桥面融雪除冰能量桩热泵系统换热效率现场试验
摘要：基于能量桩的桥面工程主动式融雪除冰技术作为一种新型桥面融雪除冰技术，具有环保、节能等技术优势。依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程，开展能量桩供热桥面板的换热效率与热-力响应特性现场试验。在桩基础和桥面板中分别预埋聚乙烯管作为换热管，通过水泵驱动换热管中的流体循环，提取浅层地温能供热桥面板;沿桩身深度方向和在桥面板中布设了温度-应变传感器，用于监测试验过程中相应位置的温度和应变。试验分析冬季工况下，一根 20 m 的能量桩供热 20 m2 的桥面板时，流体、桥面板、桩的温度变化以及桥面板和能量桩的热致应力分布。研究结果表明：本文试验条件下，环境温度为-4 ℃时，20 m 能量桩供热 20 m2 桥面板可保证桥面板表面温度始终高于 0 ℃，即平均每延米能量桩热泵系统可保障 1 m2 桥面板不冻结;温度的改变引起能量桩和桥面板中产生热致应力，桩身最大轴向热致应力出现在桩深 2 m(0.1 倍桩长)处，约为-0.792 MPa，为混凝土抗拉强度(2.0 MPa)的 39.4%，桩身最大轴向热致应力的温度响应约为 0.136 MPa/℃;桥面板中最大热致应力为 0.77 MPa，为混凝土抗压强度(26.8 MPa)的 2.9%，热致应力的温度响应为 0.086 MPa/℃;能量桩上部受到最大正摩阻力为 19.5 kPa，下部受到最大负摩阻力为 15.8 kPa;试验结束时桩顶热致位移为-0.239 mm，约 0.3‰倍桩径。
陈鑫; 孔纲强; 刘汉龙; 江强; 杨挺， 中国公路学报 发表时间：2021-10-13
关键词：桥梁工程;能量桩;桥面除冰融雪;现场试验;换热效率;热致应力
0 引 言
冬季桥面积雪结冰容易导致交通事故频发，造成巨大的经济损失和人员伤亡;为了维持正常的交通秩序，需及时有效地清除冰雪。目前应用最广泛的融雪除冰方法是撒化学盐和机械/人工除冰;然而，化学盐会腐蚀桥面板结构、易污染水土，且当环境温度低于 3.9 ℃时无法有效融化冰雪[1];机械/ 人工除冰很难完全清除附着在桥面上的压实冰，且容易损坏桥面结构。热力除冰作为一种新型的桥面融雪除冰技术，主要包括电加热[2-4]、红外辐射加热 [5]和地源热泵等[6-8];其中，地源热泵桥面融雪除冰技术是将换热管分别预埋在桥面板和地层土体中，通过液体在换热管中循环提取浅层地温能加热桥面板，以达到融雪除冰的效果。传统地源热泵钻孔埋管施工成本高，且需占用地下空间，一定程度上限制了其发展应用[9]。将热交换管安装在桩基础内，利用桩基础作为热交换器，避免了额外钻孔的费用，可降低安装施工成本约 33%[10]。
能量桩桥面融雪除冰系统由能量桩埋管换热器和桥面板埋管换热器两部分组成。针对能量桩的换热效率及热-力响应特性问题，相关研究人员开展了系列研究，并取得了一些有益的成果。任连伟等 [9]、Faizal 等[11]分析了恒定入水温度作用下能量桩的换热效率与热-力响应特性;Sangwoo 等[12]、陈智等[13]研究了恒定输入功率作用下能量桩的换热效率与热-力响应特性;桂树强等[14]探讨了温度作用下能量桩的承载性能和变形问题。针对桥面板埋管换热器系统的研究，主要集中在融雪除冰所需热量和桥面板的温度变化规律。ASHRAE 手册[15]给出了桥面融雪所需热量的计算公式;Ho 等[16]通过数值模拟分析了地源热泵作用下桥面板的温度变化规律和融雪性能，50 ℃的输入水温可在-5℃至 -25 ℃空气温度条件下使面板达到很好的融雪效果;Liu 等[17]利用数值模型模拟加热路面上的积雪融化过程，在给定表面有效热功率的条件下，预测路面的融雪状态;笔者等[18]分析了恒定入水温度条件下桥面板的换热效率和温度变化规律。关于能量桩供热桥面板的换热性能，仅部分研究人员开展了模型试验研究。党政等[19]开展了 CFG 能量桩供热混凝土模型路面(长×宽×厚为 1.0m×1.0m×0.3 m)的现场试验，得到单根、双根能量桩可使一块混凝土板表面温度保持在 0℃以上。Bowers 等[20]基于模型试验(直径为 0.25 m，长度为 30 m 的微型桩，长×宽×厚为 1.2m×3.0m×0.25 m 的面板)研究了能量桩供热桥面板过程中面板和能量桩的温度变化规律;在空气温度为-10 ℃时，面板融雪效果良好;在空气温度为-20 ℃时，面板表面的温度无法达到 0 ℃以上。但是模型面板的厚度与工程中桥梁面板存在一定的差异，影响换热效率和温度分布;模型试验中能量桩和桥面板的约束条件与实际桥梁不同，引起应力分布的差异。
综上所述，既有研究中往往仅考虑恒定输入水温或输入功率条件下能量桩或桥面板的换热效率，对于能量桩和桥面板相互影响下的换热效率及热力响应特性与机理尚不清楚。因此，本文依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程，开展基于能量桩热泵系统的桥面板换热性能现场试验;实测能量桩和桥面板的换热效率及热-力响应特性;探讨换热效率的影响因素，桩身和面板的温度及热致应力变化规律;为能量桩热泵系统桥面融雪除冰技术的设计提供参考。
1 现场试验概况 1.1 能量桩、桥面板换热管及测试传感器布置
试验桥梁名为“观风桥”，位于江苏省江阴市;年平均气温约17 ℃，冬季最低气温约-5 ℃。观风桥为预制空心板简支梁桥，桥长30 m(三跨、每跨长10 m)、宽26 m(4个机动车道、2个非机动车道和2个人行道);桥面板由60 cm的预制空心水泥混凝土板(C40混凝土制成)和10 cm的现浇钢筋水泥混凝土层组成;水泥混凝土板顶面铺10 cm沥青混凝土层。换热管绑扎在现浇混凝土层的钢筋网上，埋在水泥混凝土表面以下4 cm;即换热管位于桥面以下14 cm(本文称为埋管层)。换热管为聚乙烯增温(PERT)管，外径20 mm、管壁厚2 mm;换热管铺设在边跨的机动车道，进/出口的接头设在桥梁的侧边缘;铺设在混凝土桥面板中的换热管总长度为80 m、间距25 cm，通过换热管总长乘以间距得到桥面板中换热面积为20 m2。桥面板换热管铺设照片及示意图如图1所示。
温度-应变传感器A和B绑扎在现浇混凝土层的钢筋网上预埋在桥面板中;传感器A位于两根换热管中间位置，如图1(c)所示，用以监测桥面板在换热系统和自然环境双重作用下的温度和应变;传感器B位于距离A点7 m不设换热管的位置，如图1(a) 所示，用于监测面板在自然环境影响下的温度和应变。温度-应变传感器型号为JTM-V5000B，测量应变精度为±0.4 με/F，测量温度精度为±0.2 ℃。桥面板表面的温度通过红外线测温仪量测。
桥梁北侧一排共5根能量桩，为钢筋混凝土灌注桩，桩顶承托一根长26 m，宽1.3 m，高1.1 m的盖梁，盖梁底部接触地面;5根能量桩分别标号为A、 B、C、D和E(图2(a))。本次试验依托B桩，桩长 20 m、桩径1.0 m，混凝土标号为C30。换热管为外径25 mm、壁厚2.3 mm的聚乙烯(PE)管，布管形式为5U，绑扎在钢筋笼上;为了防止在浇筑混凝土时桩底部的换热管被破坏，桩底1 m以内不设置换热管。沿桩身深度方向布设了温度-应变传感器，与换热管一起绑扎在钢筋笼上，用于监测桩身的温度和应变。换热管布置形式和仪器位置如图2(b)所示。
试验使用的循环流体为水，桥面板的出水口连接能量桩的入水口;能量桩的出水口和桥面板的入水口分别通过聚乙烯(PE)管连接具有电加热功能的保温水桶(容积为30 L，电加热功率为0~6 kW);能量桩和桥面板的进/出口管道内通过盲管插入温度计以测量管内水温;保温水桶的进/出水口分别安装流量计和水泵，如图2(b)所示。试验期间正常开放交通，桥梁的设计交通荷载为公路-Ⅰ级。
1.2 桩周土体参数
桩身范围内有(0~ 20 m)4个土层，分别为粉质黏土、含砾石黏土、粉质黏土和含黏粒砂土层等(见表1所示)。地下水位位于地表以下0.5 m。勘查过程中，在每层土中留取3个原状土样，利用热分析仪KD2 Pro测得了每层土样的热传导系数见表 1所示[20]。
1.3 试验方案与工况设计
能量桩B桩与桥面板进行换热效率试验测试，即20 m的能量桩与20 m2面积的桥面板进行换热试验，流量设置为0.65 m3 /h，期间记录环境温度、进/ 出口水温、能量桩和桥面板的温度及应变等变化规律。现场试验分为如下两个阶段(图3)：
(1)第一阶段：2020年12月20日7:00~12月23 日16:00，历时81小时，能量桩与桥面板直接换热。
(2)第二阶段：2020年12月27日17:00~12月31 日9:00，历时90小时。其中，12月28日17：00至21： 00发生降雪，环境温度降至冰点以下;12月28日17： 00至12月29日07：00期间为能量桩联合1.5 kW电热泵与桥面板换热;其余时间为能量桩与桥面板直接换热。试验期间环境温度如图3所示。
2 现场试验结果与分析
2.1 能量桩换热效率
能量桩的换热效率为每延米能量桩的换热功率，通过进/出口水温和循环液流率，根据公式(1)计算。 l mc T T q p in桩 out桩桩 - (1)式中，q桩为能量桩的换热效率;m为质量流率;cp 为循环流体比热容;Tin桩为能量桩进水口流体温度; Tout桩为能量桩出水口流体温度;l为桩长。所用材料参数见表2所示。
试验过程中能量桩的进、出口水温如图4所示。试验开始时，能量桩的出水温度为16.8 ℃;试验81 小时后，第一和第二阶段试验能量桩的出水温度分别为15 ℃和12.7 ℃。能量桩的出水温度随着系统的运行缓慢下降;环境温度越低，能量桩的出水温度下降速度越快;能量桩的进水温度(即桥面板的出水温度)则随着昼夜温度变化而周期性地波动。由此可见，能量桩的换热效率受环境温度影响显著。
能量桩的换热效率与环境温度的关系如图5所示。第二阶段试验由于前期开了14 小时的电热泵，影响能量桩的换热效率;因此，分析试验60~90 h 期间能量桩的换热效率与环境温度之间的关系得到图5(b)。由图5可见，能量桩的换热效率与环境温度呈线形关系;但是在相同的环境温度下，第二阶段试验能量桩换热效率小于第一阶段试验。由此可见，在短期内能量桩的换热效率与环境温度呈线性关系，但是随着总换热量的增大，在相同的环境温度下，能量桩的换热效率在不断降低。能量桩的换热效率受环境温度和桩身温度的双重因素影响。
2. 2 桥面板换热效率
桥面板的换热效率为每平米桥面板的换热功率，通过进/出口水温和循环液流率根据公式(2)计算。 heated p in out A mc T T q 面板 面板面板 - (2)式中，q 面板为面板的换热效率;Tin 面板为桥面板进水口流体温度;Tout 面板为桥面板出水口流体温度; Aheated 为桥面板的换热面积。
根据第一阶段试验实测结果，能量桩的出水温度Tout桩与桥面板的进水温度Tin面板相等(能量桩出水流经流量计、保温水桶后会损失一部分热量，但是，流经水泵会吸收部分水泵的散热，补偿了前面损失的热量。);能量桩的进水温度Tin桩与桥面板的出水温度Tout面板相等;桥面板的换热面积为20 m2，能量桩的桩长为20 m;因此，桥面板的换热效率与能量桩的换热效率相等。党政等[19]研究得到双桩与单桩分别供热同一块混凝土面板情况下，混凝土板的换热量相近;说明能量桩热泵系统桥面除冰过程中，系统的换热效率主要受面板的影响。
第二阶段试验开启热泵期间，桥面板的进水温度为17.1～17.3 ℃，出水温度为13.4～13.7 ℃，如图4(a)所示。根据式 (2) 计算桥面板的换热效率为 136～140 W/m2。能量桩的进水温为13.4～13.7 ℃，出水温为15.3 ℃;能量桩热泵系统为桥面板提供的热效率为64～76 W/m2，为桥面板总换热效率的 50%。
2.3 能量桩热力响应特性
(1)桩身温度
能量桩向桥面板供热，桩身温度下降。试验数据显示，桩深 2 m 处温度较低，桩深 4~14 m 温度较均匀。选取桩深 10 m 处的温度为代表研究桩身温度的变化规律。桩身的初始温度为 17.6 ℃，换热 81 小时后，第一与第二阶段试验的桩身温度分别为 15 ℃和 13 ℃;由此可见，在不同的环境温度条件下，桩身温度的下降速度也不同。分析两组试验的桩身温度与总的换热量之间的关系如图 6 所示;由图 6 可见，桩身温度随着总换热量的增加而降低，且逐步趋于稳定。这是由于随着桩身温度降低，桩身从周围土体中吸热的效率也会增大;当能量桩的换热效率等于其从桩周土体中吸热效率时，桩身温度将保持稳定;当能量桩换热效率小于其从桩周土体中吸热效率时，桩身温度将回升。党政等[19]研究得到，双桩向单块混凝土供热时，桩身温度下降没有单桩供热时明显，能量桩能够长期稳定地运行;这是由于双桩供热试验中，每根能量桩的换热效率小于单桩供热试验，在该试验条件下，面板、能量桩和桩周土体达到了热平衡。
第二阶段试验不同时段能量桩的桩身温度如图 7 所示;其中桩深 19 m 处传感器损坏，没有测得试验数据。试验开始前，能量桩桩深 2 m 处温度较低，桩深 4 m 以下温度较均匀;随着试验的进行，桩身温度不断降低，桩深 4~14 m 温度较均匀，而 17 m 位置温度相对较高。这说明在换热试验过程中，桩身底部温度变化较缓慢;这是由于受桩端以下半无限温度相对较高岩土层的作用，桩端回温速度较桩身其他部位大。此外，各岩土层传热性能的差异也对桩身温度分布产生一定影响。
由图 7 可见，试验初期桩身温度下降速度较快，之后逐步趋于稳定。在 0~36 h 期间桩身温度降低了 2.3~2.5 ℃;在 60 ~90 h 期间的 30 h 桩身温度仅降低了 0.2~0.3 ℃，可认为桩身温度近似达到稳定状态。60 h~90 h 期间能量桩平均的换热效率为 147 W/m，可以认为在桩身温度为 12~13 ℃时，能量桩从桩周土体吸热的效率为约 147 W/m。0~12 h 期间桩身温度下降了 1.6 ℃，12 h~22 h 期间桩身温度降低了 0.3 ℃，也可认为处于近似稳定状态;12 h~22 h 期间桩身温度约 15.8 ℃，进/出口水温差为 1.4~1.5 ℃，则桩身换热效率约为 58 W/m。24 h~36 h 期间开启了电热泵，但是由于环境温度急剧下降，能量桩换热效率大，桩身温度下降依然明显。
(2)桩身热致应变与应力
桩体受冷收缩，但是由于约束条件，自由收缩受限，桩体内部会产生附加热致应力。桩身应变由埋在桩身混凝土内部的传感器测得，不同时间段桩身应变沿桩深变化规律如图 8 所示。由图 8 可知，桩身应变在深度上呈现较大的差异，桩深 8 m 位置应变最大，17 m 位置和 2 m 位置应变相对较小。
桩深 17 m 位置温度变化最小，应变也相对较小。分析桩身 2 m、8 m、14 m 和 17 m 深位置的应变与桩体瞬时温度升幅之间的关系如图 9 所示。桩深 8 m 位置实测能量桩热膨胀系数平均值约为 7.4 με/℃，桩深 14 m、17 m 和 2 m 处的膨胀系数分别为 6.4 με/℃、6.9 με/℃和 4.6 με/℃。这是由于约束条件不同导致的，顶部由于盖梁的约束作用，应变最小;桩身中部的约束小于底部。
能量桩不同深度处的轴向热致应力可由式(3)计算得到。 thermal E T oba (3)其中，σthermal为热致应力;E 为混凝土的杨氏模量，取 2.5×104 MPa;β 为混凝土自由(不受约束) 热膨胀系数(取 10-5/℃);ΔT 为混凝土的温度变化; εoba 为混凝土的实测热应变。规定压应力为正、拉应力为负。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)规定 C30 水泥混凝土抗拉强度为 2.01 MPa，C40 混凝土抗压强度为 26.8 MPa。
图 10 显示了桩身在不同时段的轴向热致应力，试验结束时桩深 2 m 处最大热致应力为-0.792 MPa，约为混凝土抗拉强度(2.01 MPa)的 39.4%; 8 m、14 m 和 17 m 位置最大热致应力分别为-0.332 MPa、-0.531 MPa 和-0.341 MPa;桩深 17 m 位置热致应力比 14 m 位置小，这是由于 17 m 位置温度变化小。
轴向热致应力与桩体瞬时温度升幅关系曲线如图 11 所示。2 m、8 m 和、14 m 和 17 m 位置桩体最大轴向约束应力的温度响应分别为 0.136 MPa/℃、0.064 MPa/℃、0.092 MPa/℃和 0.076 MPa/℃左右。桩深 2 m 位置的应变最小、应力最大; 8 m 位置应变最大、应力最小。
(3)桩侧摩阻力
由于桩身温度降低，桩体产生收缩应变，从而导致桩身与土体的摩擦力降低，影响桩体的承载力。由图 8 可知，桩体中部变形最大，两端较小。桩体收缩，能量桩与桩周土体产生相对位移;能量桩的上部受到向上的正摩阻力，下部受到向下的负摩阻力。利用轴向约束应力沿桩深方向变化可计算桩体侧摩阻力变化，根据公式(4)计算 [21]： l D f t j t j j 4 , , 1 (4)式中，fj 为 j 测点处的热致桩侧摩阻力;D 为桩径; σt,j 为 j 点处的轴向约束应力;Δl 为 j 和 j-1 测点的高度差。负号代表摩阻力方向向下。
中性点出现在桩深 8 m(约 0.4l)处，正摩阻力和负摩阻力的最大值分别为19.5 kPa和15.8 kPa;王成龙等[22] 的研究中能量桩的中性点位 0.6 L 处，能量桩的热致桩侧摩阻力及中性点位置如图 12 所示。中性点位置主要与试验桩桩端约束条件有关，本文现场试验桩桩顶受盖梁约束，桩顶承受桥面板的荷载，桩身受冷收缩向上发展，中性点位置向上移动。
(4)热致桩顶轴向位移变化
桩身由于温度变化引起热胀冷缩，将引起桩顶位移变化。通过将轴向热应变从中性点开始沿深度向桩体两端叠加，估算出相对热致轴向位移，具体计算公式如式(5)[21]： l i i1 i1 i 2 1 (5)其中，δi 为 i 测点相对轴向热致位移;εi 为 i 测点的热致应变;Δl 是测点 i 和 i-1 之间的桩长。本文试验条件下，试验结束时桩顶热致位移为 -0.239 mm，约 0.3‰倍桩径。
2.4 桥面板热力响应特性
试验期间每天 7：00 至 17：00 每隔 2 小时读一次埋于面板内的传感器的温度，面板 A、B 两点的温度差可认为是由能量桩热泵系统换热作用引起的面板温升。图 13 显示了第一阶段试验面板埋管层 A、B 两点的温差随时间的变化曲线;由图 13 可见，每天上午 7：00 至 9：00 温差较高、9：00 至 17：00 温差逐渐下降。这是由于白天环境温度升高，且在太阳辐射的作用下，桥面板温度升高导致换热效率降低。笔者等[18]关于桥面板热响应试验研究得到，面板的温升与换热效率成正比关系，换热效率越大，面板温升越高。面板的温升在试验开始后 50 个小时达到最大值 5.4 ℃，之后由于能量桩的出水温度逐渐降低，在相同的环境温度下换热效率减小，面板的温升也降低。
第二阶段试验期间桥面板的温度变化情况如图 14 所示;图 14(a)和(b)分别显示了桥面板表面和埋管层的温度变化曲线。由图 14 可见，在 30~80 h 期间，环境温度低于 0 ℃，B 点桥面的温度也降到了 0 ℃以下，而 A 点桥面的温度一直高于 0 ℃;在最低环境温度-4 ℃时，A 点桥面的温度在 2.2 ℃ 左右。因此，可以得出 20 m 能量桩供热 20 m2 桥面板可有效防止桥面结冰。另外，在第二阶段试验期间，A、B 两点埋管层的最大温差为 7.2 ℃，大于第一阶段试验的最大值 5.4 ℃。在低温环境下，能量桩的换热效率更高，对桥面板的供热效果更显著，与党政等[19]基于模型试验的研究结果一致。
桥面板在受热过程中，由于约束条件和不均匀温升导致热应变受到限制，从而产生热致应力。埋入桥面板混凝土中的传感器可以测得应变;热应力可以通过公式(3)计算。
实测的面板应变、理论自由热膨胀应变及温度引起的热致应力如图 15 所示。实测应变随面板温度的变化呈线性变化，而应变系数小于自由热膨胀应变;实测应变与自由膨胀应变之比为 0.665，说明存在 33.5%的约束应变。这意味着在面板中产生了热致应力;面板最大温度增量为 9 ℃，最大热致应力为 770 kPa，为混凝土强度(26.8 MPa)的 2.9 %。
3 结 语
依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程，本文开展了基于能量桩热泵系统的桥面工程融雪除冰现场试验，现场实测了能量桩、桥面板的换热效率、温度及热致应力等变化规律。本文试验条件下，可以得到以下几点结论：
(1)能量桩的换热效率受环境温度和桩身温度双重因素影响;桩身温度随着总换热量的增加而降低，并逐渐趋于稳定;环境温度为-2~0.5 ℃、桩身温度为 12~13 ℃时，稳定的换热效率约为 147 W/m。
(2)在-4℃环境温度下，20 m 能量桩供热 20 m2 桥面板可保证桥面板表面温度始终高于 0 ℃。
(3)桩深 8 m 处应变最大(4/10 桩长)，热致应力最小;2 m 位置热致应力最大，最大轴向热致应力为-0.792 MPa，热致应力的温度响应持续稳定在 0.136 MPa/℃左右。
(4)能量桩上部受到正摩阻力，最大值为 19.5 kPa;下部受到负摩阻力，最大值为 15.8 kPa。试验结束时桩顶热致位移为-0.239 mm，约 0.3‰倍桩径。
综上所述，能量桩热泵系统可有效防止桥面板结冰;热致应力不会引起桥面板结构的破坏;系统运行过程中，桩身产生了拉应力，应用中需要关注能量桩桩身温度，防止温度降低幅度过大而导致桩身混凝土破坏。本文只涉及了 5U 型埋管形式的能量桩和埋管间距为 25 cm 的桥面板，对于其他埋管形式的能量桩、其他埋管间距桥面板的换热性能需要展开更多的研究。