太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状与发展前景

赵应昱

【摘 要】论文概述了太阳能跨季节蓄热供暖技术的分类、工作原理及特点，重点综述了太阳能跨季节蓄热技术的研究现状，分析了该技术当前主要存在的问题，并针对这些问题，提出了可能的解决思路，探讨了该技术未来的发展前景。

【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.

【关键词】太阳能；跨季节蓄热；供暖技术；研究现状；发展展望

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

【中图分类号】TK512 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0135-03

1 引言

近年来，我国东北、华北等地区深受雾霾困扰，严重威胁到国民的身体健康和生活水平。相关研究表明，燃煤采暖是造成大气污染的重要原因之一，急需大力推广清洁供暖技术。现采用“以气代煤”和“以电代煤”等清洁能源可快速实现燃煤替代，但能耗和运行成本较高，“以气代煤”还存在气源可靠性问题，故需因地制宜，多种供暖方式并举[1]，进一步发展低能耗、低成本、高可靠性、可替代传统燃煤的清洁能源供暖技术，其中，太阳能供暖是极具前景并被广泛研究和应用的技术之一。国家能源局《太阳能发展“十三五”规划》要求因地制宜推广太阳能供暖，积极推进太阳能与常规能源融合，采取集中式与分布式结合的方式进行建筑供暖，推进工农业领域太阳能供暖。然而，对于我国北方地区，太阳能供暖存在供给和需求之间的时空分布矛盾问题[2]。太阳辐射度存在季节性不均，即夏季过剩，冬季不足的问题，因冬季辐射弱，用太阳能直接供暖保证率很低。为了克服这一矛盾，具有“夏蓄冬用”特点的太阳能跨季节蓄热供暖技术引起人们广泛关注，该系统可将春、夏、秋三个季节的太阳能热量储存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，實现低能耗无煤化清洁供暖。当前，太阳能跨季节蓄热供暖技术在我国还处于发展阶段。[3]故此，本文拟从介绍太阳能跨季节蓄热供暖技术的分类、工作原理及特点出发，回顾太阳能跨季节突然蓄热技术的研究现状，进一步分析该技术当前主要存在的问题，并提出可能的解决思路，探讨发展前景，以供相关行业的专业技术人员或决策者参考。

2 太阳能跨季节蓄热分类、原理及特点

广泛查阅文献可知，现有的储热方式总体上可以分为显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。其中，适用于太阳能蓄热的蓄热方式主要有以下5种：水箱蓄热、地下水池蓄热、土壤蓄热、卵石-水蓄热及相变蓄热。如表1所示，依据《太阳能供热采暖工程技术规范（GB50495-2009）》，对于太阳能跨季节蓄热，地下水池和土壤蓄热最具可行性和推广价值。[4]故此，本文只对这两种跨季节蓄热方式做详细介绍。

2.1 太阳能跨季节水池蓄热

图1给出了“太阳能跨季节水池蓄热供暖系统”的基本原理图，该系统由太阳能集热子系统、跨季节水池蓄热子系统和供暖子系统等3部分组成。该系统在夏、春、秋等非供暖季节，通过循环水回路把蓄水池表层的水泵送至太阳能集热器加热后，以显热的方式存储至蓄热池底层；在供暖季节，则通过另外一套水循环，将蓄水池底部的温度较高的热水送至建筑末端实现跨季节供暖。在技术方面，水池中水温有明显分层现象，进出水口的空间布局对温度分层有重要影响；水池周围及顶部的保温和防漏所需的结构设计和材料开发，是水池式蓄热的核心技术。在可行性方面，蓄水池修改的初投资较高，同时，还需要占用大面积的土地资源，适合于地广人稀的地区用于区域集中供暖[6]。目前，该水池式蓄热供暖在欧洲丹麦、德国等国家取得了非常好的应用。

2.2 太阳能跨季节土壤蓄热

图2给出了“太阳能跨季节土壤蓄热供暖系统”的基本原理图，类似的，该系统由太阳能集热子系统、跨季节土壤蓄热子系统和热泵供暖子系统3部分组成。土壤蓄热通常以120m以上的浅层土壤作为蓄热体，通过打井埋设地埋管换热管，在管内走循环水由管壁导热对土壤进行加热或冷却，从而实现蓄热和取热。与水池式蓄热相比，土壤蓄热温度相对要低，故此在供热时需要热泵提高供水温度以达到末端供暖需要；土壤蓄热可以根据末端热负荷改变打井的数目和深度，因而可大可小，既可用于区域集中供暖，也可用于分布式供暖[7]。此外，由于土壤温度相对稳定约15～20℃，在夏热冬冷地区，还可以兼顾夏天室内制冷需求。土壤蓄热具有蓄热材料便宜、蓄热潜能大、热损失较小、无环境污染等优点。当前，在技术方面，地下土壤温度的长期准确预测和热平衡控制是需要进一步研究的重要内容；在工程方面，需大幅度降低打井安装地埋管系统所需的成本。

3 太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状

以太阳能跨季节蓄热为代表的清洁供暖技术的发展，与国家或地区的经济发达程度、生活水平、地理条件，以及不同时期人们对环境保护的重视程等因素相关。从总体上看，无论选用哪种方式进行蓄热，优化系统运行参数和运行模式、减小储热系统热损失、提高蓄热效率、降低蓄热供暖成本等方面是研究者们关注的重点。

3.1 国外研究现状

在全球范围来看，北美和北欧发达国家较早开展了太阳能跨季节蓄热供暖相关研究，并开展了工程实践。早在20世纪60年代，美国伊利诺伊大学的Penrod就首次提出了将太阳能集热器与地埋管换热器组合的技术设想。[9]到20世纪70年代后半期欧洲也开始了对太阳能跨季节蓄热系统的研究，并用于供暖系统取得了一定的成果。1979年起太阳能跨季节蓄热已成为国际共同研究的课题，并在国际能源机构（IEA）的大力支持下跨季节蓄热的研究取得了较大的进展。近年来，欧美等国家建立了许多太阳能跨季节蓄热供暖系统的实验平台和示范工程，其供暖量占总热需求量的比例已达到40%以上，最具代表性的国家是北欧的丹麦和北美的加拿大。丹麦是全球最早使用太阳能蓄热实现区域供暖的国家，主要采用水池蓄热，其设计建造的蓄热系统生产成本也达到较低的水平，消耗3～4 kWh电能即可产生1 MWh的热量。[11]经过多年的发展，丹麦地区多数供热系统已经实现高度智能化，系统运行基本实现无人值守，后期维护成本低，维护工作量小。加拿大Drake Landing社区采用了土壤蓄热方式，共有44口储热井，埋管深度37m，采用防水膜、砂子及黏土组成隔热层，夏末土壤最高温度可达80℃，系统总体节能效果显著。瑞典的Anneberg建有50个住宅单元的太阳能跨季节蓄热供暖系统，配备2400m2太阳能集热器，100口储热井，井内埋设双U型地埋管换热器，埋管深度65m，该系统运行两年，达到了预期效果。

3.2 国内研究现状

在我国，太阳能跨季节蓄热供暖主要采用与地源热泵相结合的方式，从而在提高供热效率的同时，可兼顾提高土地资源利用率。在实验研究方面，北京工业大学、天津大学、河北工业大学、清华大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、东南大学等高校，先后建立了相关的实验平台或示范工程进行研究。北京工业大学马重芳课题组针对供暖面积为50m2的实验室设计建成了小型太阳能跨季节蓄热热泵供暖系统，并进行了为期6个月的实验测试，实验表明这一太阳能供暖技术方案具有可行性。天津大学在天津梅江小区搭建了跨季节土壤蓄热实验系统，为某一建筑的室内泳池提供能量，地下蓄热系统包括8口储热井，井间距 5m，井深 100 m，内埋双U型地埋管换热器，向地下蓄热的温度设计为 50℃，实验表明在天津地区实施跨季节蓄热供暖具有实际可行性。清华大学在内蒙古自治区赤峰市启动了大型跨季节蓄热式太阳能—工业废热集中供暖系统示范项目，包含469处80m深的钻孔，钻孔中安装了单U型地埋管换热器，该系统无需化石燃料作為辅助加热源，地下蓄热体体积高达50万m3，热存储效率为90%。

为进一步优化设计和精确预测多年运行性能，研究者在理论模型和数值模拟方面也开展了大量工作。华北电力大学孙东亮等人利用相似性原理物理性缩小水箱蓄热模型，考虑水箱内液体流动和温度分层并通过数值模拟研究了在花岗岩型和沙子型两种不同土壤中水箱埋入深度对系统太阳能保证率的影响，得出了在花岗岩型土壤中，太阳能保证率随埋入深度的增加而增加。在沙子型土壤中埋深对太阳能保证率影响不大。河北工业大学提出了地埋管换热器的三维轴向压缩传热模型，该模型将地埋管轴向进行压缩，而径向不做任何改变，从而解决了地埋管轴向径向尺度比过大造成的网格长宽比过高这一问题，降低了数值模拟误差。随后，河北工业大学又提出了三维轴向压缩分层传热模型，该模型更加贴近土壤具有水平分层这一实际特点，研究发现三维轴向分层压缩传热模型相较于其他传热模型实时跟踪性强，与温度实验值相比，相对误差小。

近年来，在国际化战略的指引下，引进、整合国外先进技术也成为技术发展重要技术路线之一。2016年，日出东方与丹麦Arcon-Sunmark（阿康-桑马克）公司成立合资公司，共同致力于太阳能跨季节蓄热采暖技术在中国城市的应用及推广。

4 太阳能跨季节蓄热供暖技术发展展望

地源热泵存在土地温度影响热泵效率的难题，以及2017年底采暖季天然气“气荒”等现实问题，都为太阳能跨季节蓄热供暖发展带来了良好的发展契机。当前，太阳能跨季节蓄热供暖最突出的优势是运行费用非常低，而限制其大范围推广、大规模应用的主要问题则是初投资相对偏高。对此，除了国家政策扶持或鼓励外，还可从以下3个方面着手来提高该技术的经济性。

第一，因地制宜。我国幅员辽阔，东部人口众多土地资源紧缺，而西部地区地广人稀；最南和最北地区气候差异也非常显著。因地制宜始终是我国可再能能源开发的基本原则。从目前看来，我国西部地区，如西藏、新疆、青海等地区，适合于发展太阳能跨季节水池蓄热进行区域供暖；而东部地区，特别是夏冬冷的省份，特别适合于将太阳能和土壤源热泵相结合，推广太阳能跨季节土壤蓄热实现冬季供暖，夏季制冷；对于东北等极寒地区，太阳能跨季节土壤源热泵供暖，可有效克服空气源热泵结霜的问题。

第二，规模效应。总体上太阳能跨季节蓄热的初投资成本较高，尽可能扩大规模，将有效降低单位供暖面积的初投资。现已有学者分析出在区域供热中用户数量的增加有利于降低初投资和运行费用。与此同时，大规模应用将会推动相关制造业竞争和发展，有望大幅度降低相关设备和材料的生产制造成本，从市场的角度出发使初投资进一步降低。

第三，技术进步。太阳能跨季节蓄热供暖技术主要体现在两个层面，一是在设备和材料层面，开发具有自主知识产权的、性能更加优异的设备或材料，如水池式蓄热所需的防水膜材料，土壤式蓄热所需的低成本高换热性能的地埋管材料等等。二是在系统层面，基于精准物理模型、先进算法、智能控制、大数据等先进技术和方法，对系统进行精准设计和智能控制，实现低成本建造和超低能耗高效运行。

【参考文献】

【1】赵璇， 赵彦杰， 王景刚， 等. 太阳能跨季节储热技术研究进展[J].新能源进展， 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】黄俊鹏， 徐尤锦. 欧洲太阳能区域供热的发展现状与趋势[J]. 建设科技， 2016（23）： 63-69.

【4】刘美杉. 跨季节水池蓄热太阳能供暖系统参数优化[D]. 大连：大连理工大学， 2015.

【5】刘美杉， 李祥立， 端木琳，等. 跨季节水蓄热太阳能集中供暖工程与优化综述[J]. 建筑热能通风空调， 2015， 34（6）： 26-30.

【6】杨震. 跨季节蓄热太阳能—地源复合热泵系统优化及应用研究[D]. 邯郸：河北工程大学， 2017.

【7】孟晓磊. 太阳能跨季节蓄热实验系统设计与实验研究[D]. 合肥：合肥工业大学， 2017.

【8】王莲莲， 刘学来， 李永安. 跨季节蓄热太阳能供热系统装置优化配置[J]. 煤气与热力， 2018（1）： 23-25，29.

【9】李双燕， 田亚男， 王倩鲜，等. 蓄热水箱技术的研究现状及发展趋势[J]. 应用能源技术， 2017（10）： 48-52.

【10】刘龙. 过渡季节太阳能跨季节蓄能的研究[J]. 系统仿真学报， 2017， 29（8）： 1837-1844.

【11】吴晅， 路子业， 刘卫，等. 跨季节蓄热型地源热泵热传递规律研究[J]. 水文地质工程地质， 2017， 44（5）： 164-171.