磁能融冰雪技术

利用磁能对路面进行快速、高效加热，实现路面防结冰、融冰、化雪，是一项全新的技术，该项技术已经通过了权威机构的评审，并且获得了国家发明专利。该项技术的核心是利用了磁感应产生的涡流，对专门敷设的加热器或者钢筋进行加热，具有效率高、节约电能、节约材料、加热速度快等优点。由于加热速度较快，融化后的冰水很快流走或蒸发掉，避免由于周围环境温度降低，二次再结冰，避免交通事故的发生。

磁能防结冰系统集成了数字温度控制技术、高频感应加热技术、道路路面施工技术、远程监控技术等，整个系统工作在无人值守的条件下，中心控制箱对路面温度进行全自动实时监控；通过高频感应的方法加热，具有高效、节能、环保等优点；温度自动控制，能兼顾环境温度、路面当前温度、天气情况等因素，自动调节加热功率，以最少的能耗获得最佳的效果。

磁能加热融冰系统中，采用了无线远程控制技术，公路管理部门可以根据天气变化情况，或者根据预置在现场设备中的传感器信号，在事先预知本路段可能下雪、结冰时，提前起动融冰系统，达到不结冰的目的，最大限度减少冰雪灾害。

该项技术可用于高速公路水泥混凝土路面及沥青混凝土路面融冰、化雪，也适用于各种等级的其他公路、机场、码头、城市道路、隧道进出口等路面。整套系统简单可靠，成本较低，不增加施工难度，是目前可投入实用的最先进的防结冰技术。

全套磁能防结冰系统由以下四大部分组成：

图1 磁能融冰雪系统组成图

供电系统为整个系统提供电源，专门设置的电力变压器从现有电网获得AC380V三相交流电源。

控制系统是核心部分，包含总电源控制、路面温度检测与控制、加热功率的调节、远程信息双向传输、参数与工作状态显示等功能。

远程控制终端是专用手机、电脑等，主要用来通过3G网络或者GRPS无线系统发送起动、停止、调整温度等指令；接收现场温度、现场工作参数等信息，达到设备现场无人值守即可工作的目的。

加热系统是执行机构，它采用单元式结构，每个加热单元提供80m2路面的加热功率，每个加热单元包括功率控制箱、磁能加热器、温度传感器等。

磁能融冰雪技术原理

（1）加热原理

将特定参数的感应线圈绕在实心导体上，通入一定频率的交变电流时，即在导体中产生交变磁场，交变磁场的电磁感应作用使导体内产生涡流。高密度的涡流电能转变为热能，使表层的温度升高，对周围介质加热。

采用高频感应加热方式，加热器线圈的磁场影响范围小，对外界设备不构成任何影响，高频感应加热可以获得极快的加热速度，通过控制激励信号的强度非常方便的调节加热功率，实现自动控制。

超高频交变电流是将三相50Hz工频交流电整流成可调的脉动直流，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的高频交流而产生的。如下图所示：

磁能加热器的导体可以利用路面现有的钢筋，也可以敷设专门的加热器。加热器在路面中均匀分布，离路面表面的距离、加热密度、热传导等都经过了精确计算与实验，确保融冰的效果。             

（2）控制原理

当气温过低，路面出现结冰或有结冰的趋势时，通过本地或远程信号启动系统进行加热；在加热过程中，通过埋入式温度传感器监测路面水泥层内温度，进行加热功率控制，让路内温度保持恒定，防止局部温度过高破坏水泥层。当路面温度很低时，系统采用全功率加热，在较短的时间内提高路面温度；当路面温度较高或者通过加热超过设定的冰点温度时，控制系统自动降低加热功率，维持路面温度；当气温或地表温度较高时，系统会自动关断功率输出，处于待机状态，功耗接近零。

加热系统上配置有无线通讯与远程控制功能，在当地进入易结冰季节后，需要一次人工起动总电源，使系统处于待机状态，管理人员根据天气预报，可以使用手机短信指令，提前起动加热，以防路面结冰，也可以在现场起动。无论系统处于待机或加热状态，主控制器会定时向管理人员手机发送短信，报告系统工作状态与路面温度情况。

为了施工、布线与控制的方便性，加热系统在桥面上采用单元式结构，各单元之间、单元与主控系统之间都采用数字通讯，因此在不同长度的路面上，随长度增加加热单元即可快捷扩展；当路面温度达到以后，还可以通过关停部分单元的方法，维持路面的温度，降低能耗。单元式设计方案也可提高系统的可靠性，降低施工难度。

通过实验得到以下结论：

1、根据实验数据可知，随着外部环境温度降低未经加热的参照物与实验混凝土块相比，表面温度下降明显，而加热的混凝土块温度基本可以保持不变。

2、在浇筑混凝土块前，对感应加热装置通电发现，线圈缠绕密集的地方温度高，稀疏的地方温度低，所以在以后正式应用中要保证线圈缠绕间距均匀，避免由于钢筋局部温度过高而破坏混凝土结构。

3、浇筑混凝土前用电感表测得回路总电感量为144uh（微亨），浇筑混凝土后测得电感量为127uh（微亨）。由此可见，浇筑混凝土对电感量有一定影响。

4、浇筑混凝土前通电加热测得回路总电流为3.8A，系统总功率为836w（瓦），线圈两端电压平均值130V，峰值340V，输出频率25.3KHz；浇筑混凝土后通电加热测得回路总电流为6A，系统总功率为1320w（瓦），线圈两端电压平均值132V，峰值330V，输出频率23.3KHz。

实体工程应用研究

榆绥高速公路地处陕北毛乌素沙漠与黄土高原的过渡地带，该路段三面环山日照时间短，再加上桥梁下部悬空致使温度更易散失造成本段成为易结冰的重点区域。以上种种原因给该路段的行车安全带来的严重影响，为此我们在该路段的下行方向米脂2和米脂3号隧道之间的桥梁路面加装磁能融雪装置进行实验，解决冰雪灾害对交通的影响，为高速公路的安全行车提供保障。

针对榆绥高速的桥梁工程设计，不采用加热钢筋的方法，而是在桥面沥青层下面的水泥基层中铺设加热器的方案。工程加热系统布置图如图2所示。

图2 榆绥高速公路磁能融雪加热系统布置图

榆绥高速磁能加热融冰雪系统的实验工程投资成本为763960元；融雪化冰系统最大功率为200KW，即运行1小时耗电200度；根据温度预测可知，加热面积为1320㎡，一次降雪需系统运行2天即可完全消除路面积雪，按照电价为0.5元/度计算，每次系统运行成本为200×24×2×0.5=4800元。故磁能融雪加热系统运行成本为3.6元/㎡。

然而，目前通用的抛洒融雪剂按每平方米抛洒2kg融雪剂计算，价格按2元/kg，融雪剂的成本为4元/㎡；此项费用还未包含人工、车辆等费用。

因此可见，采用磁能加热装置融雪化冰系统会使道路的投资有所增加。但采用磁能加热装置融雪化冰系统，无盐溶液排泄，无需人工和机械，实时清除冰雪，节约了费用。最重要的是避免了融雪剂带来的对基础设施和环境卫生的一系列负面效应。因而从长远来看，采用磁能加热装置融雪化冰其经济效益和社会效益也是相当可观的。