Abstract

Electrically conductive concrete (ECON) heated pavement system (HPS) is a newly developed clean technology to reduce the use of polluting chemicals for removal of snow and ice. This technology requires further comprehensive studies for achieving an energy-efficient design. To construct an energy-efficient system, ECON HPS design includes determining the most appropriate configuration of electrodes embedded in the ECON layer. The spacing, shape and dimensions of these electrodes are important design factors impacting the thermal and energy performance of the system. While field tests are resource-intensive, the use of numerical modeling can complement such experimental tests to provide a better overall understanding of the technology’s behavior. In this paper, the thermal and energy performance of ECON HPS is investigated through considering various system configuration designs, with an experimentally validated finite element model. A performance index is defined for comparing both thermal and energy performance of the configurations to obtain an energy-efficient design. The results indicate that a configuration with six circular electrodes at 100 cm spacing exhibited the best performance index and the highest energy efficiency. Since a test section with higher performance index would be capable of achieving a higher average surface temperature for the same energy input, such a section would have higher efficiency compared to other sections evaluated. This analysis results in narrowing down the ECON HPS’s configuration design options before performing experimental tests.

Graphic abstract

中文翻译：

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碳纤维自热混凝土路面系统的节能设计有限元分析

摘要

导电混凝土（ECON）加热路面系统（HPS）是一项新近开发的清洁技术，旨在减少使用污染性化学物质来清除积雪和冰。这项技术需要进一步的综合研究，以实现节能设计。为了构建节能系统，ECON HPS设计包括确定嵌入ECON层的电极的最合适配置。这些电极的间距，形状和尺寸是影响系统热和能量性能的重要设计因素。尽管现场测试会占用大量资源，但使用数字建模可以补充此类实验测试，从而更好地全面了解该技术的行为。在本文中，通过考虑各种系统配置设计以及经过实验验证的有限元模型，对ECON HPS的热能性能进行了研究。定义了性能指标，用于比较配置的热性能和能源性能，以获得节能的设计。结果表明，在100 cm间距处具有六个圆形电极的配置表现出最佳的性能指标和最高的能源效率。由于对于相同的能量输入，具有更高性能指标的测试部分将能够实现更高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。经过实验验证的有限元模型。定义了性能指标，用于比较配置的热性能和能源性能，以获得节能的设计。结果表明，在100 cm间距处具有六个圆形电极的配置表现出最佳的性能指标和最高的能源效率。由于对于相同的能量输入，具有更高性能指标的测试部分将能够实现更高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。经过实验验证的有限元模型。定义了性能指标，用于比较配置的热性能和能源性能，以获得节能的设计。结果表明，在100 cm间距处具有六个圆形电极的配置表现出最佳的性能指标和最高的能源效率。由于在相同的能量输入下，具有较高性能指标的测试部分将能够实现较高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。定义了性能指标，用于比较配置的热性能和能源性能，以获得节能的设计。结果表明，在100 cm间距处具有六个圆形电极的配置表现出最佳的性能指标和最高的能源效率。由于在相同的能量输入下，具有较高性能指标的测试部分将能够实现较高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。定义了性能指标，用于比较配置的热性能和能源性能，以获得节能的设计。结果表明，在100 cm间距处具有六个圆形电极的配置表现出最佳的性能指标和最高的能源效率。由于对于相同的能量输入，具有更高性能指标的测试部分将能够实现更高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。由于对于相同的能量输入，具有更高性能指标的测试部分将能够实现更高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。由于对于相同的能量输入，具有更高性能指标的测试部分将能够实现更高的平均表面温度，因此与评估的其他部分相比，该部分的效率更高。这种分析可以在进行实验测试之前缩小ECON HPS的配置设计范围。

图形摘要