机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究

李龙海，仝　晔

（中国民航大学机场学院，天津　300300）

机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究

李龙海，仝晔

（中国民航大学机场学院，天津300300）

碳纤维混凝土电热性能用于机场除冰雪是当前机场热融除冰雪的方式之一，通过融冰化雪试验并建立冰雪热融仿真模型，以能耗最低为边界条件研究除冰雪最佳输入功率，并提供最为合理的除冰雪模式。研究表明，依据外界条件不同，导电混凝土除冰雪可以通过调整最佳输入功率和选择最佳除冰雪模式达到节能目的，为其实际应用和运行管理提供数据支持。

机场道面；导电混凝土；除冰雪；热功率；碳纤维

冰雪天气是影响民航飞行安全的重要因素之一。中国北方大部分地区的机场在冬季都会遇到冰雪天气带来的各类问题，如跑道因冰雪天气造成的道面摩阻显著下降，使飞行器起降受限；因长时间除冰雪工作造成的航班大面积延误和取消，影响机场和航空公司的运行秩序和运行效益；机场需要购置大量的除冰雪设备，因此而造成的资金积压及日常的运行维护成本增大；甚至可能因天气原因导致机场临时关闭和航班大面积延误，造成旅客不满出现过激行为而引发安全事件。

因此，为了保证飞机的安全起降、提高机场的运营效益、必须采取及时有效的措施应对机场道面除冰雪问题。

1　相关研究

热融除冰雪法作为新型除冰雪方式成为研究重点，与传统除冰雪方法不同，它利用加热机场道面表层融冰化雪，而达到快速、高效、无损伤、无污染的除冰雪目的。常规的机械清扫和化学除冰法存在除冰雪耗时长、效率低、人力物力投入大等缺点；另外，化学除冰法使用的除冰液还会对机场周边的土壤和水体造成污染。因此，各国都在尝试寻求一种更好的除冰雪方式。热融除冰雪模式利用热能将道面的冰雪融化，一般包括红外热融、电热融以及热管热融。而将碳纤维加入到混凝土中制成导电混凝土，利用其自身的电热性能除冰雪，就是其中一种利用新材料、新技术，高效、快速、无污染的热融除冰雪方式。

研究表明，碳纤维导电混凝土具有优良的导电稳定性和良好的力学性能，且在低温环境下反复加热、荷载作用后，其导电性能稳定可靠；由于碳纤维的纤维状材质，加入到混凝土中可以改变微观结构，增韧阻裂，弥补抗折性能的不足，显著改善混凝土的抗裂特性。这些优点使得导电混凝土完全可以适用于机场道面除冰雪工作。另外，碳纤维混凝土还具有Seebeck效应、温敏效应和压力机敏性等多种特性，因此，碳纤维导电混凝土还可以作为一种多功能的智能混凝土材料，作为本体传感器应用在道面和结构检测应用中。

2　导电混凝土融冰化雪模式分析

导电混凝土除冰雪应用的一个最关键的问题是能耗控制，而能耗研究其实质是控制其除冰雪的实际运行成本并降低能耗总量。利用导电混凝土除冰雪工作主要有2种模式：一种是在降雪初期开始通电升温并保持持续低热（大于0℃）进行除冰化雪，称为持续型除冰雪模式，适用于降雪强度不大，时间不长，只需维持较低的输入功率，即可完成融雪作业，但如果降雪时间过长，则会导致总耗电量较高，不利于节能。另外一种则是降雪完成后再开始加电升温并保持较高温度，快速、集中地进行除冰化雪，称为集中式除冰化雪模式，适用于航班相对较少，尤其是中小型机场。

而对于持续型除冰雪模式可以通过2种方式控制能耗：一种是采用较低的输入功率连续加电维持道面温度高于0℃；另一种则采用间歇式高功率输入，快速升高导电混凝土层温度后断电，利用混凝土层的热熔维持除冰雪的温度，当温度降低至设定值时再次加电，循环往复。此种模式适用于降雪强度大或降雪时间长的情况，当降雪停止后，以较高的输入功率达到快速除冰雪的目的。经过调研，一般认为可接受的除冰雪时间在1 h左右，这样的除冰雪时长不会严重影响机场运行秩序，避免造成航班大面积延误的情况。当使用快速除冰雪模式时，如减少除冰雪时间，则需提高输入功率，但会明显增加热量的快速损失，导致不必要能耗值增大；如输入功率偏低，除冰雪时间即会增长，从而增加能耗总量，引起机场航班大面积延误，不利于节能减排。因此，除冰雪过程中则需要对除冰雪单位输入功率进行控制，维持在可接受的除冰雪时间范围内，并通过有效控制输入功率，获得最佳除冰雪能耗。

本文采用ANSYS有限元建立模型，结合碳纤维混凝土板融冰化雪模型试验，分析不同通电加热模式下，导电混凝土板的适合输入功率、能耗大小，综合比较各方面条件后得出最佳融雪模式方案。这对于导电混凝土热融除冰雪应用具有较高的经济价值和社会效益，其试验数据和研究结论，为导电混凝土除冰雪的未来应用提供数据支持。

3　导电混凝土道面融冰化雪有限元模型

运用ANSYS有限元软件，基于热量传导模式、实际道面的结构模式建立机场刚性道面有限元模型，用于复杂情况下碳纤维道面的除冰化雪问题研究。取其中一块碳纤维混凝土道面作为分析对象，建立实际导电混凝土道面模型，并将其看作是均匀的发热体。道面板尺寸为5 m×5 m，普通混凝土层厚度为0.25 m，碳纤维混凝土层厚度为0.05 m，雪层厚度为0.02 m。同时考虑不同外界环境温度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），以及不同风速的天气变化情况，依据不同输入功率进行道面融冰化雪的有限元模拟。有限元模型各使用参数如表1所示。

表1　冰、雪及碳纤维混凝土热性能参数Tab.1　Thermal performance parameters of ice，snow and carbon fiber reinforced concrete

加载求解：由于将模型四周看成是绝热的，因此中间的导电混凝土层在通电发热后，热量除用于自身升温外，一部分往上传给雪层，还有一部分往下传给普通混凝土层。雪层与空气之间存在对流换热和辐射换热。模拟实际温度为-15℃，风速为15 km/h为例，施加单位面积的输入功率2 500 W/m2，通电加热1 h后的温度场实况，如图1所示。

从图中2可以看出碳纤维混凝土试块表面的温度变化并非呈直线趋势上升，在温度上升至0℃之前上升速率较缓慢，这是由于在试块加电初期热能除向上、下层辐射和传导作用外，还要克服自身的热容提高自身温度；当温度上升至0℃达到化雪温度后，则呈现近似直线上升趋势。雪的温度要比导电混凝土的温度上升的速率缓慢得多，这是由于雪的导热系数较低，具有较好的隔热作用，所以随着温度的升高，雪与空气的对流换热和辐射换热量不断增大，因此温升越来越慢，当温度到达0℃时，雪层开始融化，直至雪层完全融化成水。由于雪层表面还承受着对流换热、辐射化热，以及热交换等多重作用，因此，无论是当天的实际温度、风速及输入功率的大小都会影响化雪时间。

图1　温度场分布图Fig.1　Temperature distribution

图2　各结构层温度变化曲线Fig.2　Temperature curve of each structural layer

针对预热式升温并持续加热除冰化雪模式来说，当机场道面表面温度保持在0℃以上时，无论是降雪还是降雨，道面都不会出现结冰现象。因此，如果可以根据天气预报提前给道面通电升温，那么即使在天气恶劣的情况下，道面也不会因为积雪结冰出现不适于飞行的情况，这对于大型枢纽机场来说显得尤为重要，但采用预热方式用于机场除冰化雪，在达到理想效果的同时还需确认其能耗是否可以接受。经有限元仿真模型加载得出某时刻普通混凝土底部到导电混凝土表面的径向路径温度变化曲线，如图3所示。可以看出，由于导电混凝土层内部的温度差10℃左右，当机场风速在45 km/h时，导电混凝土道面表面散热很快，因此采用预热式升温除冰雪的方法将增加热辐射而导致能耗增高，经济效益和社会效益较差。当风速较低时，表面散热导致的能耗损失会大幅度降低，可以用较低的输入功率保持道面表层维持0℃以上，达到即时除冰雪的效果。因此，机场可以根据本地的气候状况，建立一套适合自己的系统，结合不同的方法，达到降低能耗、提高除冰雪效率的目标。

图3　沿径向温度变化图Fig.3　Temperature change in radial direction

研究表明，对于相同输入功率值的影响，其不同掺量的化雪能耗变化量相差较小，化雪效果相近，化雪能耗因风速和温度的不同而变化，与碳纤维掺量的大小基本无关，但碳纤维掺量不同会直接影响导电混凝土的电阻率等指标。如图4～5所示。

图4　-10℃时风速能耗关系曲线Fig.4　Wind velocity-energy consumption curve at-10℃

调研表明，当除冰雪的时长在1 h以内，对因此导致的航班延误和维持机场运行秩序的影响是可以接受的，因此，1 h左右完成除冰雪作业作为本研究的时间边界条件。经过仿真计算，得出如下输入功率-能耗曲线图，如图6～图9所示。从图中拟合的数据曲线可以看出，当外界实际温度值相同的前提下，风速值一定，随除冰时间的增长，能耗值先减小至最低值后增大，其最低值即为最优；当除冰雪时长一定时，随风速的增大，能耗值增高。对于最优热功率优化方案的首要考虑条件是如何在短时间内高效化雪，且结合有效化雪时长的综合考虑，可以得出如下结果：在外界环境温度为-10℃，风速为0 km/h时的最优输入功率值大约为1 600 W/m2，化雪时间为35 min，能耗值为0.93 kW·h/m2；风速为15 km/h时的最优输入功率值大约为1 600 W/m2，化雪时间为38 min，能耗值为1.02 kW·h/m2；风速为30 km/h时的最优输入功率值大约为1 900 W/m2，化雪时间为38 min，能耗值为1.2 kW·h/m2；风速为45 km/h时的最优输入功率值大约为2 200 W/m2，化雪时间为39 min，能耗值为1.43 kW·h/ m2。同样可以得出不同外界环境温度、不同风速下的最优热功率优化值、化雪时长以及相应的能耗值，以能耗最优为原则分别提供最佳输入功率作为实际应用时的建议值，具体详细数据如表2所示。

图5　-15℃时风速能耗关系曲线Fig.5　Wind velocity-energy consumption curve at-15℃

图6　-5℃时输入功率能耗曲线Fig.6　Input power-energy consumption curve at-5℃

图7　-10℃时输入功率能耗曲线Fig.7　Input power-energy consumption curve at-10℃

图8　-15℃时输入功率能耗曲线Fig.8　Curve of input power-energy consumption in-15℃

图9　-20℃时输入功率能耗曲线Fig.9　Curve of input power-energy consumption in-20℃

表2　不同外界环境条件下的热功率优化方案Tab.2　Program of thermal power optimization in different conditions

4　导电混凝土除冰雪试验

有限元模型已对不同低温环境，不同风速、不同单位输入功率的情况下进行仿真计算，但模型的可用性仍需通过实际的试验进行验证，由于外界风速等复杂自然因素的控制在试验室内难以实现，因此，试验均在无风条件的基础上完成。试验中，因0.6%碳纤维掺量的导电混凝土的导电率不佳，因此，排除了此组试件。

试验目的：通过模拟某些低温环境，掌握不同碳纤维含量的导电混凝土在不同的输入功率、除冰雪时长等多种因素的共同影响下的融冰化雪效果，从而获取原始数据并初步掌握不同外界条件下的除冰雪能耗情况，为后期使用ANSYS有限元建模提供有效数据，进行仿真的指导和校核。

试验设计：选取碳纤维体积含量分别为0.9%、1.2%、1.5%的3个试验组，每组制作5块同种掺量试块，每块试块的尺寸均为0.2 m×0.2 m×0.04 m，进行融冰化雪试验，并先将试块冷冻在低温冷冻箱内，用于模拟低温环境温度（-5℃、-10℃、-15℃、-20℃），对不同碳纤维含量的试验组试块，给定相同输入功率（1 500～3 250 W/m2），记录融化2 cm雪所需要的时间，从而计算出不同情况下化雪能耗值。

由图10～图12功率-能耗曲线图可以看出，不同碳纤维掺量的导电混凝土除冰雪能耗均存在能耗值低点，由于试验仅能模拟无风状态，因此能耗低点仅与环境温度相关，随着环境温度的降低，其除冰雪能耗相应提高，单位输入功率随之增大，但随温度的降低，能耗的增加呈现趋缓的趋势。这个特性与计算机仿真的计算结果相似，这为机场未来进行导电混凝土除冰雪能耗控制提供了理论依据和数据支持。

图10　碳纤维含量为0.9%的功率能耗曲线Fig.10　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 0.9%

图11　碳纤维含量为1.2%的功率能耗曲线Fig.11　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 1.2%

图12　碳纤维含量为1.5%的功率能耗曲线Fig.12　Curve of input power-energy consumption with Carbon fiber content of 1.5%

由图6～图9对比试验数据图10～图12可以看出，虽然试验结果与仿真计算结果具有相同的趋势性，但试验数据与计算机仿真计算结果还是存在一定的差异，比较试验测试和仿真计算所需化雪时间可以看出其变化趋势基本一致，但其结果仍然存在一定的数据差异，导致其差异的主要原因分析如下：

1）道面结构实际道面中导电混凝土层下面的普通混凝土层及其他结构层具有很好的保温性，而试验室使用的试件，缺少必要的保温层，上下表面均会导致能耗损失。

2）材料均一性由于导电混凝土中碳纤维材料无法满足完全匀质，因此导电混凝土表面温升也不均一；而模拟的表面雪层也是由人为摊铺形成，也不能保证其均一性，进而造成局部除冰雪时间加长。

3）热参数由于使用的雪经过冰柜长时间冷藏，导致雪呈现冰晶化，雪与冰的比热、融化潜能及导热系数等热参数差异较大，因此导致试验数据和仿真计算的差异。

4）试验环境由于试验区域置于冰柜内，导致试验的低温环境比模拟的环境温度要低，这种温差效应导致能耗损失增加，尤其对模拟-10℃、-5℃时的影响更为显著。

5　结语

研究表明导电混凝土凭借其优良的导电稳定性和良好的力学性能，是机场除冰雪工作行之有效的新材料和新方式。同时通过试验模拟和有限元仿真计算综合考虑后得出：

1）试验结果与仿真计算结果具有相同的趋势性，为机场未来进行导电混凝土除冰雪能耗控制提供了理论依据和数据支持。

2）不同碳纤维掺量的导电混凝土除冰雪应用时，在输入相同电功率情况下，其除冰雪效果差异不大；

3）当外界实际温度值相同的前提下，风速值一定，随除冰时间的增长，能耗值先减小至最低值后增大，其最低值即为最优；当除冰雪时长一定时，随风速的增大，能耗值增高。

4）预热式除冰雪模式，即雪随降随即化雪工作模式，仅适用于环境温度相对较高时采用，建议在-5℃或-10℃环境下风速在15 km/h以下时采用；

5）针对不同的外界环境条件下，以能耗最优原则提供了最优输入功率，为除冰雪作业提供较为可行的融冰化雪优化方案，为导电混凝土除冰雪的实际应用和运行管理提供数据支持。

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（责任编辑：黄月）

Research on power optimization of airport deicing and snow removing with conductive concrete

LI Longhai，TONG Ye
（College of Airport，CAUC，Tianjin 300300，China）

Introducing electric performance of carbon fiber reinforced concrete into airport deicing and snow removing ice is proved one way of the hot melt airport deicing and snow removing.By experimenting with melting ice and snow and establishing hot melt simulation model，taking lowest energy consumption as the boundary condition，the best input power of deicing and snow removing is studied，providing the most reasonable mode of it.Studies show that depending on the different external conditions，the conductive concrete of deicing and snow removing may adjust the best input power and select the best mode to achieve energy conservation，supplying supporting data for the practical application and operational management of conductive concrete.

airport pavement；conductive concrete；cleaning ice and snow；thermal power；carbon fiber

V351.11；U8

A

1674-5590（2016）03-0022-06

2015-04-20；

2015-05-20

中国民航大学科研基金（2010RYE05）；中国民航大学机场科研基地开放基金（KFJJ2013JCGC02）

李龙海（1971—），男，黑龙江虎林人，副教授，硕士生导师，研究方向为交通运输规划与管理、机场运行管理.