太陽(yáng)能跨季節(jié)地下儲(chǔ)熱技術(shù)

摘 要

摘要：介紹了發(fā)展太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的必要性及國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)合某太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探討了適用于太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱模型。關(guān)鍵詞
摘要：介紹了發(fā)展太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的必要性及國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)合某太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探討了適用于太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)的傳熱模型。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能儲(chǔ)熱；跨季節(jié)儲(chǔ)熱；地埋管換熱器；地下混凝土儲(chǔ)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(fā)展太陽(yáng)能儲(chǔ)熱技術(shù)的必要性
   目前，全世界建筑能耗約占能源總消費(fèi)量的30%，其中居住建筑能耗約為公共建筑的2倍。我國(guó)北方城鎮(zhèn)僅供暖能耗就占全國(guó)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(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)的重要措施之一。太陽(yáng)能作為一種可再生綠色能源，具有如下顯著的優(yōu)勢(shì)[2]：儲(chǔ)量巨大，我國(guó)每年地表吸收的太陽(yáng)能折合17×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤。存在的普遍性，太陽(yáng)能對(duì)于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。利用的清潔性，太陽(yáng)能屬于潔凈可再生能源，其開(kāi)發(fā)利用幾乎不產(chǎn)生二次污染。但太陽(yáng)輻射存在能量密度低、隨機(jī)性大、間歇性大、輻射強(qiáng)度不規(guī)則的缺點(diǎn)。因此，太陽(yáng)能的高效利用應(yīng)結(jié)合儲(chǔ)熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)削峰填谷。
2 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
   供暖、空調(diào)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用的儲(chǔ)熱方法主要有[3]：顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱、熱化學(xué)儲(chǔ)熱。根據(jù)熱量?jī)?chǔ)存的時(shí)間又可分為：隨時(shí)儲(chǔ)存、短期儲(chǔ)存、長(zhǎng)期儲(chǔ)存。地下儲(chǔ)熱是儲(chǔ)熱技術(shù)的一種，其優(yōu)勢(shì)是地下廣闊的空間及天然的儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要分為含水層儲(chǔ)熱、地下土壤和巖石儲(chǔ)熱。
   ① 含水層儲(chǔ)熱
   我國(guó)于20世紀(jì)60年代初出現(xiàn)了冬灌夏用、夏灌冬用的地下水儲(chǔ)熱技術(shù)。到20世紀(jì)80年代初，該技術(shù)已在全國(guó)20多座城市推廣[4]，全國(guó)擁有儲(chǔ)冷井500余口，冬季回灌量達(dá)到30×106m3；儲(chǔ)熱井150余口，夏季回灌量達(dá)到5.5×105m3。
    國(guó)外利用含水層儲(chǔ)熱的思想在1973年被提出，隨之達(dá)到了一個(gè)含水層儲(chǔ)熱技術(shù)研究的高潮。由于利用地下水體儲(chǔ)熱需要特定的地質(zhì)條件，因此其應(yīng)用受到很大的限制，一些國(guó)家試圖采用地下人工水槽儲(chǔ)熱。瑞典在烏普薩拉市附近的居民區(qū)地下巖石中建造了一個(gè)環(huán)狀地下太陽(yáng)能儲(chǔ)熱器，容積為105m3，距離地表30m，儲(chǔ)熱器不設(shè)絕熱層。儲(chǔ)熱器底部水溫為40℃，可供550幢住宅供暖，供熱量的60%來(lái)自太陽(yáng)能，從3月到9月為儲(chǔ)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(chǔ)熱
   近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖技術(shù)開(kāi)展了研究和應(yīng)用：東南大學(xué)對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵聯(lián)合交替的供暖模式進(jìn)行了研究[6]，山東建工學(xué)院對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵供暖的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析[7]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等對(duì)太陽(yáng)能-土壤源熱泵系統(tǒng)也進(jìn)行了大量研究[8]。
    瑞典的Anneberg區(qū)域建有50個(gè)住宅單元的半太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，建有2400m2太陽(yáng)能集熱器，并配備輔助電加熱系統(tǒng)。太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱器為6000m3的鉆有100個(gè)深達(dá)65m孔的結(jié)晶質(zhì)巖石，鉆孔內(nèi)埋設(shè)雙U形管地埋管換熱器。雖然太陽(yáng)能集熱器工作狀態(tài)良好，但地下儲(chǔ)熱器的儲(chǔ)熱能力較低。據(jù)估算，初期儲(chǔ)存的熱量中有40%將流失，經(jīng)過(guò)3～5年，將有70%的熱量流失。雖然不像預(yù)期那樣高效，但整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行基本符合設(shè)計(jì)要求[9]。
    ③ 太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱技術(shù)的現(xiàn)狀
    采用地下儲(chǔ)熱器長(zhǎng)期儲(chǔ)存太陽(yáng)能，并結(jié)合熱泵供暖，是一項(xiàng)非常節(jié)能的供暖方式，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于常用的一些供暖方式，被認(rèn)為是跨季度長(zhǎng)期儲(chǔ)熱的最有前途的方案之一，正日益受到世界各國(guó)的重視。
    但是，目前采用的含水層儲(chǔ)熱技術(shù)(地下人工水槽儲(chǔ)熱)、地下土壤和巖石儲(chǔ)熱方法，大部分未進(jìn)行地下絕熱和防滲處理，存在熱量損失嚴(yán)重、儲(chǔ)熱效率低、造價(jià)高以及應(yīng)用受地下條件限制等問(wèn)題。太陽(yáng)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(shù)推廣的原因之一。目前的太陽(yáng)能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖技術(shù)屬于一種短期、低溫的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱技術(shù)，其目的是為了輔助熱泵供暖，因此不屬于跨季節(jié)長(zhǎng)期儲(chǔ)存太陽(yáng)能這種高效利用太陽(yáng)能的技術(shù)。
3 太陽(yáng)能地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)傳熱模型
3.1 研究對(duì)象
    吉林大學(xué)設(shè)立了“太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究”項(xiàng)目，對(duì)采用混凝土進(jìn)行太陽(yáng)能跨季節(jié)地下儲(chǔ)熱進(jìn)行了大量前期實(shí)驗(yàn)及理論研究。太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖1。
 

3.2 傳熱模型的適用性分析
    近年來(lái)，土壤源熱泵技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，地埋管換熱器理論基礎(chǔ)也日臻完善。太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的是地下混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)有良好的絕熱與防滲性能，因此地質(zhì)條件(如地下水等)對(duì)地下儲(chǔ)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(shè)計(jì)用半經(jīng)驗(yàn)公式
   以熱阻概念為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)計(jì)算式，主要用來(lái)根據(jù)實(shí)際冷熱負(fù)荷估算地埋管換熱器所需埋管長(zhǎng)度[10]。這類(lèi)方法以國(guó)際地源熱泵學(xué)會(huì)(International Ground Source Heat Pump Association，IGSHPA)推薦的方法為代表，GB 50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》就參考了該方法[11]。
   ② 基于離散化數(shù)值計(jì)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(fù)雜、負(fù)荷隨時(shí)間變化、時(shí)間跨度長(zhǎng)等特點(diǎn)，若按三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將耗費(fèi)大量時(shí)間。因此，該方法一般不用于實(shí)際工程問(wèn)題，但對(duì)定性地了解傳熱過(guò)程及研究若干參數(shù)對(duì)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(shù)方法。利用解析法和數(shù)值法混合求解，較精確地描述單個(gè)鉆孔在恒定熱流條件下的溫度響應(yīng)，再利用疊加原理得到多個(gè)鉆孔組成的地埋管換熱器在變化負(fù)荷作用下的實(shí)際溫度響應(yīng)。這種方法采用的簡(jiǎn)化假定少，可考慮地埋管換熱器復(fù)雜的幾何配置及負(fù)荷隨時(shí)間的變化，并避免了復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，可直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)計(jì)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(chǔ)熱系統(tǒng)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(jì)算范圍內(nèi)的區(qū)域劃分為孔外和孔內(nèi)兩部分，分別采用不同的簡(jiǎn)化假定分析：①孔外部分巖土的蓄放熱是主要因素，應(yīng)采用瞬態(tài)傳熱模型。且U形管的埋深遠(yuǎn)大于鉆孔直徑，因此埋管可簡(jiǎn)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(shí)間變化的解析表達(dá)式。②孔內(nèi)物質(zhì)與孔外的巖土體相比溫度變化緩慢，因此可以忽略孔內(nèi)物質(zhì)熱容量的影響，把孔內(nèi)傳熱簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題。將孔壁的溫度加上由于孔內(nèi)熱阻引起的溫差，可以得到傳熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化。
太陽(yáng)能混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)的目的是儲(chǔ)熱與放熱，因此必須采用非穩(wěn)態(tài)的傳熱模型。我們可以借鑒土壤源熱泵鉆孔外的非穩(wěn)態(tài)傳熱分析模型，由于太陽(yáng)能混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)埋管深度及模型的分析半徑都遠(yuǎn)大于管徑，因此可將埋管看成是一個(gè)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(zhǎng)線熱源模型。
4 結(jié)論
① 傳統(tǒng)的地下儲(chǔ)熱技術(shù)存在熱量損失嚴(yán)重、儲(chǔ)熱效率低、受地下條件限制等問(wèn)題。而利用地下儲(chǔ)熱器跨季節(jié)長(zhǎng)期儲(chǔ)存太陽(yáng)能，并結(jié)合熱泵供暖的方法，由于太陽(yáng)能的高效利用、良好的防滲絕熱措施等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是跨季節(jié)長(zhǎng)期儲(chǔ)存太陽(yáng)能最有前景的方案之一。
② 根據(jù)太陽(yáng)能地下混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(wěn)態(tài)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)傳熱模型。
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(本文作者：黃晟輝 趙大軍 馬銀龍 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130026)