محیط شناسی

محیط شناسی

تحلیل عملکرد سیستم گرمایش هیدرونیک در مقابله با یخبندان به‌عنوان راهکاری پایدار برای زیرساخت‌های شهری در اقلیم سرد: مطالعه موردی پل B9 تهران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
سینا مطهری
علی علوی نائینی
گروه مهندسی سوانح، آموزش و سیستم های محیط زیست، دانشکده محیط زیست، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
10.22059/jes.2026.396846.1008614
چکیده
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 ایران، مقابله با این پدیده‌ها عمدتاً بر روش‌های سنتی نظیر شن‌پاشی و محلول‌پاشی شیمیایی استوار است که علاوه‌بر هزینه‌های اجرایی و نگهداری بالا، پیامدهای محیط‌زیستی نامطلوبی نیز به همراه دارند. در این راستا، پژوهش حاضر با هدف تحلیل عددی عملکرد حرارتی یک سامانه گرمایش هیدرونیک برای ذوب برف در پل B9 واقع در 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، ارتقای پایداری زیرساخت‌ها و کاهش اثرات محیط‌زیستی در شرایط اقلیمی سرد می‌باشد.
روش پژوهش: در این تحقیق، شبیه‌سازی حرارتی گذرا با استفاده از نرم‌افزار COMSOL Multiphysics برای مدل‌سازی فرایند 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 بازیه دمای 40 الی 43 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.
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.
نتیجه‌گیری: بر اساس نتایج این پژوهش، اجرای سامانه‌های گرمایش هیدرونیک در پل‌ها و زیرساخت‌های شهری مناطق سردسیر می‌تواند راهکاری مؤثر و پایدار برای جلوگیری از یخ‌زدگی سطحی باشد. این سیستم در مقایسه با روش‌های سنتی ضدیخ، 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 محیط‌زیستی و تحقق اهداف توسعه پایدار زیرساخت‌های شهری ایفا ‌می‌نماید.
کلیدواژه‌ها
انرژی خورشیدی
توسعه پایدار
سوانح طبیعی
سیستم گرمایش هیدرونیک
مسیر ضدیخبندان
موضوعات
آزادی سمرغاوه، احمد؛ محمودی‌نیا، میثم؛ قریشی، سید علیرضا؛ سلطانی، محمد، و سادات کبیری، فرشته (1403). تاثیر یخزدایی معابر با نمک بر گیاهان و فضای سبز شهری؛ چالش‌ها، راهکارها و مواد جایگزین، هشتمین کنگره سالانه بین‌المللی توسعه کشاورزی، منابع‌طبیعی، محیط‌زیست و گردشگری ایران،  https://civilica.com/doc/2194624/
نوروزی، نعمت؛ امین، رضا، و خدائی، علی (1403). ارزیابی اثرات مخرب وجود نمک روی روسازی آسفالتی و مروری بر راهکار‌های نوینی جلوگیری از ایجاد یخ و یخ‌زدایی بر روسازی راه‌ها و فرودگاه‌ها. نشریه عمران و پروژه، 6(6)، e195899. https://doi.org/ 10.22034/cpj.2024.456031.1286  
فروشگاه اینترنتی GKN ‌کالا. (۱۴۰۴). لوله پنج‌لایه PEX-AL-PEX برند https://gknkala.ir MPJ.    
فرج‌وند، س. (۱۴۰۲، ۱۰ دی). اینجا کارگاهه؛ پل مجهز به سیستم یخ‌زدایی خودکار [گزارش تصویری]. آژانس عکس تهران، مرکز ارتباطات و امور بین‌الملل شهرداری تهران.  https://www.tehranpicture.ir/
 Adl-Zarrabi, B., Gehlin, S., Van den Bergh, W., Cetin, A., & Staudacher, L. (2023). Ground source de-icing and snow melting systems for infrastructure. Transportation Research Procedia, 69, 558–565. https://doi.org/10.1016/ j.trpro.2023.11.633
Adl-Zarrabi, B., Mirzanamadi, R., & Johnsson, J. (2016). Hydronic pavement heating for sustainable ice-free roads. Transportation Research Procedia, 14, 704–713. https://doi.org/10.1016/j.trpro.2016.05.336
Ahmed, A., Conti, F., Schießl-Widera, M., & Goldbrunner, M. (2023). CFD-based sensitivity-analysis and performance investigation of a hydronic road-heating system. Energies, 16(5), 2173. https://doi.org/10.3390/en16052173
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. (2020). ASHRAE handbook: HVAC systems and equipment.https://www.ashrae.org/technical-resources/ashrae-handbook
Armalit. (2025). Composite mesh Armalit_BASE. https://armalitas.com/en/product-category/composite-reinforcing-mesh-armalit_base/
Azadi Samarghaveh, A., Mahmoudi Nia, M., Qureshi, S. A., Soltani, M., & Kabiri, F. S. (2024). The impact of road de-icing with salt on urban plants and green spaces: Challenges, solutions, and alternative materials. Proceedings of the 8th Annual International Congress on Agricultural Development, Natural Resources, Environment and Tourism of Iran. https://civilica.com/doc/2194624/
Biondi, A., Buscemi, A., Bonomolo, M., Guarino, S., & Di Liberto, M. (2026). Study of a road thermal collector prototype: Mathematical model, numerical simulations and experimental validation. Energy Conversion and Management: X, 30, 101736. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2026.101736
Chartered Institution of Building Services Engineers. (2019). CIBSE guide B1: Heating. CIBSE. https://www.cibse.org/ knowledge-research/guides/guide-b1-heating
Dempsey, B. J., & Spitler, J. D. (1984). Thermal properties of asphalt concrete. Transportation Research Record, 968, 1–9. https://onlinepubs.trb.org/Onlinepubs/trr/1984/968/968-005.pdf
Farajvand, S. (2023, December 31). Here is the workshop: A bridge equipped with an automatic de-icing system  [Photo report]. Tehran Picture Agency, Tehran Municipality. https://www.tehranpicture.ir/[In Persian]
Fay, L., & Shi, X. (2012). Environmental impacts of chemicals for snow and ice control: State of the knowledge. Transportation Research Board. https://doi.org/10.1007/s11270-011-1064-6
Gerlich, V., Sulovská, K., & Zálešák, M. (2013). COMSOL Multiphysics validation as simulation software for heat transfer calculation in buildings: Building simulation software validation. Measurement,46(6), 2003–2012.  https://doi.org/10.1016/j.measurement.2013.02.020
Graves, R. L., & Reavis, P. L. (2015). Use of power plant waste heat for pavement heating in Michigan (Technical Report). Michigan Department of Transportation. https://www.michigan.gov/mdot
Helsingin Energia. (2013). Decentralized district heating and cooling: Summary. District Energy Awards. districtenergyaward.org
Howard, T. K., Jain, P., & Popov, E. (2019). Verification and validation of COMSOL for heat transfer in thin rectangular channels using NACA test results. In Proceedings of the 18th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH 2019) (pp. 3598–3611). American Nuclear Society. https://www.osti.gov/ servlets/purl/1560466
IES Ltd. (2021). IES VE Material Database – Integrated Environmental Solutions. iesve.com
Incropera, F. P., & DeWitt, D. P. (2006). Fundamentals of heat and mass transfer (6th ed.). Wiley. https://hyominsite. wordpress.com/wp-content/uploads/2015/03/fundamentals-of-heat-and-mass-transfer-6th-edition.pdf
Islam, M. S., Fukuhara, T., Watanabe, H., & Nakamura, A. (2006). Horizontal U-tube road heating system using tunnel ground heat. Journal of Snow Engineering of Japan, 22(3), 229–234. https://doi.org/10.4106/jsse.22.229   
Jin, M., & McBroom, D. G. (2024). Investigating road ice formation mechanisms using road weather information system (RWIS) observations. Climate, 12(5), 63. https://doi.org/10.3390/cli12050063
Johnson, C. (2001). I-35W and Mississippi River Bridge anti-icing project operational evaluation report (Report No. 2001-22). Minnesota Department of Transportation. https://hdl.handle.net/20.500.14153/mndot.2437
Liu, J., Xu, K., Chen, Z., Peng, W., & Wei, L. (2025). Optimization and analysis of electrical heating ice-melting asphalt pavement models. Energies, 18(9), 2207. https://doi.org/10.3390/en18092207
Loubani, R., Defer, D., Alhaj-Hasan, O., & Chamoin, J. (2025). Optimization of hydronic heating system in a commercial building: Application of predictive control with limited data. Energies, 18(9), 2260. https://doi.org/10.3390/ en18092260
Jinan Zhengtang Insulation Decoration Material Co., Ltd. (n.d.). PU foam composite thermal insulation sandwich panel. Made-in-China.com. https://insulated-panels.en.made-in-china.com/product/aSGQiIpwVRrP/China-PU-Foam-Composite-Thermal-Insulation-Sandwich-Panel.html
Mirzanamadi, R., Hagentoft, C. E., & Johansson, P. (2020). Coupling a hydronic heating pavement to a horizontal ground heat exchanger for harvesting solar energy and heating road surfaces. Renewable Energy, 147, 447–463. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.08.107
Nawroozi, N., Amin, R., & Khodaii, A. (2024). Evaluating the Destructive Effects of Salt on Asphalt Pavement and Reviewing Modern Solutions for Preventing Ice Formation and De-icing on Road and Airport Pavements. (e195899). Civil and Project Journal, 6(6), e195899. https://doi.org/10.22034/cpj.2024.456031.1286 [in Persian]
Nordell, B., & Sköldberg, H. (2005). HERO – Heating Roads with Solar Energy Stored in the Ground. International Energy Agency – Energy Conservation through Energy Storage (IEA ECES) Annex 10 / Task 38 Report. Luleå University of Technology, Sweden. https://iea-eces.org
Poulsen, S. E., Nielsen, K. B., & Tordrup, K. W. (2024). The Thermoroad—Full-scale demonstration of geothermal 5th generation district heating and cooling combined with sustainable urban drainage. EGU General Assembly 2024, EGU24-15138. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-15138
Shenzhen Sole Technology Co., Ltd. (2025). 700 watt monocrystalline solar panel with 132 cells solar cell for home system large power solar panel 700W paneles solares. Made-in-China.com. Made-in-China product page
Szklarek, S., Górecka, A., & Wojtal-Frankiewicz, A. (2021). The effects of road salt on freshwater ecosystems and solutions for mitigating chloride pollution: A review. Science of The Total Environment, 771, 150289. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.150289
Zhao, W., Zhang, Y., Li, L., Su, W., Li, B., & Fu, Z. (2020). Snow melting on the road surface driven by a geothermal system in the severely cold region of China. Sustainable Energy Technologies and Assessments. https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100781
GKNKALA Online Store. (1404). MPJ brand PEX-AL-PEX five-layer pipe. https://gknkala.ir/
محیط شناسی
دوره 52، شماره 2
تابستان 1405
صفحه 171-194