流體集熱瀝青路面儲能方式研究進展

洪灝琪，夏嫣姿，葉 勤，羅 丹，司 偉

（長安大學，西安 710064）

可再生和可持續能源的開發、利用是當今世界最為關注的熱點問題之一，傳統能源不可再生、開采成本較高，對環境造成不可逆影響。太陽能作為典型的清潔可再生能源越來越受到關注，針對太陽能熱利用技術的開發和應用正逐步成為能源行業研究重點[1-2]。我國太陽能資源分布廣闊，全國大陸各地區年輻射量最大值為8 364 MJ/m2，均值為5 749 MJ/m2，年太陽輻射總量約5×1016MJ，相當于2.4×104億t標煤，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，黑色瀝青路面的吸收系數可達0.9，在夏季高溫時路面溫度達70℃。我國高等級公路95%以上采用瀝青路面[5]。與傳統的太陽能集熱系統相比，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。流體集熱瀝青路面（Hydraulic Asphalt Pavement，HAP）在能源開發利用中具有獨特的優勢，在減少污染和緩解能源緊缺、氣候變暖等問題上發揮作用，并在實現可持續發展方面蘊藏著巨大的發展前景[6-7]。

流體集熱瀝青路面的系統配置包括系統材料、熱交換系統的結構和布置、系統換熱流體的運行參數、能量儲存和控制系統，能量儲存系統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有溫差發電系統和蓄熱系統。但目前的儲能系統存在能量收集效率較低、跨季節存儲不易，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，許多國家和地區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結構及工作原理出發，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優化，是否可以提高能源的儲存利用率，為增強太陽能集熱系統的能量利用率提供參考。

1 流體集熱瀝青路面技術原理

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、輻射和對流。集熱系統利用太陽能的光熱效應，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，進而轉變為熱能。其總體設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置的集熱管道，將熱能通過某種介質輸送或直接轉換成其他形式能量。能量的儲存方法直接決定了集熱系統的可行性和實用價值。目前主要有2種系統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，能夠實現熱量的跨季節存儲，這也是流體集熱瀝青路面系統最常用的蓄能方式；二是熱電轉換系統，利用溫差發電技術將熱能轉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 熱電轉換儲能系統

發電是能量利用方式中較為普遍的一種方式[8]。現有的瀝青路面熱電轉換方式主要采用溫差發電法[7]，其是一種全固態的能量轉化方式，具有發電部件無運動、體積小和質量輕的特點，并且該技術無噪音、壽命長且可靠性高[9]，因此太陽能瀝青路面的熱電轉換技術中常采用溫差發電技術，本節將針對溫差發電法展開論述。

2.1.1 熱電轉換儲能系統結構與工作原理

溫差發電技術最早始于20世紀40年代[10]，基本原理是塞貝克效應，即當熱電材料（一般為半導體材料）具有一定的溫度梯度時，熱端材料的載流子發生運動，形成溫差電動勢，進而實現熱能到電能的能量的轉換[10]，如圖2所示。Hasebe和Meiarashi等[11]研發的道路熱能轉換系統，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行溫差發電，利用熱能產生電能的同時，還有效降低了路面溫度。

圖2 溫差發電模塊構造示意圖

瀝青路面溫差發電工作系統主要由3個子系統組成：集熱系統、發電系統和電能儲存轉換系統，如圖3所示。其中，集熱系統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生的熱能被管道中的導熱性良好的物質所吸收并傳遞給溫差發電系統，發電裝置布設于路面下一定位置處，將熱能轉化為電能后，通過升壓穩壓裝置儲存電能并加以利用。

圖3 城市瀝青路面溫差發電系統

2.1.2基于溫差發電的集熱系統性能研究

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

溫差發電法是較為理想的瀝青路面的熱電轉換方式，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換為電能，用于照明系統、紅綠燈等市政用電，減輕國家用電壓力，實現道路的綠色、可持續發展。然而，目前關于流體集熱瀝青路面溫差發電系統的研究并未形成完整、確定的理論系統，溫差發電單元布設方式多元，尚未有學者系統整理布設方式的區別，少見對系統最佳布設方法的研究。

2.2 土壤蓄熱系統

流體集熱瀝青路面的能量儲存系統為跨季節蓄熱系統，其能有效克服太陽能利用易受時間、氣候等影響的缺點，可以將太陽資源豐富季節的熱量回收并儲存到太陽能資源不足的季節使用。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論述。

2.2.1 土壤蓄熱系統結構與工作原理

蓄熱系統將集熱系統收集的熱量，在路面相對于蓄熱體處于高溫狀態時，將熱量傳遞給蓄熱體并在蓄熱體中實現熱量的儲存，在路面相對于蓄熱體處于低溫狀態時，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用與設計方法被提出后，土壤蓄熱是首個被提出的能量儲存方法并成功運用于全自動的太陽能集熱的完整系統，基于多位學者的實驗，證實該系統具有一定實用價值。

使用土壤蓄熱技術的太陽能瀝青路面集熱系統主要由3部分組成：垂直地面換熱器、混凝土路面內的熱流管及加熱載體循環泵。夏季路面吸收太陽能后，路面溫度升高，載熱流體采集熱能，經過循環泵送，將熱能儲存于地下埋管周圍的土壤介質中。冬季路面融雪化冰時，載熱流體流經土壤采熱升溫，再通過循環泵進入管網加熱路面。基于地下蓄熱的道路集熱蓄能熱流體循環融雪化冰系統示意圖如圖4所示。

圖4 太陽能集熱路面-土壤蓄能系統

2.2.2 基于土壤蓄熱技術的集熱系統性能研究

土壤蓄熱技術的發展與時俱進。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的完整系統，基于在廣島山與北海道大學的實驗，指出了該系統具有一定實用價值[14]。2000年，美國公司利用豎孔地下換熱器的地源熱泵封閉系統，在實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，以防凍劑為換熱介質，運用了井下同軸換熱器來實現高低熱能的切換[16]。荷蘭的Ooms Avenhorn Holding公司建立了相似的集熱路面，夏天時運用埋設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，達到給路面夏季降溫、冬季融雪化冰的目的[17]。

國內也有許多基于土壤蓄熱系統的研究，朱強等[18]提出了土壤蓄熱的想法，通過一定的循環系統，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-雪耦合模型對系統融雪機理、部分系統參數的選擇進行了分析。2010年，吉林大學高青等[20]建立了較為完整的道路集熱蓄能融雪化冰系統，系統地研究了道路融雪化冰過程的傳熱現象、傳熱狀態及分析方法。同年，武漢理工大學的吳少鵬等[21]主要對集熱系統的影響參數進行深刻的分析。梁幸福[22]通過實驗研究、TRNSYS仿真及MATLAB模擬相結合的方法，對太陽能-土壤源熱泵系統雙熱源耦合特性及地下蓄能傳熱強化進行了分析和實驗研究，發現了在太陽能持續或間歇的狀況下系統的平均集熱效率分別為51.5%和38.2%，機組平均COP分別為3.61和3.48。

未來關于土壤蓄熱法的實際應用還有一些基礎問題需要得到解決，例如復雜地下環境中非穩態和瞬態傳熱的機理、特性和性能的研究，以及蓄熱系統的控制策略；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短期模擬并不現實，不同區域的系統特性會有較大誤差，對此還需要進一步的研究[23]。

3 結論

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，國內外學者關于太陽能瀝青路面集熱系統多關注獲取的熱量如何儲存、如何利用和系統可行性，而關于系統化、參數化的研究尚有空白，從中可得到以下結論和展望。

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

（2）土壤蓄熱技術結構較為簡單，有較多的工程實踐經驗；但其實際應用還有一些基礎問題需要解決，例如復雜地下的傳熱機理、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，在橋涵上的應用是否可行等。同時，其效益與成本之間的關系需要協調。

（3）目前大多研究流體集熱瀝青路面短期條件的模擬，對于跨季節的長期系統運行特性還需進一步深入；關于流體集熱瀝青路面儲能系統，沒有統一的規范研究，導致系統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最佳參數、最優系統結構等的研究，仍需大量實驗研究、實踐模擬。