太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状及展望

陈翱 彭冬

基金项目：西南科技大学城市学院智慧能源技术研究中心《光电光热复合太阳能系统性能分析与优化设计研究》（项目编号：zhnyzd202101）。

作者简介： 陈翱（1994—），男，本科，助教，研究方向为建筑节能装备。

彭冬（1992—），男，本科，助理实验师，研究方向为机械制造。

摘 要：太阳能季节性不均衡，夏季不用采暖时，太阳能可以释放更多热量，当到冬季取暖季节，因太阳光比较弱，所以不会释放更多的热量。该研究首先对太阳能跨季节蓄热供暖技术进行了简单介绍，然后对太阳能跨季节蓄热技术的研究现状进行深入分析，在此基础上对太阳能跨季节蓄热供暖技术进行展望，从而可以使太阳能跨季节蓄热供暖技术的合理性和经济性得到全面提高。

关键词：跨季节  太阳能  蓄热供暖技术  研究

中图分类号：TK512     文献标识码：A         文章编号：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技术简介

尽管我国太阳能热水生产能源已经非常完善与健全，但是不能直接当作采暖能源的主体，究其原因是：太阳能季节性不均衡，夏季不用采暖时，太阳能可以释放很多的热量，当到了冬季取暖季节时，因太阳光比较弱，所以不会释放更多的热量。因为太阳能资源供不应求，所以在冬天根据供暖要求需要合理使用太阳能，在这种情况下需要大量安装空间与太阳能集热器，投入的成本非常高，同时夏天还会导致大量热水供给充足，出现不必要的浪费。倘若根据夏季要求安装太阳能，就会降低冬季采暖贡献率，甚至不能发挥较大作用，太阳能就会成为摆设，在这种情况下要求我们探寻季节性储热方法。假如可以把非采暖季的太阳能进行存储，应用于冬天，就能够很好地处理以上所说的太阳能季节性问题 [1-4]。

第一，由于土壤具有较高的热量，往往土壤的密度不得小于1.5，不能超过2.0，土壤的单位重量热容量控制为大约1.0，土壤中通常包含5%～15%的水分，如此一来可以提升土壤的热容量，随着土壤含水量的不断提高，土壤的热容量就会越大。第二，土壤还呈现出超强的隔热性能、导热性能及储热性能等多样化的特点。土壤属于储热材料的范畴，主要分为3种功能，即：隔热、导热及储热等，虽然土壤的水热容量非常小，再加上其储热能力较低，但是土壤热容量与其他物质进行对比具有较强的科学性与合理性，再加上土壤的储热材料价格低廉，体积具有无限性，由此可以看出，土壤包含的总热容量是值得挖掘的一种介质只有科学合理的设计，足以全面深挖更多的储热能量。就储热而言，要求土壤具备较强的导热性能与隔热性能，这两种性能非常矛盾。只从隔热性能自身来看，期望其具有较强的隔热能力，这样能够将储热系统的热损失控制在合理范围中。

2太阳能跨季节蓄热技术

2.1 砾石-水蓄热

太阳能跨季节蓄热系统包含很多种技术，其中砾石-水蓄热技术在使用过程中应保证与地下水之间保持相应的间距，如此一来就能够加大对地下水保护的力度。但是砾石这种材料的比热容相对较小，所以要想达到良好的蓄热目的，应该把砾石-水蓄热技术的蓄热容积提高50%。

2.2 含水层蓄热

含水层下方是由透水性比较高的物质组合而成，如沙子、沙石、石灰石及砾石等，含水层的渗透系数是含水层kf>10-5 m/s，由此可以看出其渗透系数非常高，这种蓄热方法要求地质条件的要求越来越高，当处于高温环境中，能够使地下水的性质保持平稳，含水层的厚度通常需要控制在20～50m之间。将冷水井口与热水井口设计在蓄热设备当中，这两个井口能够储存热水或者是冷水。在夏天太阳光比较充沛的情況下，太阳能集热器搜集的热量能够利用载体传输至热水井，在冬季经过循环热水井中的热水满足用户采暖与生活中对热水的需求，接着把获取完热量的水存放于冷水井中。

2.3 热水蓄热

根据谁的比热容与密度可以得知，单位体积水的蓄热量非常大，在一定程度上提高了取热与蓄热的速度。通过以5.0×103m³作为蓄水容积的划分标准，倘若蓄水容积大于该数值，应通过水池蓄热，假如小于该数值，应通过钢灌存储热量。

2.4地埋管蓄热

地埋管蓄热设备是打进地面下面大约80 m的竖井中设计单U型或者是双U型管，在蓄热过程中使用多种多样的介质将太阳能存储在土壤和岩石中，这样可以在冬季需要热恋时，能够把水介质和竖井旁边岩石和土壤中的热量进行更换，通过比较这种热水蓄热方法，可以将地埋管蓄热设备提高3～5倍，一般情况下在高温蓄热过程中，地埋管蓄热能够减少更多的费用。

通过在地下邁进蓄热管，能够把热量直接存储于埋管的土壤中。这种蓄热方法可以使用地质结构中有饱和水、岩石的土壤。地下换热井设备可以称为地下换热器，垂直钻孔换热器还可以当作埋管蓄热设备，其中双U型、桩埋换热器及单U型等均属于埋管蓄热设备范畴，此外还包含相同轴式地下换热器双管结构，水经过双管缝隙能够达到传热的目的，采用这种方法可以将传热效率提升15%，表1为4种蓄热设备具有的特征比较情况。

3太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状

3.1国外研究现状

纵观全球，国外许多发达国家对太阳能跨季节蓄热供暖展开深入探究，同时进行了工程实践。在20世纪70年代，欧洲国家对太阳能跨季节蓄热系统进行深入探究，并且在供暖系统中得到广泛应用与普及，同时获得巨大成果。自从1979年开始，国际方面开始针对太阳能跨季节蓄热的快速发展展开探究，同时基于国际能源部门的鼎力支持下，获得了很多理想的研究成果。

在加拿大，将土壤蓄热方法供暖应用于某社区中，一共设置了40多个储热井，埋管深度大约是37 m，使用黏土、水膜和沙子构成隔热层，夏天土壤最高温度能够达到80 ℃，可以实现非常理想的节能效果。瑞典这个国家总共建立了50多个住宅单元，将太阳能跨季节蓄热供暖系统应用于这些住宅单元中，安装2 400 m2的太阳能集热器，100个储热井，储热井当中敷设双U型地埋管换热器，埋管深度不得超过65 m，经过两年时间的运转，实现了理想的供暖效果。

3.2国内研究现状

在中国，太阳能跨季节蓄热供暖技术往往和地源热泵有机整合后投入使用，如此一来不仅可以提升供热效率，而且还可以实现土地资源的最大化使用。北京某大学的专家课题组将50 m2的实验室作为实验对象，专门设计了太阳能跨季节蓄热系统，并进行了半年的测试，根据实验结果可以得知，太阳能跨季节供暖技术方案可以得到广泛应用与普及。我国天津大学针对太阳能跨季节蓄热技术的使用建立了相应的实验系统，如此一来能够根据某个室内泳池冬季供暖需求产生大量热量，地下蓄热系统分别设置8个储热井，井的深度高达100 m，井间距是5 m，将型号为双U的地埋管换热器埋进井中，并且把地下蓄热温度设定为50 ℃左右，通过对实验结果进行分析能够了解到，在我国天津地区采用太阳能跨季节蓄热供暖技术是行之有效的取暖方法[5-6]。

我国有关研究工作者根据理论和数值模型投入更多的精力与时间，以便于可以对该系统多年的运行性能进行更好的设计与预测。我国有关学者借助类似性原理减少水箱蓄热模型，通过将水箱中温度分层和液体流动进行充分考虑，凭借数值模型深入研究了两种土壤不同的水箱埋进深度是否可以对太阳能供给率产生直接影响，经过试验研究结果可以看出，在花岗岩型土壤当中，随着埋进深度的不断增多，在一定程度上能够全面提高太阳能的保证率。另外一所大学的专家确切提出，地埋管换热器三维轴向压缩导热模型，该模型能够挤压埋管轴向，但是不会使其径向出现任一改变，同时因地埋管轴向径向尺度太大致使网格长宽比不合理，在这种情况下能够更好的解决这一问题，从而降低数值模拟间产生的误差。

4太阳能跨季节蓄热供暖技术发展展望

太阳能跨季节蓄热供暖技术在使用以前不仅需要国家政策提供鼎力支持，而且还需要从以下几个方面提高太阳能跨季节蓄热供暖技术的经济性。

首先，根据各地的实际情况采用合适的太阳能跨季节蓄热技术。因为我国疆土辽阔，东部居住率相对西部而言较高，造成土地资源缺少;由此可以看出，我国最南边地区和最北边区域相比，气候方面存在非常大的不同。当前，在我国比较偏西的区域中，可以将太阳能跨季节水池蓄热供暖作为冬季取暖的主要方法;在东部夏冬冷的地区，通过运用太阳能与土壤源热泵融合的手段，实施太阳能跨季节土壤蓄热为人们冬季供暖、夏季制冷提供便利条件;对于东北三省温度相对较低的区域，该系统对于处理空气源热泵结霜的问题存在行之有效的方法。

其次，规模效应。从整体方面来看，太阳能跨季节蓄热的首次使用需要投入大量资金，尽量扩大使用规模，从而可以减少单位供暖面积的首次投资。通过大规模使用太阳能跨季节蓄热技术，能够促进有关制造行业的稳定发展，提升制造业的核心竞争力，能够减少有关设备与材料的生产成本，从而减少太阳能跨季节蓄热技术的首次投资。

参考文献

[1] 左春帅，樊海鹰，王恩宇.太阳能跨季节储热供热系统性能研究[J].华电技术，2020，42（11）：44-50.

[2] 王树怀，张伟，高警卫，等.太阳跨季节土壤蓄热系统的研究分析[J].中国太阳能工程，2019（3）： 24-26.

[3] 刘杰，万鹏，王亚妮，等.太阳能-空气源热泵联合供暖系统的应用分析[J].区域供热，2019（6）：121-129.

[4] 唐军. 直通式真空管太阳能热泵联合干燥装置设计及性能研究[D]. 广州：广东工业大学，2020.

[5] 张世超. 太阳能—空气源热泵双热源联合干燥系统枸杞干燥研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.

[6] 顾祥红，彭齐鑫.太阳能集热器和空气源热泵联合供暖的研究现状[J].大连大学学报，2020，41（3）：24-27.

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