太陽能技術(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實驗室；3.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院；4.武漢大學(xué)計算機學(xué)院)

0 引言

近年來，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、實現(xiàn)節(jié)能減排的建筑，太陽能與建筑一體化是其中的熱門研究方向。建筑領(lǐng)域?qū)μ柲艿睦弥饕翘柲芄┡⑻柲軣崴凸夥M件發(fā)電[1]，大多都是通過與建筑外墻的結(jié)合來實現(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)太陽能集熱器和光伏組件，因此容易實現(xiàn)對太陽能的利用，目前對太陽能與建筑一體化的研究也主要聚焦于民用建筑。但是通過民用建筑來利用太陽能存在以下這些問題：1)民用建筑的建筑面積相對有限，不能大面積地接收太陽輻射，因此對太陽能的利用率低，經(jīng)濟效益較低；2)目前國家尚未制定太陽能與建筑一體化相關(guān)的設(shè)計規(guī)范，民用建筑上太陽能設(shè)備的安裝布局缺乏整體協(xié)調(diào)性，對城市建筑外觀產(chǎn)生了嚴(yán)重影響；3)民用建筑的建筑外墻難以為太陽能集熱器提供接收太陽輻射所需的最佳傾角，經(jīng)濟效益低[2-3]。以上問題限制了太陽能技術(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能技術(shù)相結(jié)合的研究中，主要的研究成果有太陽能路燈和光伏路面等。但是太陽能路燈收集到的太陽能很少；光伏路面由于長時間承受行車荷載，其透光性能難以保障，使用壽命短，后期維護成本高，經(jīng)濟性較差。

為了推動太陽能與建筑一體化更廣泛地應(yīng)用，本文提出了將太陽能設(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)計還增強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，由太陽能區(qū)(包括太陽能熱水區(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

目前國內(nèi)外廣泛采用設(shè)置聲屏障的方式來減少交通噪音污染[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能集熱器和光伏組件也間接增強了隔音效果。由于隔音棚的頂棚大而平緩，便于其上鋪設(shè)的太陽能集熱器和光伏組件更有效地收集利用太陽能。

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)先選用太陽能熱利用系統(tǒng)[5]；而且目前太陽能集熱器的光熱轉(zhuǎn)換效率普遍達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)，太陽能區(qū)以太陽能熱利用為主是最經(jīng)濟、合理的。

本系統(tǒng)可與城市自來水管網(wǎng)、城市電網(wǎng)、道路周邊建筑連接，形成一個以利用太陽能資源為主的多功能市政系統(tǒng)。系統(tǒng)的優(yōu)點在于：1)系統(tǒng)經(jīng)過了整體規(guī)劃設(shè)計，與道路和周邊建筑均具有良好的協(xié)調(diào)性，并且對頂棚形態(tài)進行了設(shè)計，使其造型美觀，不會破壞城市形象；2)將太陽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)的大面積太陽能集熱器將市政自來水管網(wǎng)輸送來的自來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輻射弱，僅靠太陽能難以將水加熱至合適的溫度，此時需要利用電能對水進行二次加熱。

為了保證系統(tǒng)全年可正常供應(yīng)熱水，將太陽能區(qū)與城市電網(wǎng)連接。當(dāng)光照充足時，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的光線遮擋問題外，還可將多余電力并入電網(wǎng)；當(dāng)陰雨天太陽能集熱器水溫不足時，可利用城市電網(wǎng)電力對其進行二次加熱，使熱水達到供給溫度的要求。這樣就充分利用了太陽能資源，節(jié)約了電力。

若安裝有儲能設(shè)備，本系統(tǒng)也可作為一套獨立的供熱水、供電系統(tǒng)，在電力匱乏或沒有電力供應(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)過簡單的過濾處理后，一部分雨水可儲存起來用于灌溉植被、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)計要保證在節(jié)約成本的同時盡可能提高雨水收集率。如此一來，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

1.2.1 太陽能集熱器傾角可變

太陽能集熱器安裝傾角的準(zhǔn)確選取是最大限度利用太陽能的一個重要條件，要使系統(tǒng)的太陽能利用率最大，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，太陽能集熱器通過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能集熱器的初始傾角，再以月或季度最大太陽輻射接收量為原則，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；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級階梯內(nèi)側(cè)與第2級階梯外側(cè)之間，光伏組件可沿滑軌滑動，以上兩層為光伏發(fā)電區(qū)；第3層鋪設(shè)太陽能集熱器，為太陽能熱水區(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

太陽能熱水區(qū)的面積主要根據(jù)各地區(qū)全年太陽輻射量和道路周邊建筑的熱水用量來確定，對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)的太陽輻射量、天氣狀況和熱水用量等相關(guān)因素后，通過計算得到。

頂棚第2層備用光伏組件的作用是調(diào)節(jié)太陽能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積比。由于太陽能熱水區(qū)需要連接進、出水管，位置不便于移動，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完全隱藏在第1層板之下；使用時沿滑軌下滑，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

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

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

2.2 太陽能熱水區(qū)和光伏發(fā)電區(qū)的面積比例

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

表1 武漢地區(qū)各月平均日照時長、組件單位面積太陽輻射總量及太陽輻射強度表

集熱管采用真空管，1 m2熱水區(qū)內(nèi)的自來水體積V可按式(1)計算，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。

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

式中，P為太陽輻射強度；t0為加熱時長，即平均日照時長[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，需要靠電能輔助加熱至60 ℃，所需電能Q可由式(3)進行計算：

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輻射總量Q太陽取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)太陽能集熱器即可，這樣可以降低系統(tǒng)造價。但為了充分利用太陽能資源，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

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](下文簡稱為《建排規(guī)程》)進行計算。

根據(jù)《建排規(guī)程》3.3.4，設(shè)計暴雨強度q可按式(6)計算：

式中，A、B、C、n為各地區(qū)的降雨參數(shù)，對于武漢地區(qū)，A=5.898、B=4、C=0.65、n=0.56；p為設(shè)計重現(xiàn)期，對于城市道路引水渠，可按重要公共建筑屋面取值，即p=10年；t為降雨歷時，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)計流量QL可按式(7)計算：

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個落水管，城市道路寬取30 m，則單位道路長度的匯水面面積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)計水深；h0為最小保護高度，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能熱利用、光伏發(fā)電、降雨收集處理有機結(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值，提高了城市空間利用率；具有經(jīng)濟環(huán)保、綠色可持續(xù)的特點。同時，相較于其他“太陽能與建筑一體化”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，具有極大的推廣使用價值。