能量收集融雪化冰沥青路面的研究综述外文翻译资料

 2022-01-09 09:01

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能量收集融雪化冰沥青路面的研究综述

潘攀,吴少鹏,萧玥，刘刚

(硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉理工大学,中华人民共和国，武汉，430070)

摘要:太阳能是一种对人类对环境十分友好且取之不尽的可再生能源。水力循环沥青路面技术（HAP）是一种新型太阳能应用技术，值得世人关注。HAP的创新发明，是为解决一系列由于铺设传统沥青路面造成的化石能源枯竭问题。利用嵌在沥青路面管网中液体的流动循环，可以收集太阳能，储存起来并供日后使用。本文总结了现有研究中关于HAP的主要成果，并给未来长远的研究提出了一些建议。研究证实，通过收集太阳能冷却路面并用于道路融雪化冰是可以实现的，这就好像创新地把建筑上使用的空调系统应用到沥青路面上一样。由于目前季节性储能技术相对成熟，多数研究的方向都集中在融雪化冰和太阳能收集等传热过程及相关变量对系统的影响上，而未来研究重点应放在与HAP应用相关的问题上：路面的建造技术、维护技术和系统长期表现问题等。解决这些问题可以更好的从理论和实际上研究HAP系统，并发现其更多、更广的应用方向。

关键词：水力循环沥青路面（HAP）、可再生能源、太阳能集热器、融雪化冰

目录

第一章 绪论

第二章 储能沥青路面概述

2.1储能沥青路面的工作原理

2.2储能沥青路面的研究现状

第三章 储能沥青路面的技术分析

3.1储能沥青路面传热特征

3.2储能沥青路面的热力学模拟

3.2.1融雪化冰模型

3.2.2能量收集模型

第四章 实验测试

4.1材料热物理特性

4.2管道的几何排列

4.3流体操作条件

4.4绩效评估

4.5经济方面

第五章 HAP系统的未来研究

第六章 结语

致谢

参考文献

第一章 绪论

可再生、可持续能源一直被当作是世界各国进一步发展的关键。[1]。近年来化石能源的枯竭和环境的恶化是经济社会快速发展扩张的自然结果，这些问题在发展中国家（如中国和印度）[2,3]尤为突出。为了缓解资源和环境的长久压力，各国开展了一系列前景广阔的研究，以利用各式各样的可再生、可持续能源，如生物能[4]，地热能[5]，氢能[6]，潮汐能[7]，水力能[8]，太阳能[9]和风能[10]等等。这些文献研究总结了许多新颖、前沿的能量收集和净化方法，这对于研究者们来说是一个全新的领域。在此时研究统计表明可再生能源仅占总消耗能源量的很小一部分，如图1所示，可再生能源仅占2011年总消耗能量的19％[11]。但是，可再生能源的潜力巨大。在一些地区和国家，可再生、可持续能源的份额在过去的几十年里有了大幅增长[12,13]。在所有可再生、可持续能源中，太阳辐射能被认为是最好的潜在能源之一。这对人类来说是一种清洁，环保、取之不尽用之不竭的能源。利用太阳能发电的方法包括光热发电、光伏发电、光化学发电和光生物转化法发电，这些技术已广泛用于日常生活，工业、和农业生产[14]。

由于全天暴露在太阳光的辐射下，沥青路面可以吸收大量的太阳能，并将其转化为路面结构中的热能挥发掉。文献表明，沥青路面由于其对太阳光有很高的吸收系数，在炎热的夏季其表面可达到70℃的高温。一方面，这种现象会降低沥青路面的耐久性[15-18]，高温会引起沥青路面的永久变形对交通造成影响。它还会加快热力学氧化速度，导致路面性能降低[15]。另一方面，路面表面温度较高会导致环境问题。研究路表高温现象对促进研究城市热岛效应（UHIS）起着重要作用，这意味着市区温度高于城市周边郊区和农村地区[16]的温度。相关研究文献[17-19]明确表明，热岛效应在减少为提升舒适度使环境和建筑物冷却降温所消耗的能量上有显著影响。Santamouris的研究表明，铺设反光路面和渗透性路面是主要的降低路面温度以减轻热岛效应的技术[20]。但是，这些技术的目的只是为了使路面降温，而非收集和再利用太阳能。

随着能量收集技术的发展，从现有基础设施中获取能量的想法备受关注。将沥青路面变成一个能源收集再利用的设施也是当下一个很有吸引力的主题[21,22]。最新研究成果的代表有热电发电机[23]，压电发电机[24]，光伏应用[25]和沥青太阳能集热器（ASC）[26]。ASC系统由内埋管的沥青混凝土层（循环水力沥青路面，HAP）或由两层不透水层夹一层透水混凝土层组成[27]。考虑到夏季沥青的表面温度非常高，HAP是一种在内部放置金属或非金属管，通过管网内循环的液体降低内部和表面温度的新型沥青路面。热水可以从蓄水层或蓄水池中抽出，正如[28]之前提出的一样，通过将HAP的组合可以更有效地使用季节储热系统或热水电气设备发电。

实际上，HAP的最初提出的目的是用于在大雪，雨夹雪或路面冰冻等冰雪天气时路面的融雪除冰。毫无疑问的是，恶劣的雨雪天气和路面上的冰层会导致运输安全问题，尤其是在某些大桥和坡道处。如何有效地去除雪融冰，保持沥青路面的正常使用是运输经理的主要关注点。使用除冰剂是融化冰雪是比较传统的方法，然而，它会造成混凝土腐蚀并对环境造成污染[29,30]。其他的一些机械方法，也可以用来去除冰雪，但肯定会导致道路表面损坏，并且使用机械有很高的维护成本[31]。还有两种融雪化冰的方法也很受欢迎，一种是通过导电沥青混凝土或埋在路表下导线的电阻加热法。另一种是通过埋在路面中的管道系统（或管网系统）的水力加热法。之前有实验结果表明，这两个系统都可以做到有控制地融雪化冰[32]。查普曼和卡图尼奇[33]推导出了路面融雪系统的一般方程，表明有大量的热能和其他部分热能都浪费消散到周边环境中。因此，有必要开发一个替代原有的新融雪方法，不仅要减轻对路面和桥面损害，也要降低建造和维护保养的成本。如[34]之前提到的，循环水力沥青路面相比焦耳加热法具有更高的能量收集效率和更低的运营成本。在能量储存技术（EST）的基础上，水力沥青路面可以在夏天提取太阳能并为在冬天融化冰雪释放热量，这使得这种类型的路面更具竞争力。

但是，初期成本较高且缺乏可靠的设计指导方针是实施HAP的主要障碍。因此，最终确定本审查报告并分析有关循环水力沥青路面的最新进展是很有必要的。本文系统地介绍了部分与水力沥青路面的使用性能相关的几个方面的信息。这项研究可以为探索进一步发展这种创新路面能源的应用和能源收集应用和除雪技术用于提供广泛的信息。

第二章 储能沥青路面概述

2.1 HAP系统的工作原理

HAP由两个主要部分组成：通过循环的地下水冷却高温路面部分和使用多来自路面多余的热量来去除道路表面冰雪的部分。图2给出了一个详细的水力沥青摊铺机工作原理说明[28,35]。HAP的全部功能包括收集来自路面的能量，将能量储存在地下并用于再加热。地下热能储存（UTES）是能量储存技术的一种形式，是应用HAP的关键核心技术。在冷却模式，暴露在夏季阳光下的沥青路面可以达到60-70℃的高温。为避免这样的高温引起的问题，低温液体从地下储存泵出通过管道循环冷却高温的路面。然后热水循环回到UTES，可以存储热能以供以后使用。在加热模式，热水在管道中循环，为路面加热以达到融雪化冰。另外，储存的能量也可以用于附近的区域供暖，供电，充电等。与传统的路面加热融雪方法和路面降温方法相比，HAP提升的主要方面原因调查总结如下：

  1. 提高了可再生能源利用率：热量由循环的冷却液收集于高温路表，储存于UTES系统并用于日后再利用，为HAP系统利用太阳能提供了可能。
  2. 延长了路面的寿命：HAP系统降低了道路表面的温度，提高了其抵抗永久形变的能力，提高了沥青路面的使用寿命。
  3. 环保的融雪方法：夏季储存的热量可以储存并用于去除冬天的冰雪。这种方法对环境很友好并对道路没有负面影响。
  4. 缓解城市热岛效应：HAP系统用于冷却降温的潜力非常大，可以大大降低城市环境温度，减缓热岛效应。

2.2 HAP系统的研究现状

HAP系统主要被用作水力循环融雪化冰系统（HISM）。将一系列蛇形或平行管道嵌入路面表层之下。管道中流过热水时，道路表面温度升高就可以防止在冬天路面积雪或形成冰层。

1948年，最早的道路HISM系统由俄勒冈州公路局设置在美国俄勒冈州的克拉马斯瀑布，该系统利用了当地的地热能。经过50年的使用，该系统因为铁管外部遭到长期腐蚀发生泄漏[36]而失败。它于1998年秋季修复，桥面表层混凝土和道路都被水力喷射完全移除，并新加了一个由碎石建造的路基。并将原本的3/4“聚乙烯管网（PEX），改为以中心线间距14到16“以双重重叠方式放置的结构。PEX管道附着在混凝土铺面内的钢筋上，在7“的管道上加3”的管道覆盖路面部分。最上层的管道，沿着边缘放置着一组1.25-2.5“的绝缘黑铁管，其与下方换热器相连。顶端管道中的黄铜歧管以约40#39;的间隔放置在混凝土箱子中，连接四个供应管到并返回PEX管[37]。报告显示，1994年至1999年美国在四个州（内布拉斯加州，俄勒冈州，德克萨斯州和弗吉尼亚州）[32]设计、建造并运营了HISM项目。

在过去的几十年中，已在世界各地已经进行了许多研究类似的冰雪融化系统的研究项目并取得了成功。比如波兰的Goleniow机场[36]，瑞士的A8SERSO快车道系统[38]，挪威的Gardermoen停机坪[39]，以及日本公路和坡道所应用的盖亚系统[40]。值得注意的是，2003年的统计报告表明在冰岛HISM系统覆盖的总面积近740,000平方米，因为其具有丰富的地热能[41]。

随着HISM系统的发展，混凝土太阳能收集器（CSC）被提议变成一种混凝土制的太阳能收集系统。各国的研究人员一直在研究CSC系统的可行性和性能表现[42-45]，并提供了以下信息。最早的关于沥青太阳能集热器的参考文献来自于美国的专利[46]。由于黑色表面会比其他颜色表面反射更少波段的太阳光，沥青路面会比水泥路面吸收更多的太阳能，这意味着沥青太阳能集热器在收集和利用太阳能具有更高的效率。VanBijsterveld等[28]和陈等人[47]进行了沥青太阳能集热器研究。还有由创新型公司提供的商业化的能源利用路面系统，比如能量道路系统（Ooms国际控股）[48]，Winnerway系统[49]，Zooneweg系统[50]，隐形加热系统（InvisibleHeatLtd.）[51]，季节传热系统（ICAXtrade;Ltd.）[52]和道路电力系统（NovotechInc.）[53]。为了提升HAP系统的应用效果，已经有几个由Ooms国际控股于1998年至2006年间建造的创新项目[54]成功竣工。这些方案可以使用到道路的更关键的部分，包括机场跑道，交通繁忙路段，甲板桥等。

基于HAP系统的研发，可以得出以下几点结论：1）基于HISM系统的发展，道路太阳能收集器得以实现;2）沥青混凝土比水泥混凝土具有更高的能量吸收率;3）HAP的几个实验项目在世界各地都取得了成功。

第三章 对HAP系统的理论分析

本节理论分析工作着重于描述温度预测和能量收集和融雪过程中的性能表现。

3.1 HAP系统传热过程中的特点

沥青混凝土的刚度和强度易受环境温度影响。在恶劣的温度条件下，会产生永久变形和热开裂这两种典型的结构性损坏。因此，许多研究集中在沥青路面温度预测上。基于关于温度预测的文献，之前的研究过程可分为三个阶段：第一阶段由1957年到1987年，注重于研究由不同环境气候产生的路面温度的变化。当时发现的规律和建立的模型仅仅适用于一些特殊情况[55-57]。第二阶段是指由美国于1987年启动的战略公路研究计划。1992年，高性能沥青混凝土作为SHRP计划其中的一部分被提出，对于这种设计,温度是一个关键因素。不同深度的沥青路面的最高温度和最低温度由下列方程给出[58]:

（1）TS(max)=Talpha;（max） 0.00618（Lat）2 0.2289（Lat） 24.4

（2）Td(max)=(Ts(max) 17.78)(1-2.48times;10-3d 1.085times;10-5d2-2.441times;10-8d3 全文共25198字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[1774]

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