西藏高寒地区水泥混凝土路面太阳能融雪（冰）技术研究

【摘要】：西藏高寒地区道路积雪结冰现象较为严重,往往造成道路中断或交通事故。与此同时,作为绿色能源的太阳能资源在西藏高寒地区较为丰富,如何利用太阳能技术修建高效、环保的水泥路面融雪系统,对解决西藏高寒地区的道路积雪和发展地区低碳经济具有十分重要的现实意义。 为了开展西藏高寒地区水泥混凝土路面太阳能融雪(冰)技术研究,本文依托西部交通科技项目—《高寒地区太阳能实时融雪(冰)公路技术研究》,在西藏米拉山顶设立小型气象站进行高寒地区气象资料收集,通过室内、现场融雪试验得到了理论分析所必须的计算参数,进行融雪路面板的热力仿真研究了路面板的融雪性能,并结合数值分析编制了水泥混凝土路面融雪(冰)热力分析软件,提出了西藏高寒地区太阳能水泥混凝土路面融雪系统的设计方法。主要研究成果如下： 1、在川藏公路西藏米拉山顶设立小型气象站进行了高寒地区气象资料收集,观测资料表明每年米拉山可能的积雪出现在11月中旬到次年的4月初。米拉山太阳能资源丰富,能够满足太阳能融雪路面要求。 2、进行了室内、室外光伏系统和光热系统路面板融雪(冰)试验,得到了不同加热温度和功率时路面板表层温度与融雪速率的试验关联式；进行了水泥混凝土路面雪系统热力分析,得到了热管深度、间距、加热流体温度、环境条件等对路面板融雪效果的影响规律。针对实时融雪过程,研究了预热时间对路面板融雪效果的影响规律,分析了预热过程中路面板内部温度随着预热时间的变化以及降雪过程中路面积雪的分布、温度分布随时间变化的规律,表明采用降雪前路面板预热融雪效果最好。 3、在西藏米拉山口进行了高寒地区混凝土路面太阳能现场融雪和加载试验,结果表明光伏系统融雪效果较好,300W/m2功率可以在5个小时内化完5cm厚的积雪,预热融雪效果较好；环境因素对路面温度影响较大,但对路面板底部影响较小；路面板加热过程中,应变随温度的上升由压变拉,加热管附近的应变最大,表现为内胀外缩；加载过程中,汽车荷载对路面的影响较小；XPS板的隔热效果较好,可以起到保护冻土路基的作用。 4、根据所建立的水泥混凝土路面太阳能融雪模型,将融雪工况简化为三种工况,编制了水泥混凝土路面融雪热力分析程序,并提出了西藏太阳能水泥混凝土路面融雪系统的设计方法。系统采用C30混凝土含加热管路面板,预制尺寸采用2m×3m,现浇时切缝成2m×3m板,缝深应超过加热管埋深；XPS板厚度大于等于5cm,抗压强度大于5MPa。加热管功率推荐采用320W/m2,推荐热管埋深为6～12cm,间距为15～25cm。 【关键词】：高寒地区 太阳能 水泥混凝土路面 融雪化冰 室内试验 现场试验 热力分析 路面融雪系统
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：U418.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 项目研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外融雪化冰方法研究13-21
• 1.2.1 常用融雪方法综述13-16
• 1.2.2 国内外融雪化冰路面的研究现状16-21
• 1.3 目前研究存在的不足21
• 1.4 研究内容和技术路线21-23
• 第二章 融雪(冰)路面板室内融雪试验23-45
• 2.1 试验系统介绍23-24
• 2.2 路面板试验设计与搭建24-30
• 2.2.1 试验热力参数设计24-25
• 2.2.2 路面板热力管网方案设计25-26
• 2.2.3 数据测量与采集系统26-28
• 2.2.4 试验系统操作步骤28-29
• 2.2.5 试验方案的实施29-30
• 2.3 光伏路面小板融雪试验数据处理和分析30-38
• 2.3.1 路面板内部数据点分组30
• 2.3.2 路面板融雪试验系统数据处理30
• 2.3.3 融雪系统内部温度的动态特性30-34
• 2.3.4 融雪系统融雪速率的动态变化规律34-36
• 2.3.5 路面板表层温度和融雪速率关系的拟合36-38
• 2.4 光热路面小板融雪试验数据处理和分析38-44
• 2.4.1 路面板融雪试验系统数据处理38
• 2.4.2 融雪系统内部温度分布的动态特性38-40
• 2.4.3 融雪系统融雪速率的动态变化规律40-42
• 2.4.4 试验台表层温度和融雪速率关系的拟合42-43
• 2.4.5 工况变动时的运行效果43-44
• 2.5 小结44-45
• 第三章 融雪(冰)路面板现场融雪试验45-106
• 3.1 现场融雪(冰)路面试验介绍45-55
• 3.1.1 现场融雪(冰)路面试验概述45-46
• 3.1.2 现场试验装置及测控仪器46-49
• 3.1.3 现场融雪试验的实施经过49-55
• 3.2 西藏高寒地区气象数据收集及分析55-63
• 3.2.1 气象数据收集56
• 3.2.2 气象数据的分析56-63
• 3.3 现场小板的试验及分析63-81
• 3.3.1 试验方案拟定63-64
• 3.3.2 试验数据收集64-65
• 3.3.3 光伏和光热系统融雪效果分析65-69
• 3.3.4 光热系统试验数据分析69-71
• 3.3.5 光伏系统试验数据分析71-81
• 3.4 现场大板的试验及分析81-104
• 3.4.1 试验方案81-82
• 3.4.2 试验数据收集82-83
• 3.4.3 融雪效果分析83-87
• 3.4.4 试验数据分析87-104
• 3.5 小结104-106
• 第四章 融雪(冰)路面板热力仿真分析及软件设计106-165
• 4.1 路面板热力融雪模型的建立106-118
• 4.1.1 路面板融雪化冰过程简述106-108
• 4.1.2 融雪化冰传热物理模型的建立108-115
• 4.1.3 融雪化冰传热数学模型的建立115-118
• 4.2 稳态工况下路面板融雪过程的热力仿真118-129
• 4.2.1 有限差分法稳态模型数值求解118-121
• 4.2.2 埋管形式的影响规律121-128
• 4.2.3 环境因素对融雪过程的影响128-129
• 4.3 滞后融雪非稳态工况的热力仿真129-141
• 4.3.1 滞后融雪非稳态物理模型建立129-131
• 4.3.2 滞后融雪非稳态过程的热力仿真131-141
• 4.4 基于预热的实时融雪过程的热力仿真141-147
• 4.4.1 实时融雪数学模型的建立141-143
• 4.4.2 实时融雪的热力仿真143-147
• 4.5 路面融雪(冰)热力计算公式147-158
• 4.5.1 工况1的热量计算公式148-153
• 4.5.2 工况2的热量计算公式153-158
• 4.5.3 工况3的热量计算公式158
• 4.6 水泥混凝土路面融雪(冰)热力分析软件158-163
• 4.6.1 软件建模介绍158
• 4.6.2 系统功能及操作流程158-160
• 4.6.3 软件应用160-163
• 4.7 小结163-165
• 第五章 太阳能融雪水泥混凝土路面系统设计165-180
• 5.1 太阳能光伏融雪系统设计165-168
• 5.1.1 太阳能光伏发电系统的设计165-167
• 5.1.2 太阳能光伏融雪路面系统设计167
• 5.1.3 太阳能光伏融雪控制系统设计167-168
• 5.2 太阳能光热融雪系统设计168-174
• 5.2.1 太阳能集热系统的设计168-172
• 5.2.2 路面散热系统设计172-173
• 5.2.3 蓄热方式的选择以及蓄热水箱的设计173-174
• 5.2.4 融雪控制系统的设计174
• 5.3 太阳能光伏融雪系统和光热融雪系统比较174-177
• 5.3.1 太阳能光伏融雪系统的优缺点175
• 5.3.2 太阳能光热融雪系统的优缺点175-176
• 5.3.3 两系统优缺点比较176-177
• 5.4 太阳能融雪路面系统优化设计177-178
• 5.4.1 路面材料及结构的选择177-178
• 5.4.2 热管功率、埋深及间距的选择178
• 5.5 小结178-180
• 结论与建议180-183
• 1. 主要研究结论180-182
• 2. 主要创新之处182
• 3. 进一步研究建议182-183
• 参考文献183-190
• 攻读博士学位期间发表的学术论文190-191
• 攻读博士学位期间参与的主要科研项目191-192
• 致谢192

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