دانشگاه تهران محیط شناسی 1025-8620 مقالات آماده انتشار 2026 04 19 Performance Analysis of a Hydronic Heating System for Frost Mitigation as a Sustainable Solution for Urban Infrastructure in Cold-Climate Regions: A Case Study of Tehran’s B9 Bridge تحلیل عملکرد سیستم گرمایش هیدرونیک در مقابله با یخبندان به‌عنوان راهکاری پایدار برای زیرساخت‌های شهری در اقلیم سرد: مطالعه موردی پل B9 تهران 106592 10.22059/jes.2026.396846.1008614 FA سینا مطهری گروه مهندسی سوانح، آموزش و سیستم های محیط زیست، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران. علی علوی نائینی گروه مهندسی سوانح، آموزش و سیستم های محیط زیست، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران. Journal Article 2025 08 10 Objective:In cold and high-altitude urban environments, snow accumulation and surface icing represent critical threats to transportation safety, traffic continuity, and the long-term durability of bridge structures. Bridges are particularly vulnerable due to increased exposure to wind and lower surface temperatures compared to adjacent roadways. In Iran, snow and ice mitigation strategies are still largely reliant on conventional methods such as chemical spraying and sand spreading. While these approaches are widely used, they are associated with substantial environmental and structural drawbacks, including corrosion of reinforced concrete elements, contamination of soil and groundwater, and elevated maintenance demands. In this context, the present study aims to numerically evaluate the thermal performance of a hydronic surface heating system for snow melting on the B9 Bridge located on Artesh Highway in Tehran, which is currently equipped with a chemical-based anti-icing system. The objective is to assess the feasibility of replacing the existing system with a more energy-efficient and environmentally sustainable technology under cold-climate conditions.<br />Method: A transient thermal simulation was performed using COMSOL Multiphysics to model a hypothetical subsurface hydronic heating system embedded beneath the bridge pavement. The system consists of PEX-AL-PEX pipes circulating water at a constant temperature of approximately 40 °C. The numerical model incorporates conductive heat transfer through asphalt layers and insulation, as well as convective heat transfer associated with the internal water flow. Two representative winter scenarios were examined, corresponding to ambient air temperatures of −5 °C and −10 °C. For the more severe scenario, snowfall with an intensity of 30 mm/h was included to simulate realistic operational conditions. Temperature-dependent thermophysical properties of construction materials and the dynamic behavior of the circulating fluid were explicitly considered to ensure accurate representation of field conditions.<br />Results: The simulation results indicate that the hydronic heating system is capable of raising the pavement surface temperature above the freezing point within approximately 15–20 minutes under an ambient temperature of −10 °C. This thermal response is sufficient to effectively melt snow at a rate of 30 mm/h and prevent surface ice formation on the bridge deck. The total energy demand for one hour of continuous system operation was estimated to be approximately 851 kWh. Furthermore, an energy supply scenario demonstrated that the installation of 200 fixed photovoltaic panels, each with a nominal capacity of 700 W, could enable roughly 340 hours of system operation annually, highlighting the feasibility of integrating renewable energy sources.<br />Conclusions: Overall, the results confirm that hydronic surface heating systems offer a proactive, reliable, and environmentally responsible alternative to conventional chemical de-icing methods. Their ability to reduce chemical usage, enhance public safety, and integrate with renewable energy sources supports their application in sustainable urban infrastructure and climate-resilient transportation systems هدف:در مناطق سردسیر، یخبندان و بارش برف از مهم‌ترین عوامل اختلال در عملکرد زیرساخت‌های شهری و سامانه‌های حمل‌ونقل به شمار می‌آیند و می‌توانند ایمنی ترافیکی و بهره‌برداری پایدار از شبکه معابر را به‌طور جدی تحت تأثیر قرار دهند. . در این راستا، پژوهش حاضر با هدف تحلیل عددی عملکرد حرارتی سامانه گرمایش هیدرونیک برای ذوب برف در پل B9 بزرگراه ارتش تهران انجام شده است. این پل در وضعیت فعلی به سامانه پاشش شیمیایی ضدیخ مجهز است و هدف اصلی مطالعه، بررسی امکان‌سنجی جایگزینی سیستم موجود با فناوری گرمایش سطحی هیدرونیک، با تمرکز بر افزایش بهره‌وری انرژی، پایداری زیرساخت‌ها و کاهش اثرات زیست‌محیطی در شرایط اقلیمی سرد می‌باشد. <br />روش پژوهش:در این تحقیق، شبیه‌سازی حرارتی گذرا با استفاده از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics برای مدل‌سازی فرآیند انتقال حرارت در یک سامانه فرضی گرمایش هیدرونیک انجام شده است. این سامانه شامل لوله‌هایی است که در زیر سطح روسازی پل تعبیه شده‌اند و آب با دمای حدود ۴۰ درجه سانتی‌گراد در آن‌ها جریان دارد. مدل عددی، انتقال حرارت در لایه‌های مختلف روسازی از جمله آسفالت و لایه‌های عایق را به‌همراه رفتار دینامیکی جریان سیال در لوله‌ها در نظر می‌گیرد. شبیه‌سازی‌ها برای دو سناریوی آب‌وهوایی با دماهای محیطی ۵- و ۱۰- درجه سانتی‌گراد انجام شده و در سناریوی دوم، بارش برف با شدت ۳۰ میلی‌متر در ساعت نیز لحاظ شده است تا عملکرد سیستم در شرایط بحرانی ارزیابی شود.<br />یافته‌ها:نتایج شبیه‌سازی نشان داد که سامانه گرمایش هیدرونیک قادر است در دمای محیطی ۱۰- درجه سانتی‌گراد، دمای سطح آسفالت را در کمتر از ۲۰ دقیقه به بالاتر از نقطه انجماد برساند. این ویژگی امکان ذوب مؤثر برف با شدت ۳۰ میلی‌متر در ساعت و جلوگیری از یخ‌زدگی سطح پل را فراهم می‌کند. میزان انرژی مورد نیاز برای یک ساعت عملکرد کامل سیستم حدود ۸۵۱ کیلووات‌ساعت برآورد شد. همچنین بررسی‌ها نشان داد که با نصب ۲۰۰ پنل خورشیدی ثابت با ظرفیت ۷۰۰ وات، امکان تأمین حدود ۳۴۰ ساعت عملکرد سالانه سیستم وجود دارد که بیانگر پتانسیل بالای استفاده از انرژی خورشیدی به‌عنوان منبعی پایدار برای پشتیبانی از این فناوری است.<br />نتیجه‌گیری: نتایج پژوهش نشان داد سامانه‌های گرمایش هیدرونیک می‌تواند راهکاری مؤثر و پایدار برای جلوگیری از یخ‌زدگی سطحی باشد. این سیستم در مقایسه با روش‌های سنتی ، پایداری عملیاتی بالاتر، وابستگی کمتر به مواد شیمیایی و ایمنی عمومی بیشتری فراهم می‌کند. علاوه بر این، امکان تلفیق آن با منابع انرژی تجدیدپذیر، نقش مهمی در کاهش اثرات زیست‌محیطی و تحقق اهداف توسعه پایدار زیرساخت‌های شهری ایفا می‌نماید.