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集能融雪热循环沥青路面研究进展
Pan Pan, Shaopeng Wu, Yue Xiao *, Gang Liu
摘要
太阳能无疑是人类环境友好、取之不尽的能源。循环沥青路面（HAP）是一种新兴的可再生能源技术，为太阳能利用提供了一种有趣的方法。HAP的创新在于缓解沥青路面的一系列现实问题以及化石能源的消耗。流体通过埋在沥青路面上的管网循环，可以收集太阳能并储存起来供日后使用。本文总结了目前国内外有关HAP的主要研究成果，并提出了进一步研究的建议。研究证实了在沥青路面上应用创新技术收集太阳能、冷却路面、融雪/除冰以及建筑物空调的可行性。由于季节性储能技术目前比较成熟，大多数文献综述的重点是与系统行为相关的变量的影响，以及融雪和太阳能收集过程中的传热过程。未来的工作应该着眼于做更多与HAP应用相关的紧急问题：施工技术、维护技术和长期性能。解决这些问题可以加强对HAP的理论和实践认识，并使其得到更广泛的应用。
1、引言
可再生能源和可持续能源已被认为是世界各国进一步发展的关键问题[1]。近年来，化石燃料消耗和环境退化是经济和社会快速发展的自然结果，特别是在发展中国家（如中国和印度）[2,3]。为了解决资源和环境的持续压力，对生物能源[4]、地热[5]、氢[6]、海洋[7]、水电[8]、太阳能[9]和风能[10]等多种形式的可再生和可持续能源的利用进行了一系列有希望的研究。这些文献综述总结了许多新的和尖端的能源收集和清除方法，这是研究人员提出的新领域。目前的统计数据表明，可再生能源只占总供应量的一小部分。如图1所示，2011年可再生能源占总能耗的19%[11]。然而，潜力是巨大的。在一些地区和国家，在过去几十年中，可再生能源和可持续能源的份额大幅增长[12,13]。在所有可再生和可持续能源中，太阳辐射能被认为是最有前景的能源之一，是人类清洁、环保、用之不竭的能源之一。太阳能发电方法包括光热、光伏、光化学和光生物转化，广泛应用于生活、工业和农业生产[14]。
由于沥青路面终日暴露在太阳辐射下，可以接收大量的太阳能，这些太阳能作为热能在路面结构中消散。有文献表明，由于沥青路面具有较高的太阳辐射吸收系数，在炎热的夏季，其表面温度可达到70℃。一方面，这种现象会降低沥青路面的耐久性[15–18]。高温会在交通影响下引起沥青路面的永久变形，也会加速热氧化，从而降低路面性能[15]。另一方面，路面表面温度过高会导致环境问题。高表面温度对城市热岛效应（UHIS）的发展起着重要作用，这意味着城市地区的温度高于周围的郊区和农村地区的温度[16]。相关文献[17–19]中报告的特殊研究表明，超高强度气体对降低环境热舒适度水平和增加建筑制冷能耗有显著影响。Santamouris的研究表明，反射性路面和透水性路面被认为是降低路面表面温度和缓解超高强度指数的主要技术[20]。然而，这些技术的目的仅仅是冷却路面，而不是提取和再利用太阳能。
随着能源收集技术的发展，从现有基础设施中获取能源的想法引起了人们的广泛关注。将沥青路面转化为能源也是当前关注的一个有吸引力的课题[21,22]。最新的代表是热电发电机[23]、压电发电机[24]、光伏应用[25]和沥青太阳能集热器（ASC）[26]。ASC系统可以由沥青混凝土层和管道（循环沥青路面，HAP）组成，也可以由两个不透水层包围的多孔沥青层组成[27]。HAP是指在路面下铺设金属或非金属管道的新型路面。考虑到夏季沥青表面温度很高，通过管网循环的流体可以降低沥青路面内部结构和表面的温度。水可以从蓄水层或任何其他水源库中抽水。如[28]所述，通过与季节性热能储存系统或热电设备相结合，可以更有效地利用HAP发电。
事实上，HAP的最初目的是在雪、雨夹雪或冻雨期间路面融雪和除冰。毫无疑问，恶劣的天气加上积雪和路面结冰会导致交通安全问题，尤其是在桥梁和坡道等路段。如何有效地清除冰雪，使沥青路面保持良好的路面性能，是运输管理者最关心的问题。使用除冰剂是一种传统的融雪方法。不幸的是，它会导致混凝土腐蚀和环境污染[29,30]。一些机械方法，可以用来清除冰雪，肯定会导致表面损坏和机械设备的高维护成本[31]。另外两种方法也普遍用于除雪和除冰。一种是用导电沥青混凝土或埋在路面上的电线进行焦耳加热的方法。另一种是循环加热，管道系统（或管道系统）与路面相互连接，以诱导加热。这两个系统的以往经验表明，融雪是可行和可控的[32]。在[33]中，Chapman和Katunich推导出了路面融雪系统的一般方程，这需要大量的热能，其中的一部分会被环境损失。因此，有必要开发一种替代的融雪方法，不仅可以减少路面和桥面的损坏，而且可以节约成本和降低维护成本。如[34]所述，与焦耳加热法相比，循环沥青路面具有更高的集能效率和更低的运行成本。在储能技术（EST）的基础上，水性沥青路面可以在夏季提取太阳能，并在冬季释放热量用于融雪，使这种路面更加诱人。
然而，较高的初始成本和缺乏可靠的设计指导线是实施HAP的障碍。因此，有必要确定本审查报告，以介绍和分析循环沥青路面的最新发展。它提供了有关循环沥青路面使用行为几个方面的有组织的信息。这项研究可为进一步开发和应用这种创新的路面节能降雪技术提供广泛的信息。
图1、2011年全球最终能源消耗中可再生能源的估计份额[11]
2.循环沥青路面（HAP）声明
2.1.HAP系统的工作原理
HAP由两个主要部分组成：通过循环地下水冷却温暖的路面，以及通过从路面中提取的能量除冰（和/或加热）路面。图2详细描述了循环沥青路面的工作原理[28,35]。HAP的整个功能包括从路面收集能量、将能量储存在地面并利用能量进行加热。地下储能技术是储能技术的一种形式，是HAP应用的关键技术。在冷却方式下，夏季暴露在阳光下的沥青路面可达到60-70摄氏度的高温。为了避免这种高温引起的问题，从地下储存介质（如子宫）中泵出的冷却液通过管道循环，以冷却温暖的路面。然后温水循环回到子宫，热能可以储存起来供日后使用。在除冰方式下，温水通过管道循环加热路面以融化积雪。此外，储能还可用于附近地区的供暖、供电、充电等。
与传统路面融雪法和路面冷却法相比，加强HAP调查的主要原因总结如下：
a.可再生能源利用。
热量由路面上的循环流体排出，储存在UTES系统中供日后使用。HAP提供了利用太阳能的可能性。
b.路面寿命延长。
HAP系统降低了路面温度，提高了其抗永久变形能力，从而延长了沥青路面的使用寿命。
c.融雪的环保方法。
夏天储存的热量可以在冬天用来除去冰雪。该方法对环境友好，对路面无不良影响。
d.缓解城市热岛效应。
HAP系统的缓解和降温潜力非常显著，可以大大降低城市环境中的温度。
2.2.HAP系统的现有发展
以HAP系统为基础，建立了循环式冰雪融解系统。一系列蛇形或平行的管道被嵌入路面，在表层以下。当热水通过管道循环时，表面温度会升高，以防止路面在冬季堆积和形成路面上的冰雪。
1948年，美国俄勒冈的克拉马斯福尔斯，由俄勒冈公路局安装了最早的Hism公路系统，该系统基于当地地热能源的利用。经过50年的使用，该系统因铁管外腐蚀发生泄漏而失效[36]。它是在1998年秋季修复的。桥面混凝土顶层采用水力爆破拆除，路面全部拆除，增设碎石基层。然后将一根3/4〃交联聚乙烯管（PEX）用于网格段，放置在一个双重叠模式中，从而在中心处形成14到16〃的线间距。PEX管与混凝土路面内的钢筋相连，在7英寸路面段内的管道上方提供约3英寸的保护层。沿车行道边缘布置的集管由1.25–2.5英寸的绝缘黑铁管组成，黑铁管依次与井下换热器相连。总管的黄铜管汇以大约40#39;的间隔放置在混凝土箱中，以允许连接四个供应和回流PEX管[37]。报告显示，从1994年到1999年，美国四个州（如内布拉斯加州、俄勒冈州、德克萨斯州和弗吉尼亚州）设计、建造和运营了几个HISM项目[32]。
在过去的几十年中，人们对类似的冰雪融化系统进行了许多研究，并在世界各地开展了一系列成功的项目，如格勒尼奥机场（波兰）[36]、A8高速公路上的SERSO系统（瑞士）[38]、加德莫恩停机坪（挪威）【39】，以及公路和坡道的GAIA系统（日本）【40】。值得注意的是，2003年的统计报告显示：冰岛HISM系统总面积近74万平方米，地热资源丰富[41]。
图2 HAP系统的工作原理[28,35]
随着HISM系统的发展，提出了混凝土太阳能集热器（CSC）从混凝土系统中获取太阳能。来自不同国家的研究人员对CSC的可行性和性能进行了调查[42–45]，更多信息见下文。关于沥青太阳能集热器的最早参考文献在美国专利[46]中介绍。由于黑色路面反射的太阳光波长比其他颜色路面少，沥青路面吸收的太阳能比水泥路面多。这意味着沥青太阳能集热器在收集和利用太阳能方面有着更为有效的贡献。van Bijsterveld等人[28]和Chen等人[47]对沥青太阳能集热器进行了研究。创新公司还提供商用路面能源系统，如道路能源系统（OOMS国际控股公司）[48]、Winnerway系统[49]、Zooneweg系统[50]、隐形供暖系统（Invisible Heat Ltd.）[51]、季节间换热（Icaxtrade;Ltd.）[52]和道路电力系统（Novotech Inc.）[53]。为了加强HAP系统的应用，OOMS International Holding BV于1998年至2006年建设了多个创新项目[54]。使用这种方法的可能地点可以扩展到甚至是关键路段，包括机场跑道、交通繁忙的道路和桥面桥等。
基于HAP系统的发展，可以得出以下结论：
1）基于HISM系统的发展，可以实现路面太阳能集热器；
2）沥青混凝土比水泥混凝土具有更好的吸能性能；
3）HAP的几个实际工程已在世界范围内成功地全面建成。
3.HAP行为的理论分析
本节所述的理论工作主要是收集和融雪过程中的温度预测和使用性能。
3.1 HAP系统传热过程特点
沥青混凝土的刚度和强度受环境温度的影响。永久变形和热裂是高温条件下两种典型的结构损伤。因此，对沥青路面温度预测进行了大量的研究。根据有关温度预测的文献，以往的研究可分为三个阶段。1957年至1987年的第一阶段主要研究了不同环境气候下路面的温度变化。所产生的经验相关性和模型仅适用于特殊区域[55–57]。第二阶段标志着美国战略公路研究计划于1987年启动。1992年，超级路面沥青混凝土被提议作为SHRP的一部分，温度被认为是该设计方法的关键因素。不同深度沥青路面的最高和最低温度由以下公式给出[58]。
式中，和为路面表面温度和环境温度；为不同深度的温度；d为路面深度；Lat为区域纬度。
20世纪90年代末，第三阶段开始通过使用不同尺寸（1-D、2-D和3-D）的有限元模型（FEM）和有限差分模型（FDM），提高从先前研究中获得的经验相关性和模拟模型的准确性和可靠性。文献表明，目前可用的具有一些修正的路面温度模型已在路面工程实践中得到不同的成功应用，或与测量结果具有良好的相关性[59,60]。然而，应注意的是，由于所提出的相关性规定了许多沥青混合料特性和环境条件的恒定值，因此修改模型的准确性和可靠性受到质疑。
路面温度预测模型的发展有助于HAP系统热平衡过程的理论分析。为了更好地理解热平衡过程，有必要确定能量收集和融雪过程中的传热过程。关于HAP系统的工作原理，主要的传热过程如图3（a）和（b）[61]所示。
这些传热过程包括：（1）通过路面、管道和雪层传导；（2）路面和路面之间的能量对流；（3）管道和流体之间的能量对流；（4）对路面的太阳辐射；（5）路面与大气之间的热辐射。所有这些作用都是基于三种热交换机制，即热传导、热对流和热辐射。
表1总结了收集能量和融雪作用的传热过程的主要特征[59,62–66]。该通用方程可用于计算和分析相关传热过程的热流量，有助于我们了解能量收集和融雪行为中的热平衡。给出了各方程的临界参数及其推荐值。目前对沥青路面温度分布的研究发现，沥青混合料性能的定值、对流条件和太阳辐射
3.2.循环沥青路面系统的热模拟
对于循环沥青路面系统，根据传热传质理论，建立了一系列模型来确定路面中的管道布置（深度和空间等）、流动温度和流动速率。
3.2.1.融雪建模
1952年，查普曼提出了路面融雪热需求的稳态能量平衡方程[67]。他说，融化雪所需的表面热输出取决于五个方面：熔化热、将雪温度提高到熔点的显热、汽化热、辐射和对流传热以及对地面的背面损失。解决供热出力问题，应同时考虑风速、温度、相对湿度和降
图3、传热示意图：（a）融雪和（b）太阳能收集[61]
雪率四个气候因素。基于查普曼理论，建立了二维稳态模型，计算瞬时融雪所需的热通量，并设计了不同气候条件下的循环冰雪融雪系统[68,69]。然而，这些模型对于稳态条件是有用的。Leal和Miller[70]、Schnurr和Falk[71]和Chiasson[72]扩展了Schnurr和Rogers开发的二维稳态模型。因为扩展模型的假设不适用于涉及冰雪融化或部分或全部被冰雪覆盖的表面。当地表条件随雪水相变而变化时，无法模拟实际融雪过程。虽然Chiasson的模型没有通过融雪条件下收集的实验数据进行验证，但它适用于平板干燥的条件[73]。
2002年，Rees等人开发了一个二维瞬态模型（即有限体积模型）来模拟循环水路面的融雪性能[74]。模型中忽略了太阳辐射。他们把表面条件分为七类：（1）白霜，（2）干，（3）湿，（4）干雪，（5）仅雪泥，（6）雪泥，（7）固态冰。如图4（a）所示，用三节点模型模拟了最复杂的雪和淤泥条件：一个位于雪层的上表面，一个位
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