随着科技的高速发展,能源需求量的不断增加,不可再生能源几近殆尽,面对出现的能源危机,最主要的办法之一就是寻求新能源。太阳能作为一种可再生的新能源,具有环保、持续、长久等优势,成为人们应对能源短缺、气候变化问题所采取的措施之一,因此对于太阳能的开发利用不仅在当前有现实意义,而且具有长远的发展前景。

随着太阳能技术的发展,人们不再只是单一地研究太阳能光伏技术或者太阳热利用技术,而是将太阳能技术与现有基础设施相结合,从而实现更为经济合理地利用太阳能中国沥青网sinoasphalt.com。现有的新型太阳能利用技术主要有光伏建筑一体化技术和光伏光热建筑一体化技术。为更加充分地利用太阳能,现已展开了将沥青路面用作太阳能吸热板的研究。沥青路面由于其材料特性对太阳辐射具有较高的吸收率(0.85~0.93)和较高的热容量[921~1674J/(kg·K)],可吸收并储存大量太阳能,使沥青路面温度在夏季时高达60~70℃,而较低的导热率[0.76~1.4W/(m·K)]可减少其吸收的热量的传递,并且在日落之后,储存在沥青路面里的热量还可以继续产生能量。目前,已经开发了几种从沥青路面获取太阳能的技术,应用较多的是在沥青路面下埋设管道的热交换系统,这种类型的沥青路面已在荷兰运用,被称为沥青路面太阳能集热技术。热交换系统内的换热介质将路面接收的热量输送至储热器(比如地下蓄水层,地下绝缘容器)储存或直接应用,主要有3种潜在的应用途径:一是为建筑物供暖供电制冷;二是可以在冬季升高路面温度用于道路的融雪化冰;三是可以在夏季高温时带走路面吸收的热量防止路面永久性变形的产生。

目前,沥青路面太阳能集热的良好性能已经在世界各地的实际应用中得到了论证:瑞士(SERSO系统),日本(GAIA系统),荷兰(道路能量系统,Zonneweg系统),英国(IHTTM),美国(HBT)或者苏格兰。利用沥青路面进行太阳能收集具有诸多的优势,但该项集热技术的关键问题在于集热系统的集热效率。为此,该文在回顾沥青路面太阳能集热技术发展历程的基础上,分析了集热的基本原理,从路面材料和热交换系统两方面对集热效率的影响进行了综述,并对沥青路面太阳能集热技术进行了展望。

沥青路面太阳能集热技术概况

发展历程

利用沥青路面进行太阳能集热是伴随着道路融雪化冰技术的发展而展开的。1948年美国开始研究利用地下热水的路面融雪化冰技术。1979年美国Wendel提出一项专利———Paving and Solar System and Method,旨在利用路面和屋顶收集太阳能,认为在路面下埋设流体输送管道可以降低路面温度从而延长道路使用寿命。1981年,Sedgwick和Patrick通过在沥青路面中埋设塑料管道建立了沥青混凝土太阳能集热系统,提出利用地面收集的太阳能给游泳池内水供暖的方案,并论证了其可行性。1992年,Bopshetty和Nayak采用数学模型与试验评估了地面埋管的太阳能集热技术的性能。1998年,日本建造了首例全自动路面集热蓄能式循环热流体融雪化冰系统,并对早期的地面集热蓄能融雪化冰试验工程进行分析,研究指出道路集热蓄能是一项极具发展前景的能源技术。2007年,Sullivan等将道路能量系统引进英国,对不同管道网络埋设和安装方式的沥青路面太阳能收集进行了系统研究。2008年,苏格兰隐形加热系统公司在韦斯特罗斯一条沥青路面下埋设水管,利用存储太阳热量的路面来融雪化冰。2008年开始,美国Worcester Polytechnic研究所的MallickRB等人开展沥青路面集热分析,进行微元建模和不同规模沥青路面太阳能集热试验研究。2010年,吴少鹏等分析沥青路面太阳能集热系统热学参数、沥青路面温度场分布以及沥青路面太阳能集热效率,指出路面太阳能集热系统具有显著的应用潜力。

集热基本原理

沥青路面太阳能集热是利用太阳能的光热效应,这属于太阳能热利用的范畴,集热的基本原理就是太阳光照射到沥青路面上,其中大部分太阳辐射能为沥青路面所吸收,进而转变为热能,通过路面结构的传导作用将热量传送至管道处,并通过路面结构与管道间的热传导、管道与换热介质间的对流换热作用,将路面吸收的热量传递给管道内的换热介质,从而将路面接收的热量输送至储热器(比如地下蓄水层,地下绝缘容器)储存或直接应用。沥青路面进行热交换的主要方式有路表面的辐射换热、路表面的对流换热、路面的导热。

可以看出:在热交换系统确定的情况下,单位面积上可获取的热量与管道出入口的温差成正比关系,因此管道出入口的温差可以表征该集热技术的集热效率,而管道出入口的温差不仅与热交换系统的参数有关,还与沥青路面材料的性能有关。

由以上分析可知:沥青路面太阳能集热技术集热效率的影响因素可以分为内部因素和外部因素,其中内部因素包括沥青路面材料和热交换系统的参数,外部因素包括环境温度、风速等。由于外部因素不受控制,受天气的影响很大,因此该文主要从内部因素所包含的两方面进行系统的综述。

沥青路面太阳能集热效率的影响因素

路面材料

沥青路面可吸收大部分的太阳辐射,但部分能量会以长波方式反射出去且沥青路面导热性能较差。目前,从路面材料方面提高沥青路面太阳能集热效率主要有以下两种方式:一是增加沥青路面的导热系数K;二是增加路面的吸收率。

导热系数。在沥青路面太阳能集热的过程中,路面的导热能力是非常重要的影响因素。增加路面的导热系数既会起到降低路面温度的效果,又能在道路内部起到蓄热作用,并且可减小沥青路面极限温度的波动,从而减少由于热梯度引起的铺装层病害,延长道路的使用寿命。常用的增加路面导热系数的方式有:添加导热相填料、采用高导热集料。

目前,常用的导热相填料包括金属填料和非金属填料。金属填料的耐腐蚀性较差,并且有研究结果表明铜粉[K=401W/(m·K)]的添加降低了管道进水口与出水口的温差ΔT,不利于路面集热。与此同时,李波通过研究不同导热相填料掺量对沥青混凝土热学参数的影响,制备了导热沥青混凝土,并认为需同时采用石墨与碳纤维作为导热相填料,且石墨的用量不宜超过沥青胶浆体积比的18%。添加石墨的导热沥青混凝土会提高沥青混合料抵抗高温变形与低温裂缝的能力;并且石墨的添加能够减小沥青路面极限温度的波动,从而减少由于高温梯度引起的热应力破坏。沥青混凝土导热性能的提高能加快路面的温度变化速率,这对于提高沥青路面太阳能集热技术的集热效率有着积极的意义。在此基础上,吴少鹏等通过加入石墨以提高沥青路面的导热性能,对添加石墨的试件CAC[K=2.23W/(m·K)]与未添加试件neat[K=1.73W/(m·K)]进行对比,结果表明较高的导热系数可以增加管道内液体的温度,从而从路面获取较多的热量,因此添加石墨可以提高集热效率。

与其他集料相比,石英岩集料拥有较高的导热系数和热容量。石英岩[K=5.38W/(m·K)]和石灰岩[K=2.15W/(m·K)]几乎代表了集料导热系数的两个极端,因此MallickRB等通过采用石英岩集料与石灰岩集料制作的试件进行对比分析,结果表明采用石英岩集料利于管道内换热介质的升温。MallickRB等采用当地可回收的沥青路面材料(RAP)、掺加75%RAP和25%石英岩混合而成的材料成型试件,对比分析表明石英岩的添加对于增加ΔT有显著的影响。这结果初步证明了在相同的辐射条件下,改变路面材料将会从路面获取更多的热量。

吸收率。目前,大多数研究都是设法增加路面反射率从而降低沥青路面的温度,对于增加路面吸收率的研究相对较少。MallickRB等通过在路面铺设丙烯酸涂料增加沥青路面的吸收率,对比分析有涂层试件与普通试件出入口的ΔT,认为该种方法可以有效增加管道进出口ΔT,提升路面集热效率。

热交换系统

热交换系统参数主要包括管道的材质、直径、间距、埋置深度以及管道布置形式、管内换热介质以及该介质流量等。

管道材质。以前,金属管道(如钢、铁、铜)由于其强度高、导热性能好而被经常采用,但是现阶段首选管道为塑料类,因其可避免管道腐蚀而出现泄漏的情况,如1948年在美国俄勒冈州一段用于融雪化冰试验工程就因管道腐蚀而出现泄漏。王虹选择了铜管、高密度聚乙烯管两种材料,对沥青铺装层底部管道垂直对应位置的水平应变以及埋管周围的应变进行分析,认为无论埋设哪种材料,传导沥青路面均可满足与无管沥青路面相同的疲劳性能设计要求以及道路水平方向拉应变要求。MallickRB等选择了4种目前均在道路融雪化冰系统中使用的管道材料PEXAL、PEX、Onix、铜管,利用管道ΔT分析其对路面集热效率的影响,结果表明ΔT由大到小依次是铜管、PEXAL、Onix、PEX,两两相差的温度基本为2~3℃。M.A.A1-saad等建立了试验系统,研究了分别埋植镀锌钢管、聚氯乙烯管和热塑性管道的混凝土太阳能集热的集热性能,试验结果表明镀锌钢管集热性能最好。Wang等提出如果管道材质的性能与沥青路面存在很大不同,沥青路面容易产生应力集中。

管道直径

管道内液体的流动条件强烈依赖于管道直径。管道与流体间的传热系数与水力直径(管道直径的湿周)成反比,因此管道直径越小传热系数越高,为使流体达到管道壁的温度直径越小所需的管道长度越短,相反地,管道的直径越大所需的管道长度越长。ChenBao-Liang等通过有限元模型分析认为增加管道直径可以有效降低路表面温度;在直径一定的情况下,可以通过减少管道间距降低路表温度。对于特定的流体流量,管道间的最小间距取决于管道直径;在直径相同的情况下,管道越长水温越高;长度相同的情况下,直径越小水温越高。

管道间距

一般情况下,增加单位面积的管道密度会提升太阳能集热技术的热收集能力。管道间距越小,沥青路面内部温度降低得越多,路面收集热量的能力就越高。在流量一定的情况下,管道的最小间距取决于管道的直径。但是如果管道间距小于最小间距(确保在管道之间不会形成冷却区),集热效率将会大幅度地减少,而管道的最小间距取决于管道直径和换热介质的流量,并且温度并非越低越好。另外在选择管道间距时,还应考虑经济原则。

管道埋设深度

由于沥青路面与大气环境间的对流换热,路面的最高温度不是出现在路表,而是出现在路表下2cm处或者25~28mm处,这也是埋设管道最佳的地方。管道埋设越接近于路表,所获取的热量就越多。随着管道埋设深度的增加路面温度分布更加均匀,但是系统收集的能量却因此而减少。虽然管道埋设在较浅的深度处温度分布不均匀,但是可通过降低管道间距的方法得到较均匀的温度分布。在交通荷载的作用下,管道的埋设会导致路面结构的应力状态重新分配等建立有限元模型来计算分析路面的温度分布和应力分布,结果表明:当导热管道铺设较浅时集热效率比较高,有益于太阳能的收集,但路面会产生更大的应力集中,从而降低路面的耐久性,基于此,有必要研究不同的管道材料对路面热学性能和力学性能的影响。在选择管道埋设位置时需要考虑多方面的影响,比如对温度分布、集热效率、路用性能的影响,应在保证道路使用性能的条件下,再考虑其集热效率。

管道布置形式

目前,管道的布置形式主要有直管和蛇形管道。蛇形管道集热效率高,且会减少热量的泄漏,并且蛇形管道会增加管道与混合料间的接触面积。MallickRB等通过室内模拟试验表明:埋置蛇形管道更利于路表温度的减少。Chen,Bao-Liang等通过有限元模拟管道的布置形式对管道内水温变化的影响进行分析,结果表明蛇形管道中的水温高于直管,并且管道的接触面积越大,管道出口处的水温越高。管道的布置形式特别是在一定范围内管道的有效长度对路面所能获取的热量有很大的影响。

换热介质及其流量

对于管道内换热介质需要具备的特性有:高比热、与管道相容、容易被泵送,并能迅速吸收能量、充足以及价格低廉。在实际应用中,需要考虑换热介质的汽化,在理论上流体应具有较低的沸点。管道内液体的流动状态对集热有一定的影响,层流状态下,管道与流体间的传热系数降低,管道间的温降降低,当紊流出现时,传热系数增加了,管道间的温降增加了。进入交换系统的流体温度和路面温度相比应该足够低,二者之间存在较大的温差利于集热。沥青路面在较低的温度(25~90℃)下工作,水是管道内换热介质最好的选择之一,但是固化温度必须小于集热中的最小温度。

换热介质流量的大小与集热效率有密切的关系。目前,对于换热介质流量的研究结果表明:随着流量的增加,管道进出口温差ΔT逐渐减少,从路面获取的能量轻微增长。随着流量的增加,路面温度会降低,管道内的循环水温度上升的幅度将会减少,并且流量对内部温度的影响不大。在管道直径相同的情况下,流量的增加会增加流速,导致传热系数和利用能量的增加。当流量增加时,管内流体有效吸热时间降低,在一定流量与管道间距下测得的单位面积热量表明流量越大,管道布设密度越大集热效率越高。除了换热介质流量对集热效率有影响外,换热介质注入管道的时机以及在管道内循环的时间对集热效率也是有影响的。光照一段时间注入水有益于路面集热,光照时立刻注水能使路面保持较低的温度,探索最佳的注水时机是很有必要的。

现状评述

对于沥青路面太阳能集热技术的研究,现在还处于起步阶段,总的来说该项技术可以有3个方面的内容:集热、存储、利用。

(1)集热。集热效率是沥青路面太阳能集热技术的关键和核心,在集热效率佳的情况下才有后续相应研究的必要。该文主要核心内容是综述该项技术的集热效率,对于路面材料可以通过增加沥青混合料的导热系数及路面的吸收率来提高该项技术的集热效率;对于热交换系统,管道材料和换热介质对集热性能的研究以及管道材料对路面温度应力以及荷载应力的研究相对较少,没有系统的研究该项集热技术对沥青路面使用性能的影响。对于热交换系统参数的研究相对较多,但是各参数间的交互作用研究相对较少,管道的直径、长度、埋设深度、间距以及流体的流量等几何因素对集热效率的影响都是相互制约、相互关联的,需要寻求一个最佳的组合状态,以使该集热技术具有较好的集热效率。

(2)存储。将夏季时沥青路面获取的热量加以利用,需要将热量进行存储,目前所提到的方法一般是将其存储在地下绝缘容器或是地下蓄水层。但是针对路面获取的热量如何存储在地下,地下存储器的修建、位置选择等相应方面的文献很少,并且就该方面进行室内模拟不现实,需要借助于软件分析,对此有一系列技术问题还需解决。

(3)利用。目前,提出了3种潜在的能源利用方式:缓解路面高温病害、融雪化冰、给建筑物发电供暖制冷。利用沥青路面进行太阳能集热就是缓解路面高温病害、防止永久变形产生的过程;在管道内通入一定温度的介质水可以对路面进行融雪化冰,但其融雪化冰的效果主要与影响集热效率的因素大致相同,因此要综合考虑路面材料和热交换系统对于集热与融雪化冰的影响;针对于给建筑物供暖制冷方面的研究几乎没有,这也是能源利用方面需要研究的问题。

结语

沥青路面太阳能集热技术的集热效率是制约该项技术发展的一个“瓶颈”,对路面材料而言,应寻求提高沥青路面导热性能的新型方法;对于热交换系统的设计方面,应考虑各参数的交互作用寻求最佳的组合状态;沥青路面太阳能集热技术是一个综合复杂的系统,不仅需要研究该技术的集热效率,还应考虑荷载应力和温度应力对路面使用性能的影响,从而确定适合于沥青路面太阳能集热技术的路面结构;并且沥青路面太阳能集热性能的评价方法以及经济性也是该项技术走向成熟所面临的问题。