洪灏琪，夏嫣姿，叶 勤，罗 丹，司 伟
（长安大学，西安 710064）
可再生和可持续能源的开发、利用是当今世界最为关注的热点问题之一，传统能源不可再生、开采成本较高，对环境造成不可逆影响。太阳能作为典型的清洁可再生能源越来越受到关注，针对太阳能热利用技术的开发和应用正逐步成为能源行业研究重点[1-2]。我国太阳能资源分布广阔，全国大陆各地区年辐射量最大值为8 364 MJ/m2，均值为5 749 MJ/m2，年太阳辐射总量约5×1016MJ，相当于2.4×104亿t标煤，年日照时间在2 200 h以上，与日本、欧洲等国家相比，拥有更良好的太阳能利用条件[3-4]。利用沥青路面吸收太阳能是一种新型的能源利用技术，黑色沥青路面的吸收系数可达0.9，在夏季高温时路面温度达70℃。我国高等级公路95%以上采用沥青路面[5]。与传统的太阳能集热系统相比，沥青路面具有更大的集热面积、更持久的集热时间，并且可以在日落之后继续收集路面残留的热量，能在收集路面积蓄热量的同时有效缓解夏天城市热岛效应。流体集热沥青路面（Hydraulic Asphalt Pavement，HAP）在能源开发利用中具有独特的优势，在减少污染和缓解能源紧缺、气候变暖等问题上发挥作用，并在实现可持续发展方面蕴藏着巨大的发展前景[6-7]。
流体集热沥青路面的系统配置包括系统材料、热交换系统的结构和布置、系统换热流体的运行参数、能量储存和控制系统，能量储存系统决定了换热器收集的热量能否有效地储存和利用，目前常见的储能系统有温差发电系统和蓄热系统。但目前的储能系统存在能量收集效率较低、跨季节存储不易，能量损失较多等问题。为了解决路面能量利用和储存问题，减少能源浪费，许多国家和地区对路面能量的利用和储存开展了大量研究。因此，本文从不同类型储能方式的系统结构及工作原理出发，评价这些储能方式是否可以高效地储存利用收集到的热能，是否可以对储能方式继续优化，是否可以提高能源的储存利用率，为增强太阳能集热系统的能量利用率提供参考。
1 流体集热沥青路面技术原理
流体集热沥青路面的热能平衡原理如图1所示，传热过程主要有传导、辐射和对流。集热系统利用太阳能的光热效应，太阳光照射在沥青路面上，大部分的太阳能被沥青路面所吸收，进而转变为热能。其总体设计可以分为能量收集和能量储存2个部分：能量收集部分通过路面上设置的集热管道，将热能通过某种介质输送或直接转换成其他形式能量。能量的储存方法直接决定了集热系统的可行性和实用价值。目前主要有2种系统用于流体集热沥青路面收集能量并长期存储，一是蓄热系统，能够实现热量的跨季节存储，这也是流体集热沥青路面系统最常用的蓄能方式；二是热电转换系统，利用温差发电技术将热能转化为电能利用或储存。
图1 流体集热沥青路面集热原理
2 流体集热沥青路面的储能方式
2.1 热电转换储能系统
发电是能量利用方式中较为普遍的一种方式[8]。现有的沥青路面热电转换方式主要采用温差发电法[7]，其是一种全固态的能量转化方式，具有发电部件无运动、体积小和质量轻的特点，并且该技术无噪音、寿命长且可靠性高[9]，因此太阳能沥青路面的热电转换技术中常采用温差发电技术，本节将针对温差发电法展开论述。
2.1.1 热电转换储能系统结构与工作原理
温差发电技术最早始于20世纪40年代[10]，基本原理是塞贝克效应，即当热电材料（一般为半导体材料）具有一定的温度梯度时，热端材料的载流子发生运动，形成温差电动势，进而实现热能到电能的能量的转换[10]，如图2所示。Hasebe和Meiarashi等[11]研发的道路热能转换系统，就是利用路面下管道中的热水与河道里冷水的温度差异进行温差发电，利用热能产生电能的同时，还有效降低了路面温度。
图2 温差发电模块构造示意图
沥青路面温差发电工作系统主要由3个子系统组成：集热系统、发电系统和电能储存转换系统，如图3所示。其中，集热系统主要通过在沥青混凝土路面中埋管等方式，将太阳能照射于路面所产生的热能被管道中的导热性良好的物质所吸收并传递给温差发电系统，发电装置布设于路面下一定位置处，将热能转化为电能后，通过升压稳压装置储存电能并加以利用。
图3 城市沥青路面温差发电系统
2.1.2基于温差发电的集热系统性能研究
许多学者通过地埋管加热流体的方式，建立了完整的温差发电系统，证实了温差发电技术在太阳能沥青路面中的可行性。Hasebe和Meiarashi等[11]研发了1种新型的道路热能转换系统，利用路面下管道中的热水与河道里冷水的温度差异进行温差发电，利用热能产生电能的同时，还有效降低了路面温度。张驰等[12]研究了温差发电片在沥青路面中的铺设方式，发现温差发电器件的最佳埋设深度为2~3 cm，最大发电效率的发电元件铺设密度为44个/m2，并且温差发电元件具有良好的抵抗车辆反复荷载作用的能力；在能量输出效率方面，基于范旭鹏等[13]在宜昌市的实践研究，试验结果显示每1 m2发电片在一定的条件下2端电压可以达到1 000 mV，在高温的5—9月可以达到2 000 mV以上，可以维持一些市政用电设施的运行。
温差发电法是较为理想的沥青路面的热电转换方式，也是较为完善的1种储热形式。在能源使用方面，还可以直接将路面的热能转换为电能，用于照明系统、红绿灯等市政用电，减轻国家用电压力，实现道路的绿色、可持续发展。然而，目前关于流体集热沥青路面温差发电系统的研究并未形成完整、确定的理论系统，温差发电单元布设方式多元，尚未有学者系统整理布设方式的区别，少见对系统最佳布设方法的研究。
2.2 土壤蓄热系统
流体集热沥青路面的能量储存系统为跨季节蓄热系统，其能有效克服太阳能利用易受时间、气候等影响的缺点，可以将太阳资源丰富季节的热量回收并储存到太阳能资源不足的季节使用。常见的蓄热体有水和土壤，土壤具有较大的蓄热能力，其一年四季地层温度都相对稳定，是良好的冷源与热源，故本文将针对土壤蓄热这一方式展开详细论述。
2.2.1 土壤蓄热系统结构与工作原理
蓄热系统将集热系统收集的热量，在路面相对于蓄热体处于高温状态时，将热量传递给蓄热体并在蓄热体中实现热量的储存，在路面相对于蓄热体处于低温状态时，蓄热体又将热量传递给路面。在太阳能集热器和地埋管换热器的运用与设计方法被提出后，土壤蓄热是首个被提出的能量储存方法并成功运用于全自动的太阳能集热的完整系统，基于多位学者的实验，证实该系统具有一定实用价值。
使用土壤蓄热技术的太阳能沥青路面集热系统主要由3部分组成：垂直地面换热器、混凝土路面内的热流管及加热载体循环泵。夏季路面吸收太阳能后，路面温度升高，载热流体采集热能，经过循环泵送，将热能储存于地下埋管周围的土壤介质中。冬季路面融雪化冰时，载热流体流经土壤采热升温，再通过循环泵进入管网加热路面。基于地下蓄热的道路集热蓄能热流体循环融雪化冰系统示意图如图4所示。
图4 太阳能集热路面-土壤蓄能系统
2.2.2 基于土壤蓄热技术的集热系统性能研究
土壤蓄热技术的发展与时俱进。1998年，日本首次建立了全自动的太阳能集热并采用土壤蓄热的储能技术的完整系统，基于在广岛山与北海道大学的实验，指出了该系统具有一定实用价值[14]。2000年，美国公司利用竖孔地下换热器的地源热泵封闭系统，在实际道路展开了融雪化冰和集热蓄热过程的研究[15]。2002年，日本Koji Morita和Makoto Tago建立了Gaia融雪系统，以防冻剂为换热介质，运用了井下同轴换热器来实现高低热能的切换[16]。荷兰的Ooms Avenhorn Holding公司建立了相似的集热路面，夏天时运用埋设的管道集热并将热能输送至地下的水体中，冬天将水反向泵送，达到给路面夏季降温、冬季融雪化冰的目的[17]。
国内也有许多基于土壤蓄热系统的研究，朱强等[18]提出了土壤蓄热的想法，通过一定的循环系统，夏季蓄热于土壤，冬季土壤放热融雪化冰。王庆艳[19]通过建立管壁-土壤-雪耦合模型对系统融雪机理、部分系统参数的选择进行了分析。2010年，吉林大学高青等[20]建立了较为完整的道路集热蓄能融雪化冰系统，系统地研究了道路融雪化冰过程的传热现象、传热状态及分析方法。同年，武汉理工大学的吴少鹏等[21]主要对集热系统的影响参数进行深刻的分析。梁幸福[22]通过实验研究、TRNSYS仿真及MATLAB模拟相结合的方法，对太阳能-土壤源热泵系统双热源耦合特性及地下蓄能传热强化进行了分析和实验研究，发现了在太阳能持续或间歇的状况下系统的平均集热效率分别为51.5%和38.2%，机组平均COP分别为3.61和3.48。
未来关于土壤蓄热法的实际应用还有一些基础问题需要得到解决，例如复杂地下环境中非稳态和瞬态传热的机理、特性和性能的研究，以及蓄热系统的控制策略；针对路面获取的热量如何存储在地下，以及如何修建地下存储器、如何选取位置等问题鲜有报道，并且土壤蓄热的室内短期模拟并不现实，不同区域的系统特性会有较大误差，对此还需要进一步的研究[23]。
3 结论
通过对已知的流体集热沥青路面的储能方式的梳理和性能评价分析，国内外学者关于太阳能沥青路面集热系统多关注获取的热量如何储存、如何利用和系统可行性，而关于系统化、参数化的研究尚有空白，从中可得到以下结论和展望。
（1）温差发电技术可以将收集的热能转换为电能，且产生的电能适用于照明系统、市政用电等；然而基于流体集热沥青路面的温差发电系统的具体结构参数、布设方式的讨论较少，温差发电的实体工程案例鲜有报道，如何提高发电效率、降低能量转换的成本也是研究重点。
（2）土壤蓄热技术结构较为简单，有较多的工程实践经验；但其实际应用还有一些基础问题需要解决，例如复杂地下的传热机理、地下蓄热器安装的位置，安装位置是否会影响道路的使用性能，对土壤生物种群是否会造成影响，在桥涵上的应用是否可行等。同时，其效益与成本之间的关系需要协调。
（3）目前大多研究流体集热沥青路面短期条件的模拟，对于跨季节的长期系统运行特性还需进一步深入；关于流体集热沥青路面储能系统，没有统一的规范研究，导致系统的能量储存及利用效率对比困难。
（4）对于不同储能方式下流体集热沥青路面的系统最佳参数、最优系统结构等的研究，仍需大量实验研究、实践模拟。
