蔡燾

摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程，分析了瀝青路面太陽能集熱的原理，從路面材料方面對(duì)瀝青路面太陽能集熱效率的影響因素進(jìn)行了綜述，同時(shí)分析瀝青路面太陽能集熱技術(shù)發(fā)展過程中存在的不足之處，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：瀝青路面太陽能集熱;研究現(xiàn)狀;原理

0 引言

利用瀝青路面吸收太陽能是一種新型的能源利用技術(shù)，它涉及到道路交通的可持續(xù)發(fā)展、新型綠色能源的開發(fā)利用問題。瀝青路面具有油耗低、噪音小、抗滑性好、車輛磨損小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城市道路、橋梁加鋪、機(jī)場(chǎng)跑道及高速公路[1-2]。我國(guó)高速公路總里程已超過13萬公里，其中90%以上采用瀝青路面。瀝青路面太陽能集熱技術(shù)在能源開發(fā)利用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，黑色的瀝青路面具有很強(qiáng)的太陽能吸收能力，其吸收系數(shù)可達(dá)0.9，在夏季高溫時(shí)路面溫度可達(dá)70℃;與傳統(tǒng)的太陽能集熱系統(tǒng)相比，如太陽能熱水器的集熱面板，瀝青路面具有很大的集熱面積，并且可以在日落之后繼續(xù)收集路面殘留的熱量，有效緩解夏天城市熱島效應(yīng)。如果能夠?qū)r青路面收集的太陽能利用起來，可給建筑物供暖供冷，從面減少傳統(tǒng)能源在建筑能耗中的使用，大大緩解我國(guó)能源緊張局面并減少CO2等廢氣的排放。因此，瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

利用瀝青路面進(jìn)行太陽能集熱是伴隨著道路融雪化冰技術(shù)的發(fā)展面展開的。1948年美國(guó)開始研究利用地下熱水的路面融雪化冰技術(shù)。美國(guó)Oklahoma State University（OSU）大學(xué)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，將路面作為太陽能集熱系統(tǒng)，采用利用豎孔地下?lián)Q熱器的地源熱泵封閉系統(tǒng)，開展融雪化冰和集熱蓄熱過程的研究，并分別在弗吉尼亞州西部橡樹嶺的高速公路坡道路段和懷俄明州Cheyenne高速公路的兩處坡道路段進(jìn)行了試驗(yàn)研究;2008年，蘇格蘭隱形加熱系統(tǒng)公司在韋斯特羅斯一條瀝青路面下埋設(shè)水管，利用存儲(chǔ)太陽熱量的路面來融雪化冰。從2008年開始，Hasebel研究了利用路面收集的太陽能熱能轉(zhuǎn)化為電能的可能性，通過試驗(yàn)和建立模型評(píng)估了質(zhì)量流率和換熱介質(zhì)溫度對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明換熱介質(zhì)的溫度和熱電器件的電阻對(duì)該轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的最大輸出功率有重要影響作用。該研究對(duì)路面太陽能集熱技術(shù)奠定了一個(gè)新的發(fā)展方向。

2010年，吳少鵬[3]等分析瀝青路面太陽能集熱系統(tǒng)熱學(xué)參數(shù)、瀝青路面溫度場(chǎng)分布以及瀝青路面太陽能集熱效率，指出路面太陽能集熱系統(tǒng)具有顯著的應(yīng)用潛力。

1 瀝青路面集熱技術(shù)的基本原理

瀝青路面太陽能集熱是利用太陽能的光熱效應(yīng)，這屬于太陽能熱利用的范疇，集熱的基本原理就是太陽光照射到瀝青路面上，其中大部分太陽輻射能為瀝青路面所吸收，進(jìn)面轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，通過路面結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)作用將熱量傳送至管道處，并通過路面結(jié)構(gòu)與管道間的熱傳導(dǎo)、管道與換熱介質(zhì)間的對(duì)流換熱作用，將路面吸收的熱量傳遞給管道內(nèi)的換熱介質(zhì)，從面將路面接收的熱量輸送至儲(chǔ)熱器（比如地下蓄水層，地下絕緣容器）儲(chǔ)存或直接應(yīng)用。瀝青路面進(jìn)行熱交換的主要方式有路表面的輻射換熱、路表面的對(duì)流換熱、路面的導(dǎo)熱。

路表面的能量平衡關(guān)系：

G=Qr+Qs+Qk+Qc

式中：G為路面吸收的熱量;Qr為路面吸收的太陽輻射，主要影響因素是瀝青路面的吸收率，一般瀝青路面的吸收率達(dá)0.85～0.93，瀝青路面的顏色及使用年限都會(huì)影響瀝青路面的吸收率;Qs為路面熱反射輻射，主要影響因素是周圍環(huán)境的平均溫度和大氣溫度;Qk為路表面的導(dǎo)熱量，主要影響因素是瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù);Qc為路表面與大氣環(huán)境的對(duì)流換熱量，包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩部分，最大的影響因素是對(duì)流熱交換系數(shù)，對(duì)于自然對(duì)流，風(fēng)速是最大的影響因素。

2 瀝青路面太陽能集熱效率的影響因素

瀝青路面可吸收大部分的太陽輻射，但部分能量會(huì)以長(zhǎng)波方式反射出去且瀝青路面導(dǎo)熱性能較差。目前，從路面材料方而提高瀝青路面太陽能集熱效率主要有以下兩種方式：一是增加瀝青路面的導(dǎo)熱系數(shù)K;二是增加路面的吸收率。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)

在瀝青路面太陽能集熱的過程中，路面的導(dǎo)熱能力是非常重要的影響因素。增加路面的導(dǎo)熱系數(shù)既會(huì)起到降低路面溫度的效果，又能在道路內(nèi)部起到蓄熱作用，并且可減小瀝青路面極限溫度的波動(dòng)，從而減少由于熱梯度引起的鋪裝層病害，延長(zhǎng)道路的使用壽命。常用的增加路面導(dǎo)熱系數(shù)的方式有：添加導(dǎo)熱相填料、采用高導(dǎo)熱集料。

2.2 吸收率

路表面對(duì)太陽輻射的吸收率是一個(gè)確定表面所吸收的投射輻射的份額的性質(zhì)。與投射輻射的光譜分布、方向分布及吸收表面的性質(zhì)有關(guān)，可以近似地認(rèn)為與溫度無關(guān)。其取值對(duì)確定瀝青路面的表面溫度及說明路面的集熱量有著重要的影響。其值的較小變化也會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算路面溫度、路面集熱量的與實(shí)際情況有較大幅度的波動(dòng)。

目前，大多數(shù)研究都是設(shè)法增加路面反射率從而降低瀝青路而的溫度，對(duì)于增加路面吸收率的研究相對(duì)較少，因此在此方面的研究有待進(jìn)一步深入探索。

3 瀝青路面太陽能集熱的不足與展望

對(duì)于瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究，現(xiàn)在還處于起步階段，總的來說該項(xiàng)技術(shù)可以有以下3個(gè)方面的內(nèi)容的不足與展望：集熱、存儲(chǔ)、利用。

（1）集熱效率是瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的關(guān)鍵和核心，在集熱效率佳的情況下才有后續(xù)相應(yīng)研究的必要。對(duì)于路面材料可以通過增加瀝青混合料的導(dǎo)熱系數(shù)及路面的吸收率來提高該項(xiàng)技術(shù)的集熱效率，同時(shí)需要兼顧瀝青路面的路用性能。

（2）將夏季時(shí)瀝青路面獲取的熱量加以利用，需要將熱量進(jìn)行存儲(chǔ)，目前所提到的方法一般是將其存儲(chǔ)在地下絕緣容器或是地下蓄水層。但是針對(duì)路面獲取的熱量如何存儲(chǔ)在地下，地下存儲(chǔ)器的修建、位置選擇等相應(yīng)方面的文獻(xiàn)很少，并且就該方面進(jìn)行室內(nèi)模擬不現(xiàn)實(shí)，需要借助于軟件分析，對(duì)此有一系列技術(shù)問題還需解決。

（3）目前，提出了3種潛在的能源利用方式：緩解路面高溫病害、融雪化冰、給建筑物發(fā)電供暖制冷。利用瀝青路面進(jìn)行太陽能集熱就是緩解路面高溫病害、防止永久變形產(chǎn)生的過程;在管道內(nèi)通入一定溫度的介質(zhì)水可以對(duì)路面進(jìn)行融雪化冰，但其融雪化冰的效果主要與影響集熱效率的因素大致相同，因此要綜合考慮路面材料對(duì)于集熱與融雪化冰的影響;針對(duì)于給建筑物供暖制冷方面的研究幾乎沒有，這也是能源利用方面需要研究的問題。

4 結(jié)語

（1）綜述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的研究進(jìn)展，闡述了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展歷史，介紹了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的集熱原理以及影響瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的因素。

（2）分析了提出了目前瀝青路面太陽能集熱技術(shù)研究存在的不足，即對(duì)瀝青路面太陽路用性能的相關(guān)研究有待加深。

（3）展望了瀝青路面太陽能集熱技術(shù)的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈金安.國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]?？?公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)新技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]吳少鵬，陳明宇，韓君.公路交通科技[J].2015（3）：17-22.