太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

陳翱 彭冬

基金項目：西南科技大學(xué)城市學(xué)院智慧能源技術(shù)研究中心《光電光熱復(fù)合太陽能系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化設(shè)計研究》（項目編號：zhnyzd202101）。

作者簡介： 陳翱（1994—），男，本科，助教，研究方向為建筑節(jié)能裝備。

彭冬（1992—），男，本科，助理實驗師，研究方向為機(jī)械制造。

摘 要：太陽能季節(jié)性不均衡，夏季不用采暖時，太陽能可以釋放更多熱量，當(dāng)?shù)蕉救∨竟?jié)，因太陽光比較弱，所以不會釋放更多的熱量。該研究首先對太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)進(jìn)行了簡單介紹，然后對太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上對太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)進(jìn)行展望，從而可以使太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的合理性和經(jīng)濟(jì)性得到全面提高。

關(guān)鍵詞：跨季節(jié) ?太陽能 ?蓄熱供暖技術(shù) ?研究

中圖分類號：TK512 ????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? ??????文章編號：1672-3791（2021）12（c）-0000-00

Abstract： Solar energy is seasonally unbalanced. When heating is not used in summer， solar energy can release more heat. When heating in winter， because the sunlight is relatively weak， it will not release more heat. During the research period of this article， firstly， the solar cross season heat storage heating technology is introduced， and then the research status of solar cross season heat storage technology is deeply analyzed. On this basis， the solar cross season heat storage heating technology is prospected， so that the rationality and economy of solar cross season heat storage heating technology can be comprehensively improved.

Key Words： Cross season; Solar energy; Heat storage heating technology; Research

1技術(shù)簡介

盡管我國太陽能熱水生產(chǎn)能源已經(jīng)非常完善與健全，但是不能直接當(dāng)作采暖能源的主體，究其原因是：太陽能季節(jié)性不均衡，夏季不用采暖時，太陽能可以釋放很多的熱量，當(dāng)?shù)搅硕救∨竟?jié)時，因太陽光比較弱，所以不會釋放更多的熱量。因為太陽能資源供不應(yīng)求，所以在冬天根據(jù)供暖要求需要合理使用太陽能，在這種情況下需要大量安裝空間與太陽能集熱器，投入的成本非常高，同時夏天還會導(dǎo)致大量熱水供給充足，出現(xiàn)不必要的浪費。倘若根據(jù)夏季要求安裝太陽能，就會降低冬季采暖貢獻(xiàn)率，甚至不能發(fā)揮較大作用，太陽能就會成為擺設(shè)，在這種情況下要求我們探尋季節(jié)性儲熱方法。假如可以把非采暖季的太陽能進(jìn)行存儲，應(yīng)用于冬天，就能夠很好地處理以上所說的太陽能季節(jié)性問題 [1-4]。

第一，由于土壤具有較高的熱量，往往土壤的密度不得小于1.5，不能超過2.0，土壤的單位重量熱容量控制為大約1.0，土壤中通常包含5%～15%的水分，如此一來可以提升土壤的熱容量，隨著土壤含水量的不斷提高，土壤的熱容量就會越大。第二，土壤還呈現(xiàn)出超強(qiáng)的隔熱性能、導(dǎo)熱性能及儲熱性能等多樣化的特點。土壤屬于儲熱材料的范疇，主要分為3種功能，即：隔熱、導(dǎo)熱及儲熱等，雖然土壤的水熱容量非常小，再加上其儲熱能力較低，但是土壤熱容量與其他物質(zhì)進(jìn)行對比具有較強(qiáng)的科學(xué)性與合理性，再加上土壤的儲熱材料價格低廉，體積具有無限性，由此可以看出，土壤包含的總熱容量是值得挖掘的一種介質(zhì)只有科學(xué)合理的設(shè)計，足以全面深挖更多的儲熱能量。就儲熱而言，要求土壤具備較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能與隔熱性能，這兩種性能非常矛盾。只從隔熱性能自身來看，期望其具有較強(qiáng)的隔熱能力，這樣能夠?qū)嵯到y(tǒng)的熱損失控制在合理范圍中。

2太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)

2.1 礫石-水蓄熱

太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)包含很多種技術(shù)，其中礫石-水蓄熱技術(shù)在使用過程中應(yīng)保證與地下水之間保持相應(yīng)的間距，如此一來就能夠加大對地下水保護(hù)的力度。但是礫石這種材料的比熱容相對較小，所以要想達(dá)到良好的蓄熱目的，應(yīng)該把礫石-水蓄熱技術(shù)的蓄熱容積提高50%。

2.2 含水層蓄熱

含水層下方是由透水性比較高的物質(zhì)組合而成，如沙子、沙石、石灰石及礫石等，含水層的滲透系數(shù)是含水層kf>10-5 m/s，由此可以看出其滲透系數(shù)非常高，這種蓄熱方法要求地質(zhì)條件的要求越來越高，當(dāng)處于高溫環(huán)境中，能夠使地下水的性質(zhì)保持平穩(wěn)，含水層的厚度通常需要控制在20～50m之間。將冷水井口與熱水井口設(shè)計在蓄熱設(shè)備當(dāng)中，這兩個井口能夠儲存熱水或者是冷水。在夏天太陽光比較充沛的情況下，太陽能集熱器搜集的熱量能夠利用載體傳輸至熱水井，在冬季經(jīng)過循環(huán)熱水井中的熱水滿足用戶采暖與生活中對熱水的需求，接著把獲取完熱量的水存放于冷水井中。

2.3 熱水蓄熱

根據(jù)誰的比熱容與密度可以得知，單位體積水的蓄熱量非常大，在一定程度上提高了取熱與蓄熱的速度。通過以5.0×103m3作為蓄水容積的劃分標(biāo)準(zhǔn)，倘若蓄水容積大于該數(shù)值，應(yīng)通過水池蓄熱，假如小于該數(shù)值，應(yīng)通過鋼灌存儲熱量。

2.4地埋管蓄熱

地埋管蓄熱設(shè)備是打進(jìn)地面下面大約80 m的豎井中設(shè)計單U型或者是雙U型管，在蓄熱過程中使用多種多樣的介質(zhì)將太陽能存儲在土壤和巖石中，這樣可以在冬季需要熱戀時，能夠把水介質(zhì)和豎井旁邊巖石和土壤中的熱量進(jìn)行更換，通過比較這種熱水蓄熱方法，可以將地埋管蓄熱設(shè)備提高3～5倍，一般情況下在高溫蓄熱過程中，地埋管蓄熱能夠減少更多的費用。

通過在地下邁進(jìn)蓄熱管，能夠把熱量直接存儲于埋管的土壤中。這種蓄熱方法可以使用地質(zhì)結(jié)構(gòu)中有飽和水、巖石的土壤。地下?lián)Q熱井設(shè)備可以稱為地下?lián)Q熱器，垂直鉆孔換熱器還可以當(dāng)作埋管蓄熱設(shè)備，其中雙U型、樁埋換熱器及單U型等均屬于埋管蓄熱設(shè)備范疇，此外還包含相同軸式地下?lián)Q熱器雙管結(jié)構(gòu)，水經(jīng)過雙管縫隙能夠達(dá)到傳熱的目的，采用這種方法可以將傳熱效率提升15%，表1為4種蓄熱設(shè)備具有的特征比較情況。

3太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1國外研究現(xiàn)狀

縱觀全球，國外許多發(fā)達(dá)國家對太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖展開深入探究，同時進(jìn)行了工程實踐。在20世紀(jì)70年代，歐洲國家對太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行深入探究，并且在供暖系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用與普及，同時獲得巨大成果。自從1979年開始，國際方面開始針對太陽能跨季節(jié)蓄熱的快速發(fā)展展開探究，同時基于國際能源部門的鼎力支持下，獲得了很多理想的研究成果。

在加拿大，將土壤蓄熱方法供暖應(yīng)用于某社區(qū)中，一共設(shè)置了40多個儲熱井，埋管深度大約是37 m，使用黏土、水膜和沙子構(gòu)成隔熱層，夏天土壤最高溫度能夠達(dá)到80 ℃，可以實現(xiàn)非常理想的節(jié)能效果。瑞典這個國家總共建立了50多個住宅單元，將太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)應(yīng)用于這些住宅單元中，安裝2 400 m2的太陽能集熱器，100個儲熱井，儲熱井當(dāng)中敷設(shè)雙U型地埋管換熱器，埋管深度不得超過65 m，經(jīng)過兩年時間的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了理想的供暖效果。

3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在中國，太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)往往和地源熱泵有機(jī)整合后投入使用，如此一來不僅可以提升供熱效率，而且還可以實現(xiàn)土地資源的最大化使用。北京某大學(xué)的專家課題組將50 m2的實驗室作為實驗對象，專門設(shè)計了太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)，并進(jìn)行了半年的測試，根據(jù)實驗結(jié)果可以得知，太陽能跨季節(jié)供暖技術(shù)方案可以得到廣泛應(yīng)用與普及。我國天津大學(xué)針對太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)的使用建立了相應(yīng)的實驗系統(tǒng)，如此一來能夠根據(jù)某個室內(nèi)泳池冬季供暖需求產(chǎn)生大量熱量，地下蓄熱系統(tǒng)分別設(shè)置8個儲熱井，井的深度高達(dá)100 m，井間距是5 m，將型號為雙U的地埋管換熱器埋進(jìn)井中，并且把地下蓄熱溫度設(shè)定為50 ℃左右，通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析能夠了解到，在我國天津地區(qū)采用太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)是行之有效的取暖方法[5-6]。

我國有關(guān)研究工作者根據(jù)理論和數(shù)值模型投入更多的精力與時間，以便于可以對該系統(tǒng)多年的運行性能進(jìn)行更好的設(shè)計與預(yù)測。我國有關(guān)學(xué)者借助類似性原理減少水箱蓄熱模型，通過將水箱中溫度分層和液體流動進(jìn)行充分考慮，憑借數(shù)值模型深入研究了兩種土壤不同的水箱埋進(jìn)深度是否可以對太陽能供給率產(chǎn)生直接影響，經(jīng)過試驗研究結(jié)果可以看出，在花崗巖型土壤當(dāng)中，隨著埋進(jìn)深度的不斷增多，在一定程度上能夠全面提高太陽能的保證率。另外一所大學(xué)的專家確切提出，地埋管換熱器三維軸向壓縮導(dǎo)熱模型，該模型能夠擠壓埋管軸向，但是不會使其徑向出現(xiàn)任一改變，同時因地埋管軸向徑向尺度太大致使網(wǎng)格長寬比不合理，在這種情況下能夠更好的解決這一問題，從而降低數(shù)值模擬間產(chǎn)生的誤差。

4太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)發(fā)展展望

太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)在使用以前不僅需要國家政策提供鼎力支持，而且還需要從以下幾個方面提高太陽能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

首先，根據(jù)各地的實際情況采用合適的太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)。因為我國疆土遼闊，東部居住率相對西部而言較高，造成土地資源缺少;由此可以看出，我國最南邊地區(qū)和最北邊區(qū)域相比，氣候方面存在非常大的不同。當(dāng)前，在我國比較偏西的區(qū)域中，可以將太陽能跨季節(jié)水池蓄熱供暖作為冬季取暖的主要方法;在東部夏冬冷的地區(qū)，通過運用太陽能與土壤源熱泵融合的手段，實施太陽能跨季節(jié)土壤蓄熱為人們冬季供暖、夏季制冷提供便利條件;對于東北三省溫度相對較低的區(qū)域，該系統(tǒng)對于處理空氣源熱泵結(jié)霜的問題存在行之有效的方法。

其次，規(guī)模效應(yīng)。從整體方面來看，太陽能跨季節(jié)蓄熱的首次使用需要投入大量資金，盡量擴(kuò)大使用規(guī)模，從而可以減少單位供暖面積的首次投資。通過大規(guī)模使用太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，能夠促進(jìn)有關(guān)制造行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，提升制造業(yè)的核心競爭力，能夠減少有關(guān)設(shè)備與材料的生產(chǎn)成本，從而減少太陽能跨季節(jié)蓄熱技術(shù)的首次投資。

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