一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统及其应用.pdf

本发明是一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统，包括：铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置(1)，其由第一密级配沥青混凝土面层(9)、以预制的密实分隔板(13)分段的多孔导热沥青混凝土面层(10)、乳化沥青混凝土封层(14)和第二密级配沥青混凝土面层(11)组成；设有硅橡胶防水渗透层(12)，分布在所述两个密级配沥青混凝土面层的表面和渗透入该面层的内部中；通过管道和风机(6)将沥青混凝土路面换热装置(1)、储热器(2)、辅助热源(3)、用户热交换器(4)连接起来，构成本系统的热循环闭合回路。本发明具有节能减排、运行成本和维护费用低等优点，可用于收集太阳能、路面的养护及向建筑物供暖制冷。

1.  一种路面换热系统，其特征是一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统，其包括：铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置(1)，该装置由自上而下依次排列的第一密级配沥青混凝土面层(9)、以预制的密实分隔板(13)分段的多孔导热沥青混凝土面层(10)、乳化沥青混凝土封层(14)和第二密级配沥青混凝土面层(11)组成；设有硅橡胶防水渗透层(12)，分布在所述两个密级配沥青混凝土面层的表面和渗透入该面层的内部中；通过管道和风机(6)，将沥青混凝土路面换热装置(1)、储热器(2)、辅助热源(3)、用户热交换器(4)连接起来，构成本系统的热循环闭合回路，并且采用空气作为换热介质。

2.  根据权利要求1所述的路面换热系统，其特征是：第一密级配沥青混凝土面层(9)的厚度为40～50mm，空隙率范围为3％～5％，其中连通空隙率至多为0.5％；第二密级配沥青混凝土面层(11)的厚度为120～150mm，空隙率范围为3％～6％，其中连通空隙率至多为0.5％；乳化沥青混凝土封层(14)的厚度为10～15mm，其中连通空隙率至多为0.5％。

3.  根据权利要求1或2所述的路面换热系统，其特征是所述的多孔导热沥青混凝土面层(10)，由粗集料、细集料、沥青、导热性填料、矿粉、纤维及高粘度改性剂复合而成，它们的重量比分别为：粗集料45～69％，粒径大于4.75mm；细集料12～20％，粒径至多为4.75mm；沥青5.0～9.0％；导热性填料8～15％；矿粉2～5％；纤维0.3～0.5％；高粘度改性剂为多孔沥青混凝土专用热塑性橡胶TPS，其替代沥青重量的12～18％，
所述多孔导热沥青混凝土面层，其工艺参数为：厚度为50～60mm，有效导热系数为2.50～5.20W/m·K，渗透率0.05～1.8d，空隙率范围为20％～28％，连通孔隙率不小于18％。

4.  根据权利要求1或2所述的路面换热系统，其特征是：密实分隔板(13)由沥青混凝土、水泥混凝七、塑料或橡胶板制成，其厚度为50～60mm，连通空隙率至多为0.5％；硅橡胶防水渗透层(12)采用渗透型防水剂，主要成分为硅橡胶树脂溶液。

5.  根据权利要求1所述的路面换热系统，其特征是：多孔导热沥青混凝土面层(10)的边缘设有透壁式通风管(17)，该透壁式通风管的多孔端植入多孔导热沥青混凝土面层(10)内的深度为30～40mm；多孔导热沥青混凝土面层(10)被密实分隔板(13)分段后采用带有通风管接口(15)的套筒(16)密封；透壁式通风管(17)、密封套筒(16)在多孔导热沥青混凝土面层(10)施工过程中同时布置。

6.  根据权利要求1所述的路面换热系统，其特征是沥青混凝土路面换热装置(1)由集料、沥青、纤维和导热性填料构成，其中：集料为玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩或石英岩；沥青采用重交沥青或改性沥青；导热性填料是碳黑、石墨粉以及碳纤维中的一种，或多种；纤维采用聚脂纤维、木质素纤维或矿物纤维。

7.  根据权利要求1所述的路面换热系统，其特征是：所述路面换热系统利用储热器(2)、地下土壤或地下水储热；储热器(2)为岩石床储热器或水箱储热器。

8.  根据权利要求1所述的路面换热系统，其特征是：辅助热源(3)使用工业余热、地热或电加热。

9.  一种基于权利要求1至8中任一权利要求所述的路面换热系统的用途，其特征是：用于收集太阳能、路面的养护及向建筑物供暖制冷。

10.  根据权利要求9所述的用途，其特征是：通过以下步骤实现太阳能蓄热，以及路面的养护、向建筑物的供暖和制冷，
A.铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置(1)、储热器(2)、辅助热源(3)、用户热交换器(4)、风机(6)构成本系统的热循环闭合回路；道路两旁设置通风管道(5)与道路沥青混凝土层中的多孔导热沥青混凝土层(10)封闭连接，将热量带出或输送至路面；
B.利用沥青混凝土路面换热装置(1)接收太阳能，通过风机(6)鼓入的冷空气进行强制换热并将热量输送至储热器(2)，将热量储存起来，路面温度也因此降低，从而防止路面高温变形；夏季时，改变三通阀(7)的状态将从路面收集的热量传输至用户热交换器(4)，再利用吸收式制冷空调为建筑物制冷；
C.寒冷季节时，运行风机(6)从储热器(2)中取出热量，并且改变三通阀(7)的状态，使热量输送至附近的建筑物(8)的用户热交换器(4)为建筑物供暖，或者输送至路面用于路面融雪化冰及防止路面低温缩裂。

一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统及其应用
技术领域
本发明涉及利用道路换热，特别是一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统及其应用。
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，而太阳能热利用是目前主要的技术途径之一。集热是太阳能热利用技术中的重要部分，集热材料是太阳能集热系统的关键，集热材料对太阳光的吸收性能决定了整个集热系统的优劣。沥青混凝土利用本身对太阳光谱吸收率高的优势，再加上沥青路面犹如巨大的太阳能吸收面板，如果能将路面收集的热量有效地利用起来将大大缓解我国能源紧张并减少CO₂等废气的排放。
同时，路面的路用性能和安全问题一直被人们所关注。沥青混凝土路面对于行车具有油耗低、噪音小、抗滑性好、车辆磨损小等优点，目前已在机场跑道、桥面铺装、高速公路、城市道面等主要道路中得到广泛应用。在世界各国已建公路中，沥青路面已占80％以上；我国高速公路中90％以上为沥青路面。但沥青是一种典型的粘弹性材料，低温易变脆，高温易发粘流淌。因此，夏季高温时，沥青路面温度可达70℃，在车辆载荷作用下极易出现车辙、波浪推移、粘轮等现象；冬季低温时，尤其在我国北方，路面温度达-30℃，沥青路面又会出现温缩裂缝，严重影响了路面质量、耐久性与使用寿命；另一方面，低温导致的积雪冰冻天气对道路交通安全产生极大的挑战，封闭限制道路的通行必将影响到交通对经济建设的贡献。因此，路面的高低温病害和环保的融雪化冰是沥青路面应用过程中亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统，该系统能够大规模收集、交换和储存太阳能热量，并将热量用于建筑物供暖或制冷，同时可防止沥青道路的高温变形、低温开裂和有效地融雪化冰。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供的多孔导热沥青混凝土路面换热系统，其包括：铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置，该装置由自上而下依次排列的第一密级配沥青混凝土面层、以预制的密实分隔板分段的多孔导热沥青混凝土面层、乳化沥青混凝土封层和第二密级配沥青混凝土面层组成；设有硅橡胶防水渗透层，分布在所述两个密级配沥青混凝土面层的表面和渗透入该面层的内部中；通过管道和风机，将沥青混凝土路面换热装置、储热器、辅助热源、用户热交换器连接起来，构成本系统的热循环闭合回路，并且采用空气作为换热介质。
本发明提供的多孔导热沥青混凝土路面换热系统，其用于收集太阳能、路面的养护及向建筑物供暖制冷。
本发明的原理是：夏季高温时，利用循环空气通过路面多孔结构，将路面吸收的热量带走，储存在储热器中或用于空调制冷。冬季时，系统提取储存的热量，用于建筑物供暖后再流经路面，防止路面积雪结冰、低温开裂。
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℃，而沥青路面上太阳能利用率与沥青混合料的热学性能和换热装置密切相关，一般沥青混凝土的导热系数为1.5～2.0W/m·K，多孔沥青混凝土的更低，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。换热装置的换热效率高低直接影响了太阳能的收集，国内有专利提出利用U型管道进行换热的方法，多孔导热沥青混凝土换热装置相对于内埋U型管道换热装置其换热面积大、空隙的错综复杂加强了湍流换热，所以具有换热效率高的特点；同时该装置利用沥青混凝土本体换热避免了管道与路面耐久性匹配性问题。本发明通过掺加导热性填料制备出导热性能、路用性能兼备的多孔导热型沥青路面换热装置，如果运用该装置，将沥青路面充分利用起来，可大大缓解我国能源紧张的状况并减少CO2的排放。
本发明在保证设计空隙率的基础上优先考虑多孔导热沥青混凝土的路用性能，按纤维及高粘度改性剂的不同掺量，采用飞散试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、组合式车辙试验、低温弯曲试验评价多孔结构是否合格。再按导热性填料不同掺量改变沥青用量，校验其是否满足性能要求。
本发明根据导热性填料的不同掺量，将《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的方法加以改进制作组合式车辙板，试件长300mm×宽300mm×高150mm，进行动稳定度试验。结果表明：整体车辙深度小于5mm，其中多孔层对车辙深度贡献最大但不超过3mm，表明高温时多孔沥青混凝土中的骨架嵌挤结构对抗车辙能力起着一定的作用，而沥青、导热性填料的影响是极为有限的。
本发明采用瞬态平面热源法测量了多孔导热型沥青混凝土的有效导热系数，并结合风洞模拟试验，计算了多孔导热沥青混凝土的换热效率。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；换热效率随着沥青混凝土导热系数的增加而增大。
综上所述，本发明与现有技术相比主要有以下的优点：
1.改善行车安全：寒冷天气可防止路面积雪结冰，避免了冰雪造成的交通安全隐患；
2.增加路面的稳定性和耐久性：本系统能够避免沥青路面在最冷最热时的温度场剧烈变化，大大减少了低温裂缝和高温变形的产生，从而延长路面的使用寿命，间接地降低了道路养护成本；
3.绿色环保：给建筑物供暖制冷，减少传统燃料的使用，从而减少CO₂的排放；同时融雪化冰不需要使用化雪盐，杜绝化雪盐对环境的负面影响；
4.利用岩石床储热器、地下土壤或水蓄热，实现了太阳能的跨季节储存；
5.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；
6.本系统在应用过程中，运行成本和维护费用低，且实现了环境零污染。
附图说明
图1是本发明提供的换热系统的结构示意图。
图2是图1中换热系统的路面结构示意图。
图3是图1中路面换热装置1的多孔导热沥青混凝土面层结构模拟图。
图中：1.沥青混凝土路面换热装置；2.储热器；3.辅助热源；4.用户热交换器；5.通风管道；6.风机；7.三通阀；8.建筑物；9.第一密级配沥青混凝土面层；10.多孔导热沥青混凝土面层；11.第二密级配沥青混凝土面层；12.硅橡胶防水渗透层；13.密实分隔板；14.乳化沥青混凝土封层；15.通风管接口；16.密封套筒；17.透壁式通风管。
具体实施方式
本发明是一种多孔导热沥青混凝土路面换热系统，其结构如图1、图2所示，包括：铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置1，其结构为自上而下依次是第一密级配沥青混凝土面层9、以预制的密实分隔板13分段的多孔导热沥青混凝土面层10、乳化沥青混凝土封层14和第二密级配沥青混凝土面层11。通过通风管道5、风机6和三通阀7，将沥青混凝土路面换热装置1、储热器2、辅助热源3和用户热交换器4连接起来，构成本系统的热循环闭合回路，并且采用空气作为换热介质。
上述多孔导热沥青混凝土面层10由粗集料、细集料、沥青、导热性填料、矿粉、纤维及高粘度改性剂复合而成，它们的重量百分比分别为：粗集料45～69％，粒径大于4.75mm；细集料12～20％，粒径至多为4.75mm；沥青5.0～9.0％；导热性填料8～15％；矿粉2～5％；纤维0.3～0.5％；高粘度改性剂替代沥青重量的12～18％。导热性填料是碳黑、石墨粉以及碳纤维中的一种，或多种混合物。纤维采用聚脂纤维、木质素纤维或矿物纤维。高粘度改性剂为多孔沥青混凝土专用热塑性橡胶TPS(TafPack-Super)。在多孔导热沥青混凝土面层10的边缘布置了长40～45mm、直径25～30mm的透壁式通风管17，将透壁式通风管17的长25～35mm多孔端植入多孔导热沥青混凝土面层10内的深度为30～40mm。多孔导热沥青混凝土面层10被密实分隔板13分段后采用带有通风管接口15的密封套筒16密封。透壁式通风管17、密封套筒16在多孔导热沥青混凝土面层10施工过程中同时布置。具体布置方式见图3。
所述多孔导热沥青混凝土面层10，其厚度为50～60mm，有效导热系数为2.50～5.20W/m·K，渗透率0.05～1.8d，空隙率范围为20％-28％，其中连通空隙率不小于18％。
所述的第一密级配沥青混凝土面层9，其厚度为40～50mm，空隙率范围为3％～5％，其中连通空隙率至多为0.5％。多孔导热沥青混凝土面层10中被预制的沥青混凝土、水泥混凝土、塑料或橡胶板等密实分隔板13分段，该密实分隔板厚度与多孔导热沥青混凝土面层10的厚度等同。
所述的第二密级配沥青混凝土面层11，其厚度为120～150mm，空隙率范围3％～6％，其中连通空隙率至多为0.5％。
所述的乳化沥青混凝土封层14，由集料、乳化沥青、填料、水和外加剂组成，厚度为10～15mm，其中连通空隙率至多为0.5％。填料为矿粉或水泥。乳化沥青为由市场上购买的改性乳化沥青，或普通重交乳化沥青。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：防止热量向第二密级配沥青混凝土面层11扩散，减小路面热损；在第一密级配沥青混凝土面层9不可避免的情况下发生开裂，保护第二密级配沥青混凝土层11不受水的侵害，维持路面结构的耐久性。
沥青混凝土路面换热装置1由集料、沥青、纤维和导热性填料构成，其中：集料为玄武岩、白云岩、花岗岩、石灰岩或石英岩；沥青采用重交沥青或改性沥青；导热性填料是碳黑、石墨粉以及碳纤维中的一种，或多种；纤维采用聚脂纤维、木质素纤维或矿物纤维。
在第一密级配沥青混凝土面层9和第二密级配沥青混凝土面层11施工完后，喷洒一层渗透型硅橡胶防水剂，形成硅橡胶防水渗透层12，以防止空气的渗透和后期水的侵害。
本发明提供的多孔导热型沥青路面换热系统，用于收集太阳能、路面的养护及向建筑物供暖制冷。并且通过以下步骤实现太阳能蓄热、路面的养护和向建筑物的供暖和制冷。
A.如图1、图2和图3所示：建立由铺设在路基上的沥青混凝土路面换热装置1、储热器2、辅助热源3、用户热交换器4、风机6构成本系统的热循环闭合回路。道路两旁设置通风管道5与道路沥青混凝土层中的多孔导热沥青混凝土层10封闭连接，将热量带出或输入路面。
B.如图1所示：利用沥青混凝土路面换热装置1收集太阳能，通过风机6鼓入的冷空气进行强制换热并将热量输送至储热器2，将热量储存起来。路面温度也因此降低，可防止路面高温变形。夏季时，改变三通阀7的状态将路面收集的热量传输至用户热交换器4，再利用吸收式制冷空调为建筑物制冷。
C.如图1所示：寒冷季节时由风机6从储热器2中取出热量，通过改变三通阀7的状态，使热量输送至附近的建筑物8的用户热交换器4为建筑物供暖，再输送至路面用于路面融雪化冰及防止路面低温缩裂。
下面介绍几个关于多孔导热沥青混凝土面层10的制备实例。
实例1、实例2与实例3：
实例1中普通沥青混凝土的组成的重量百分比为：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组成重量百分比为：粗集料54％，细集料26％，沥青6.5％，石墨粉11％，矿粉2.5％。
实例3中多孔导热沥青混凝土的组成重量百分比为：粗集料62％，细集料19％，沥青4.5％，石墨粉11％，矿粉2.5％，TPS改性剂1.5％，聚酯纤维0.3％。其相关性能指标如表1所示。由表1可知，掺加石墨粉后，多孔沥青混凝土的导热系数由1.52W/m·K提高到2.69W/m·K；其他性能满足设计规范要求。
按实例1的配比生成上面层和下面层，实例3的配比生成中面层进行组合式车辙，试验得其动稳定度为4152次/mm，整体车辙深度为4.73mm。将车辙板从试验部位切割开后发现，多孔中面层对车辙深度贡献最大达2.81mm，但仍满足设计要求。
实例4与实例5：
实例4中多孔导热沥青混凝土的组成重量百分比为：粗集料62％，细集料19％，沥青4.5％，石墨粉9％，矿粉3.5％，TPS改性剂1.5％，碳纤维1％，聚酯纤维0.3％。
实例5中多孔导热沥青混凝土的组成重量百分比为：粗集料62％，细集料19％，沥青4.5％，石墨粉9％，乙炔碳黑2％，矿粉2.5％，TPS改性剂1.5％，聚酯纤维0.3％。
实例4与实例5所制备的多孔导热沥青混凝土，其性能指标见表2。由表2可知，实例4中，掺加9％石墨粉+1％碳纤维后，多孔沥青混凝土的导热系数达到4.96W/m·k，劈裂强度比为85.9％，动稳定度4629次/mm。实例5中，掺加9％石墨粉+2％乙炔碳黑后，沥青混凝土的导热系数达到3.32W/m·K，劈裂强度比为83.2％，动稳定度4123次/mm。它们的空隙率仍然保持在23％以上，有利于对流换热。
实例6与实例7：
实例6和实例7均模拟了换热过程。
实例6中，采用普通导热沥青混凝土换热装置，内部设置双U型管道，表面模拟太阳能设置了恒定热源，在管道里通以介质水。
实例7中采用多孔导热沥青混凝土换热装置，上中下三层，厚度都为50mm，中面层与风洞试验仪封闭连接在一起，与实例6相同在上面层上设置恒定热源。
实例6与实例7的热交换效率如表3所示：用普通导热沥青混凝土作为换热器，实例6的换热装置的换热效率达20％～30％，而实例7的换热装置的换热效率可达到25％～36％。换算为太阳能，实例6每年每平方米的路面可提供140～200KWh的能量，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；实例7每年每平方米的路面可提供170～250KWh的能量，其中15％～24％的能量用于路面融雪化冰，其余76％～85％还可作其他用途。
附表
表1  沥青混凝土相关性能指标表