CN1884694A - 一种导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用。本系统包括：铺设在路基(14)上的太阳能集热装置(1)，其结构为自上而下依次是乳化沥青混凝土封层(10)、内有换热管组(12)的导热型沥青混凝土层(11)、隔热材料层(13)；通过管道，将换热管组的出水口、地下热交换器(2)、土壤源热汞装置(3)、用户热交换器(4)、循环泵(7)、换热管组的进水口连接，构成本系统的热循环闭合回路。本系统利用集热装置接收太阳能，通过热循环闭合回路将热量储存在地下含水土层中，需要时可向建筑物供暖供冷。本发明用以防止沥青道路在夏季发生高温永久变形、冬季的融雪化冰，同时提供建筑供暖供冷，是一种清洁环保的新型节能方式。

Description

一种导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用
技术领域
本发明涉及太阳能应用领域，特别是一种导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用。
背景技术
近年来，国内外能源日趋紧张，同时使用矿物燃料造成的温室效应和环境污染问题，使得开发利用可再生能源势在必行，而太阳能是最重要的基本能源。目前，已利用太阳能开发出了太阳能热水器、太阳能灶具和太阳能电池等产品。随着太阳能利用技术的发展，必将开发出更多更新的利用太阳能的产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用，本系统能够大规模收集和交换太阳能热量，该热量可用于建筑物供暖供冷，同时可防止沥青道路的高温变形及低温开裂。
本发明的原理是：夏季高温时，从地下含水土层中的冷水源中抽出冷量，用于冷却建筑物，然后流经路面，将路面吸收的热量带走，储存在地下含水土层。冬季时，系统将储存的热量抽出来，用于房屋供暖，然后流经路面，防止路面结冰、低温开裂。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供的导热型沥青路面太阳能集热系统，其包括：铺设在路基上的太阳能集热装置，其结构为自上而下依次是乳化沥青混凝土封层、内有换热管组的导热型沥青混凝土层、隔热材料层；通过管道，将换热管组的出水口、地下热交换器、土壤源热汞装置、用户热交换器、循环泵、换热管组的进水口连接，构成本系统的热循环闭合回路。
本发明提供了一种全新的太阳能利用模式，其涉及到高速公路的可持续发展、新型绿色能源的开发利用问题。因此，具有以下主要的优点：
1.改善行车安全：冬季可防止路面结冰，减少温缩裂缝的形成，夏季可给路面降温，防止永久变形的产生；
2.绿色环保：给建筑物供暖，减少传统燃料的使用，从而减少CO2的排放；同时不需要使用化雪盐，杜绝化雪盐对环境的负面影响；
3.利用地下含水土层蓄热，实现了太阳能的跨季节储存。
4.我国太阳能资源丰富，分布广阔，具备可持续性发展和利用的优势。
黑色沥青路面面积大，吸收能力强，其吸收系数可达0.9，在夏季高温时路面温度可高达70℃。沥青路面上太阳能利用率与沥青混合料的热学性能密切相关，一般沥青混凝土的导热系数为1.5～2.0W/m·K，其太阳能利用效率为15％～20％。增大路面材料的导热系数，能够降低路表辐射热损失、加快热量的传递，从而利于提高太阳能的利用率。本发明通过掺加导热性填料制备出导热性能、路用性能兼备的导热型沥青路面集热装置。如果运用本装置，将沥青路面充分利用起来的话，可大大缓解我国能源紧张并减少CO2的排放。
本发明采用热常数分析仪测量了导热型沥青混凝土的导热系数、导温系数，并结合实体试验，计算了太阳的利用效率。结果表明：导热型沥青混凝土的导热系数、导温系数随着导热性填料掺量的增加而增加；太阳能的利用效率随着沥青混凝土导热系数的增加而增大；按导热性填料不同掺量，采用马歇尔击实仪成型试件，试件两面各击实50次，试件直径为101.6±0.25mm，试件高度在63.5±1.5mm，作冻融劈裂试验，表明9％石墨掺量中分别掺入1％碳纤维和2％乙炔炭黑，常规劈裂强度可达到0.94MPa和0.90MPa，与普通沥青混凝土劈裂强度0.92MPa相当。
根据导热性填料的不同掺量，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-1993的轮碾法制作车辙板状试件，试件长300mm×宽300mm×高50mm，作动稳定度试验。结果表明：动稳定度随着沥青用量的增加而减少，但车辙深度不大于2mm，表明高温时沥青混凝土中的嵌挤骨架对抗车辙能力起着重要的作用，而沥青、石墨的影响是极为有限的；轮迹未出现泛油现象，表明石墨对沥青有较强的稳定作用。
附图说明
图1是本发明提供的集热系统的结构示意图。
图2是本发明提供的集热系统在向建筑物供暖供冷的原理示意图；
图3是图1中导热沥青混凝土路面集热装置1的结构剖面图。
图4是图3的俯视图。
具体实施方式
本发明是一种导热型沥青路面太阳能集热系统，其结构如图1、图3所示，其包括：铺设在路基14上的太阳能集热装置1，其结构为自上而下依次是乳化沥青混凝土封层10、内有换热管组12的导热型沥青混凝土层11、隔热材料层13。通过管道，将换热管组的出水口、地下热交换器2、土壤源热汞装置3、用户热交换器4、循环泵7、换热管组的进水口连接，构成本系统的热循环闭合回路。
上述换热管组12可由若干个U型管道组成，它们间隔铺设在导热型沥青混凝土层11内部，其进水端连通进水管8，出水端连通出水管9。
上述太阳能集热装置1，其结构各层的厚度为：乳化沥青混凝土封层10为10～15mm，导热型沥青混凝土层11为40～80mm，隔热材料层13为5～15mm。
上述导热型沥青混凝土层11可由粗集料、细集料、沥青、导热性填料及矿粉复合而成，其导热系数为3.00～6.20W/m·K，导温系数为1.15～2.38×10-6m2/s。其各组分的重量比为：粗集料50～55％，粒径＞4.75mm；细集料25～30％，粒径＜4.75mm；沥青5.0～9.0％；导热性填料8～15％；矿粉2～5％。导热性填料可选用碳黑、石墨粉以及碳纤维中的一种或三者不同掺量的混合物。导热性填料的添加能够极大的提高沥青混凝土的导热性能。导热型沥青混凝土可采用“三步法”拌和后碾压成型。
乳化沥青混凝土封层10由集料、乳化沥青、填料、水和外加剂组成，各组分的重量比为：90～110∶8～14∶.0.7～1.5∶6～10∶0.1～0.5。填料为矿粉或水泥，上述集料的粒径为2.36～9.5mm，可采用玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩、石英岩等路用性能良好的集料。乳化沥青为改性乳化沥青、普通乳化沥青。外加剂包括破乳剂、分散剂、固化剂等。
乳化沥青混凝土封层具有以下特点：吸收太阳能并传递至导热型沥青混凝土层11；减小路面热损；作为路面磨耗层使用，提高导热型沥青混凝土层11的耐久性。
本发明提供的导热型沥青路面太阳能集热系统，其通过以下步骤实现太阳能蓄热，并且能够用于路面的养护和向建筑物的供暖供冷。
(1)如图1、图2和图3所示：建立由铺设在路基14上的太阳能集热装置1、地下热交换器2、土壤源热汞装置3、用户热交换器4、循环泵7构成的热循环闭合回路。地下热交换器埋设于地下含水土层中，以地下含水土层作为系统的蓄热系统。土壤源热汞装置3的一侧进出口与沥青道路旁建筑物内的供暖管相连。路基14的厚度可设计为300～600mm。
如图2、图4所示：道路两旁设置进水管8、出水管9，进水管8分设细水管，最后细水管汇总进入粗水管9。细水管绕圈数(呈蛇形)、组数根据需要设定。
(2)如图2所示：利用太阳能集热装置1接收太阳能，通过循环泵7传输至地下热交换器2，将能量储存于地下含水土层中。
(3)如图2所示：冬季供暖时，通过土壤源热汞装置3从地下含水土层中取出热量，通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器4及与之换热管道5和6连通的供暖管系统，实施供暖，再输送至路面，用于路面融雪化冰。夏季供冷时，通过土壤源热汞装置3从地下含水土层中取出冷量，再通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器4及与之换热管道5和6连通的供暖管系统，实施供冷，再输送至路面吸收热量，防止路面高温变形。
下面介绍几个关于导热型沥青混凝土层11的制备。
实例1与实例2：实例1中普通沥青混凝土的重量比为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉0％，矿粉13.5％，实例2中导热型沥青混凝土的比例为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉11％，矿粉2.5％，其热学性能指标与路用性能指标如表1所示。由表1可知，掺加石墨粉后，沥青混凝土的导热系数由1.52W/m·K提高到3.60W/m·K，导温系数由0.58×10-6m2/s提高到1.38×10-6m2/s；劈裂强度比由0.92MPa降为0.82MPa，动稳定度由6210次/mm降为5260次/mm。
实例3与实例4：实例3中导热型沥青混凝土重量比为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉9％，碳纤维1％，矿粉3.5％；实例4中的比例为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉9％，乙炔碳黑2％，矿粉2.5％。其热学性能指标与路用性能指标如表2所示。由表2可知，掺加9％石墨粉+1％碳纤维后，沥青混凝土的导热系数达到6.20W/m·k，导温系数达到2.38×10-6m2/s；劈裂强度比为0.94MPa，动稳定度5860次/mm。掺加9％石墨粉+2％乙炔碳黑后，沥青混凝土的导热系数达到4.00W/m.K，导温系数达到1.53×10-6m2/s；劈裂强度比为0.90MPa，动稳定度5420次/mm。
实例5与实例6：实例5与实例6均在武汉地区实施，以武汉地区太阳辐射量为计算依据。实例5中，采用普通沥青混凝土集热装置，各层厚度为：沥青混凝土上面层40mm、沥青混凝土中面层60mm、基层400mm；普通沥青混凝土的重量比为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉0％，矿粉13.5％。
实例6中，采用导热型沥青混凝土集热装置，各层厚度为：乳化沥青混凝土封层10mm、导热型沥青混凝土层60mm、隔热材料层10mm、基层400mm；乳化沥青混凝土封层的配比为(重量比)：集料(粒径2.36～9.5mm)100、SBS改性乳化沥青10、矿粉1.0、水8及外加剂0.3；导热型沥青混凝土的比例为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉9％，碳纤维1％，矿粉3.5％。
实例5与实例6的热利用效率如表3所示。由表3可知，用普通沥青混凝土作为集热器，每年每平方米的路面可提供80～160KWh的能量，太阳能的利用效率为15～20％，其中20％～30％的能量用于路面融雪化冰，其余70％～80％还可作其他用途，如实例5所示。使用导热型沥青混凝土作为太阳能集热器，每年每平方米的路面可提供140～200KWh的能量，太阳能的利用效率提高至20％～30％，其中10％～20％的能量用于路面融雪化冰，其余80％～90％还可作其他用途。
            表1掺加石墨粉沥青混凝土相关性能指标表
  性能参数   实例3   实例4
  导热系数(W/m·K)   1.52   3.60
  导温系数(m2/s)   0.58×10-6   1.38×10-6
  劈裂强度比(％)   0.92   0.82
  动稳定度(次/mm)   6210   5260
        表2掺加碳纤维和乙炔碳黑沥青混凝土相关性能指标表
  性能参数   实例3   实例4
  导热系数(W/m·K)   6.20   4.00
  导温系数(m2/s)   2.38×10-6   1.53×10-6
  劈裂强度比(％)   0.94   0.90
  动稳定度(次/mm)   5860   5420
            表3导热沥青混凝土热利用效率
  性能参数   实例5   实例6
  太阳能利用效率(％)   15～20   24～30
  可利用热量(KWh/m2·a)   80～160   140～220
  用于路面热量(％)   20～30   10～20
  用于建筑供暖(％)   70～80   80～90

Claims (9)

1.一种太阳能集热系统，其特征是一种导热型沥青路面太阳能集热系统，其包括：铺设在路基(14)上的太阳能集热装置(1)，其结构为自上而下依次是乳化沥青混凝土封层(10)、内有换热管组(12)的导热型沥青混凝土层(11)、隔热材料层(13)；通过管道，将换热管组的出水口、地下热交换器(2)、土壤源热汞装置(3)、用户热交换器(4)、循环泵(7)、换热管组的进水口连接，构成本系统的热循环闭合回路。
2.根据权利要求1所述的太阳能集热系统，其特征是：换热管组(12)由若干个U型细水管组成，它们间隔铺设在导热型沥青混凝土层(11)内部，其进水端连通进水管(8)，出水端连通出水管(9)。
3.根据权利要求1所述的太阳能集热系统，其特征是：乳化沥青混凝土封层(10)的厚度为10～15mm，导热型沥青混凝土层(11)的厚度为40～80mm，隔热材料层(13)的厚度为5～15mm。
4.根据权利要求1或3所述的太阳能集热系统，其特征是：导热型沥青混凝土层(11)由粗集料、细集料、沥青、导热性填料及矿粉复合而成，其导热系数为3.00～6.20W/m·K，导温系数为1.15～2.38×10-6m2/s；其各组分的重量比为：粗集料50～55％，粒径＞4.75mm；细集料25～30％，粒径＜4.75mm；沥青5.0～9.0％；导热性填料8～15％；矿粉2～5％。
5.根据权利要求4所述的太阳能集热系统，其特征是：导热性填料是碳黑、石墨粉以及碳纤维中的一种或三者不同掺量的混合物。
6.根据权利要求1所述的太阳能集热系统，其特征是：乳化沥青混凝土封层(10)由粒径为2.36～9.5mm的集料、乳化沥青、粒径为小于0.075mm填料、水和外加剂组成，各组分的重量比为：90～110∶8～14∶0.7～1.5∶6～10∶0.1～0.5。
7.根据权利要求6所述的太阳能集热系统，其特征是：集料采用路用性能良好的玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩、石英岩；乳化沥青为改性乳化沥青、普通乳化沥青；填料为矿粉或水泥；外加剂包括破乳剂、分散剂以及固化剂。
8.导热型沥青路面太阳能集热系统的用途，其用于路面的养护和向建筑物的供暖供冷。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征是：通过以下步骤实现太阳能蓄热，实现路面的养护和向建筑物的供暖供冷：
A.建立由铺设在路基(14)上的太阳能集热装置(1)、地下热交换器(2)、土壤源热汞装置(3)、用户热交换器(4)、循环泵(7)构成的热循环闭合回路，地下热交换器埋设于地下含水土层中，以地下含水土层作为系统的蓄热系统，
道路两旁设置进水管(8)、出水管(9)，进水管(8)分设若干个呈蛇行的U型细水管，最后细水管汇总进入粗水管(9)；
B.利用太阳能集热装置(1)接收太阳能，通过循环泵(7)传输至地下热交换器(2)，将能量储存于地下含水土层中；
C.冬季供暖时，通过土壤源热汞装置(3)从地下含水土层中取出热量，通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器(4)及与之换热管道(5)和(6)连通的供暖管系统，实施供暖，再输送至路面，用于路面融雪化冰。夏季供冷时，通过土壤源热汞装置(3)从地下含水土层中取出冷量，再通过管道输送至近旁的建筑物内的用户热交换器(4)及与之换热管道(5)和(6)连通的供暖管系统，实施供冷，再输送至路面吸收热量，防止路面高温变形。
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