太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

趙應(yīng)昱

（中鐵華鐵工程設(shè)計(jì)集團(tuán)，北京100070）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)東北、華北等地區(qū)深受霧霾困擾，嚴(yán)重威脅到國(guó)民的身體健康和生活水平。相關(guān)研究表明，燃煤采暖是造成大氣污染的重要原因之一，急需大力推廣清潔供暖技術(shù)?，F(xiàn)采用“以氣代煤”和“以電代煤”等清潔能源可快速實(shí)現(xiàn)燃煤替代，但能耗和運(yùn)行成本較高，“以氣代煤”還存在氣源可靠性問(wèn)題，故需因地制宜，多種供暖方式并舉[1]，進(jìn)一步發(fā)展低能耗、低成本、高可靠性、可替代傳統(tǒng)燃煤的清潔能源供暖技術(shù)，其中，太陽(yáng)能供暖是極具前景并被廣泛研究和應(yīng)用的技術(shù)之一。國(guó)家能源局《太陽(yáng)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求因地制宜推廣太陽(yáng)能供暖，積極推進(jìn)太陽(yáng)能與常規(guī)能源融合，采取集中式與分布式結(jié)合的方式進(jìn)行建筑供暖，推進(jìn)工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域太陽(yáng)能供暖。然而，對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)，太陽(yáng)能供暖存在供給和需求之間的時(shí)空分布矛盾問(wèn)題[2]。太陽(yáng)輻射度存在季節(jié)性不均，即夏季過(guò)剩，冬季不足的問(wèn)題，因冬季輻射弱，用太陽(yáng)能直接供暖保證率很低。為了克服這一矛盾，具有“夏蓄冬用”特點(diǎn)的太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)引起人們廣泛關(guān)注，該系統(tǒng)可將春、夏、秋三個(gè)季節(jié)的太陽(yáng)能熱量?jī)?chǔ)存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，實(shí)現(xiàn)低能耗無(wú)煤化清潔供暖。當(dāng)前，太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)在我國(guó)還處于發(fā)展階段。[3]故此，本文擬從介紹太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的分類(lèi)、工作原理及特點(diǎn)出發(fā)，回顧太陽(yáng)能跨季節(jié)突然蓄熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步分析該技術(shù)當(dāng)前主要存在的問(wèn)題，并提出可能的解決思路，探討發(fā)展前景，以供相關(guān)行業(yè)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員或決策者參考。

2 太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱分類(lèi)、原理及特點(diǎn)

廣泛查閱文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有的儲(chǔ)熱方式總體上可以分為顯熱蓄熱、相變蓄熱和化學(xué)蓄熱。其中，適用于太陽(yáng)能蓄熱的蓄熱方式主要有以下5種：水箱蓄熱、地下水池蓄熱、土壤蓄熱、卵石-水蓄熱及相變蓄熱。如表1所示，依據(jù)《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范（GB50495-2009）》，對(duì)于太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱，地下水池和土壤蓄熱最具可行性和推廣價(jià)值。[4]故此，本文只對(duì)這兩種跨季節(jié)蓄熱方式做詳細(xì)介紹。

表1 太陽(yáng)能蓄熱方式選用表

2.1 太陽(yáng)能跨季節(jié)水池蓄熱

圖1給出了“太陽(yáng)能跨季節(jié)水池蓄熱供暖系統(tǒng)”的基本原理圖，該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)、跨季節(jié)水池蓄熱子系統(tǒng)和供暖子系統(tǒng)等3部分組成。該系統(tǒng)在夏、春、秋等非供暖季節(jié)，通過(guò)循環(huán)水回路把蓄水池表層的水泵送至太陽(yáng)能集熱器加熱后，以顯熱的方式存儲(chǔ)至蓄熱池底層；在供暖季節(jié)，則通過(guò)另外一套水循環(huán)，將蓄水池底部的溫度較高的熱水送至建筑末端實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)供暖。在技術(shù)方面，水池中水溫有明顯分層現(xiàn)象，進(jìn)出水口的空間布局對(duì)溫度分層有重要影響；水池周?chē)绊敳康谋睾头缆┧璧慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料開(kāi)發(fā)，是水池式蓄熱的核心技術(shù)。在可行性方面，蓄水池修改的初投資較高，同時(shí)，還需要占用大面積的土地資源，適合于地廣人稀的地區(qū)用于區(qū)域集中供暖[6]。目前，該水池式蓄熱供暖在歐洲丹麥、德國(guó)等國(guó)家取得了非常好的應(yīng)用。

圖1 太陽(yáng)能跨季節(jié)水池蓄熱供暖系統(tǒng)

2.2 太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱

圖2給出了“太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱供暖系統(tǒng)”的基本原理圖，類(lèi)似的，該系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)、跨季節(jié)土壤蓄熱子系統(tǒng)和熱泵供暖子系統(tǒng)3部分組成。土壤蓄熱通常以120m以上的淺層土壤作為蓄熱體，通過(guò)打井埋設(shè)地埋管換熱管，在管內(nèi)走循環(huán)水由管壁導(dǎo)熱對(duì)土壤進(jìn)行加熱或冷卻，從而實(shí)現(xiàn)蓄熱和取熱。與水池式蓄熱相比，土壤蓄熱溫度相對(duì)要低，故此在供熱時(shí)需要熱泵提高供水溫度以達(dá)到末端供暖需要；土壤蓄熱可以根據(jù)末端熱負(fù)荷改變打井的數(shù)目和深度，因而可大可小，既可用于區(qū)域集中供暖，也可用于分布式供暖[7]。此外，由于土壤溫度相對(duì)穩(wěn)定約15～20℃，在夏熱冬冷地區(qū)，還可以兼顧夏天室內(nèi)制冷需求。土壤蓄熱具有蓄熱材料便宜、蓄熱潛能大、熱損失較小、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，在技術(shù)方面，地下土壤溫度的長(zhǎng)期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和熱平衡控制是需要進(jìn)一步研究的重要內(nèi)容；在工程方面，需大幅度降低打井安裝地埋管系統(tǒng)所需的成本。

圖2 太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱供暖系統(tǒng)

3 太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)研究現(xiàn)狀

以太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱為代表的清潔供暖技術(shù)的發(fā)展，與國(guó)家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度、生活水平、地理?xiàng)l件，以及不同時(shí)期人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程等因素相關(guān)。從總體上看，無(wú)論選用哪種方式進(jìn)行蓄熱，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式、減小儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱損失、提高蓄熱效率、降低蓄熱供暖成本等方面是研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在全球范圍來(lái)看，北美和北歐發(fā)達(dá)國(guó)家較早開(kāi)展了太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖相關(guān)研究，并開(kāi)展了工程實(shí)踐。早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的Penrod就首次提出了將太陽(yáng)能集熱器與地埋管換熱器組合的技術(shù)設(shè)想。[9]到20世紀(jì)70年代后半期歐洲也開(kāi)始了對(duì)太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)的研究，并用于供暖系統(tǒng)取得了一定的成果。1979年起太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱已成為國(guó)際共同研究的課題，并在國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的大力支持下跨季節(jié)蓄熱的研究取得了較大的進(jìn)展。近年來(lái)，歐美等國(guó)家建立了許多太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和示范工程，其供暖量占總熱需求量的比例已達(dá)到40%以上，最具代表性的國(guó)家是北歐的丹麥和北美的加拿大。丹麥?zhǔn)侨蜃钤缡褂锰?yáng)能蓄熱實(shí)現(xiàn)區(qū)域供暖的國(guó)家，主要采用水池蓄熱，其設(shè)計(jì)建造的蓄熱系統(tǒng)生產(chǎn)成本也達(dá)到較低的水平，消耗3～4 kWh電能即可產(chǎn)生1 MWh的熱量。[11]經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，丹麥地區(qū)多數(shù)供熱系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度智能化，系統(tǒng)運(yùn)行基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，后期維護(hù)成本低，維護(hù)工作量小。加拿大Drake Landing社區(qū)采用了土壤蓄熱方式，共有44口儲(chǔ)熱井，埋管深度37m，采用防水膜、砂子及黏土組成隔熱層，夏末土壤最高溫度可達(dá)80℃，系統(tǒng)總體節(jié)能效果顯著。瑞典的Anneberg建有50個(gè)住宅單元的太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)，配備2400m2太陽(yáng)能集熱器，100口儲(chǔ)熱井，井內(nèi)埋設(shè)雙U型地埋管換熱器，埋管深度65m，該系統(tǒng)運(yùn)行兩年，達(dá)到了預(yù)期效果。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖主要采用與地源熱泵相結(jié)合的方式，從而在提高供熱效率的同時(shí)，可兼顧提高土地資源利用率。在實(shí)驗(yàn)研究方面，北京工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)、東南大學(xué)等高校，先后建立了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或示范工程進(jìn)行研究。北京工業(yè)大學(xué)馬重芳課題組針對(duì)供暖面積為50m2的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建成了小型太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)，并進(jìn)行了為期6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明這一太陽(yáng)能供暖技術(shù)方案具有可行性。天津大學(xué)在天津梅江小區(qū)搭建了跨季節(jié)土壤蓄熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為某一建筑的室內(nèi)泳池提供能量，地下蓄熱系統(tǒng)包括8口儲(chǔ)熱井，井間距 5m，井深 100 m，內(nèi)埋雙U型地埋管換熱器，向地下蓄熱的溫度設(shè)計(jì)為50℃，實(shí)驗(yàn)表明在天津地區(qū)實(shí)施跨季節(jié)蓄熱供暖具有實(shí)際可行性。清華大學(xué)在內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市啟動(dòng)了大型跨季節(jié)蓄熱式太陽(yáng)能—工業(yè)廢熱集中供暖系統(tǒng)示范項(xiàng)目，包含469處80m深的鉆孔，鉆孔中安裝了單U型地埋管換熱器，該系統(tǒng)無(wú)需化石燃料作為輔助加熱源，地下蓄熱體體積高達(dá)50萬(wàn)m3，熱存儲(chǔ)效率為90%。

為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和精確預(yù)測(cè)多年運(yùn)行性能，研究者在理論模型和數(shù)值模擬方面也開(kāi)展了大量工作。華北電力大學(xué)孫東亮等人利用相似性原理物理性縮小水箱蓄熱模型，考慮水箱內(nèi)液體流動(dòng)和溫度分層并通過(guò)數(shù)值模擬研究了在花崗巖型和沙子型兩種不同土壤中水箱埋入深度對(duì)系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率的影響，得出了在花崗巖型土壤中，太陽(yáng)能保證率隨埋入深度的增加而增加。在沙子型土壤中埋深對(duì)太陽(yáng)能保證率影響不大。河北工業(yè)大學(xué)提出了地埋管換熱器的三維軸向壓縮傳熱模型，該模型將地埋管軸向進(jìn)行壓縮，而徑向不做任何改變，從而解決了地埋管軸向徑向尺度比過(guò)大造成的網(wǎng)格長(zhǎng)寬比過(guò)高這一問(wèn)題，降低了數(shù)值模擬誤差。隨后，河北工業(yè)大學(xué)又提出了三維軸向壓縮分層傳熱模型，該模型更加貼近土壤具有水平分層這一實(shí)際特點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)三維軸向分層壓縮傳熱模型相較于其他傳熱模型實(shí)時(shí)跟蹤性強(qiáng)，與溫度實(shí)驗(yàn)值相比，相對(duì)誤差小。

近年來(lái)，在國(guó)際化戰(zhàn)略的指引下，引進(jìn)、整合國(guó)外先進(jìn)技術(shù)也成為技術(shù)發(fā)展重要技術(shù)路線(xiàn)之一。2016年，日出東方與丹麥Arcon-Sunmark（阿康-桑馬克）公司成立合資公司，共同致力于太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱采暖技術(shù)在中國(guó)城市的應(yīng)用及推廣。

4 太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)發(fā)展展望

地源熱泵存在土地溫度影響熱泵效率的難題，以及2017年底采暖季天然氣“氣荒”等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，都為太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖發(fā)展帶來(lái)了良好的發(fā)展契機(jī)。當(dāng)前，太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖最突出的優(yōu)勢(shì)是運(yùn)行費(fèi)用非常低，而限制其大范圍推廣、大規(guī)模應(yīng)用的主要問(wèn)題則是初投資相對(duì)偏高。對(duì)此，除了國(guó)家政策扶持或鼓勵(lì)外，還可從以下3個(gè)方面著手來(lái)提高該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。

第一，因地制宜。我國(guó)幅員遼闊，東部人口眾多土地資源緊缺，而西部地區(qū)地廣人?。蛔钅虾妥畋钡貐^(qū)氣候差異也非常顯著。因地制宜始終是我國(guó)可再能能源開(kāi)發(fā)的基本原則。從目前看來(lái)，我國(guó)西部地區(qū)，如西藏、新疆、青海等地區(qū)，適合于發(fā)展太陽(yáng)能跨季節(jié)水池蓄熱進(jìn)行區(qū)域供暖；而東部地區(qū)，特別是夏冬冷的省份，特別適合于將太陽(yáng)能和土壤源熱泵相結(jié)合，推廣太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤蓄熱實(shí)現(xiàn)冬季供暖，夏季制冷；對(duì)于東北等極寒地區(qū)，太陽(yáng)能跨季節(jié)土壤源熱泵供暖，可有效克服空氣源熱泵結(jié)霜的問(wèn)題。

第二，規(guī)模效應(yīng)。總體上太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱的初投資成本較高，盡可能擴(kuò)大規(guī)模，將有效降低單位供暖面積的初投資。現(xiàn)已有學(xué)者分析出在區(qū)域供熱中用戶(hù)數(shù)量的增加有利于降低初投資和運(yùn)行費(fèi)用。與此同時(shí)，大規(guī)模應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)相關(guān)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展，有望大幅度降低相關(guān)設(shè)備和材料的生產(chǎn)制造成本，從市場(chǎng)的角度出發(fā)使初投資進(jìn)一步降低。

第三，技術(shù)進(jìn)步。太陽(yáng)能跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)主要體現(xiàn)在兩個(gè)層面，一是在設(shè)備和材料層面，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、性能更加優(yōu)異的設(shè)備或材料，如水池式蓄熱所需的防水膜材料，土壤式蓄熱所需的低成本高換熱性能的地埋管材料等等。二是在系統(tǒng)層面，基于精準(zhǔn)物理模型、先進(jìn)算法、智能控制、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)和方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和智能控制，實(shí)現(xiàn)低成本建造和超低能耗高效運(yùn)行。