关于水力沥青路面上能量收集和融雪的综述外文翻译资料

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关于水力沥青路面上能量收集和融雪的综述

吴少鹏 肖月 刘刚

武汉理工大学建筑硅酸盐材料国家重点实验室，武汉430070，中华人民共和国

文章信息：

文章历史：

2014年3月接收 2014年5月24日接受修订版本

2015年4月3日同意接受 2015年4月28日在线可供阅读

关键词 ：

液体循环加热沥青路面（HAP） 再生能源 太阳能收集器 融雪

摘要：

太阳能无疑是环境友好型且取之不尽的能源。液体循环加热沥青路面（HAP）的概念是一种新兴的可再生能源技术，其提供了利用太阳能的有趣方法。HAP的创新是减轻了一系列与沥青路面以及化石能源资源枯竭相关的现实问题。通过嵌入沥青路面中的管道网络循环的流体可捕获太阳能并存储供以后使用。本文总结了有关HAP现有文献的主要成就，并对其进一步的研究提出了一些建议。研究已经证实了通过在沥青路面上应用创新技术来收集太阳能、冷却路面、融雪/除冰以及作为建筑物的空调的可行性。由于目前季节性储能技术相对成熟，大多数文献综述集中在与系统行为相关的变量的影响以及在融雪和太阳能收集期间的热传递过程。未来的工作应该旨在涉及HAP应用的紧急问题：建筑技术，维护技术，以及长期性能。解决这些问题可以加强对HAP的理论和实践的理解，并导致更广泛的应用。

2015 Elsevier Ltd 保留所有权利

内容：

1. 介绍............................................... ................................................. ....... 624

2. 液体循环加热沥青路面（HAP）的概述述............................................ ............................. 626

2.1 HAP系统的工作原理................................. 626

2.2 HAP系统的现有发展........................... 626

3. HAP行为的理论分析............................................... ................................. 627

3.1 HAP系统的传热过程的特征............. 627

3.2 热变形沥青路面系统............................................... ........... 628

3.2.1 熔化模型........................................... ...................................... 628

3.2.2 能量收集模型........................................... ................................... 629

4. 实验测试............................................... ................................................. .629

4.1材料物理特性............................................... ............................. 629

4.2 管道的几何排列............................................... ................................. 630

4.3流体操作条件............................................... ........................................ 631

4.4.性能评估 ............................................... .......................................... 631

4.5经济范围............................................... 632

5.HAP的研究............................................... ........................................... 632

6.结论............................................... ................................................. ........ 633

致谢................................................. ................................................. ... 633

参考文献................................................. ................................................. .......... 633

通讯作者。电话/传真：862787162595。

电子邮件地址：xiaoy@whut.edu.cn(Y.Xiao). http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2015.04.029

1.介绍

可再生能源和可持续能源已被公认为一个关于世界各国进一步发展的紧急问题[ 1 ]。近年来化石燃料枯竭与环境恶化是经济与社会快速扩张的自然结果，尤其是在发展中国家（如中国和印度）[2,3]。为了解决资源和环境的持续压力，一系列有前途的关于各种形式利用可再生能源和可持续能源的研究正在进行，例如生物能源[ 4 ] [ 5 ]，地热，氢[ 6 ] [ 7 ]，海洋，水电[ 8 ]，太阳[ 9 ]和风[ 10 ]。这些文献综述许多新的尖端的能源收集和净化方法，这是由在此领域的研究人员提出的。此时统计表明，可再生能源能源只占总供给的一小部分。如图1所示，可再生能源占总能源消费的19% 2011 [ 11 ]。然而，潜力是巨大的。在一些地区和国家，可再生和可持续能源的份额在过去几十年中大幅增长[12,13]。在所有可再生和可持续能源，太阳辐射能源被认为是最好的潜在能源之一，这是一种清洁，环保和取之不尽的能源。太阳能发电方法包括光热、光电、光化学和光生物转化，并已广泛应用于生活，工业和农业生产[14]。

由于整天暴露于太阳辐射，沥青路面可以接收大量的太阳能，得到消散路面结构中的热能。文献表明在炎热的夏天沥青路面的表面温度可达70℃由于其对太阳辐射的高吸收系数。一方面，这种现象导致降低了沥青路面的耐久性[ 15 - 18 ]。由于交通影响路面高温会引起沥青永久变形。它也可以加速热氧化，从而降低路面性能 [ 15 ]。另一方面，较高的路面表面温度会导致环境问题。高的路表 温度对城市热岛效应（UHIs）的形成发挥着重要的作用，这意味着城区气温高于气温周边郊区和农村[ 16 ]。在相关文献[17-19]中报道的具体研究表明，UHIS对于降低环境热舒适水平的和增加建筑物的冷却能量消耗具有显着影响。 Santamouris的研究表明，反射铺路和可渗透路面被认为是降低路面表面温度和减轻UHIS的主要技术[20]。 然而，这样的技术仅旨在冷却路面，而不是提取和再利用太阳能。

随着能源收集技术的发展，从现有基础设施吸引能源的想法吸引了广泛的关注。把沥青路面变成能源也是当前利益的一个吸引人的话题[21,22]。最新的代表是热电发电机、压电发电机[ 23 ]，[ 24 ]、[ 25 ]和沥青光伏应用的太阳能集热器（ASC）[ 26 ]。ASC系统可以由一个管道沥青混凝土层（液体加热循环沥青路面，HAP）或多孔沥青层封闭在两防渗层[ 27 ]。HAP是指的是用金属或非金属管置于其表面的新的路面。鉴于沥青的表面温度非常高夏季期间，流体通过管网的循环不仅可以降低其内部结构的温度还可以降低沥青路表面的温度。水可以从一个地下蓄水层或任何其他源库输送。正如在[ 28 ]中所提出HAP可以通过结合季节性热能储存系统或与热电设备发电的方法使用的更为有效 。

事实上，HAP提出了在雨雪交加天气下在路面融雪化冰的初始目的。积雪，恶劣的天气在路面上的结冰会导致交通安全问题是不可争辩的，特别是一些桥梁与坡道路段。如何有效地去除冰雪保持沥青路面的可通行时运输管理者最关心的问题。使用融雪剂融雪化冰是传统的方法。不幸的是，它可以导致混凝土的腐蚀和环境污染[ 29,30 ]。一些机械的方法，也可以用来清除冰雪，但肯定会导致路面表面的损坏和机械设备的高维护成本[ 31 ]。另外两种方法也适用于除冰雪。一种是导电沥青的热融法通过将混凝土或电线埋在路面上。另一个是通过埋葬在路面管道系统的循环加热。以前的经验，证实这两个方法，它是可行的可以融冰化雪[ 32 ]。在[ 33 ]，Chapman和Katunich推导了路面融雪系统的一般方程，这需要大量的热能并且其中的一部分会丢失到环境。因此，有必要发展替代融雪法，不仅减少路面和桥面损坏，但也可以节约成本和降低维护。在[ 34 ]中提到，热沥青路面比焦耳加热融雪化冰法具有较高的集电效率和较低的运行成本。在能量存储技术的基础上（EST），水沥青路面夏季提取太阳能，在冬季释放积雪热量融化，这使得这种类型的路面更多吸引人的。

然而，较高的初始成本和可靠设计引导线的缺乏是实现HAP的障碍。因此有必要完成审查报告，提出和分析进来的关于热沥青路面的研究发展。它提供一些关于沥青路面使用性能几个方面的信息。本研究可用来探索进一步发展和创新路面融雪收集能量技术的应用提供广泛的信息。

2。液体循环加热沥青路面(HAP)的概述

2.1。HAP系统的工作原理

HAP主要分为两部分：冷却温暖的路面通过循环水和融冰冰（或加热）路面提取 能量。图2给出了对热沥青路面[28,35 ] 工作原理的详细说明。HAP的整体功能包括收获路面能量，将能量储存在地上，利用能量加热。地下储能（能），这是能量存储技术的一种形式，是HAP应用的关键技术和核心。在冷却过程中，夏季沥青路面暴露在阳光下可以达到很高的温度60–70 .1C。为了避免这样的问题引起的高温，从地下存贮介质（如UTES）输送的冷却流体是在管子中循环冷却去温暖路面。温暖的水之后循环回到UTES。热能可以储存以备日后使用。在融冰的过程中，热水通过管道循环以加热路面来使雪融化。此外，所存储的能量也可以用于附近小区供热、电气、充电等。与常规路面融雪法和路面降温方法相比，提高HAP调查的原因 如下：

a 可再生能源利用。

热量是循环流体从路面提取的并存储在UTES体系中为了未来的使用。这个 HAP提供了利用太阳能的可能性。

b 路面寿命延长。

HAP系统降低路面温度和提高其抗永久变形能力，延长沥青路面使用寿命。

C 环保融雪法。

夏季储存的热量可以用来清除冬季冰雪。这种方法对环境友好对路面没有负面影响。

d 缓解城市热岛效应。

HAP体系的缓解和冷却的潜力是非常有意义，可以大大降低城市环境的温度。

2.2。HAP系统现有的发展

原始HAP系统作为液体加热融冰化雪系统(HISM)。一系列蛇形管或平行管嵌入在路面下面的表层。当热水通过管道循环，表面温度可以增加以防止冬季路面积雪堆积和结冰的形成。1948、最早的道路HISM系统被安装在Klamath瀑布，俄勒冈州，美国。由公路部，基于当地地热能利用。经过50年的使用，该系统由于由于铁管的外部腐蚀而发生泄漏 而失败[ 36 ]。它是在1998秋季修复。混凝土顶层桥面是由高压喷水清楚，路面道路也完全拆除，一个新的碎石基地补充.3 / 4Prime;交联聚乙烯管（PEX）然后用于网格部分，放置在双重叠模式导致中心线间距从14到16Prime;。PEX管附加钢筋在混凝土路面，在7Prime;管提供约3Prime;盖路面部分。头管，沿边缘放置巷道由1.25–2.5Prime;绝缘黑铁管，这转向连接井下换热器。头管有黄铜歧管放置在约40 #39;间隔混凝土盒，让四供应和回流PEX管被安装[ 37 ]。报告显示，一些HISM项目在1994至1999在美国四个州设计建造，如内布拉斯加州，俄勒冈，德克萨斯，和维吉尼亚[ 32 ]。

在过去的几十年里，许多关于类似冰雪融化系统研究已经进行及一系列成功项目已在世界各地呈现，如戈莱纽夫机场（波兰）[ 36 ]、在快车路（瑞士）A8的serso系统[ 38 ]、加勒穆恩的停机坪（挪威）[ 39 ]，和公路匝

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