太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

趙應(yīng)昱

【摘 要】論文概述了太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的分類、工作原理及特點，重點綜述了太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了該技術(shù)當前主要存在的問題，并針對這些問題，提出了可能的解決思路，探討了該技術(shù)未來的發(fā)展前景。

【Abstract】In this paper， the classification， working principle and characteristics of solar energy trans-seasonal thermal storage heating technology are summarized， and the research status of solar energy trans-seasonal thermal storage heating technology is emphatically summarized， and the main problems existing in this technology are analyzed. In view of these problems， the possible solutions are put forward， and the future development prospect of the technology is discussed.

【關(guān)鍵詞】太陽能；跨季節(jié)蓄熱；供暖技術(shù)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展展望

【Keywords】solar energy； trans-seasonal thermal storage； heating technology； research status； development prospect

【中圖分類號】TK512 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）05-0135-03

1 引言

近年來，我國東北、華北等地區(qū)深受霧霾困擾，嚴重威脅到國民的身體健康和生活水平。相關(guān)研究表明，燃煤采暖是造成大氣污染的重要原因之一，急需大力推廣清潔供暖技術(shù)。現(xiàn)采用“以氣代煤”和“以電代煤”等清潔能源可快速實現(xiàn)燃煤替代，但能耗和運行成本較高，“以氣代煤”還存在氣源可靠性問題，故需因地制宜，多種供暖方式并舉[1]，進一步發(fā)展低能耗、低成本、高可靠性、可替代傳統(tǒng)燃煤的清潔能源供暖技術(shù)，其中，太陽能供暖是極具前景并被廣泛研究和應(yīng)用的技術(shù)之一。國家能源局《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求因地制宜推廣太陽能供暖，積極推進太陽能與常規(guī)能源融合，采取集中式與分布式結(jié)合的方式進行建筑供暖，推進工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域太陽能供暖。然而，對于我國北方地區(qū)，太陽能供暖存在供給和需求之間的時空分布矛盾問題[2]。太陽輻射度存在季節(jié)性不均，即夏季過剩，冬季不足的問題，因冬季輻射弱，用太陽能直接供暖保證率很低。為了克服這一矛盾，具有“夏蓄冬用”特點的太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)引起人們廣泛關(guān)注，該系統(tǒng)可將春、夏、秋三個季節(jié)的太陽能熱量儲存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，實現(xiàn)低能耗無煤化清潔供暖。當前，太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)在我國還處于發(fā)展階段。[3]故此，本文擬從介紹太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的分類、工作原理及特點出發(fā)，回顧太陽能跨季節(jié)突然蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，進一步分析該技術(shù)當前主要存在的問題，并提出可能的解決思路，探討發(fā)展前景，以供相關(guān)行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員或決策者參考。

2 太陽能跨季節(jié)蓄熱分類、原理及特點

廣泛查閱文獻可知，現(xiàn)有的儲熱方式總體上可以分為顯熱蓄熱、相變蓄熱和化學蓄熱。其中，適用于太陽能蓄熱的蓄熱方式主要有以下5種：水箱蓄熱、地下水池蓄熱、土壤蓄熱、卵石-水蓄熱及相變蓄熱。如表1所示，依據(jù)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范（GB50495-2009）》，對于太陽能跨季節(jié)蓄熱，地下水池和土壤蓄熱最具可行性和推廣價值。[4]故此，本文只對這兩種跨季節(jié)蓄熱方式做詳細介紹。

2.1 太陽能跨季節(jié)水池蓄熱

圖1給出了“太陽能跨季節(jié)水池蓄熱供暖系統(tǒng)”的基本原理圖，該系統(tǒng)由太陽能集熱子系統(tǒng)、跨季節(jié)水池蓄熱子系統(tǒng)和供暖子系統(tǒng)等3部分組成。該系統(tǒng)在夏、春、秋等非供暖季節(jié)，通過循環(huán)水回路把蓄水池表層的水泵送至太陽能集熱器加熱后，以顯熱的方式存儲至蓄熱池底層；在供暖季節(jié)，則通過另外一套水循環(huán)，將蓄水池底部的溫度較高的熱水送至建筑末端實現(xiàn)跨季節(jié)供暖。在技術(shù)方面，水池中水溫有明顯分層現(xiàn)象，進出水口的空間布局對溫度分層有重要影響；水池周圍及頂部的保溫和防漏所需的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料開發(fā)，是水池式蓄熱的核心技術(shù)。在可行性方面，蓄水池修改的初投資較高，同時，還需要占用大面積的土地資源，適合于地廣人稀的地區(qū)用于區(qū)域集中供暖[6]。目前，該水池式蓄熱供暖在歐洲丹麥、德國等國家取得了非常好的應(yīng)用。

2.2 太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱

圖2給出了“太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱供暖系統(tǒng)”的基本原理圖，類似的，該系統(tǒng)由太陽能集熱子系統(tǒng)、跨季節(jié)土壤蓄熱子系統(tǒng)和熱泵供暖子系統(tǒng)3部分組成。土壤蓄熱通常以120m以上的淺層土壤作為蓄熱體，通過打井埋設(shè)地埋管換熱管，在管內(nèi)走循環(huán)水由管壁導(dǎo)熱對土壤進行加熱或冷卻，從而實現(xiàn)蓄熱和取熱。與水池式蓄熱相比，土壤蓄熱溫度相對要低，故此在供熱時需要熱泵提高供水溫度以達到末端供暖需要；土壤蓄熱可以根據(jù)末端熱負荷改變打井的數(shù)目和深度，因而可大可小，既可用于區(qū)域集中供暖，也可用于分布式供暖[7]。此外，由于土壤溫度相對穩(wěn)定約15～20℃，在夏熱冬冷地區(qū)，還可以兼顧夏天室內(nèi)制冷需求。土壤蓄熱具有蓄熱材料便宜、蓄熱潛能大、熱損失較小、無環(huán)境污染等優(yōu)點。當前，在技術(shù)方面，地下土壤溫度的長期準確預(yù)測和熱平衡控制是需要進一步研究的重要內(nèi)容；在工程方面，需大幅度降低打井安裝地埋管系統(tǒng)所需的成本。

3 太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀

以太陽能跨季節(jié)蓄熱為代表的清潔供暖技術(shù)的發(fā)展，與國家或地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)達程度、生活水平、地理條件，以及不同時期人們對環(huán)境保護的重視程等因素相關(guān)。從總體上看，無論選用哪種方式進行蓄熱，優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)和運行模式、減小儲熱系統(tǒng)熱損失、提高蓄熱效率、降低蓄熱供暖成本等方面是研究者們關(guān)注的重點。

3.1 國外研究現(xiàn)狀

在全球范圍來看，北美和北歐發(fā)達國家較早開展了太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖相關(guān)研究，并開展了工程實踐。早在20世紀60年代，美國伊利諾伊大學的Penrod就首次提出了將太陽能集熱器與地埋管換熱器組合的技術(shù)設(shè)想。[9]到20世紀70年代后半期歐洲也開始了對太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)的研究，并用于供暖系統(tǒng)取得了一定的成果。1979年起太陽能跨季節(jié)蓄熱已成為國際共同研究的課題，并在國際能源機構(gòu)（IEA）的大力支持下跨季節(jié)蓄熱的研究取得了較大的進展。近年來，歐美等國家建立了許多太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)的實驗平臺和示范工程，其供暖量占總熱需求量的比例已達到40%以上，最具代表性的國家是北歐的丹麥和北美的加拿大。丹麥是全球最早使用太陽能蓄熱實現(xiàn)區(qū)域供暖的國家，主要采用水池蓄熱，其設(shè)計建造的蓄熱系統(tǒng)生產(chǎn)成本也達到較低的水平，消耗3～4 kWh電能即可產(chǎn)生1 MWh的熱量。[11]經(jīng)過多年的發(fā)展，丹麥地區(qū)多數(shù)供熱系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)高度智能化，系統(tǒng)運行基本實現(xiàn)無人值守，后期維護成本低，維護工作量小。加拿大Drake Landing社區(qū)采用了土壤蓄熱方式，共有44口儲熱井，埋管深度37m，采用防水膜、砂子及黏土組成隔熱層，夏末土壤最高溫度可達80℃，系統(tǒng)總體節(jié)能效果顯著。瑞典的Anneberg建有50個住宅單元的太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)，配備2400m2太陽能集熱器，100口儲熱井，井內(nèi)埋設(shè)雙U型地埋管換熱器，埋管深度65m，該系統(tǒng)運行兩年，達到了預(yù)期效果。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國，太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖主要采用與地源熱泵相結(jié)合的方式，從而在提高供熱效率的同時，可兼顧提高土地資源利用率。在實驗研究方面，北京工業(yè)大學、天津大學、河北工業(yè)大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、吉林大學、東南大學等高校，先后建立了相關(guān)的實驗平臺或示范工程進行研究。北京工業(yè)大學馬重芳課題組針對供暖面積為50m2的實驗室設(shè)計建成了小型太陽能跨季節(jié)蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)，并進行了為期6個月的實驗測試，實驗表明這一太陽能供暖技術(shù)方案具有可行性。天津大學在天津梅江小區(qū)搭建了跨季節(jié)土壤蓄熱實驗系統(tǒng)，為某一建筑的室內(nèi)泳池提供能量，地下蓄熱系統(tǒng)包括8口儲熱井，井間距 5m，井深 100 m，內(nèi)埋雙U型地埋管換熱器，向地下蓄熱的溫度設(shè)計為 50℃，實驗表明在天津地區(qū)實施跨季節(jié)蓄熱供暖具有實際可行性。清華大學在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市啟動了大型跨季節(jié)蓄熱式太陽能—工業(yè)廢熱集中供暖系統(tǒng)示范項目，包含469處80m深的鉆孔，鉆孔中安裝了單U型地埋管換熱器，該系統(tǒng)無需化石燃料作為輔助加熱源，地下蓄熱體體積高達50萬m3，熱存儲效率為90%。

為進一步優(yōu)化設(shè)計和精確預(yù)測多年運行性能，研究者在理論模型和數(shù)值模擬方面也開展了大量工作。華北電力大學孫東亮等人利用相似性原理物理性縮小水箱蓄熱模型，考慮水箱內(nèi)液體流動和溫度分層并通過數(shù)值模擬研究了在花崗巖型和沙子型兩種不同土壤中水箱埋入深度對系統(tǒng)太陽能保證率的影響，得出了在花崗巖型土壤中，太陽能保證率隨埋入深度的增加而增加。在沙子型土壤中埋深對太陽能保證率影響不大。河北工業(yè)大學提出了地埋管換熱器的三維軸向壓縮傳熱模型，該模型將地埋管軸向進行壓縮，而徑向不做任何改變，從而解決了地埋管軸向徑向尺度比過大造成的網(wǎng)格長寬比過高這一問題，降低了數(shù)值模擬誤差。隨后，河北工業(yè)大學又提出了三維軸向壓縮分層傳熱模型，該模型更加貼近土壤具有水平分層這一實際特點，研究發(fā)現(xiàn)三維軸向分層壓縮傳熱模型相較于其他傳熱模型實時跟蹤性強，與溫度實驗值相比，相對誤差小。

近年來，在國際化戰(zhàn)略的指引下，引進、整合國外先進技術(shù)也成為技術(shù)發(fā)展重要技術(shù)路線之一。2016年，日出東方與丹麥Arcon-Sunmark（阿康-桑馬克）公司成立合資公司，共同致力于太陽能跨季節(jié)蓄熱采暖技術(shù)在中國城市的應(yīng)用及推廣。

4 太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)發(fā)展展望

地源熱泵存在土地溫度影響熱泵效率的難題，以及2017年底采暖季天然氣“氣荒”等現(xiàn)實問題，都為太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖發(fā)展帶來了良好的發(fā)展契機。當前，太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖最突出的優(yōu)勢是運行費用非常低，而限制其大范圍推廣、大規(guī)模應(yīng)用的主要問題則是初投資相對偏高。對此，除了國家政策扶持或鼓勵外，還可從以下3個方面著手來提高該技術(shù)的經(jīng)濟性。

第一，因地制宜。我國幅員遼闊，東部人口眾多土地資源緊缺，而西部地區(qū)地廣人??；最南和最北地區(qū)氣候差異也非常顯著。因地制宜始終是我國可再能能源開發(fā)的基本原則。從目前看來，我國西部地區(qū)，如西藏、新疆、青海等地區(qū)，適合于發(fā)展太陽能跨季節(jié)水池蓄熱進行區(qū)域供暖；而東部地區(qū)，特別是夏冬冷的省份，特別適合于將太陽能和土壤源熱泵相結(jié)合，推廣太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱實現(xiàn)冬季供暖，夏季制冷；對于東北等極寒地區(qū)，太陽能跨季節(jié)土壤源熱泵供暖，可有效克服空氣源熱泵結(jié)霜的問題。

第二，規(guī)模效應(yīng)?？傮w上太陽能跨季節(jié)蓄熱的初投資成本較高，盡可能擴大規(guī)模，將有效降低單位供暖面積的初投資?，F(xiàn)已有學者分析出在區(qū)域供熱中用戶數(shù)量的增加有利于降低初投資和運行費用。與此同時，大規(guī)模應(yīng)用將會推動相關(guān)制造業(yè)競爭和發(fā)展，有望大幅度降低相關(guān)設(shè)備和材料的生產(chǎn)制造成本，從市場的角度出發(fā)使初投資進一步降低。

第三，技術(shù)進步。太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個層面，一是在設(shè)備和材料層面，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、性能更加優(yōu)異的設(shè)備或材料，如水池式蓄熱所需的防水膜材料，土壤式蓄熱所需的低成本高換熱性能的地埋管材料等等。二是在系統(tǒng)層面，基于精準物理模型、先進算法、智能控制、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)和方法，對系統(tǒng)進行精準設(shè)計和智能控制，實現(xiàn)低成本建造和超低能耗高效運行。

【參考文獻】

【1】趙璇， 趙彥杰， 王景剛， 等. 太陽能跨季節(jié)儲熱技術(shù)研究進展[J].新能源進展， 2017，5（1）：73-80.

【2】Bayer P， Saner D， Bolay S， et al. Greenhouse gas emission savings of ground source heat pump systems in Europe： A review[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2012， 16（2）：1256-1267.

【3】黃俊鵬， 徐尤錦. 歐洲太陽能區(qū)域供熱的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 建設(shè)科技， 2016（23）： 63-69.

【4】劉美杉. 跨季節(jié)水池蓄熱太陽能供暖系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[D]. 大連：大連理工大學， 2015.

【5】劉美杉， 李祥立， 端木琳，等. 跨季節(jié)水蓄熱太陽能集中供暖工程與優(yōu)化綜述[J]. 建筑熱能通風空調(diào)， 2015， 34（6）： 26-30.

【6】楊震. 跨季節(jié)蓄熱太陽能—地源復(fù)合熱泵系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用研究[D]. 邯鄲：河北工程大學， 2017.

【7】孟曉磊. 太陽能跨季節(jié)蓄熱實驗系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學， 2017.

【8】王蓮蓮， 劉學來， 李永安. 跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)裝置優(yōu)化配置[J]. 煤氣與熱力， 2018（1）： 23-25，29.

【9】李雙燕， 田亞男， 王倩鮮，等. 蓄熱水箱技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 應(yīng)用能源技術(shù)， 2017（10）： 48-52.

【10】劉龍. 過渡季節(jié)太陽能跨季節(jié)蓄能的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報， 2017， 29（8）： 1837-1844.

【11】吳晅， 路子業(yè)， 劉衛(wèi)，等. 跨季節(jié)蓄熱型地源熱泵熱傳遞規(guī)律研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2017， 44（5）： 164-171.