基于空气源热泵的公路融雪系统性能分析——以济源地区为例.pdf

第2 2 卷第3期2023年9 月济源职业技术学院学报Journal of Jiyuan Vocational and Technical CollegeVol.22No.3Sep.2023基于空气源热泵的公路融雪系统性能分析以济源地区为例赵成明1，张晓晨，赵坤正3,张鹏飞（1.济源职业技术学院建筑工程学院，河南济源459 0 0 0;2.青岛海信日立空调系统有限公司，山东青岛2 6 6 0 0 0；3.河南开放大学组织人事处，河南郑州450 0 46 4.济源市气象局，河南济源459 0 0 0）摘要：为研究空气源热泵系统在北方寒冷地区的冬季融冰性能，对济源市具有代表性某段山区公路的典型降雪日进行融雪负荷计算，从山区公路的负荷特性入手，确定空气源热泵机组融雪系统的方案配置，与电缆融雪方案进行经济性对比分析，结果表明：空气源热泵融雪系统综合能效比可达到2.6以上，较电缆融雪系统方案节约运营成本和总成本，空气源热泵系统方案是一种比较合理的融雪方案。方案可为实际工程项目设计提供参考，也为我国其他地区公路融雪防冰工程提供参考。关键词：风冷模块；超低温空气源热泵；融雪；能效比D0I:10.3969/j.issn.1672-0342.2023.03.011中图分类号：TG454建设交通强国是党的十九大作出的重大战略决策，强化绿色安全的现代综合交通运输体系是“十四五”期间的发展规划。据相关数据显示，截至2 0 2 2 年底，我国公路通车里程535万公里，其中高速公路17.7 万公里，稳居世界之首。交通运输是社会经济发展的血脉，连续的冬季降雪造成路面出现积雪结冰现象，对交通运输系统及人们的出行带来诸多不便。近年来,国内外学者对融雪化冰问题进行了大量研究1-2 ，例如2 0 0 2 年Rees3基于研究的边界条件提出一种能准确分析融雪过程的二维非稳态模型。2 0 0 4年XiaobingLiu和JefreyD.Spitler41给出了不同埋管间距和埋深对融雪过程动态影响规律,计算结果表明：路面融雪分布状态受温度分布的影响很大。2 0 0 6年,胡文举5 利用有限单元法对二维稳态数学模型进行了数值求解,研究发现：预热对桥面融雪效果有着重要的影响。2 0 11年,徐慧宁6 开发了真实环境下的流体加热道路融雪实验系统并给出系统的运行策略及路面的设计热负荷，开展了温湿耦合融雪模型研究，为流体加热系统在我国的推广应用作出了极大的贡献。2 0 17 年，哈尔滨工业收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 2基金项目：河南省科技攻关项目（2 32 10 2 32 0 2 30）；南阳市科技攻关项目（KJGC037）作者简介：赵成明（19 8 8 一）,男,河南安阳人,讲师,研究方向为空调热泵新技术。文献标识码：A文章编号：16 7 2-0 342(2 0 2 3)0 3-0 0 55-0 7大学的范新萌7 对重力热管/土壤源热泵复合式道路融雪系统传热特性进行了研究。综上所述，目前的融雪方式主要是基于热力学的导电混凝土、发热电缆及地源热泵等主动式融雪技术，且研究热点集中在复杂边界条件下路面传热过程数学模型的建立、下雪及融雪过程的设计负荷的准确计算,并获得了大量有效数据，以此指导工程实践。地源热泵融雪系统是利用浅层地下土壤的低品位热能，转换为高品位热能的热泵融雪系统，在欧洲一些国家已经从研究理论到建立典型的示范工程阶段。然而,对于国内某些地区的山区道路，地源热泵由于受施工安装条件及初投资等影响，并非最合适的选择。鉴于此，本文基于热泵理念选择空气源热泵作为热源，提出空气源热泵融雪系统。目前相关研究比较少，融雪负荷理论计算、行业测试标准及施工工艺水平仍有待完善。本文依据寒冷地区济源市的气象参数，对某段公路下雪天进行融雪负荷计算，确定风冷模块热泵机组融雪系统的方案配置，对空气源热泵公路融雪系统性能进行计算分析,对方案进行对比分析和应55济源职业技术学院学报用评价，为今后在寒冷地区采用低温空气源热泵雨量56 7.9 mm，累年年平均相对湿度6 8%，年极的融雪方案提供参考。端最低气温12.2，冬季气温极端月份在12月到1月。本文以济源长邵线S310（原邵吉线一、项目概况S245)某公路段为例,如图1所示,对融雪防冰雾济源交通便利,具有良好的区位优势和交通方案进行研究。该公路为二级公路建设标准，沥优势。“十四五”时期,济源交通运输将实现交通青混凝土路面，设计行车速度每小时40 公里，路网络布局更加优化、综合运输服务更有品质、安全基宽度为8.5米，路面宽8 米。路面结构层做法应急保障更为有力、行业治理能力更趋高效新格依次为：4厘米细粒式沥青混凝土、5厘米中粒式局。济源市属暖温带季风气候，冬季寒冷，山区雨沥青混凝土、18 厘米水泥稳定碎石、18 厘米水泥雪较多。累年年平均温度14.5，累年年平均降稳定碎石底基层。图1济源长邵线S310（原邵吉线S245）某公路段m/s。济源气象站19 9 12 0 2 0 年的数据如表1所二、公路融雪消冰系统负荷计算示，冬季（12 月到次年2 月）平均风速为1.5m/s，（一）室外计算主要参数根据GB50736-2012民用建筑供暖通风与空气调节设计规范8 ，可知济源周边地市（参考洛阳)冬季空气调节室外计算温度为-5.1，冬季空气调节室外相对湿度为59%，冬季大气压力为10 1kPa,冬季室外最多风向的平均风速为2.1最冷月气象参数海拔高度/m平均风速/m/s平均气温/值140.1数据来源：济源气象站。(二)供热负荷本文采用的计算方法摘自ASHRAEHandbook20199，融雪热通量取决于5个气象因素：(1)降雪速率；(2）与降雪同时发生的空气干球温度；(3)湿度；（4)受热表面附近的风速；(5）视在天空温度。融雪面的尺寸大小影响其表面的热质传递速率，另外如背面和边缘的热损失也必须考虑。根据热量平衡原理，建立的基于稳态能量平衡的融雪面热量需求的公式，如下所示：56最冷月1月平均气温0.6,最冷月1月平均相对湿度6 0%,平均年降雪日数11.6 天,降雪量观测是从2 0 16 年之后才有瞬时观测值。近几年最大降雪出现在2 0 2 1年2 月2 4日，历时10 个小时,最大小时降雪量为4.4 mm/h。表1济源市气象参数冬季最冷月平均相对湿度/%降雪量/mm/h1.50.6q,=pwalerScp,ice(t,-ta)+Cp.wler(tr-t,)/ci,(2)(3)qh=h.(t,-t.)+08,(Tf-TMR),(4)qe=Pdyairhm(W,-W,)hig,(5)式中：9。为融雪所需热通量；9。为显热通量；9 m为潜热通量；A，为无雪面积比；9 h为无雪地表对流和辐射热通量；9。为蒸发热通量；Cp.wate为水的定压比热容;pwater为水的密度；cp,ice为冰的定压比热最大小时604.49。=q s+q m+A,(q h+q e),qm=PwaterShi/Ci,平均年降雪日数/天11.6(1)赵成明，张晓晨，赵坤正，张鹏飞：基于空气源热泵的公路融雪系统性能分析容；S为降雪当量，一般是降雪速率除以10;t。为雪融化温度；t。为降雪时环境温度；t为液膜温度;cl=3.610;h.r为雪的融化热;h。为对流换热系数;为斯蒂芬玻尔兹曼常数；8 为表面发射率;Paryair为干空气的密度；TMr为环境平均辐射温度；h为传质系数；W。为环境空气湿度比；W，为膜表面温度下饱和空气湿度比；h为汽化潜热。h。=0.0 37(airRel式中：kair为空气传热系数;L为板的特征长度;Pr为空气的普朗特数,m建议0.7;Re为基于定型尺寸L的雷诺数。Ret=Vair式中：V为近板表面风速；Uair为空气运动黏度；C2参数t./数值0参数9./W/m2数值16.0三、空气源热泵融雪系统性能分析(一)方案配置融雪系统主要分为两部分，方案配置如图2路面融雪系统原理图所示。图2 中部件1一4表示风冷模块的热泵系统，部件5一8 表示水路融雪o00-0=0.278。式中：A为等效无雪面积；A。为积雪覆盖面积；总面积A,=Ar+A,。Q=q.At,式中:Q为融雪所需热量；为富裕系数（取8Pr.1/30.8VLC22t./-5.19m/W/mRel408.29.86 1052/3Pdry airP,airAfA.=A(6)110%120%，考虑加热面背部和边缘的热量损失）。tm=0.089q。+t r,式中：t为平均加热流体（防冻液)温度。室外设计计算参数及计算结果见表2 和表(7)3,A,=1时单位面积热指标为543.5W/m。表2 室外设计计算参数t/$/%0.5659表 3设计参数(A,=1)he/W/(m.K)7.73换。hta/V/m/s-11.132.1qh/W/mhm/m/s66.56.409 10-3系统。融雪时从机组冷凝器4出来的加一定比例乙二醇的热水经过水路检修阀7 进入路面埋管装置中,使路面温度升高从而融化积雪，与路面换热后,水经过检修阀6 及工质泵5回到冷凝器4,进行循环流动,实现热泵系统与公路融雪的热能转00001001000-0(8)(9)(10)(11)S/mm/h4.4q./W/mq./W/m52.8543.5861.压缩机；2.蒸发器；3.节流阀;4.冷凝器；5.工质泵；6 一7.阀门；8.路面（含埋管）。图2 路面融雪系统原理图路面的地埋管选用的是ASHRAE设计推荐的DN25的PE-X管,具有耐高温、耐低温、耐应力开裂、拉伸强度高、抗老化等性能，选取2 0 0 m的公路段。根据负荷需求，此处选用的是某品牌70型低温风冷模块，参数表见表4,配置三台70kW低温风冷模块机组，该机组采用补气增恰技术，机组铭牌标称值为：室外环境温度为7/6,出水45时，额定制热量达到7 2 kW,能效比COP为3.4；当室外干/湿球温度为12/-14,出水41时,该主机额定制热量达到57济源职业技术学院学报45kW,能效比COP为2.5。表4低温风冷模块参数表机组型号制热量/kW（环温7/6，出水45）制热功率/kW（环温7/6，出水45）制热量/kW（环温-12，出水41）制热功率/kW(环温-12,出水41）制热量/kW（环温-5，出水45）COP/(环温-5,出水45）最高出水温度最低运行环温（二）系统方案能耗分析根据负荷计算,设计要求-5.1地埋管的平均温度为48.9 3，该低温风冷模块机组-5时最高出水可以达到6 0，-15时最高出水可以达到55能够满足设计要求；设计要求在环温-5.1时,出水45,Q为130.4kW，考虑下雪天湿度大、易结霜因素，在室外干球-5/8 5%湿度时，修正因数取0.9 3。三台7 0型号空气源热泵制热量可达148 kW，大于负荷需求130 kW,加上工质泵的功耗，整个系统设计工况运行的综合能效可以达到2.8 以上，系统节能高效运行效果显著。1718192021222324时间/h图3单位面积逐时热负荷量同时，实际热负荷所占设计热负荷量比例值然典型日降雪量为近8 年最大值，但设计工况偏如图4所示，最大值为7 6.0%，主要是由于实际大2 4.0%。工况与设计工况所选气象参数来源路径不同，虽58HFR-70W/H1F72214518533.060-30（三）实际运行效果分析为了更深入地了解该低温风冷模块机组实际运行效果，本文采用典型降雪日2 0 2 1年2 月2 4日13时至2 4时气象参数，进行系统逐时运行性能分析。由图3单位面积逐时热负荷量可知，由于刚降水时，气温和地温大于0 为雨夹雪，导致13时和14时地面融雪热负荷计算结果为负值；晚上8 点至9 点降雪量和湿度达到峰值、温度低等原因，导致地面融雪热负荷达到413.0 W/m；之后，融雪热负荷随着降雪量减小至停止而不断减小。450400350300250200150100500-50-100131415 16赵成明，张晓晨，赵坤正,张鹏飞：基于空气源热泵的公路融雪系统性能分析10090807060%/450403020100-10131415161718192021222324时间/h图4实际热负荷所占设计热负荷量比例值由图5可知，路面平均加热流体（防冻液）温最大值为44.7；tm为设备实际运行温度，间隔度逐时变化情况，考虑实际运行中系统管路、水5。泵、阀门、污垢等热损失6%左右，t为计算温度，50454035302520151050-5101314151617181920 21 222324时间/h图5路面平均加热流体（防冻液）温度考虑实际运行热损失后，路面逐时总热负荷点为10 5.1kW，需要两台设备并联运行。及运行台数如图6 所示,最大逐时总热负荷在2 11201101009080M/7060504030201001415161718192021222324时间/h图6路面逐时总热负荷及运行台数由图7 可知公路融雪系统用空气源热泵运行性能的影响，实际降雪过程中相对湿度达到COP逐时变化情况,COP最小值为2.6,且低于设了10 0%，远大于设计工况相对湿度59%，导致制计工况COP,主要考虑了结霜和除霜过程对系统热量降低、融霜时间增长，严重影响系统运行性能。59ml总负荷台数2数0济源职业技术学院学报3.53.43.33.23.12.92.82.72.62.5141516 1718时间h图7空气源热泵COP优势，顺应国家双碳政策，逐渐应用于北方地区供四、不同融雪方案的经济性能分析暖。风冷模块的热能利用率较高,COP普遍在电缆融雪系统是利用一种导电绝缘性能的绝3.0以上，初投资也较低，是比较理想的山地公路缘电缆埋设在路面结构层内,对电缆通电加热,通融雪方案。过对流和辐射方式传至路面实现融雪，发热线功在进行初投资及运营成本计算时，不但要考率范围一般为17 2 7 W/m。电缆融雪系统是直虑公路铺设的材料费、人工费、电缆电站建设费用接利用电能转化为热能实现融雪化冰,虽然稳定等,同时要考虑不同环温下热源设备的运行耗电性好，但能质利用率低下,在能源问题日益严重、费用。为了便于方案经济性的对比,参考已有文已经威胁到国家经济持续发展的今天，直接利用献林艳艳10 1等已对初投资材料费、人工费等的研高质能融雪化冰将是对能源的极大浪费。低温空究,结合本研究选取2 0 0 m公路参数，得出以下气源热泵供暖系统具有高效、节能和环保等突出表5不同方案的总成本对比。表5不同方案总成本对比方案电缆融雪系统初投资成本/万元13.1运营成本/万元年5总成本/万元18.1运行成本较电缆方案可节省2 万元/2 0 0 m年，五、结论由此可见，采用空气源热泵融雪系统是一种比较地热路面融雪化冰技术虽然取得了很多成理想的融雪解决方案。本文为今后在寒冷地区采果，但还未成熟，仍需要政府、企业以及各界社会用低温空气源热泵融雪方案提供技术方案和实际的大力支持和研究者的科研努力，目前主要有复应用的参考。杂边界条件下路面传热过程数学模型的建立、融参考文献：雪设计负荷的准确计算以及路面管道铺设的优化设计和融雪系统运行过程中的控制等方面。本文采用超低温风冷模块热泵机组的融雪方案应用于公路融雪的养护工程，通过负荷计算及设计匹配，预估采用3台制热量7 0 kW低温风冷模块可以满足2 0 0 m公路的路面融雪，整个系统设计工况综合能效比可以达到2.6 以上，初投资成本较电缆融雪系统高约1万元/2 0 0 m，但实际601920211陈千寻，秦浩，黄晚清，等.道路除冰防治技术综述J.四川建筑,2 0 2 1,41(4):6 0 -6 3.2洪娜，李孔清，王嘉，等.我国道路主动冰雪防治技术发展趋势分析J.黑龙江交通科技，2 0 17,40（12）：192-194.3JREES S J,SRITLER J D,XIAO X.Transient Analysis ofSnow Melting System Performance J.A SH RA ETransactions,2002,108(2):406-423.2223空气源热泵融雪系统14.2216.2赵成明张晓晨,赵坤正,张鹏飞：基于空气源热泵的公路融雪系统性能分析4 LIU X.Development and Experimental Validation ofSimulation of Hydronic Snow Melting Systems for bridgesD.Oklahoma:Oklahoma State University.2005.5胡文举基于土壤源热泵桥面融雪系统的基础研究D哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 0 6.6徐慧宁流体加热道路融雪系统温一湿耦合融雪模型及仿真分析D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2 0 11.7范新萌重力热管/土壤源热泵复合式道路融雪系统传热特性研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2 0 17.8住房和城乡建设部CB50736-2012.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 12.9 ASHRAE.2019 ASHRAE Handbook-HVAC ApplicationsM.Atianta:ASHRAE,2019:Chapter 52.10林艳艳基于土壤源热泵路面融雪系统的实验研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2 0 11.责任编辑苏文芝Performance Analysis of Highway Snow MeltingSystem Based on Air Source Heat Pump-Taking Jiyuan Area as an ExampleZHAO Chengming,ZHANG Xiaochen,ZHAO Kunzheng,ZHANG Pengfei4(1.School of Architecture and Engineering,Jiyuan Vocational and Technical College,Jiyuan 459000,Henan;2.Qingdao Hisense Hitachi Air Conditioning System Co.,Ltd.,Qingdao 266000,Shandong;3.Organization and Personnel Department,Henan Open University,Zhengzhou 450046,Henan;4.Jiyuan Meteorological Bureau,Jiyuan 459000,Henan)Abstract:In order to study the winter ice melting performance of air source heat pump systems in coldnorthern regions,this paper calculates the snow melting load on a typical snowfall day of a mountainoushighway in Jiyuan City.Starting from the load characteristics of mountainous highways,the schemeconfiguration of the air source heat pump unit snow melting system is determined,and the economiccomparison and analysis with the cable snow melting scheme are conducted.The results show that thecomprehensive energy efficiency ratio of the air source heat pump snow melting system can reach over 2.6,which saves operating costs and total costs compared to the cable snow melting system scheme.The air sourceheat pump system scheme is a relatively reasonable snow melting solution.The plan can provide reference foractual engineering project design and also provide reference for highway snow melting and anti icingengineering in other regions of China.Key words:air-cooled module;ultra low temperature air source heat pump;melting snow;energy efficiencyratio61