流體集熱瀝青路面儲能方式研究進(jìn)展

洪灝琪，夏嫣姿，葉 勤，羅 丹，司 偉

（長安大學(xué)，西安 710064）

可再生和可持續(xù)能源的開發(fā)、利用是當(dāng)今世界最為關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，傳統(tǒng)能源不可再生、開采成本較高，對環(huán)境造成不可逆影響。太陽能作為典型的清潔可再生能源越來越受到關(guān)注，針對太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用正逐步成為能源行業(yè)研究重點(diǎn)[1-2]。我國太陽能資源分布廣闊，全國大陸各地區(qū)年輻射量最大值為8 364 MJ/m2，均值為5 749 MJ/m2，年太陽輻射總量約5×1016MJ，相當(dāng)于2.4×104億t標(biāo)煤，年日照時間在2 200 h以上，與日本、歐洲等國家相比，擁有更良好的太陽能利用條件[3-4]。利用瀝青路面吸收太陽能是一種新型的能源利用技術(shù)，黑色瀝青路面的吸收系數(shù)可達(dá)0.9，在夏季高溫時路面溫度達(dá)70℃。我國高等級公路95%以上采用瀝青路面[5]。與傳統(tǒng)的太陽能集熱系統(tǒng)相比，瀝青路面具有更大的集熱面積、更持久的集熱時間，并且可以在日落之后繼續(xù)收集路面殘留的熱量，能在收集路面積蓄熱量的同時有效緩解夏天城市熱島效應(yīng)。流體集熱瀝青路面（Hydraulic Asphalt Pavement，HAP）在能源開發(fā)利用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在減少污染和緩解能源緊缺、氣候變暖等問題上發(fā)揮作用，并在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方面蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展前景[6-7]。

流體集熱瀝青路面的系統(tǒng)配置包括系統(tǒng)材料、熱交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置、系統(tǒng)換熱流體的運(yùn)行參數(shù)、能量儲存和控制系統(tǒng)，能量儲存系統(tǒng)決定了換熱器收集的熱量能否有效地儲存和利用，目前常見的儲能系統(tǒng)有溫差發(fā)電系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)。但目前的儲能系統(tǒng)存在能量收集效率較低、跨季節(jié)存儲不易，能量損失較多等問題。為了解決路面能量利用和儲存問題，減少能源浪費(fèi)，許多國家和地區(qū)對路面能量的利用和儲存開展了大量研究。因此，本文從不同類型儲能方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理出發(fā)，評價這些儲能方式是否可以高效地儲存利用收集到的熱能，是否可以對儲能方式繼續(xù)優(yōu)化，是否可以提高能源的儲存利用率，為增強(qiáng)太陽能集熱系統(tǒng)的能量利用率提供參考。

1 流體集熱瀝青路面技術(shù)原理

流體集熱瀝青路面的熱能平衡原理如圖1所示，傳熱過程主要有傳導(dǎo)、輻射和對流。集熱系統(tǒng)利用太陽能的光熱效應(yīng)，太陽光照射在瀝青路面上，大部分的太陽能被瀝青路面所吸收，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。其總體設(shè)計可以分為能量收集和能量儲存2個部分：能量收集部分通過路面上設(shè)置的集熱管道，將熱能通過某種介質(zhì)輸送或直接轉(zhuǎn)換成其他形式能量。能量的儲存方法直接決定了集熱系統(tǒng)的可行性和實(shí)用價值。目前主要有2種系統(tǒng)用于流體集熱瀝青路面收集能量并長期存儲，一是蓄熱系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)熱量的跨季節(jié)存儲，這也是流體集熱瀝青路面系統(tǒng)最常用的蓄能方式；二是熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，利用溫差發(fā)電技術(shù)將熱能轉(zhuǎn)化為電能利用或儲存。

圖1 流體集熱瀝青路面集熱原理

2 流體集熱瀝青路面的儲能方式

2.1 熱電轉(zhuǎn)換儲能系統(tǒng)

發(fā)電是能量利用方式中較為普遍的一種方式[8]。現(xiàn)有的瀝青路面熱電轉(zhuǎn)換方式主要采用溫差發(fā)電法[7]，其是一種全固態(tài)的能量轉(zhuǎn)化方式，具有發(fā)電部件無運(yùn)動、體積小和質(zhì)量輕的特點(diǎn)，并且該技術(shù)無噪音、壽命長且可靠性高[9]，因此太陽能瀝青路面的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)中常采用溫差發(fā)電技術(shù)，本節(jié)將針對溫差發(fā)電法展開論述。

2.1.1 熱電轉(zhuǎn)換儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

溫差發(fā)電技術(shù)最早始于20世紀(jì)40年代[10]，基本原理是塞貝克效應(yīng)，即當(dāng)熱電材料（一般為半導(dǎo)體材料）具有一定的溫度梯度時，熱端材料的載流子發(fā)生運(yùn)動，形成溫差電動勢，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱能到電能的能量的轉(zhuǎn)換[10]，如圖2所示。Hasebe和Meiarashi等[11]研發(fā)的道路熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，就是利用路面下管道中的熱水與河道里冷水的溫度差異進(jìn)行溫差發(fā)電，利用熱能產(chǎn)生電能的同時，還有效降低了路面溫度。

圖2 溫差發(fā)電模塊構(gòu)造示意圖

瀝青路面溫差發(fā)電工作系統(tǒng)主要由3個子系統(tǒng)組成：集熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和電能儲存轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如圖3所示。其中，集熱系統(tǒng)主要通過在瀝青混凝土路面中埋管等方式，將太陽能照射于路面所產(chǎn)生的熱能被管道中的導(dǎo)熱性良好的物質(zhì)所吸收并傳遞給溫差發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電裝置布設(shè)于路面下一定位置處，將熱能轉(zhuǎn)化為電能后，通過升壓穩(wěn)壓裝置儲存電能并加以利用。

圖3 城市瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)

2.1.2基于溫差發(fā)電的集熱系統(tǒng)性能研究

許多學(xué)者通過地埋管加熱流體的方式，建立了完整的溫差發(fā)電系統(tǒng)，證實(shí)了溫差發(fā)電技術(shù)在太陽能瀝青路面中的可行性。Hasebe和Meiarashi等[11]研發(fā)了1種新型的道路熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，利用路面下管道中的熱水與河道里冷水的溫度差異進(jìn)行溫差發(fā)電，利用熱能產(chǎn)生電能的同時，還有效降低了路面溫度。張馳等[12]研究了溫差發(fā)電片在瀝青路面中的鋪設(shè)方式，發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電器件的最佳埋設(shè)深度為2~3 cm，最大發(fā)電效率的發(fā)電元件鋪設(shè)密度為44個/m2，并且溫差發(fā)電元件具有良好的抵抗車輛反復(fù)荷載作用的能力；在能量輸出效率方面，基于范旭鵬等[13]在宜昌市的實(shí)踐研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示每1 m2發(fā)電片在一定的條件下2端電壓可以達(dá)到1 000 mV，在高溫的5—9月可以達(dá)到2 000 mV以上，可以維持一些市政用電設(shè)施的運(yùn)行。

溫差發(fā)電法是較為理想的瀝青路面的熱電轉(zhuǎn)換方式，也是較為完善的1種儲熱形式。在能源使用方面，還可以直接將路面的熱能轉(zhuǎn)換為電能，用于照明系統(tǒng)、紅綠燈等市政用電，減輕國家用電壓力，實(shí)現(xiàn)道路的綠色、可持續(xù)發(fā)展。然而，目前關(guān)于流體集熱瀝青路面溫差發(fā)電系統(tǒng)的研究并未形成完整、確定的理論系統(tǒng)，溫差發(fā)電單元布設(shè)方式多元，尚未有學(xué)者系統(tǒng)整理布設(shè)方式的區(qū)別，少見對系統(tǒng)最佳布設(shè)方法的研究。

2.2 土壤蓄熱系統(tǒng)

流體集熱瀝青路面的能量儲存系統(tǒng)為跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)，其能有效克服太陽能利用易受時間、氣候等影響的缺點(diǎn)，可以將太陽資源豐富季節(jié)的熱量回收并儲存到太陽能資源不足的季節(jié)使用。常見的蓄熱體有水和土壤，土壤具有較大的蓄熱能力，其一年四季地層溫度都相對穩(wěn)定，是良好的冷源與熱源，故本文將針對土壤蓄熱這一方式展開詳細(xì)論述。

2.2.1 土壤蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

蓄熱系統(tǒng)將集熱系統(tǒng)收集的熱量，在路面相對于蓄熱體處于高溫狀態(tài)時，將熱量傳遞給蓄熱體并在蓄熱體中實(shí)現(xiàn)熱量的儲存，在路面相對于蓄熱體處于低溫狀態(tài)時，蓄熱體又將熱量傳遞給路面。在太陽能集熱器和地埋管換熱器的運(yùn)用與設(shè)計方法被提出后，土壤蓄熱是首個被提出的能量儲存方法并成功運(yùn)用于全自動的太陽能集熱的完整系統(tǒng)，基于多位學(xué)者的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該系統(tǒng)具有一定實(shí)用價值。

使用土壤蓄熱技術(shù)的太陽能瀝青路面集熱系統(tǒng)主要由3部分組成：垂直地面換熱器、混凝土路面內(nèi)的熱流管及加熱載體循環(huán)泵。夏季路面吸收太陽能后，路面溫度升高，載熱流體采集熱能，經(jīng)過循環(huán)泵送，將熱能儲存于地下埋管周圍的土壤介質(zhì)中。冬季路面融雪化冰時，載熱流體流經(jīng)土壤采熱升溫，再通過循環(huán)泵進(jìn)入管網(wǎng)加熱路面?；诘叵滦顭岬牡缆芳療嵝钅軣崃黧w循環(huán)融雪化冰系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 太陽能集熱路面-土壤蓄能系統(tǒng)

2.2.2 基于土壤蓄熱技術(shù)的集熱系統(tǒng)性能研究

土壤蓄熱技術(shù)的發(fā)展與時俱進(jìn)。1998年，日本首次建立了全自動的太陽能集熱并采用土壤蓄熱的儲能技術(shù)的完整系統(tǒng)，基于在廣島山與北海道大學(xué)的實(shí)驗(yàn)，指出了該系統(tǒng)具有一定實(shí)用價值[14]。2000年，美國公司利用豎孔地下?lián)Q熱器的地源熱泵封閉系統(tǒng)，在實(shí)際道路展開了融雪化冰和集熱蓄熱過程的研究[15]。2002年，日本Koji Morita和Makoto Tago建立了Gaia融雪系統(tǒng)，以防凍劑為換熱介質(zhì)，運(yùn)用了井下同軸換熱器來實(shí)現(xiàn)高低熱能的切換[16]。荷蘭的Ooms Avenhorn Holding公司建立了相似的集熱路面，夏天時運(yùn)用埋設(shè)的管道集熱并將熱能輸送至地下的水體中，冬天將水反向泵送，達(dá)到給路面夏季降溫、冬季融雪化冰的目的[17]。

國內(nèi)也有許多基于土壤蓄熱系統(tǒng)的研究，朱強(qiáng)等[18]提出了土壤蓄熱的想法，通過一定的循環(huán)系統(tǒng)，夏季蓄熱于土壤，冬季土壤放熱融雪化冰。王慶艷[19]通過建立管壁-土壤-雪耦合模型對系統(tǒng)融雪機(jī)理、部分系統(tǒng)參數(shù)的選擇進(jìn)行了分析。2010年，吉林大學(xué)高青等[20]建立了較為完整的道路集熱蓄能融雪化冰系統(tǒng)，系統(tǒng)地研究了道路融雪化冰過程的傳熱現(xiàn)象、傳熱狀態(tài)及分析方法。同年，武漢理工大學(xué)的吳少鵬等[21]主要對集熱系統(tǒng)的影響參數(shù)進(jìn)行深刻的分析。梁幸福[22]通過實(shí)驗(yàn)研究、TRNSYS仿真及MATLAB模擬相結(jié)合的方法，對太陽能-土壤源熱泵系統(tǒng)雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強(qiáng)化進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了在太陽能持續(xù)或間歇的狀況下系統(tǒng)的平均集熱效率分別為51.5%和38.2%，機(jī)組平均COP分別為3.61和3.48。

未來關(guān)于土壤蓄熱法的實(shí)際應(yīng)用還有一些基礎(chǔ)問題需要得到解決，例如復(fù)雜地下環(huán)境中非穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱的機(jī)理、特性和性能的研究，以及蓄熱系統(tǒng)的控制策略；針對路面獲取的熱量如何存儲在地下，以及如何修建地下存儲器、如何選取位置等問題鮮有報道，并且土壤蓄熱的室內(nèi)短期模擬并不現(xiàn)實(shí)，不同區(qū)域的系統(tǒng)特性會有較大誤差，對此還需要進(jìn)一步的研究[23]。

3 結(jié)論

通過對已知的流體集熱瀝青路面的儲能方式的梳理和性能評價分析，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于太陽能瀝青路面集熱系統(tǒng)多關(guān)注獲取的熱量如何儲存、如何利用和系統(tǒng)可行性，而關(guān)于系統(tǒng)化、參數(shù)化的研究尚有空白，從中可得到以下結(jié)論和展望。

（1）溫差發(fā)電技術(shù)可以將收集的熱能轉(zhuǎn)換為電能，且產(chǎn)生的電能適用于照明系統(tǒng)、市政用電等；然而基于流體集熱瀝青路面的溫差發(fā)電系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)、布設(shè)方式的討論較少，溫差發(fā)電的實(shí)體工程案例鮮有報道，如何提高發(fā)電效率、降低能量轉(zhuǎn)換的成本也是研究重點(diǎn)。

（2）土壤蓄熱技術(shù)結(jié)構(gòu)較為簡單，有較多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；但其實(shí)際應(yīng)用還有一些基礎(chǔ)問題需要解決，例如復(fù)雜地下的傳熱機(jī)理、地下蓄熱器安裝的位置，安裝位置是否會影響道路的使用性能，對土壤生物種群是否會造成影響，在橋涵上的應(yīng)用是否可行等。同時，其效益與成本之間的關(guān)系需要協(xié)調(diào)。

（3）目前大多研究流體集熱瀝青路面短期條件的模擬，對于跨季節(jié)的長期系統(tǒng)運(yùn)行特性還需進(jìn)一步深入；關(guān)于流體集熱瀝青路面儲能系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的規(guī)范研究，導(dǎo)致系統(tǒng)的能量儲存及利用效率對比困難。

（4）對于不同儲能方式下流體集熱瀝青路面的系統(tǒng)最佳參數(shù)、最優(yōu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的研究，仍需大量實(shí)驗(yàn)研究、實(shí)踐模擬。