太陽能跨季節地下儲熱技術

摘 要

摘要：介紹了發展太陽能地下儲熱技術的必要性及國內外太陽能地下儲熱技術的發展現狀。結合某太陽能地下混凝土儲熱實驗系統，探討了適用于太陽能地下儲熱系統的傳熱模型。關鍵詞
摘要：介紹了發展太陽能地下儲熱技術的必要性及國內外太陽能地下儲熱技術的發展現狀。結合某太陽能地下混凝土儲熱實驗系統，探討了適用于太陽能地下儲熱系統的傳熱模型。
關鍵詞：太陽能儲熱；跨季節儲熱；地埋管換熱器；地下混凝土儲熱；傳熱模型
Cross-seasonal Underground Storage Technologies of Solar Energy
HUANG Sheng-hui，ZHAO Da-jun，MA Yin-long
Abstract：The necessity for developing underground storage technologies of solar energy as well as the present development status of underground storage technologies of solar energy at home and abroad are introduced. Combined with a test system for underground concrete storage of solar energy，the heat transfer model suitable for underground storage system of solar energy is discussed.
Key words：solar energy heat storage；cross-seasonal heat storage；buried tube heat exchanger；underground concrete heat storage；heat transfer model
1 發展太陽能儲熱技術的必要性
   目前，全世界建筑能耗約占能源總消費量的30%，其中居住建筑能耗約為公共建筑的2倍。我國北方城鎮僅供暖能耗就占全國建筑總能耗的36%，是建筑能耗的最大組成部分[1]。因此，采用綠色替代能源作為建筑物供暖的主要能源將是實現減排目標的重要措施之一。太陽能作為一種可再生綠色能源，具有如下顯著的優勢[2]：儲量巨大，我國每年地表吸收的太陽能折合17×1012t標準煤。存在的普遍性，太陽能對于地球上絕大多數地區具有存在的普遍性，可就地取用。利用的清潔性，太陽能屬于潔凈可再生能源，其開發利用幾乎不產生二次污染。但太陽輻射存在能量密度低、隨機性大、間歇性大、輻射強度不規則的缺點。因此，太陽能的高效利用應結合儲熱技術實現削峰填谷。
2 國內外太陽能地下儲熱技術的發展現狀
   供暖、空調和熱水供應系統采用的儲熱方法主要有[3]：顯熱儲熱、潛熱儲熱、熱化學儲熱。根據熱量儲存的時間又可分為：隨時儲存、短期儲存、長期儲存。地下儲熱是儲熱技術的一種，其優勢是地下廣闊的空間及天然的儲熱介質，主要分為含水層儲熱、地下土壤和巖石儲熱。
   ① 含水層儲熱
   我國于20世紀60年代初出現了冬灌夏用、夏灌冬用的地下水儲熱技術。到20世紀80年代初，該技術已在全國20多座城市推廣[4]，全國擁有儲冷井500余口，冬季回灌量達到30×106m3；儲熱井150余口，夏季回灌量達到5.5×105m3。
    國外利用含水層儲熱的思想在1973年被提出，隨之達到了一個含水層儲熱技術研究的高潮。由于利用地下水體儲熱需要特定的地質條件，因此其應用受到很大的限制，一些國家試圖采用地下人工水槽儲熱。瑞典在烏普薩拉市附近的居民區地下巖石中建造了一個環狀地下太陽能儲熱器，容積為105m3，距離地表30m，儲熱器不設絕熱層。儲熱器底部水溫為40℃，可供550幢住宅供暖，供熱量的60%來自太陽能，從3月到9月為儲熱期，10月到次年的2月采用壓縮式熱泵供暖[5]。
   ② 地下土壤和巖石儲熱
   近年來，國內對太陽能-土壤源熱泵聯合供暖技術開展了研究和應用：東南大學對太陽能-土壤源熱泵聯合交替的供暖模式進行了研究[6]，山東建工學院對太陽能-土壤源熱泵供暖的經濟性進行了分析[7]，哈爾濱工業大學、天津大學等對太陽能-土壤源熱泵系統也進行了大量研究[8]。
    瑞典的Anneberg區域建有50個住宅單元的半太陽能供暖系統，建有2400m2太陽能集熱器，并配備輔助電加熱系統。太陽能地下儲熱器為6000m3的鉆有100個深達65m孔的結晶質巖石，鉆孔內埋設雙U形管地埋管換熱器。雖然太陽能集熱器工作狀態良好，但地下儲熱器的儲熱能力較低。據估算，初期儲存的熱量中有40%將流失，經過3～5年，將有70%的熱量流失。雖然不像預期那樣高效，但整個系統的運行基本符合設計要求[9]。
    ③ 太陽能地下儲熱技術的現狀
    采用地下儲熱器長期儲存太陽能，并結合熱泵供暖，是一項非常節能的供暖方式，其經濟性優于常用的一些供暖方式，被認為是跨季度長期儲熱的最有前途的方案之一，正日益受到世界各國的重視。
    但是，目前采用的含水層儲熱技術(地下人工水槽儲熱)、地下土壤和巖石儲熱方法，大部分未進行地下絕熱和防滲處理，存在熱量損失嚴重、儲熱效率低、造價高以及應用受地下條件限制等問題。太陽能集熱器大多采用固定平板式集熱器，高溫集熱效率低，也是影響該技術推廣的原因之一。目前的太陽能-土壤源熱泵聯合供暖技術屬于一種短期、低溫的太陽能儲熱技術，其目的是為了輔助熱泵供暖，因此不屬于跨季節長期儲存太陽能這種高效利用太陽能的技術。
3 太陽能地下儲熱系統傳熱模型
3.1 研究對象
    吉林大學設立了“太陽能地下混凝土儲熱技術的實驗研究”項目，對采用混凝土進行太陽能跨季節地下儲熱進行了大量前期實驗及理論研究。太陽能地下混凝土儲熱實驗平臺見圖1。
 

3.2 傳熱模型的適用性分析
    近年來，土壤源熱泵技術在我國得到了廣泛應用，地埋管換熱器理論基礎也日臻完善。太陽能地下混凝土儲熱系統也采用豎直地埋管換熱器，因此我們可借鑒成熟的土壤源熱泵技術中的豎直地埋管換熱器的傳熱分析理論。不同于土壤源熱泵系統的是地下混凝土儲熱系統有良好的絕熱與防滲性能，因此地質條件(如地下水等)對地下儲熱器傳熱的影響不大。
3.3 地埋管換熱器建模方法
   ① 工程設計用半經驗公式
   以熱阻概念為基礎的半經驗性設計計算式，主要用來根據實際冷熱負荷估算地埋管換熱器所需埋管長度[10]。這類方法以國際地源熱泵學會(International Ground Source Heat Pump Association，IGSHPA)推薦的方法為代表，GB 50366—2005《地源熱泵系統工程技術規范》就參考了該方法[11]。
   ② 基于離散化數值計算建模
   由于地埋管換熱器傳熱存在空間范圍大、幾何配置復雜、負荷隨時間變化、時間跨度長等特點，若按三維非穩態導熱問題進行數值計算，將耗費大量時間。因此，該方法一般不用于實際工程問題，但對定性地了解傳熱過程及研究若干參數對地埋管換熱器性能的影響起重要的作用。
    ③ 基于疊加原理的建模方法
Eskilson[12]和Hellstrom[13]提出了與上述兩種方法不同的基于疊加原理的建模方法——g函數方法。利用解析法和數值法混合求解，較精確地描述單個鉆孔在恒定熱流條件下的溫度響應，再利用疊加原理得到多個鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負荷作用下的實際溫度響應。這種方法采用的簡化假定少，可考慮地埋管換熱器復雜的幾何配置及負荷隨時間的變化，并避免了復雜的數值計算，可直接應用于工程設計計算和建筑能耗分析。因此，基于疊加原理的建模方法是適于地埋管換熱器傳熱分析的最佳方法。
3.4 適用于地下混凝土儲熱系統的傳熱模型
一般而言，合理的土壤源熱泵地埋管換熱器傳熱模型的建立思路為：以鉆孔壁為界，把計算范圍內的區域劃分為孔外和孔內兩部分，分別采用不同的簡化假定分析：①孔外部分巖土的蓄放熱是主要因素，應采用瞬態傳熱模型。且U形管的埋深遠大于鉆孔直徑，因此埋管可簡化為線熱源。在巖土熱物性均勻且恒定的前提下，可得到孔壁溫度隨時間變化的解析表達式。②孔內物質與孔外的巖土體相比溫度變化緩慢，因此可以忽略孔內物質熱容量的影響，把孔內傳熱簡化為穩態傳熱問題。將孔壁的溫度加上由于孔內熱阻引起的溫差，可以得到傳熱介質進出口溫度隨時間的變化。
太陽能混凝土儲熱系統的目的是儲熱與放熱，因此必須采用非穩態的傳熱模型。我們可以借鑒土壤源熱泵鉆孔外的非穩態傳熱分析模型，由于太陽能混凝土儲熱系統埋管深度及模型的分析半徑都遠大于管徑，因此可將埋管看成是一個線熱源或線熱匯。可用的傳熱模型有[14]：一維Kelvin線熱源模型、一維圓柱孔傳熱模型、有限長線熱源模型。
4 結論
① 傳統的地下儲熱技術存在熱量損失嚴重、儲熱效率低、受地下條件限制等問題。而利用地下儲熱器跨季節長期儲存太陽能，并結合熱泵供暖的方法，由于太陽能的高效利用、良好的防滲絕熱措施等優點，被認為是跨季節長期儲存太陽能最有前景的方案之一。
② 根據太陽能地下混凝土儲熱系統的特點，可借鑒土壤源熱泵地埋管換熱器的傳熱建模方法建立非穩態的儲熱系統傳熱模型。
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[13] HELLSTROM G. Ground heat storage thermal analysis of duct storage systems(PhD Thesis)[D].Lund：University of Lund，1991.
[14] 袁艷平，雷波，余南陽，等.地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究(1)：綜述[J].暖通空調，2008，(4)：25-32.
 
(本文作者：黃晟輝 趙大軍 馬銀龍 吉林大學 建設工程學院 吉林長春 130026)