路面加热管组2的总管3的内管相联通，内管与水平集管1通过钢塑法兰9连接，流经液体为循环液12，内管采用DN32～DN80无缝钢管；水平集管1汇集的热量传递至加热管组的总管3的内管，并将总管3的内管和外管之间填充的无机导热介质层11加热，热量传递至路面加热管组2的支管4，支管4将热量传递至路面，实现路面的融雪融冰。

支管4间距为300mm～400mm，连接至加热总管3的组数根据实际情况确定。支管4采用钢管材质，管径为32mm，壁厚3mm，长度为2m～20m不等，可根据道面宽度决定。支管4垂直于总管3，铺设于道面下部；支管4内壁涂有厚度为8～12um的无机导热介质层11。支管4以与水平面呈仰角1～2°的状态铺设在路面混凝土层10内，最高点距地面为80～100mm。支管4采用钢筋支架直接插入混凝土垫层内而固定。支管4外表面设置有环氧沥青和玻璃丝布缠绕的防腐层。

地埋管组5包括多根并列设置的U形地埋管。U形地埋管为单U或双U形管，管径为De32或De25，管材及管件采用高密度聚乙烯PE管。

本实用新型中无机导热介质层11中的无机导热介质与中国专利CN1238721A采用的技术方案相同，而且该无机导热介质在市场中有销售，属于公知技术，在此不再赘述。本实用新型在道面下的加热管组内的传热介质为无机导热介质，介质受热激发后沿腔壁将受热端热能向冷端传递。加热管组表面具有良好的传热性能，热阻几乎为零，传热速度快，换热效率高。

本实用新型中，融雪融冰装置，由U形地埋管组5、水平集管1、路面加热管组2组成，U形地埋管组5与水平集管间由水泵6提供循环动力，热量通过热传导的方式传递至路面加热管组2。

在道路或机场跑道13两侧进行钻孔施工，钻孔深度可选择为80～200m，孔径为150～200mm，钻孔内埋设U形地埋管，地埋管内填充循环液12。U形地埋管组5将地下蕴藏的热量通过循环液的循环传递至水平集管1。

U形地埋管深埋入钻孔，管内注入循环液，通过循环液的循环提取地下温度场的热量，U形地埋管均布置于需要升温道面的两侧，其型式为单U或双U形管，管径可选择De32或De25，管材及管件采用高密度聚乙烯PE管(承压1.6MPa)。U形地埋管组埋设入钻孔后立即回填封孔，采用机械回填，确保回填密实度。钻孔为竖直方向，深度可根据工程规模及工程所在地的地质构造进行选择，一般为80～200m；钻孔间距为4～6m。

水平集管1安装于道面两侧，与道路呈平行状态。采用PE材质，水平集管管径范围为De40-De90，可根据连接U形地埋管组的数量和集管长度设置合理的水平集管的管径。水平集管与U形地埋管组采用热熔方式进行连接。热熔连接前后，连接工具加热面上的污物应用洁净棉布擦净；热熔连接管材的连接端应切割垂直，并用洁净棉布擦净管材和管件连接面上的污物，标出插入深度，刮除其表皮；管材和管件加热完毕，应迅速脱离连接工具，并用均匀外力插至标记深度；热熔连接的保压、冷却时间，应符合热熔连接工具生产厂和管件、管材生产厂的规定，在保压、冷却期间不得移动连接件或在连接件上施加外力。水平集管连接U形地埋管组的数量都根据项目的实际情况进行确定。

水平集管1上安装有设置于道面两侧的检查井7内的循环水泵6、温度计、压力表及高位水箱，检查井7为砖砌结构。设置温度计及压力表可方便查看水平集管1的温度和压力情况；高位水箱可为系统进行补水，同时可将水系统循环过程中产生的气体及时排出，减少系统运行的阻力。

水泵6为循环液在U形地埋管组5及水平集管1间的循环提供驱动力。水泵6安装在水平集管1上，通过钢塑法兰9进行连接。水泵6的选择根据U形地埋管组的埋设深度、水平集管1连接U形地埋管组的数量等项目的实际情况进行确定。

水平集管1与路面加热管组2的内管采用钢塑法兰9进行连接；并在钢管段钢塑法兰9的两侧安装铜球阀8，以方便清洗、拆装。

被动地热式融雪融冰装置的施工工艺（如图5所示），包括以下步骤：

A.地埋管组及水平集管施工安装：

1）现场调查，管道工程施工前，应根据施工需要进行调查研究，并应掌握管道沿线的情况和资料：现场地形、地貌和各种管线情况；工程地质和水文地质资料；气象资料；工程用地、交通运输及排水、施工供水、供电条件；

2)定位放线，根据图纸，确定管道变向点、分支点和变坡点，并据此确定管路走向，在确定的点上打坐标桩，标出管沟中心及挖沟深度，沿桩用线绳拉直，撒白灰；

3)钻孔工序：开孔—扩孔—钻进至终孔—二次探孔—下管—填埋密实—起拔套管；

4)竖直地埋管组下管，为保证下管深度符合设计要求，必须做到提完钻杆后不停顿立即下管

5)钻孔回填，钻孔完毕、下完U形地埋管组后，采用机械回填，确保回填密实度；

6)沟槽开挖及回填，竖直地埋管组道施工完毕并经检验合格后，进行水平沟槽的开挖，待水平集管铺设安装完成后及时回填；

7)管道的热熔连接，为保证工程质量，水平集管连接采用热熔方式；热熔承插连接分为五个阶段：预热阶段、吸热阶段、加热板取出阶段、承插阶段和冷却阶段；

8)道面两侧砌筑检查井，并安装置于其内部的循环水泵、温度计、压力表及高位水箱；

B .路面加热管组施工安装

1）路面加热管组（总管与支管）由车间加工成品运至施工现场，采用小型吊车吊装，同时由移动平板车负责加热管组搬运；

2）路面加热管组运至现场后分区摆放，具体摆放区域将根据现场流水作业分区的设置位置；

3）平面定点位置调整采用经纬仪、塔尺及钢尺进行，加热管组标高位置调整采用水准仪、塔尺仪器进行复核到位，固定采用绑扎固定方式。

4）采用钢筋支架将加热管组支管固定在混凝土垫层内；

5）采用钢塑法兰连接路面加热管组总管的内管与水平集管；连接完成后，将由U形地埋管组、水平集管和加热管组内管组成的循环系统进行水压试验，确保循环管路的严密性；并完成沟槽的回填。

冬季地下温度场的温度约为12～16℃（根据项目所在地的纬度及地下水赋存情况而定），被动式的道面加热装置即只有循环水泵，此种升温装置，采用清洁能源，充分符合绿色环保节能的理念，节约了投资和管理费用。该装置仅需在道路施工前，一次性将管道埋入地下，且不影响路面的物理性能，不影响使用寿命。U形地埋管组及水平集管采用的PE管材质，具有抗腐蚀、抗氧化，使用寿命长，导热性能高的优点。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。