工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱分析彭?yè)P(yáng)東

摘要：我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中有大量低品位余熱未充分利用，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。同時(shí)，我國(guó)北方長(zhǎng)期受困于冬季供暖不足、供暖能耗大和污染重的問(wèn)題。若將工業(yè)余熱跨季節(jié)儲(chǔ)存，冬季用于建筑供暖，則能降低我國(guó)北方供暖能耗，減少污染。淺層巖土可作為蓄熱介質(zhì)，通過(guò)豎直地埋管換熱，將工業(yè)余熱蓄存于巖土中。在供暖季通過(guò)熱泵傳遞蓄熱，為建筑供暖?；诖?，分析工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱的關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)雙U型管蓄熱與放熱模型，計(jì)算蓄熱量與放熱量，確保蓄熱與放熱平衡，從而指導(dǎo)后續(xù)工程建設(shè)，合理布置地埋井，實(shí)現(xiàn)集中供暖。

關(guān)鍵詞：工業(yè)余熱；巖土；跨季節(jié)蓄熱；地埋管；熱泵；供暖

中圖分類(lèi)號(hào)：TK115 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-0-03

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Analysis of cross seasonal thermal storage of industrial waste heat in rock and soil

PENG Yangdong1， PENG Jianbin1， GUI Shuqiang1， JIN Feng2

（1. WSGRI Engineering & Surveying Incorporation Limited， Wuhan 430083， China;

2. Anhui Tiankang （Group） Co.， Ltd.， Chuzhou 239300， China）

Abstract： There is a large amount of low-grade waste heat that has not been fully utilized in China’s industrial production， resulting in resource waste and environmental pollution. At the same time， northern China has long been plagued by problems such as insufficient winter heating， high heating energy consumption， and heavy pollution. If industrial waste heat is stored across seasons and used for building heating in winter， it can reduce heating energy consumption and pollution in northern China. Shallow rock and soil can serve as thermal storage media， and industrial waste heat is stored in the rock and soil through vertical buried pipes for heat exchange. During the heating season， heat pumps are used to raise the temperature and provide heating for buildings. The key issues of cross seasonal heat storage of industrial waste heat in rock and soil are analyzed， the dual U-shaped pipe heat storage and release model are designed， and the heat storage and release are calculated to ensure a balance between heat storage and release， thus guiding subsequent engineering construction， arranging underground pipes reasonably， and achieving centralized heating.

Keywords： industrial waste heat; rock and soil; cross seasonal heat storage; underground pipes; heat pump; heating

隨著全球能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻和大眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，如何高效利用和儲(chǔ)存可再生能源及余熱成為亟待解決的問(wèn)題。工業(yè)余熱是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)物，其蘊(yùn)含的巨大熱能往往被直接排放到環(huán)境中，造成資源極大浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-2]。我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域每年產(chǎn)生的余熱資源總量巨大，但目前大部分余熱仍未得到有效利用。因此，探索工業(yè)余熱跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，將非供暖季節(jié)的工業(yè)余熱進(jìn)行儲(chǔ)存，并在供暖季節(jié)釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)余熱資源的高效利用，對(duì)于緩解能源供需矛盾、促進(jìn)節(jié)能減排具有重要意義，是實(shí)現(xiàn)余熱資源高效利用的重要途徑。

相對(duì)于煤、石油等一次燃料，工業(yè)余熱能量密度小，能量品位低，能量來(lái)源受限于工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度，因此往往利用難度較大。建筑供暖對(duì)熱量品位的要求不高，利用現(xiàn)有的熱泵技術(shù)，可從余熱中提取熱量為建筑供暖。若將全年的工業(yè)余熱蓄存，在供暖季為建筑供暖，則能大幅減少建筑供暖成本，助力節(jié)能減排[3-5]。巖土跨季節(jié)蓄熱技術(shù)主要基于顯熱儲(chǔ)熱原理，即利用儲(chǔ)熱介質(zhì)在溫度變化時(shí)吸收或釋放熱量的特性。在非供暖季節(jié)，該技術(shù)通過(guò)熱交換將工業(yè)余熱傳遞給巖土體，使其溫度升高并儲(chǔ)存熱量；在供暖季節(jié)，利用熱交換器將儲(chǔ)熱介質(zhì)中的熱量釋放出來(lái)，供給供暖系統(tǒng)使用。這種技術(shù)能夠有效解決能源供需在時(shí)間上的不匹配問(wèn)題，提高能源利用效率。同時(shí)，工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱技術(shù)存在一些關(guān)鍵難題，包括如何提高儲(chǔ)能效率、如何降低儲(chǔ)能及用能成本、如何保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行等，這些問(wèn)題的解決還需要科研人員和工程人員不斷探索。

1 工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 巖土蓄熱和放熱平衡

參照地源熱泵的原理，利用淺層巖土作為工業(yè)余熱的蓄存介質(zhì)，將全年的余熱蓄存于淺層地下。巖土蓄存容量大，蓄存周期長(zhǎng)，建設(shè)成本較低，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。目前，地源熱泵研究已十分成熟，可借用地源熱泵的研究成果，推進(jìn)余熱巖土蓄熱項(xiàng)目的建設(shè)。因此，巖土跨季節(jié)蓄熱為建筑供暖時(shí)，首先需要解決巖土熱量蓄存和釋放的平衡問(wèn)題。巖土蓄熱和放熱平衡問(wèn)題分為兩個(gè)方面，一是巖土的總蓄熱量和總放熱量平衡，二是蓄熱和放熱換熱功率與蓄熱和放熱需求平衡。

1.2 巖土跨季節(jié)蓄熱溫度

相比地源熱泵夏季冷凝水出水溫度，工業(yè)余熱溫度較高，因此余熱儲(chǔ)能系統(tǒng)地埋管的延米換熱量與傳統(tǒng)地源熱泵的地埋管出入較大。蓄熱和放熱的影響邊界與傳統(tǒng)地源熱泵也不相同，對(duì)后期投入使用影響較大，因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。淺層巖土溫度提高空間有限，升溫過(guò)高將導(dǎo)致土壤內(nèi)部水分大量蒸發(fā)，浪費(fèi)熱量，改變巖土的熱物性，影響地下環(huán)境。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面考慮，目前淺層巖土蓄熱一般采用聚乙烯管，管道的使用溫度在60 ℃以下。因此，一般考慮在淺層巖土進(jìn)行低溫蓄熱，冬季通過(guò)熱泵升溫后給建筑供暖。對(duì)于工業(yè)余熱，蓄熱循環(huán)的供水溫度一般控制在

60 ℃以下。由于建設(shè)成本和運(yùn)行成本過(guò)高，深層巖土儲(chǔ)熱沒(méi)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2 雙U型管蓄熱與放熱模型設(shè)計(jì)

巖土蓄熱型地埋管與普通地源熱泵系統(tǒng)的不同之處在于全年都有蓄熱需求，放熱時(shí)其蓄熱過(guò)程不能受到影響，其中地埋管蓄熱延米換熱量一般大于放熱延米換熱量。因此，設(shè)計(jì)需要考慮蓄熱井與取熱井的配比關(guān)系。針對(duì)地埋管系統(tǒng)，設(shè)計(jì)雙U型管蓄熱與放熱模型，如圖1所示。根據(jù)實(shí)際工程需要，U型頭采用兩種形式，即連通式和隔離式。當(dāng)后期工程蓄熱循環(huán)和取熱循環(huán)均采用封閉式系統(tǒng)且壓力相差不大時(shí)，兩組U型

管可以連通，以加強(qiáng)兩組循環(huán)的換熱。其余情況下，兩組U型管應(yīng)隔離運(yùn)行，保持兩路管道水壓穩(wěn)定。

（a）非采暖季蓄熱

（b）采暖季蓄熱系統(tǒng)和余熱系統(tǒng)聯(lián)合供熱

1.U型地埋管；2.U型頭；3.巖土蓄熱體；4.分集水器；5.分集水器；6.熱泵機(jī)組；7.余熱生產(chǎn)模塊；8.用戶側(cè)水泵；9.余熱側(cè)水泵；10.保護(hù)裝置e7e3599c7131651bbdecc06afed82b7ddaed3ab7f5a4d46232355185b88cf133；11.用戶側(cè)切換閥；12.用戶側(cè)切換閥；13.余熱側(cè)切換閥；14.余熱側(cè)切換閥；15.旁通調(diào)節(jié)閥。

2.1 蓄熱與放熱計(jì)算

地埋管蓄熱時(shí)間長(zhǎng)，可全年進(jìn)行儲(chǔ)熱，而放熱過(guò)程只發(fā)生在供暖季，因此蓄熱的熱影響邊界明顯比放熱影響邊界大，將存在一定比例的熱逃逸。根據(jù)穩(wěn)定傳熱理論，地埋管穩(wěn)定傳熱蓄熱量可按照式（1）計(jì)算。在工程建設(shè)中，利用積分方法計(jì)算蓄熱量顯然非常不方便?？衫镁€性回歸法，先對(duì)豎向的偏微分z分量進(jìn)行近似，再對(duì)水平方向的r分量進(jìn)行積分，如式（2）所示。巖土的實(shí)際儲(chǔ)熱能力應(yīng)大于工程設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱量和用熱量，否則熱量難以存入巖土熱庫(kù)，或者出現(xiàn)熱庫(kù)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度的問(wèn)題。

（1）

（2）

式中：Q為蓄熱量；q為蓄熱延米功率；k為巖土導(dǎo)熱系數(shù)；c為巖土平均比熱容；ρ為巖土密度；r0為單孔的熱邊界半徑；H為地埋管孔深；r為積分點(diǎn)至地埋井的水平距離；z為積分點(diǎn)至地面的垂直距離。

2.2 蓄熱與放熱平衡

傳統(tǒng)的地源熱泵系統(tǒng)需要做熱物性測(cè)試，確定土壤源蓄熱和放熱功率，從而設(shè)計(jì)合理的地埋管系統(tǒng)。同理，工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)也存在地埋管冬夏平衡的問(wèn)題，蓄熱量和取熱量應(yīng)滿足式（3）的要求。若長(zhǎng)期蓄熱量大于放熱量，則將導(dǎo)致巖土溫度升高，蓄熱難以繼續(xù)。反之，巖土溫度持續(xù)降低，巖土供熱不足。因此，設(shè)計(jì)合理的蓄熱放熱功率和蓄熱放熱時(shí)間，對(duì)工業(yè)余熱系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在余熱蓄熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要根據(jù)蓄熱量和放熱量計(jì)算巖土的蓄熱面積，并根據(jù)蓄熱和取熱功率計(jì)算地埋井?dāng)?shù)量。

∑W1t1=∑W2t2≤Q（3）

式中：W1為蓄熱平均功率；t1為蓄熱時(shí)間；W2為取熱平均功率；t2為取熱時(shí)間。

3 地埋井的布置

一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱周期長(zhǎng)，延米蓄熱功率高。為了確保地埋管取熱和蓄熱平衡，提高儲(chǔ)熱效率和放熱效率，降低建設(shè)成本，應(yīng)根據(jù)熱物性試驗(yàn)所測(cè)的延米換熱量，分別計(jì)算蓄熱所需地埋井?dāng)?shù)量和放熱所需地埋管數(shù)量，取大值作為總的地埋管數(shù)量，取小值作為蓄放一體的地埋管數(shù)量，并將地埋管均勻布置在場(chǎng)地內(nèi)。

地埋井間距應(yīng)按照年總蓄熱量和蓄熱邊界計(jì)算確定，根據(jù)工業(yè)余熱的可蓄存量或者建筑供暖需熱量，計(jì)算地埋管系統(tǒng)的蓄熱量，根據(jù)式（2）計(jì)算蓄熱地埋管的蓄熱邊界。根據(jù)建筑供暖的取熱量，計(jì)算取熱地埋管的取熱邊界，取大值確定地埋管的建設(shè)布局。

4 結(jié)論

目前，工業(yè)余熱巖土跨季節(jié)蓄熱依然存在部分關(guān)鍵問(wèn)題。設(shè)計(jì)雙U型管蓄熱與放熱模型，計(jì)算蓄熱量與放熱量，可以確保蓄熱與放熱平衡，指導(dǎo)后續(xù)工程建設(shè)，合理布置地埋井，最終實(shí)現(xiàn)集中供暖。工業(yè)余熱的巖土跨季節(jié)儲(chǔ)能技術(shù)是一項(xiàng)新興的儲(chǔ)能技術(shù)，目前工程應(yīng)用案例不多。隨著我國(guó)碳達(dá)峰碳中和任務(wù)的逐步壓實(shí)與新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，該技術(shù)的推廣力度勢(shì)必越來(lái)越大，應(yīng)用前景廣闊。

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