太阳能跨季节地下储热技术_黄晟辉

① 工程设计用半经验公式 以热阻概念为基础的半经验性设计计算式 , 主 要用来根据实际冷热负荷估算地埋管换热器所需埋 管长度[ 10] 。 这类方法以国际地源 热泵学会 (InternationalGroundSourceHeatPumpAssociation, IGSHPA)推荐的方法为代表 , GB50366— 2005《地源热泵 系统工程技术规范 》就参考了该方法[ 11] 。 ② 基于离散化数值计算建模 由于地埋管换热器传热存在空间范围大 、几何 配置复杂 、负荷随时间变化 、时间跨度长等特点 , 若 按三维非稳态导热问题进行数值计算 , 将耗费大量 时间 。因此 , 该方法一般不用于实际工程问题 , 但对 定性地了解传热过程及研究若干参数对地埋管换热 器性能的影响起重要的作用 。 ③ 基于叠加原理的建模方法 Eskilson[ 12] 和 Hellstrom[ 13] 提出 了与上 述两 种 方法不同的基于叠加原理的建模方法 ——— g函数方 法 。 利用解析法和数值法混合求解 , 较精确地描述
3.1 研究对象 吉林大学设立了 “太阳能地下混凝土储热技术
的实验研究 ”项目 , 对采用混凝土进行太阳能跨季 节地下储热进行了大量前期实验及理论研究 。 太阳 能地下混凝土储热实验平台见图 1。
图 1 太阳能地下混凝土储热实 验平台
3.2 传热模型的适用性分析 近年来 , 土壤源热泵技术在我国得到了广泛应
立非稳态的储热系统传热模型 。
参考文献 :
[ 1] 段正利 , 马有江 , 鲁 慧文 .采 暖节能 必须 采取 综合治 理措施 [ J] .节能技术 , 2008, (5):479 -481.
[ 2] 周刚 , 倪晓阳 , 李金 锋 .不受 地理位 置限 制的 地热和 太阳能联合发电系统 [ J] .地球科学 -中国地质大学 学报 , 2006, (3):395 -396.
[ 3] 赵伟 , 赵 大军 , 吴 晓寒 .太 阳能 地 下土 壤 储热 技术 [ J] .煤 气与热力 , 2007, 27(10):75 -76.
[ 4] 倪龙 , 荣莉 , 马最良 .含 水层 储能的 研究 历史 及未来 [ J] .建 筑热能通风空调 , 2007, (1):18 -24.
[ 5] 刘莉莎 .地下混 凝土储 热桩 实验台 的研 制及 储热温 度场的数值模拟 (硕士学位论文 )[ D] .吉林 :吉林大 学 , 2009.
[ 6] 杨卫波 .太阳能 -地源 热泵 系统的 理论 与实 验研究 (博士学位论文 )[ D] .南京 :东南大学 , 2007.
[ 7] 曲云霞 , 方肇洪 , 张林华 , 等 .太阳能辅助供 暖的地源 热泵经济性 分 析 [ J] .可再 生能 源 , 2003, (1):8 1 0.
① 含水层储热 我国于 20世纪 60年代初出现了冬灌夏用 、夏 灌冬用的地下水储热技术 。 到 20 世纪 80 年代初 , 该技术已在全国 20多座城市推广[ 4] , 全国拥有储冷 井 500余口 , 冬季回灌量达 到 30 ×106 m3;储热井 150余口 , 夏季回灌量达到 5.5 ×105 m3 。 国外利用含水层储热的思想在 1973年被提出 , 随之达到了一个含水层储热技术研究的高潮 。由于 利用地下水体储热需要特定的地质条件 , 因此其应 用受到很大的限制 , 一些国家试图采用地下人工水 槽储热 。 瑞典在乌普萨拉市附近的居民区地下岩石 中建造了一个环状地下太阳能 储热器 , 容积为 105
中图分类号 :TU995 文献标识码 :B 文章编号 :1000 -4416(2010)12 -0A29 -03
Cross-seasonalUndergroundStorageTechnologiesofSolarEnergy
HUANGSheng-hui 近年来 , 国内对太阳能 -土壤源热泵联合供暖 技术开展了研究和应用 :东南大学对太阳能 -土壤 源热泵联合交替的供暖模式进行了研究 [ 6] , 山东建 工学院对太阳能 -土壤源热泵供暖的经济性进行了 分析[ 7] , 哈尔滨工业大学 、天津大学等 对太阳能 土壤源热泵系统也进行了大量研究 [ 8] 。 瑞典的 Anneberg区域建有 50个住宅单元的半 太阳能供暖系统 , 建有 2 400 m2 太阳能集热器 , 并 配备辅助电加热系统 。 太阳能地下储热器为 6 000 m3 的钻有 100个深达 65 m孔的结晶质岩石 , 钻孔 内埋设双 U形管地埋管 换热器 。 虽然太阳能集热 器工作状态良好 , 但地 下储热器的储 热能力较低 。 据估算 , 初期储存的热量中有 40%将流失 , 经过 3 ～ 5年 , 将有 70%的热量流失 。 虽然不像预期那样高 效 , 但整个系统的运行基本符合设计要求 [ 9] 。
2 国内外太阳能地下储热技术的发展现状
供暖 、空调和热水供应系统采用的储热方法主
要有 [ 3] :显热储热 、潜热储热 、热化学储热 。 根据热 量储存的时间又可分为 :随时储存 、短期储存 、长期 储存 。地下储热是储热技术的一种 , 其优势是地下 广阔的空间及天然的储热介质 , 主要分为含水层储 热 、地下土壤和岩石储热 。
用 , 地埋管换热器理论基础也日臻完善 。太阳能地 下混凝土储热系统也采用竖直地埋管换热器 , 因此 我们可借鉴成熟的土壤源热泵技术中的竖直地埋管 换热器的传热分析理论 。不同于土壤源热泵系统的 是地下混凝土储热系统有良好的绝热与防渗性能 , 因此地质条件 (如地下水等 )对地下储热器传热的 影响不大 。 3.3 地埋管换热器建模方法
第 30卷 第 12期 2010年 12月
低碳经济与节能减排
煤气与热力
GAS＆ HEAT
Vol.30 No.12 Dec.2 010
太阳能跨季节地下储热技术
黄晟辉 , 赵大军 , 马银龙
(吉林大学 建设工程学院 , 吉林 长春 130026)
摘 要 : 介绍了发展太阳能地下储热技术的必要性及国内外太阳能地下储热技术的发展现 状 。结合某太阳能地下混凝土储热实验系统 , 探讨了适用于太阳能地下储热系统的传热模型 。 关键词 : 太阳能储热 ; 跨季节储热 ; 地埋管换热器 ; 地下混凝土储热 ; 传热模型
1 发展太阳能储热技术的必要性
目前, 全世界建筑能耗约占能源总消费量的 30%, 其中居住建筑能耗约为公共建筑的 2倍 。我 国北方城 镇 仅供 暖 能耗 就 占全 国 建筑 总 能 耗的 36%, 是建筑能耗的最 大组成部 分[ 1] 。 因此 , 采用
绿色替代能源作为建筑物供暖的主要能源将是实现 减排目标的重要措施之一 。太阳能作为一种可再生 绿色能源 , 具有如下显著的优势 [ 2] :储量巨大 , 我国 每年地表吸收的太阳能折合 17 ×1012 t标准煤 。存 在的普遍性 , 太阳能对于地球上绝大多数地区具有 存在的普遍性 , 可就地取用 。利用的清洁性 , 太阳能 属于洁净可再生能源 , 其开发利用几乎不产生二次 污染 。 但太阳辐射存在能量密度低 、随机性大 、间歇 性大 、辐射强度不规则的缺点 。 因此 , 太阳能的高效 利用应结合储热技术实现削峰填谷 。
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黄晟辉 , 等 :太阳能跨季节地下储热技 术
第 30卷 第 12期
单个钻孔在恒定热流条件下的温度响应 , 再利用叠 加原理得到多个钻孔组成的地埋管换热器在变化负 荷作用下的实际温度响应 。这种方法采用的简化假 定少 , 可考虑地埋管换热器复杂的几何配置及负荷 随时间的变化 , 并避免了复杂的数值计算 , 可直接应 用于工程设计计算和建筑能耗分析 。 因此 , 基于叠 加原理的建模方法是适于地埋管换热器传热分析的 最佳方法 。 3.4 适用于地下混凝土储热系统的传热模型
Abstract: Thenecessityfordevelopingundergroundstoragetechnologiesofsolarenergyaswellas thepresentdevelopmentstatusofundergroundstoragetechnologiesofsolarenergyathomeandabroadare binedwithatestsystemforundergroundconcretestorageofsolarenergy, theheattransfermodelsuitableforundergroundstoragesystemofsolarenergyisdiscussed. Keywords: solarenergyheatstorage; cross-seasonalheatstorage; buriedtubeheatexchanger; undergroundconcreteheatstorage; heattransfermodel
太阳能混凝土储热系统的目的是储热与放热 , 因此必须采用非稳态的传热模型 。我们可以借鉴土 壤源热泵钻孔外的非稳态传热分析模型 , 由于太阳
能混凝土储热系统埋管深度及模型的分析半径都远 大于管径 , 因此可将埋管看成是一个线热源或线热 汇 。可用的传热 模型有 [ 14] :一维 Kelvin线 热源模 型 、一维圆柱孔传热模型 、有限长线热源模型 。
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煤 气 与 热 力

m3 , 距离地表 30 m, 储热器不设绝热层 。储热器底 部水温为 40 ℃, 可供 550 幢住宅 供暖 , 供热 量的 60%来自太阳能 , 从 3 月到 9月为储热期 , 10月到 次年的 2月采用压缩式热泵供暖 [ 5] 。
4 结论
① 传统的地下储热技术存在热量损失严重 、 储热效率低 、受地下条件限制等问题 。 而利用地下 储热器跨季节长期储存太阳能 , 并结合热泵供暖的 方法 , 由于太阳能的高效利用 、良好的防渗绝热措施 等优点 , 被认为是跨季节长期储存太阳能最有前景 的方案之一 。
② 根据太阳能地下混凝土储热系统的特点 , 可借鉴土壤源热泵地埋管换热器的传热建模方法建