太陽(yáng)能技術(shù)在城市道路中的應(yīng)用

■ 張心悅 張曉平* 朱炅 陳欣健 趙楚涵 陳祥宇

(1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院；4.武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院)

0 引言

近年來(lái)，建筑行業(yè)開始大力倡導(dǎo)“綠色建筑”，即充分利用自然資源、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的建筑，太陽(yáng)能與建筑一體化是其中的熱門研究方向。建筑領(lǐng)域?qū)μ?yáng)能的利用主要是太陽(yáng)能供暖、太陽(yáng)能熱水和光伏組件發(fā)電[1]，大多都是通過(guò)與建筑外墻的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

民用建筑擁有較為規(guī)整的建筑立面和建筑頂面，便于鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器和光伏組件，因此容易實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的利用，目前對(duì)太陽(yáng)能與建筑一體化的研究也主要聚焦于民用建筑。但是通過(guò)民用建筑來(lái)利用太陽(yáng)能存在以下這些問(wèn)題：1)民用建筑的建筑面積相對(duì)有限，不能大面積地接收太陽(yáng)輻射，因此對(duì)太陽(yáng)能的利用率低，經(jīng)濟(jì)效益較低；2)目前國(guó)家尚未制定太陽(yáng)能與建筑一體化相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范，民用建筑上太陽(yáng)能設(shè)備的安裝布局缺乏整體協(xié)調(diào)性，對(duì)城市建筑外觀產(chǎn)生了嚴(yán)重影響；3)民用建筑的建筑外墻難以為太陽(yáng)能集熱器提供接收太陽(yáng)輻射所需的最佳傾角，經(jīng)濟(jì)效益低[2-3]。以上問(wèn)題限制了太陽(yáng)能技術(shù)在民用建筑中的大規(guī)模應(yīng)用，因此，相關(guān)研究人員將目光轉(zhuǎn)向了城市道路工程。

目前已有不少學(xué)者投入到了道路與太陽(yáng)能技術(shù)相結(jié)合的研究中，主要的研究成果有太陽(yáng)能路燈和光伏路面等。但是太陽(yáng)能路燈收集到的太陽(yáng)能很少；光伏路面由于長(zhǎng)時(shí)間承受行車荷載，其透光性能難以保障，使用壽命短，后期維護(hù)成本高，經(jīng)濟(jì)性較差。

為了推動(dòng)太陽(yáng)能與建筑一體化更廣泛地應(yīng)用，本文提出了將太陽(yáng)能設(shè)備與全封閉式城市道路隔音棚相結(jié)合的設(shè)想，即“綠色新型道路系統(tǒng)”。綠色新型道路系統(tǒng)是在全封閉式城市道路隔音棚頂棚上鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器和光伏組件，頂棚的斜面可為集熱器和組件提供集熱的最佳傾角，并且該斜面可收集雨水，灌溉城市道路的綠化帶；而且這一設(shè)計(jì)還增強(qiáng)了隔音棚頂棚的隔音效果，打造出“供熱水、發(fā)電、蓄水、隔音”四位一體的綠色新型道路系統(tǒng)。

1 綠色新型道路系統(tǒng)的理論模型

1.1 模型介紹

本文提出的綠色新型道路系統(tǒng)設(shè)想是以全封閉式城市道路隔音棚頂棚為基本骨架，由太陽(yáng)能區(qū)(包括太陽(yáng)能熱水區(qū)與光伏發(fā)電區(qū))和集水灌溉區(qū)組成，具有供熱水、發(fā)電、蓄水、隔音4大功能。系統(tǒng)模型圖如圖1所示。

圖1 綠色新型道路系統(tǒng)模型圖

1.1.1 基本功能——隔音

目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用設(shè)置聲屏障的方式來(lái)減少交通噪音污染[4]，其將交通噪音封閉在聲屏障內(nèi)部，降噪效果比現(xiàn)階段廣泛采用的半封閉式聲屏障更優(yōu)。本文中鋪設(shè)于隔音棚頂棚的太陽(yáng)能集熱器和光伏組件也間接增強(qiáng)了隔音效果。由于隔音棚的頂棚大而平緩，便于其上鋪設(shè)的太陽(yáng)能集熱器和光伏組件更有效地收集利用太陽(yáng)能。

1.1.2 核心功能——供熱水、發(fā)電

目前，具有隔音棚的城市道路一般為城市高架橋、地面城市軌道，這類道路的樹木遮擋較少，光照資源充足，并且周圍以居住類高層建筑為主。這些高層建筑耗能主要體現(xiàn)為熱水的大量使用，因此從節(jié)能環(huán)保的角度考慮，應(yīng)優(yōu)先選用太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)[5]；而且目前太陽(yáng)能集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率普遍達(dá)60%以上，而光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率只有18%～21%[6]。所以在綜合考慮周圍建筑自身的耗能類型和光熱、光電轉(zhuǎn)換效率后可以發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能區(qū)以太陽(yáng)能熱利用為主是最經(jīng)濟(jì)、合理的。

本系統(tǒng)可與城市自來(lái)水管網(wǎng)、城市電網(wǎng)、道路周邊建筑連接，形成一個(gè)以利用太陽(yáng)能資源為主的多功能市政系統(tǒng)。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：1)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，與道路和周邊建筑均具有良好的協(xié)調(diào)性，并且對(duì)頂棚形態(tài)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使其造型美觀，不會(huì)破壞城市形象；2)將太陽(yáng)能集熱器和光伏組件鋪設(shè)于隔音棚頂棚，可避免二者受到遮擋，以獲得更充足的光照。

隔音棚頂棚上鋪設(shè)的大面積太陽(yáng)能集熱器將市政自來(lái)水管網(wǎng)輸送來(lái)的自來(lái)水加熱至一定溫度后，再由埋于地下的熱水管道輸送至道路兩側(cè)的建筑物，供市民直接取用。陰雨天及冬季由于太陽(yáng)輻射弱，僅靠太陽(yáng)能難以將水加熱至合適的溫度，此時(shí)需要利用電能對(duì)水進(jìn)行二次加熱。

為了保證系統(tǒng)全年可正常供應(yīng)熱水，將太陽(yáng)能區(qū)與城市電網(wǎng)連接。當(dāng)光照充足時(shí)，光伏組件除了為全封閉式城市道路隔音棚中的路燈供電，解決由全封閉式城市道路隔音棚給城市道路帶來(lái)的光線遮擋問(wèn)題外，還可將多余電力并入電網(wǎng)；當(dāng)陰雨天太陽(yáng)能集熱器水溫不足時(shí)，可利用城市電網(wǎng)電力對(duì)其進(jìn)行二次加熱，使熱水達(dá)到供給溫度的要求。這樣就充分利用了太陽(yáng)能資源，節(jié)約了電力。

若安裝有儲(chǔ)能設(shè)備，本系統(tǒng)也可作為一套獨(dú)立的供熱水、供電系統(tǒng)，在電力匱乏或沒(méi)有電力供應(yīng)的地方也可以使用。

1.1.3 附屬功能——蓄水灌溉

配合隔音棚頂棚的弧度，在頂棚兩側(cè)設(shè)置雨水引水渠，把雨水引入到地下的雨水收集系統(tǒng)中；經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾處理后，一部分雨水可儲(chǔ)存起來(lái)用于灌溉植被、清洗路面，另一部分可排至城市污水管網(wǎng)。雨水引水渠的設(shè)計(jì)要保證在節(jié)約成本的同時(shí)盡可能提高雨水收集率。如此一來(lái)，不僅有效利用了雨水，節(jié)約了水資源，還在一定程度上緩解了雨季的排水壓力，防止城市內(nèi)澇。

1.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

1.2.1 太陽(yáng)能集熱器傾角可變

太陽(yáng)能集熱器安裝傾角的準(zhǔn)確選取是最大限度利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要條件，要使系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率最大，集熱器的傾角應(yīng)根據(jù)環(huán)境的變化不斷變化[8]。

在本系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器通過(guò)四角的千斤頂支撐在隔音棚頂棚的骨架上，集熱器和骨架之間填充隔音材料，通過(guò)調(diào)節(jié)千斤頂?shù)母叨瓤梢愿淖兗療崞鞯膬A角。隔音棚頂棚的剖面圖如圖2所示。

圖2 隔音棚頂棚剖面圖

本文以隔音棚的傾角作為太陽(yáng)能集熱器的初始傾角，再以月或季度最大太陽(yáng)輻射接收量為原則，每月或每季度調(diào)整集熱器的傾角。

1.2.2 頂棚上太陽(yáng)能熱水區(qū)、光伏發(fā)電區(qū)面積的確定

由圖2可知，隔音棚頂棚以3層雙階的形式利用太陽(yáng)能。第1層光伏組件的位置固定，屬于常用類型，不可自由移動(dòng)；第2層的光伏組件屬于備用類型，其底部安裝有2條滑軌，滑軌位于第1級(jí)階梯內(nèi)側(cè)與第2級(jí)階梯外側(cè)之間，光伏組件可沿滑軌滑動(dòng)，以上兩層為光伏發(fā)電區(qū)；第3層鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器，為太陽(yáng)能熱水區(qū)。頂棚的局部俯視圖如圖3所示。

圖3 隔音棚頂棚的局部俯視圖

太陽(yáng)能熱水區(qū)的面積主要根據(jù)各地區(qū)全年太陽(yáng)輻射量和道路周邊建筑的熱水用量來(lái)確定，對(duì)于熱水用量大的地區(qū)，傾向于增大熱水區(qū)的面積。光伏發(fā)電區(qū)面積主要是根據(jù)各地區(qū)全年的天氣狀況進(jìn)行確定，若某地區(qū)陰雨天較多，晴天較少，則傾向于減少光伏發(fā)電區(qū)的面積；反之亦然。因此，太陽(yáng)能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的具體面積應(yīng)在綜合考慮安裝此系統(tǒng)的地區(qū)的太陽(yáng)輻射量、天氣狀況和熱水用量等相關(guān)因素后，通過(guò)計(jì)算得到。

頂棚第2層備用光伏組件的作用是調(diào)節(jié)太陽(yáng)能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積比。由于太陽(yáng)能熱水區(qū)需要連接進(jìn)、出水管，位置不便于移動(dòng)，不適合設(shè)置在上層，因此上層只能設(shè)置光伏組件。備用的光伏組件不用時(shí)完全隱藏在第1層板之下；使用時(shí)沿滑軌下滑，部分或完全遮蓋住第3層，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)太陽(yáng)能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積。

2 適用于武漢地區(qū)的綠色新型道路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 隔音棚傾角的確定

考慮到本系統(tǒng)以熱水供應(yīng)為主，電力供應(yīng)為輔，因此以太陽(yáng)能集熱器的最佳傾角作為隔音棚的傾角。太陽(yáng)能集熱器最佳傾角主要是以集熱器接收的年太陽(yáng)輻射量最大或集熱器年需輔助加熱量最小為目標(biāo)來(lái)確定[7]。本文以集熱器全年接收到的太陽(yáng)輻射量最大為原則來(lái)確定，因此本系統(tǒng)在武漢地區(qū)應(yīng)用時(shí)，隔音棚的最佳傾角為 23.9°[7]。

當(dāng)隔音棚傾角為23.9°時(shí)，武漢地區(qū)各月的平均日照時(shí)長(zhǎng)、組件單位面積接收到的太陽(yáng)輻射總量及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度如表1所示。

2.2 太陽(yáng)能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積比例

根據(jù)GB/T 20095-2006《太陽(yáng)熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》[8]，太陽(yáng)能集熱器的熱效率η1取41%(該值已考慮加熱過(guò)程中的熱量散失)。

表1 武漢地區(qū)各月平均日照時(shí)長(zhǎng)、組件單位面積太陽(yáng)輻射總量及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度表

集熱管采用真空管，1 m2熱水區(qū)內(nèi)的自來(lái)水體積V可按式(1)計(jì)算，公式為：

式中，d為真空管內(nèi)徑，取40 mm；s為管間距，取60 mm[9]。

代入相關(guān)數(shù)值后，可得V=0.02 m3。

由于自來(lái)水供水管道暴露于室外，可認(rèn)為自來(lái)水溫度等于環(huán)境溫度，因此，武漢地區(qū)各月的自來(lái)水初始溫度T0取各月的平均環(huán)境溫度。每個(gè)月太陽(yáng)能集熱器可將自來(lái)水從初始溫度T0加熱至溫度T，二者之間的關(guān)系式為：

式中，P為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；t0為加熱時(shí)長(zhǎng)，即平均日照時(shí)長(zhǎng)[10]；c為水的比熱容，取4.2×103J/(kg·℃ )。

熱水供給溫度T供一般為60 ℃，因此當(dāng)T＜60 ℃時(shí)，需要靠電能輔助加熱至60 ℃，所需電能Q可由式(3)進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔT為T與T供的差值。

武漢地區(qū)各月熱水區(qū)面積為1 m2時(shí)水的電輔助加熱用電量如表2所示。

表2 武漢地區(qū)各月1 m2熱水區(qū)水的電能輔助加熱所需電量

全年電輔助加熱所需電能Q總為：

式中，d為各月天數(shù)。

代入相關(guān)數(shù)值，可得Q總=89.52 MJ。

光伏發(fā)電區(qū)所發(fā)電量主要用于水的輔助加熱，對(duì)于面積為1 m2的熱水區(qū)，需要配置面積為S的光伏發(fā)電區(qū)。傾角為23.9°的光伏組件單位面積上全年太陽(yáng)輻射總量Q太陽(yáng)取4130.3 MJ/m2，光伏組件發(fā)電效率η2取18%，電熱水效率η3取85%，則光伏發(fā)電區(qū)的面積S為：

代入相關(guān)數(shù)值后，可得S=0.14 m2。

由計(jì)算結(jié)果可知，武漢地區(qū)常年光照充足，大多數(shù)月份僅依靠集熱器就能完成自來(lái)水的加熱，但由于光伏發(fā)電區(qū)還需要為路燈供電，因此太陽(yáng)能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積之比可取為1:0.2。對(duì)于武漢地區(qū)的城市道路而言，隔音棚頂棚上主要鋪設(shè)太陽(yáng)能集熱器即可，這樣可以降低系統(tǒng)造價(jià)。但為了充分利用太陽(yáng)能資源，增加發(fā)電量，可以按道路周邊建筑熱水需求量確定太陽(yáng)能熱水區(qū)的面積，其余部分仍鋪設(shè)光伏組件。

2.3 雨水引水渠的設(shè)計(jì)

雨水引水渠可仿照建筑天溝的做法，按CJJ 142-2014《建筑屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[11](下文簡(jiǎn)稱為《建排規(guī)程》)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《建排規(guī)程》3.3.4，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q可按式(6)計(jì)算：

式中，A、B、C、n為各地區(qū)的降雨參數(shù)，對(duì)于武漢地區(qū)，A=5.898、B=4、C=0.65、n=0.56；p為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，對(duì)于城市道路引水渠，可按重要公共建筑屋面取值，即p=10年；t為降雨歷時(shí)，一般可取t=5 min。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可得q=4.74 L/(s·100 m2)。

根據(jù)《建排規(guī)程》3.3.1，匯水面雨水設(shè)計(jì)流量QL可按式(7)計(jì)算：

式中，k為匯水系數(shù)，取1.0；Ψ為徑流系數(shù)，此處可取1.0；F為匯水面面積，對(duì)于坡度較大的匯水面，其值為匯水面水平投影面積與一半的豎向投影面積之和。對(duì)于本系統(tǒng)，匯水面為隔音棚頂棚，其傾角為23.9°，第20 m設(shè)置1個(gè)落水管，城市道路寬取30 m，則單位道路長(zhǎng)度的匯水面面積F=360.64 m2。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)后，可得QL=17.4 L/s，即17.4×107mm3/s。

設(shè)引水渠寬度b為200 mm；引水渠為水泥砂漿抹面的混凝土槽，粗糙度n為0.012～0.013，取n=0.013；引水渠內(nèi)水流速度v為0.75 m/s(此為保證天溝不淤積的最小流速)，則引水渠過(guò)水?dāng)嗝婷娣eAq為：

將相關(guān)數(shù)值代入，可得Aq=23200 mm2。

引水渠設(shè)計(jì)水深h為：

將相關(guān)數(shù)值代入，可得h=116 mm。

根據(jù)《建排規(guī)程》中的規(guī)定，引水渠有效深度H的公式為：

式中，h為設(shè)計(jì)水深；h0為最小保護(hù)高度，該值不得小于75 mm。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得，H=191 mm。根據(jù)《建排規(guī)程》中的規(guī)定，引水渠的有效深度H不宜小于250 mm，因此取H=250 mm。

根據(jù)《建排規(guī)程》中的規(guī)定，引水渠的縱向排水坡度i不應(yīng)小于0.3%，因此取i=0.5%。

綜上，雨水引水渠可設(shè)計(jì)為寬度200 mm，深度250 mm，內(nèi)部縱向排水坡度為0.5%。

3 結(jié)論

本文提出了一種“綠色新型道路系統(tǒng)”設(shè)想，將全封閉式城市道路隔音棚頂棚與太陽(yáng)能熱利用、光伏發(fā)電、降雨收集處理有機(jī)結(jié)合，打造了“供熱水、發(fā)電、蓄水、隔音”四位一體的綠色新型道路系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了優(yōu)質(zhì)光照資源，減少了碳排放；有效利用了自然雨水，緩解了城市內(nèi)澇；多方位開發(fā)了城市道路隔音棚頂棚的使用價(jià)值，提高了城市空間利用率；具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、綠色可持續(xù)的特點(diǎn)。同時(shí)，相較于其他“太陽(yáng)能與建筑一體化”系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有施工檢修方便且高效、耐久性能優(yōu)越、增加城市道路美觀性的特點(diǎn)，具有極大的推廣使用價(jià)值。