机场道面地热融雪化冰系统研发

机场道面地热融雪化冰系统研发

范华明1彭晶1程壕2李若菁2廖青松2

范华明1彭晶1程壕2李若菁2廖青松2

中国民航大学机场学院天津300300

摘要：我国北方地区的机场进入冬季跑道结冰问题极为严重。跑道冰冻，道面摩擦力大幅下降，飞机起降危险性大大提升。每年都会出现由于机场跑道冰冻导致飞机无法正常起降而造成的航班延误和旅客滞留事件，因此大幅度提高跑道除冰融雪的效率是解决该问题的关键。为此本文构思了一种通过在机场道面下通热水并将热量传递到机场道面表面，从而赋予跑道温度，进行融雪化冰的系统，并通过五部分的内容来详细阐述该系统的设计原理和相关细节。新的除冰雪系统具有效率高、污染小、操作简便和工作量小的优点，具有很好的经济和发展前景。

关键词：地热、机场道面、融雪化冰、发展前景

Researchanddevelopmentofairportroadsurfacegeothermalmeltingicesystem

FanHua-ming1,PengJing1,ChengHao2,LiRuo-jing2,LiaoQing-song2

(AirportCollege,CivilAviationUniversityofChina,TianJin,300300,China)

Abstract:Itisextremelyseriousthattheairportofourcountry,especiallythenorthernregion,entersthewinterrunway.Therunwayisfrozen,thefrictionoftheroadsurfaceisgreatlyreduced,andtheriskoftakeoffandlandingisgreatlyimproved.Appeareveryyearduetotheairportrunwayfrozenplanescannotnormallandingcausedbyflightdelaysandstrandedevents,thusgreatlyimprovetheefficiencyoftherunwayde-icingsnowmeltingisthekeytosolvetheproblem.Thispaperconstructedakindofhotwaterundertheairportpavementpassedandtheheattransfertotheairportpavementsurface,temperature,thusgivingtherunwayde-icingdeicingsystem,andthroughthefivepartstoelaborateonthecontentofthedesignprincipleofthesystemandrelevantdetails.Thenewsnowandicesystemhastheadvantagesofhighefficiency,smallpollution,simpleoperationandsmallworkload,andhasgoodeconomicanddevelopmentprospects.

Keywords:Geothermal,Airportroadsurface,Snowmeltice,Prospectevaluation.

一、研究背景

我国拥有960万平方公里的领土面积，横跨多种气候地域，其中南北两端横跨纬度五十，因此地理位置是导致我国大部分省市的机场要常年面临冰冻问题的直接因素之一。到了冬季，机场所使用的水泥混凝土道面极易因气温下降和降雪而冰冻。在跑道表面覆盖着的冰雪会严重降低跑道道面的摩擦系数，从而减小飞机机轮与跑道之间的摩擦力，使飞机极易因刹车失灵或落地姿态不平稳而冲出跑道引发航空事故[1]。另外，跑道结冰也会影响跑道表面上航标的清晰度，冰层过厚会严重降低航标的清晰度，从而增加飞机降落时的不安全因素。

各大机场对于跑道结冰的应对措施都是暂停机场运行，等待冰雪除净再恢复运行。这就又引出了接下来的问题，就是航空公司的运行效率大大降低，航班延误量大大增加，旅客因滞留时间较长从而引起不满并出现过激行为最终引发成安全事件的案例比比皆是。据中国民航总局的统计数据表示，2007年1月29日16时至30日16时，贵州贵阳、湖南永州、湖北宜昌、施恩和江西九江、安庆等6个机场在不同时段内关闭，最终造成全国有1000多个航班延误，150个航班取消，20个航班返航或备降至其他机场，全国民航有30000余名旅客行程收到影响。其中长沙机场受害最为严重，长沙机场的飞行区面积较大，

中国民航大学科研启动基金（2013QD11X）

除冰雪工作无法同步进行，虽然跑道和飞机联络道已经完成除冰雪工作，但停机坪的除冰雪工作仍在进行中，导致飞机起降受阻，具有较大的安全隐患。2008年1月10日到2月3日，全国共有801个航班返航和备降，有4597个航班被取消，12510个航班延误。一天最多时有5万多名旅客滞留。中南、西南和华东等地区部分机场间歇性关闭[2]。因此，为改善这一现状，提高机场和航空公司的运行效率，采取高效的除冰雪方式至关重要。

对于地热融雪化冰这项技术，其他国家已有开始研究的先例，如从1998年开始，美国俄克拉荷马州大学（OSU）开展路桥热流体循环融雪化冰技术的研究工作。在瑞士A8高速公路上研究者们开展了太阳能-地热道路融雪系统试运行。再之如美国俄勒冈州理工学院地热中心采用垂直重力式热管方式，分别在弗吉尼亚州西部橡树岭的高速公路坡道路段和怀俄明州高速公路的两处坡道路段进行了实验研究。在20世纪30年代初，前苏联、法国、美国和德国等国开始研究导电混凝土的性能。其中前苏联的研究结果较为详尽，他们不仅研究了性能还制定了电工混凝土标准[2]。现如今这项技术也可用于机场跑道的融雪化冰，通过对跑道混凝土通电使其发热达到融雪化冰的效果。

对于我国机场当今的除冰方式一般为机械除冰雪、化学除冰雪和混合式除冰雪。机械式除冰雪一般是利用机械进行大面积冰雪清理，其优点是所需人力少，较少的人可以利用机械进行大面积快速除冰雪，但如果室外气温过低，冰层冻结较厚，则机械式冰雪清理就会较难，如果强制清理则对设备损坏极大，这时则不能只用机械还应与其他设备进行配合。化学式则是喷洒除雪剂和除冰剂，其优点是将冰雪消融后清理较容易，但工作量较大，效率较低，而且化学药剂对跑道周围度土体和水体破坏较大。化学式除冰雪一般会结合机械式共同使用，这就构成了混合式除冰雪。基于以上的传统除冰雪方式，可以发现新型高效绿色环保的除冰雪系统对于航空业来说是被迫切需要的。

二、系统原理分析及局部构造设计

2.1系统原理分析

在寒冷天气时，跑道道面温度较低，跑道极易结冰，而普通的喷洒除雪剂除冰除雪方式，工作量大、效率较低而且容易污染环境。因此若想改善这一现状，优化机场跑道融雪化冰措施，可以通过让跑道自身温度发生变化来融化掉其表面上的冰雪作为出发点，引出机场跑道地热融雪化冰系统的研发。首先在机场道面下铺设管道，管道口可设在跑道长边两侧，在机场跑道长边两侧周围布设循环水泵机组，管道内通带有一定温度的水，在寒冷天气时可将系统打开，融化掉道面上的冰雪。

到了酷热的夏季，道面的温度较高，

这对跑道的损害较大，并且也提升了飞机降落时的危险性，这时也可以打开系统，通过循环水将道面的温度带离跑道道面，从而降低跑道温度、保护跑道结构。基于机场道面地热融雪化冰系统主要有三个部分组成。首先是布置在道面两侧的加热系统；然后是提供动力的循环水泵机组；最后是实现融雪功能的融雪部分。

2.2地下换热管及道面换热管道铺设构想

加热器各孔道之间可以采用串联和并联两种方式进行连接。串联方式由于只有一条回路，如果某一部分出现问题，必须关闭整个系统，因此稳定性较差。而并联系统工作时，各组管道之间互不干扰。另外，并联管路可以选择更小的管径，对跑道强度影响更加小，安装与后期维修更为方便，因此加热系统间的连接以并联连接方式更佳。由于道面下空间较小，而且布置加热器施工难度大，因此将加热系统布置在跑道两侧方便检查维修。

考虑到机场地下空间的有限，应尽可能的提高空间的利用率，同时不影响跑道及其他区域的功能，所以将循环水泵机组设立在跑道两侧[3]，保证循环水泵机组与加热系统和末端融雪系统之间连接顺畅，方便维护查看。

系统设置就一定要考虑到系统出问题后的维修和管理，因此对于系统管道铺设的构造与选型，全区域单一路径的铺设是不可以的，如果系统中有一处损坏，则整个系统陷入瘫痪。因此应该分区布设，并联连接。将机场跑道分为几个区域，每个区域都设有此系统，而且并联连接相互间不影响，防止一部分出现问题导致系统瘫痪。[4]对于地理位置较特殊的机场，跑道不同位置结冰程度不同，可通过调整管道之间的间距来满足局部区域的特殊要求。比如在跑到两端尽头的系统则不需经常开启，飞机起飞和着陆的重要路段要进行重点清除。

三、融雪化冰系统的细部构造设计

3.1融雪化冰系统管道材料选择及加热装置铺设方式

热交换管道材料的性能决定着热能转换效率。这里列举几种市场上常见材料进行比较。常用的换热管道材料有聚乙烯、聚丁烯。PB聚丁烯材料耐蠕变性能好、力学性能优越，安全性高，但材料原料价格较高。PE-R是一种力学性能稳定的中密度聚乙烯。它具有乙烯优越的韧性、耐低温冲击、耐应力开裂和长期耐水压性能，是地暖管材的首选。因此推荐使用PE-R聚乙烯材料作为管道材料。

另外机场道面地热融雪化冰系统的加热装置主要埋设在地面两侧。主要由加热器以及充满水或其他比热容较大的防冻剂溶液和循环水管组成。一般是由密度较高的聚乙烯管组成循环封闭回路。

系统中最重要的环节是融雪管道的铺设方式，融雪管道的铺设方式会对融雪效果产生很大的影响，为保证管内温度均匀传递到路面，可采用回旋状布设散热管道。回旋状布设会使跑道受热均匀，相比并排式和直线式，回旋式的传热效率更高。

3.2流量计算

管内流量的确定方式，不同地区的机场可根据各自当地的气候温度自行调整流量。在流量计算时，参考其他论文，根据机组功率和制热制冷量进行计算。[3]在制热过程中按照公式进行计算。

对系统性能的进一步验证，采取制作简易系统模拟跑道融雪化冰过程，并与传统除冰雪方式在相同条件下进行对比。首先是制作跑道实验块，制作中将管道预先埋入，并在道块侧面伸出，之后连接循环水泵和加热器，加入适量水并在道块表面放置预先冷冻好的冰雪，试验现场环境气温在零下10℃左右，之后就可以开始进行试验。为了方便比较效果，实验中将跑道道块平均划分成120个格子，在对比除冰效果是可通过冰层所占格子数直观表现出来。由此可明显体现处该系统的有效性，利用该系统的实验组仅需90分钟就可以全部融化完毕，而且融化效果良好，并未出现局布仍有冰冻的情况，而且融化较为彻底，跑道表面并不光滑，在细小的凹槽中的冰雪也有融化，效果较好。而利用除雪剂的实验组，效果不好，足用145分钟才融化完成，而且融化不彻底，仍存在局部未融的现象，而且在清扫后道块表面仍有一层薄冰覆盖，仍十分光滑。融化后道块表面泥泞，给清理带来较大难度。在相同条件下对利用该系统融雪化冰和利用除雪剂融雪化冰各自所需时间和清除效果进行对比，如图4。

对于我国当今的机场跑道，均含有横槽，如果利用除冰剂除雪剂融化冰雪再用机械式除冰雪方式扫除，则在横槽内的冰雪是很难被清除干净的，如果冰雪未除净再加上除冰剂除雪剂的残余物，再次冰冻上则很难被清除。实验中这种现象也极其明显。而且从另一个角度看，凹槽中的混合物冰点会下降，也就是说下一次清除温度需要更高才可以，如果累积时间较长混合凝固物会越来越难清理，况且凹槽中的混合物反复融化再凝固，体积会发生变化，这样对跑道凹槽破坏较大，累计损伤到一定程度，凹槽将被破坏，导致跑道摩擦系数下降，更严重是会导致跑道最终被破坏。

而机场道面地热融雪化冰系统对冰雪的清理较为彻底，在凹槽中的冰雪也可以融化掉，烘干后道面冰雪无残留，而且现场不泥泞，清爽整洁。而且在冬季是跑道保持一定温度，温差变化不大，可以有效

防止机场跑道的热胀冷缩现象。在局部极

寒地区温度变化较大，跑道会出现冻裂现象，安装这套装置则可以有效避免这种情况的发生。因此该系统也对跑道有一定保护作用。由此可知机场道面地热融雪化冰系统相比于传统除冰系统优势较为明显。

五、系统评价

此系统主要利用循环水泵带动水在管道中流动，传递热量，达到融雪化冰的目的。系统设计的思路来自传统家庭住宅的地热系统，对环境造成负担较小。系统的运行方式简单，因此维护方便，运行、维护的费用都比较低廉，运行过程中工作量较小，所需物力、财力也较少。水这种流体安全稳定，这大大提高了系统的稳定性。在通水过程中水的温度可不必较高，满足融雪化冰要求即可，对于不同地域的地区可自行调整设置。对于通的水，可以利用机场使用过的一般水质的水，该系统对水质要求不高，但最好避免水中含有的较大粒径的杂质，防止管道堵塞，从而提高系统的使用寿命。到了炎热的夏季，道面温度过高，飞机起降时机轮磨损会更严重，胶性物质会掉落并附着在跑道表面，同样会降低跑道的摩擦系数，提高飞行的危险性。因此在夏季，同样可以运行该系统，这是这不用开启加热装置，仅靠循环水泵带动水在管内流动，吸收道面的表面热量，进而为之降温。从而保护跑道，提高跑道的使用寿命，提高飞行的安全性[5]。综上，从环境和经济的角度来看，这种系统很有竞争力。

参考文献

[1]马巍，程国栋，吴青柏.解决青藏铁路建设中冻土工程问题的思路与思考[J].科技导报.2005，（1）：23-28.

[2]李龙海，仝晔.机场用导电混凝土除冰雪热功率优化研究[J].中国民航大学学报.2015.

[3]张军，张辉，张红，庄骏.地热热管融雪系统应用研究[J].太阳能学报.2011，32（12）：1822-1826.

[4]傅珍，王选仓，陆凯诠.埋管形式对水热式桥面融雪的影响[J].华南理工大学学报（自然科学版）.2005，42（5）.90-96.

[5]陈明宇.导热沥青混凝土路面太阳能集热及融雪化冰研究[D].武汉：武汉理工大学.2011.

【基金项目】大学生创新创业项目

（IECAUC2017078）

中国民航大学机场工程研究基地开放基金（JCGC2015KFJJ006）