沥青路面太阳能集热使用研究进展

蔡焘

摘 要：本文简要阐述了沥青路面太阳能集热技术的研究现状与发展历程，分析了沥青路面太阳能集热的原理，从路面材料方面对沥青路面太阳能集热效率的影响因素进行了综述，同时分析沥青路面太阳能集热技术发展过程中存在的不足之处，在此基础上进行总结与展望。

关键词：沥青路面太阳能集热;研究现状;原理

0 引言

利用沥青路面吸收太阳能是一种新型的能源利用技术，它涉及到道路交通的可持续发展、新型绿色能源的开发利用问题。沥青路面具有油耗低、噪音小、抗滑性好、车辆磨损小等优点，已被广泛应用于城市道路、桥梁加铺、机场跑道及高速公路[1-2]。我国高速公路总里程已超过13万公里，其中90%以上采用沥青路面。沥青路面太阳能集热技术在能源开发利用中具有独特的优势，黑色的沥青路面具有很强的太阳能吸收能力，其吸收系数可达0.9，在夏季高温时路面温度可达70℃;与传统的太阳能集热系统相比，如太阳能热水器的集热面板，沥青路面具有很大的集热面积，并且可以在日落之后继续收集路面残留的热量，有效缓解夏天城市热岛效应。如果能够将沥青路面收集的太阳能利用起来，可给建筑物供暖供冷，从面减少传统能源在建筑能耗中的使用，大大缓解我国能源紧张局面并减少CO2等废气的排放。因此，沥青路面太阳能集热技术的研究具有十分重要的理论意义和实用价值。

利用沥青路面进行太阳能集热是伴随着道路融雪化冰技术的发展面展开的。1948年美国开始研究利用地下热水的路面融雪化冰技术。美国Oklahoma State University（OSU）大学，结合当地气候条件，将路面作为太阳能集热系统，采用利用竖孔地下换热器的地源热泵封闭系统，开展融雪化冰和集热蓄热过程的研究，并分别在弗吉尼亚州西部橡树岭的高速公路坡道路段和怀俄明州Cheyenne高速公路的两处坡道路段进行了试验研究;2008年，苏格兰隐形加热系统公司在韦斯特罗斯一条沥青路面下埋设水管，利用存储太阳热量的路面来融雪化冰。从2008年开始，Hasebel研究了利用路面收集的太阳能热能转化为电能的可能性，通过试验和建立模型评估了质量流率和换热介质温度对转化效率的影响。结果表明换热介质的温度和热电器件的电阻对该转换系统的最大输出功率有重要影响作用。該研究对路面太阳能集热技术奠定了一个新的发展方向。

2010年，吴少鹏[3]等分析沥青路面太阳能集热系统热学参数、沥青路面温度场分布以及沥青路面太阳能集热效率，指出路面太阳能集热系统具有显著的应用潜力。

1 沥青路面集热技术的基本原理

沥青路面太阳能集热是利用太阳能的光热效应，这属于太阳能热利用的范畴，集热的基本原理就是太阳光照射到沥青路面上，其中大部分太阳辐射能为沥青路面所吸收，进面转变为热能，通过路面结构的传导作用将热量传送至管道处，并通过路面结构与管道间的热传导、管道与换热介质间的对流换热作用，将路面吸收的热量传递给管道内的换热介质，从面将路面接收的热量输送至储热器（比如地下蓄水层，地下绝缘容器）储存或直接应用。沥青路面进行热交换的主要方式有路表面的辐射换热、路表面的对流换热、路面的导热。

路表面的能量平衡关系：

G=Qr+Qs+Qk+Qc

式中：G为路面吸收的热量;Qr为路面吸收的太阳辐射，主要影响因素是沥青路面的吸收率，一般沥青路面的吸收率达0.85～0.93，沥青路面的颜色及使用年限都会影响沥青路面的吸收率;Qs为路面热反射辐射，主要影响因素是周围环境的平均温度和大气温度;Qk为路表面的导热量，主要影响因素是沥青混合料的导热系数;Qc为路表面与大气环境的对流换热量，包括自然对流和强制对流两部分，最大的影响因素是对流热交换系数，对于自然对流，风速是最大的影响因素。

2 沥青路面太阳能集热效率的影响因素

沥青路面可吸收大部分的太阳辐射，但部分能量会以长波方式反射出去且沥青路面导热性能较差。目前，从路面材料方而提高沥青路面太阳能集热效率主要有以下两种方式：一是增加沥青路面的导热系数K;二是增加路面的吸收率。

2.1 导热系数

在沥青路面太阳能集热的过程中，路面的导热能力是非常重要的影响因素。增加路面的导热系数既会起到降低路面温度的效果，又能在道路内部起到蓄热作用，并且可减小沥青路面极限温度的波动，从而减少由于热梯度引起的铺装层病害，延长道路的使用寿命。常用的增加路面导热系数的方式有：添加导热相填料、采用高导热集料。

2.2 吸收率

路表面对太阳辐射的吸收率是一个确定表面所吸收的投射辐射的份额的性质。与投射辐射的光谱分布、方向分布及吸收表面的性质有关，可以近似地认为与温度无关。其取值对确定沥青路面的表面温度及说明路面的集热量有着重要的影响。其值的较小变化也会导致数值计算路面温度、路面集热量的与实际情况有较大幅度的波动。

目前，大多数研究都是设法增加路面反射率从而降低沥青路而的温度，对于增加路面吸收率的研究相对较少，因此在此方面的研究有待进一步深入探索。

3 沥青路面太阳能集热的不足与展望

对于沥青路面太阳能集热技术的研究，现在还处于起步阶段，总的来说该项技术可以有以下3个方面的内容的不足与展望：集热、存储、利用。

（1）集热效率是沥青路面太阳能集热技术的关键和核心，在集热效率佳的情况下才有后续相应研究的必要。对于路面材料可以通过增加沥青混合料的导热系数及路面的吸收率来提高该项技术的集热效率，同时需要兼顾沥青路面的路用性能。

（2）将夏季时沥青路面获取的热量加以利用，需要将热量进行存储，目前所提到的方法一般是将其存储在地下绝缘容器或是地下蓄水层。但是针对路面获取的热量如何存储在地下，地下存储器的修建、位置选择等相应方面的文献很少，并且就该方面进行室内模拟不现实，需要借助于软件分析，对此有一系列技术问题还需解决。

（3）目前，提出了3种潜在的能源利用方式：缓解路面高温病害、融雪化冰、给建筑物发电供暖制冷。利用沥青路面进行太阳能集热就是缓解路面高温病害、防止永久变形产生的过程;在管道内通入一定温度的介质水可以对路面进行融雪化冰，但其融雪化冰的效果主要与影响集热效率的因素大致相同，因此要综合考虑路面材料对于集热与融雪化冰的影响;针对于给建筑物供暖制冷方面的研究几乎没有，这也是能源利用方面需要研究的问题。

4 结语

（1）综述了沥青路面太阳能集热技术的研究进展，阐述了沥青路面太阳能集热技术的发展历史，介绍了沥青路面太阳能集热技术的集热原理以及影响沥青路面太阳能集热技术的因素。

（2）分析了提出了目前沥青路面太阳能集热技术研究存在的不足，即对沥青路面太阳路用性能的相关研究有待加深。

（3）展望了沥青路面太阳能集热技术的发展前景。

参考文献：

[1]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]常魁和.公路沥青路面养护新技术[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]吴少鹏，陈明宇，韩君.公路交通科技[J].2015（3）：17-22.