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沥青路面太阳能集热系统是近年来兴起的一种新型能源利用技术,为太阳能的开发利用提供了一个全新的有效途径,对于解决沥青路面的夏季高温变形和冬季融雪化冰难题具有重要意义。本文结合传热学和流体动力学的基本原理,对沥青路面太阳能集热系统功能层集热与融雪性能的关键参数进行了协同研究,并分析了不同气候分区下功能层集热和融雪性能的沿程(沿换热介质流动方向)变化规律,研究成果为沥青路面功能层的结构设计提供了指导依据,并为该系统的进一步工程化应用奠定了基础。主要研究工作如下:(1)三维非稳态沥青路面集热和融雪传热模型的建立与验证基于Ansys Workbench有限元分析平台,结合换热介质的非定常流动(流体的温度、密度、压力等任一物理量随时间的变化而改变的流动),建立了三维非稳态“流体-路面-环境”沥青路面集热模型,以及“流体-路面-雪层-环境”沥青路面融雪化冰模型。通过室内集热实验和室外融雪实验,开展了模型验证工作,结果表明:建立的两个模型具有较高的精确度,为本文下一步研究奠定了良好的基础。(2)功能层集热与融雪双过程关键参数协同研究利用所建立的三维非稳态模型,系统研究了包括管径、埋管深度、管间距等换热管道设计参数,换热管道和沥青混凝土材料的热导率、比热等热学参数,换热介质温度、流速等状态参数在内的一系列关键参数对功能层集热和融雪性能的影响规律,并采用灵敏度分析的方法研究了各参数对功能层性能的影响程度。结果表明:在集热与融雪过程中,功能层中热量的传递方向相反但传递过程类似,因此影响集热与融雪性能的内部因素是一致的。总的来说,采用大管径、浅埋管深度、窄管间距,能够提高功能层的集热与融雪效率,其中管径和管间距是最主要的影响参数。另外,提高沥青混凝土的导热能力,是一种改善功能层集热与融雪性能的有效方法。同时,换热介质温度的高低对两个过程效果的影响也十分显著。而换热介质流速对于对两个过程效果的影响则十分微弱。(3)功能层集热与融雪性能沿程变化规律研究以上述研究结果为基础,建立了4m×4m的大尺寸模型,研究了冬夏不同气候区,功能层集热与融雪性能的沿程变化规律。结果表明:在集热方面,虽然功能层的集热效率?、单位管长温度升lT均沿程下降,但在不同的气候条件下,功能层整体均能取得良好的降温和集热效果。换热介质出水温度的增加幅度取决于环境温度和换热管道的长度,本研究范围内出水温度能够升高10℃以上,这表明出水的热品质是可期待的,有益于能量的跨季节储存。在融雪方面,融雪效果主要取决于换热介质温度和环境温度。对于某一结构确定的功能层,加热热流hQ沿程下降,但hQ主要取决于换热介质温度,基本不受环境温度的影响,且加热热流沿程降幅百分比主要取决于功能层的结构参数,基本不受换热介质温度的影响,这意味着只要确定了功能层的结构,依据入水温度,就能得出单位管长温度降lT的变化趋势。